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U"liza"on of PostConsumer Recycled Asphalt Shingles (RAS) and Frac"onated RAP in HMA Andrew Cascione R. Christopher Williams Debra Haugen

Ulizaon)of)PostConsumer) … · Introduc"on)! Illinois)Tollway)Authority)undertaking)unprecedented) rehabilitaon/expansion)program))! Looking)to)new)technologies)to)solve)financial)

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U"liza"on  of  Post-­‐Consumer  Recycled  Asphalt  Shingles  (RAS)  and  Frac"onated  RAP  in  HMA  

Andrew  Cascione  R.  Christopher  Williams  

Debra  Haugen        

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Acknowledgements  

•  Illinois  Tollway  Authority-­‐  Steve  Gillen  •  Quigg  Engineering,  Inc.-­‐  Ross  Bentsen  •  EPA  Region  5-­‐  Julie  Gevrenov  •  Rock  Road  Companies-­‐  BreR  Williams  •  STATE  Tes"ng-­‐  Jay  Benhke  •  University  of  Illinois  U-­‐C-­‐  Bill  BuRlar  •  Iowa  DOT-­‐  ScoR  Schram  

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Introduc"on  

§  Illinois  Tollway  Authority  undertaking  unprecedented  rehabilita"on/expansion  program    

§  Looking  to  new  technologies  to  solve  financial  challenges  

§  Tollway  sponsored  2007  study  on  increasing  the  percentage  of  RAP  in  HMA  shoulders  (FRAP)  

§  New  2009  research  to  study  use  of  post-­‐consumer  RAS  in  HMA  shoulders  

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Illinois  Tollway  Authority,  Interstate  90  

§  Field  demonstra"on  conducted  in  July  2009  

§  Mixes  containing  RAS  and  FRAP  were  placed  in  the  shoulder  

§  Iowa  State  obtained  field  samples  for  laboratory  tes"ng  

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Objec"ves  

1.  Characterize  performance  of  HMA  with  RAS  and  varying  percentages  of  FRAP  

2.  Can  5%  RAS  replace  5%  FRAP  in  Tollway  mixtures  and  maintain  quality?  

3.  Performance  difference  between  laboratory  and  field  samples  

 

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Mix  Design  Experimental  Plan  

§  Base  mix  designed  at  lower  air  voids  to  reduce  permeability  

§  Binder  mix  designed  as  a  “rich  boRom  layer”  mix  

§  One  grade  bump  in  the  high  temperature  Performance  Grade    

Mix  Type  

NMAS  (mm)  

Design  Air  Voids   Ndes  

Performance  Grade  

Base   19.0   2   50   58-­‐22  

Binder   19.0   3   50   58-­‐22  

Surface   9.5   4   70   58-­‐22  

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Mix  Design  Experimental  Plan  

ID Mix  Type FRAP RAS

Experiment      ID

Field  Sample

Lab  Sample

1 Base 25 5 Experimental X X

2 Base 35 5 Experimental X X

3 Base 45 5 Experimental X X

4 Base 50 0 Control X

7 Surface 20 5 Experimental X X

8 Surface 25 0 Control X  

5 Binder 35 5 Experimental   X

6 Binder 40 0 Control X X

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Shoulder  Pavement  Cross-­‐Sec"on  

         

Standard  Shoulder  Surface  

 25%  FRAP  

RAS  Shoulder  Surface  5%  RAS  /  20%  FRAP  

Standard  Shoulder  Surface  

 25%  FRAP  

 

RAS  Subbase    

5%  RAS  /  25%  FRAP  

RAS  Subbase    

5%  RAS  /  35%  FRAP  

RAS  Subbase    

5%  RAS  /  45%  FRAP  

RAS  Shoulder  Binder  5%  RAS  /  35%  FRAP  

 

2”  

4”  

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Laboratory  Tes"ng  Plan  §  Binder  Characteriza"on  

§  Dynamic  Shear  Rheometer  -­‐  Rukng  §  Bending  Beam  Rheometer  -­‐  Thermal  Cracking  

§  Mixture  Characteriza"on  §  Dynamic  Modulus    -­‐  Rukng  §  Flow  Number      -­‐  Rukng  §  Tensile  Strength  Ra"o    -­‐  Freeze  Thaw  Damage  §  Flexural  Beam  Test    -­‐  Fa"gue  Life  §  Fracture  Energy*      -­‐  Thermal  Cracking  

 *By  University  of  Illinois  Urbana-­‐Champaign  

§  Master  Curves      -­‐  Viscoelas"c  Behavior  

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Field  Samples  

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Laboratory  Samples  §  Samples  Prepared  by  STATE  

Tes"ng  §  Aggregate  heated  to  325⁰F  §  RAP  heated  separately  un"l  

300⁰F  §  RAS  carefully  heated  but  no  

standard  protocol  §  Agg,  RAP,  and  RAS  added  to  

mixing  bucket  individually  §  No  curing  "me  §  Reheated  in  oven  for  4-­‐6  

hours  

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RAS  &  FRAP  Binder  Contribu"on  

R²  =  0.9883  

R²  =  0.98776  

0%  

10%  

20%  

30%  

40%  

50%  

60%  

70%  

80%  

90%  

100%  

0   10   20   30   40   50   60  

Percen

t  Binde

r  Rep

lacemen

t  

Percentage  of  Recycled  Materials  

Contains  5%  RAS  

Contains  0%  RAS  

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Field  Binders  -­‐  High  Temperature  Grades  

58   64   70   76   82   88   94  

50%  FRAP  /  0%  RAS  

45%  FRAP  /  5%  RAS  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

25%  FRAP  /  5%  RAS  

20%  FRAP  /  5%  RAS  

25%  FRAP  /  0%  RAS  

Performance  Grade  

Surface  

Surface  

Base  

Base  

Base  

Binder  

Binder  

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Lab  Binders  –  High  Temperature  Grades  

58   64   70   76   82   88   94   100   106   112  

45%  FRAP  /  5%  RAS  

40%  FRAP  /  0%  RAS  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

25%  FRAP  /  5%  RAS  

20%  FRAP  /  5%  RAS  

Performance  Grade  

Surface  

Base  

Binder  

Binder  

Base  

Base  

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Field  Binders  –  Low  Temperature  Grades  

-­‐28  -­‐22  -­‐16  -­‐10  -­‐4  2  

50%  FRAP  /  0%  RAS  

45%  FRAP  /  5%  RAS  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

25%  FRAP  /  5%  RAS  

20%  FRAP  /  5%  RAS  

25%  FRAP  /  0%  RAS  

Performance  Grade  

Surface  

Surface  

Base  

Base  

Base  

Binder  

Binder  

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Lab  Binders  –  Low  Temperature  Grades  

-­‐28  -­‐22  -­‐16  -­‐10  -­‐4  2  

45%  FRAP  /  5%  RAS  

40%  FRAP  /  0%  RAS  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

25%  FRAP  /  5%  RAS  

20%  FRAP  /  5%  RAS  

Performance  Grade  

Surface  

Base  

Binder  

Binder  

Base  

Base  

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Binder  Master  Curves  

§  Describes  Shear  Modulus  G*  as  a  func"on  of  temperature  and  rate  of  loading  

§  Frequency  Sweeps  in  linear  viscoelas"c  range  in  the  DSR  and  BBR  

§  Converted  Creep  S"ffness  to  Shear  Modulus  values    §  Frequency  curves  shired  horizontally  with  respect  to  28°C  

§  CAM  Model  used  to  construc"on  master  curves  

 

 

|#↑∗ (')|= #↓* [1+('↓, /' )↑. ]↑− 0/.    

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Master  Curve  Construc"on  

1E+02  

1E+03  

1E+04  

1E+05  

1E+06  

1E+07  

1E+08  

1E+09  

1E-­‐06  

1E-­‐05  

1E-­‐04  

1E-­‐03  

1E-­‐02  

1E-­‐01  

1E+00  

1E+01  

1E+02  

1E+03  

1E+04  

1E+05  

1E+06  

1E+07  

Complex  M

odulus,  G

*    (P

a)  

Frequency,    radians/second  

-­‐18°  C  -­‐12°  C  -­‐6°  C  0°  C  16°  C  28°  C  40°  C  46°  C  58°  C  64°  C  70°  C  76°  C  82°  C  

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Base  Course  Master  Curves  

1E+02  

1E+03  

1E+04  

1E+05  

1E+06  

1E+07  

1E+08  

1E+09  

1E-­‐06  

1E-­‐05  

1E-­‐04  

1E-­‐03  

1E-­‐02  

1E-­‐01  

1E+00  

1E+01  

1E+02  

1E+03  

1E+04  

1E+05  

1E+06  

1E+07  

Complex  M

odulus,  G

*    (P

a)  

Frequency,    radians/second  

25%  RAP,  5%  RAS  

35%  RAP,  5%  RAS  

45%  RAS,  5%  RAS  

50%  RAS,  0%  RAP  

25%  FRAP,  5%  RAS    

35%  FRAP,  5%  RAS    

45%  FRAP,  5%  RAS    

50%  FRAP,  0%  RAS    

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Surface  Course  

1E+02  

1E+03  

1E+04  

1E+05  

1E+06  

1E+07  

1E+08  

1E+09  

1E-­‐06  

1E-­‐05  

1E-­‐04  

1E-­‐03  

1E-­‐02  

1E-­‐01  

1E+00  

1E+01  

1E+02  

1E+03  

1E+04  

1E+05  

1E+06  

1E+07  

Complex  M

odulus,  G

*    (P

a)  

Frequency,    radians/second  

20%  RAP,  5%  RAS  

25%  RAP,  0%  RAS  

20%  FRAP,  5%  RAS    

25%  FRAP,  0%  RAS    

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Dynamic  Modulus,  E*  

§  Five  Replicate  Samples  §  4”  dia.  by  6”  height    §  Axial  Cyclical  Load  §  Constant  Strain  Mode  §  Strain  measured  with  three  LVDTs  

§  Nine  Frequencies  §  4,  21,  and  37°C  

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HMA  Mixture  Master  Curves  

§  Describes  Dynamic  Modulus  E*  as  a  func"on  of  temperature  and  rate  of  loading  

§  Used  for  Mechanis"c-­‐Empirical  Pavement  Designs  §  Frequency  curves  shired  horizontally  with  respect  to  21°C  

§  Sigmoidal  func"on  used  to  construc"on  master  curves  

 

 

Log|1↑∗ |=2+ 3/1+ 4↑5+6(78*9↓: )    

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Dynamic  Modulus  Master  Curve  

1.0.E+04  

1.0.E+05  

1.0.E+06  

1.0.E+07  

1.0.E+08  

1.E-­‐05   1.E-­‐03   1.E-­‐01   1.E+01   1.E+03   1.E+05   1.E+07  

|E*|,  kPa  

Frequency,  Hz  

37°C  at  Low  Freq  (  Rukng)  

21°C  at  Med  Freq  (fa"gue)  

4°C  at  High  Freq  (thermal  cracking)  

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What  effect  does  FRAP  have  on  the  Base  Mix?  

§  High  Temp/Low  Freq  E*  §  25  to  35%  is  Significant      

§  Low  Temp/High  Freq  E*  

§  No  Significant  Diff.  

     E*        

     E*        

%FRAP  

%FRAP  

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What  effect  does  RAS  have  on  the  Dynamic  Modulus?  

§  High  Temp/Low  Freq  E*  §  RAS  increases  E*  §  No  Significant  Diff.  

 

§  Med  Temp/Med  Freq  E*  §  Significant  but  no  trend  

§  Low  Temp/High  Freq  E*  §  RAS  decreases  E*  §  Significant  in  the  Base  

Course    

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Flow  Number  •  Uses  Dynamic  Modulus  

Samples  •  Test  Temperature  37⁰C  •  Constant  Stress  •  Cyclic  Repeated  load  •  0.1s  pulse  and  0.9s  rest  •  Measured  Accumulated  

Strain  arer  10,000  load  cycles  

•  Indica"on  of  Rukng  Resistance  

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Accumulated  Strain  in  Flow  Number  Test  

0.00  

0.50  

1.00  

1.50  

2.00  

5   5   5   0   5   5   0   5   5   5   5   0   5  

25   35   45   50   35   20   25   25   35   45   35   40   20  

Base   Base   Base   Base   Binder   Surface   Surface   Base   Base   Base   Binder   Binder   Surface  

Field   Field   Field   Field   Field   Field   Field   Lab   Lab   Lab   Lab   Lab   Lab  

%  strain  

p-­‐value  =  0.6462  

p-­‐value  =  0.0162*  

p-­‐value  =  0.0048*  

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Tensile  Strength  Ra"o  (TSR)  

0.76  

0.77  

0.78  

0.79  

0.80  

0.81  

0.82  

0.83  

0.84  

0.85  

25%  FRAP,  5%  RAS,  

base  course  

35%  FRAP,  5%  RAS,  

base  course  

45%  FRAP,  5%  RAS,  

base  course  

50%  FRAP,  0%  RAS,  

base  course  

35%  FRAP,  5%  RAS,  

binder  course  

20%  FRAP,  5%  RAS,  

surface  course  

25%  FRAP,  0%  RAS,  

surface  course  

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Beam  Fa"gue  •  Repeated  traffic  loading  •  Haversine  loading  at  10Hz  •  Linear  Kneading  Compactor  •  Six  beams  for  each  sample  

tested  at  a  different  constant  strain  level  

•  Test  Temperature  20⁰C  •  Test  is  complete  arer  a  50%  

reduc"on  in  flexural  s"ffness  

•  K2  indicates  damage  accumula"on  rate    

•  Above  3.5  is  acceptable  

;↓< ==1(1/>↓8  )↑=2   

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Base  Course  Mixes  

R²  =  0.80296  

R²  =  0.97158  

100  

1000  

1E+02   1E+03   1E+04   1E+05   1E+06   1E+07   1E+08  

%  m

icro  strain  

Load  Cycles  (N)  

45%  FRAP  /  5%  RAS  

50%  FRAP  /  0%  RAS  

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Binder  Course  Mixes  

R²  =  0.97618   R²  =  0.91342  

100  

1000  

1E+02   1E+03   1E+04   1E+05   1E+06   1E+07   1E+08  

%  m

icro  strain  

Load  Cycles  (N)  

35%  FRAP  /  5%  RAS  

40%  FRAP  /  0%  RAS  

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Surface  Course  Mixes  

R²  =  0.98871  R²  =  0.95121  

100  

1000  

1E+02   1E+03   1E+04   1E+05   1E+06   1E+07   1E+08  

%  m

icro  strain  

Load  Cycles  (N)  

20%  FRAP  /  5%  RAS  

25%  FRAP  /  0%  RAS  

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K2  Coefficients  

0.0  

1.0  

2.0  

3.0  

4.0  

5.0  

6.0  

7.0  

8.0  

9.0  

10.0  

25%  FRAP,  0%  RAS,  surface  

20%  FRAP,  5%  RAS,  surface  

25%  FRAP,  5%  RAS,  base  

35%  FRAP,  5%  RAS,  base  

35%  FRAP,  5%  RAS,  binder  

40%  FRAP,  5%  RAS,  binder  

45%  FRAP,  5%  RAS,  base  

50%  FRAP,  0%  RAS,  base  

K2  

Field  Mixes  

Lab  Mixes  

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Compact  Disk  Tension  

•  Conducted  by  Univ.  of  Illinois  Urbana-­‐Champ.  

•  Test  Temperature  -­‐12⁰C  •  4  Specimens  120mm  in  height  by  150mm  in  dia.  

•  Measures  Fracture  Energy  

•  Minimum  recommended  value  is  350J/m2    

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Average  Fracture  Energy  by    %  recycled  materials  

388   363.1   357.7  299.9  

25%   30%   40%   50%  

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Fracture  Energy  Comparison  

391.0  

386.5  

319.0  

388.3  

338.3   278.0  

No    

RAS  

RA  S  

RA  S  

No    RAS  

No    RAS  

RA  S  

50%  Recycled  Base  

40%  Recycled  Binder  

25%  Recycled  Surface  

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Conclusions  

§  Tollway  mixes  exhibit  good  resistance  to  rukng  

§  5%  RAS  is  not  detrimental  to  the  fa"gue  performance  of  the  Tollway  mixes  

§ Mixtures  may  see  some  cracking  due  to  lower  fracture  energies  and  higher  low  performance  grade  temperatures  

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Illinois  Tollway  Conclusions  §  Mixes  with  greater  than  40%  recycled  will  likely  see  the  greatest  amount  of  cracking  

§  Their  performance  may  be  improved  by  grade  bumping  the  virgin    binder  from  58-­‐22  to  58-­‐28  

§  Fibers  could  be  contribu"ng  to  the  performance  of  the  mixtures  

§  Tollway  mixes  exhibit  sa"sfactory  freeze-­‐thaw  durability  

§  Laboratory  RAS  mix  design  procedures  may  need  to  be  reevaluated  

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1.00E+04  

1.00E+05  

1.00E+06  

1.00E+07  

1.00E+08  

1.00E-­‐05   1.00E-­‐02   1.00E+01   1.00E+04   1.00E+07  

|E*|,  KPa  

Frequency,  Hz  

    Mix  #1   5%  Mfr  RAS       Mix  #2   5%  Tear-­‐offs  RAS       Mix  #3   30%  RAP  

MNDOT  MIXES  

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1.00E+04  

1.00E+05  

1.00E+06  

1.00E+07  

1.00E+08  

1.00E-­‐05   1.00E-­‐02   1.00E+01   1.00E+04   1.00E+07  

|E*|,  KPa  

Frequency,  Hz  

    Mix  #11   HMA  -­‐  15%  RAP       Mix  #12   HMA  -­‐  3%  RAS       Mix  #13   WMA  -­‐  3%  RAS  

INDOT  MIXES  

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Iowa  DOT:  WMA+RAP+RAS  •  Musca"ne  County  (Hwy  61  Shoulders)  •  Evotherm  3G  (Plant  Temp  =  250F)  •  3  Test  Sec"ons  –  20%  RAP/0%  RAS  

•  20%  Binder  Replacement    •  4.6%  Design  AC  

–  15%  RAP/5%  RAS  •  30%  Binder  Replacement  •  5.0%  Design  AC  

–  8%  RAP/7%  RAS  •  30%  Binder  Replacement  •  5.5%  Design  AC  

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WMA  +  5%  RAS  +  15%  RAP  

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WMA  +  7%  RAS  +  8%  RAP  

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WMA  Control  +  20%  RAP  

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WMA  with  RAS  

•  RAS  contains  much  s"ffer  binder  •  Not  all  RAS  is  ac"vated  •  15-­‐40%  Acts  like  black  rock  =  Requires  more  AC  to  coat  

•  May  need  to  add  oil  •  May  need  to  raise  temperature  •  HIGH  RAS  STOCKPILE  MOISTURE  –  Reduce  produc"on  rate  –  Increase  plant  temperature  

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Addi"onal  Demonstra"on  Projects  

•  Iowa-­‐  4%,  5%,  6%  RAS  •  Missouri-­‐  Coarse  vs.  Fine  Grind  •  Colorado-­‐  to  be  determined.  •  Wisconsin-­‐  to  be  determined.  •  California-­‐  to  be  determined.  

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Missouri  DOT  

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Items  Considered  Best  Prac"ces  

•  Minimize  water  usage  during  grinding  •  Store  ground  shingles  under  a  covered  roof  •  Use  mul"ple  recycled  cold  feed  bins-­‐  one  that  is  dedicated  to  shingles  

•  Use  a  2nd  recycle  bin  on  drum  plants  closer  to  the  hot  zone  for  adding  shingles  

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Purpose  for  Developing  Asphalt  Mix  Design  

•  Meet  client  needs  – Economics  – Performance  

•  Meet  producer/contractor  needs  – Mix  can  be  produced  – Mix  can  be  placed  and  compacted  – U"liza"on  of  other  “technologies”  

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Type  of  Facility  •  High  volume-­‐  greater  than  10million  ESALs  –  Interstates  

•  Medium  volume-­‐  1  to  3million  ESALs  –  Four-­‐lane  divided  –  Two  lane  – Urban  collectors  

•  Low  volume-­‐  less  than  1million  ESALs  – Most  local  agency  roads  –  Residen"al  developments  

•  Specialty  Facili"es    

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Mix  Cons"tuents  

•  Aggregate  •  Baghouse  fines  •  Asphalt  •  Air  

•  So  what  is  different  when  shingles  are  added?  

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Shingle  Composi"on  

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Shingles  vs.  Asphalt  Mixtures  

•  S"ffer  asphalt  in  shingles  •  Granules  are  ceramic  like  material-­‐  as  good  or  beRer  aggregate  than  asphalt  mix  aggregates  

•  Dust  in  shingles  is  lime  dust-­‐  lime  dust  is  used  as  an"-­‐strip  agent  in  asphalt  mixes  

•  Fibers  in  shingles  are  as  good  or  beRer  than  when  fibers  are  used  in  asphalt  mixes  

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Integra"ng  Shingles  into  Mix  

•  Account  for  s"ffer  binder  •  Binder  content  determina"on  &  contribu"on    •  Mix  volumetrics  •  Other  considera"ons  – RAP  – Warm  mix  asphalt  

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Development  of  Mixture  Design  

•  Process  is  no  different  than  current  methods  of  asphalt  mix  design  development.  

•  Need  to  pay  aRen"on  to  integra"on  of  RAS  into  batching  materials  – Propor"oned  materials  should  be  pre-­‐blended  prior  to  placement  into  oven.  

– Ensures  even  distribu"on  of  RAS  throughout  aggregate  structure.  

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Outcomes  of  Mix  Design  

•  Virgin  binder  content  will  be  lower  when  RAS  is  u"lized.  

•  60-­‐80%  of  RAS  binder  will  be  integrated  into  HMA  mix.  

•  Voids  in  the  Mineral  Aggregate  will  increase  with  RAS  u"liza"on.  

•  Contribu"on  of  RAS  binder  to  overall  binder  grade  will  not  be  known………but!  

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Challenges  

•  AASHTO  M323  binder  recommenda"ons  assume  complete  mixing  of  new  and  recycled  binder  

•  AASHTO  M323  does  not  address  RAS  binders  •  RAS  rheology  is  different  than  paving  binders  

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1.    Binder  proper"es  alone  will    not  determine  asphalt  mix    performance.  

 2.    Mix  tes"ng  will  capture  the  

 benefits  of  the  fibers.  

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Thank  You!      &  

Ques"ons?