Sustainable Long Life Composite Concrete Pavement for · PDF fileReplacement in a Ternary...

Steven L. Gillen – Materials Manager, Illinois TollwayAlexander S. Brand – Graduate Student, University of IllinoisJeffery T. Roesler, Ph.D., ‐ Professor, University of IllinoisWilliam R. Vavrik, Ph.D., ‐ Principal Engineer, ARA Inc.

September 19, 2012

1

Sustainable Long‐Life Composite Concrete Pavement for the Illinois Tollway

Illinois Tollway  ‐ Key Statistics 286‐mile system comprised

of four tollways: Tri‐State (I‐94/I‐294/I‐80) Jane Addams Memorial (I‐90) Reagan Memorial (I‐88) Veterans Memorial  (I‐355)

Opened in 1958 as a bypass around Chicago to connect Indiana and Wisconsin

Carries more than 1.4 M vehicles per day

User‐fee system – no state or federal gas tax dollars used

2

Congestion‐Relief Program

3

90% Complete

> $5B Investedon time, under budget

Congestion‐Relief Program2004‐2016

Job #1 ‐ Take Care of Existing System

4

RECONSTRUCT AND WIDEN 

Jane Addams Memorial Tollway (I‐90) 

RECONSTRUCT Tri‐State Tollway 

(I‐94/I‐294)

PRESERVEReagan Memorial Tollway (I‐88) 

PRESERVEVeterans Memorial Tollway  (I‐355)

REPAIRRoads, Bridges and 

Maintenance Facilities 

Other Capital Projects  Maintenance Site Location

Build a 21st Century Transportation System

5

RECONSTRUCTTri‐State Tollway 

(I‐94/I‐294) – $1.2 B

PRESERVEReagan Memorial 

Tollway (I‐88) – $610 M

PRESERVEVeterans Memorial 

Tollway  (I‐355) – $400 M

REPAIRRoads, Bridges & 

Maintenance Facilities –$1.39 B

Other Capital Projects ‐$600 M

RECONSTRUCT & WIDEN 

Jane Addams Memorial Tollway (I‐90) – $1.9 B 

(no transit)

TAKE CARE OF EXISTING SYSTEM NEEDS

ILLINOIS ROUTE 53 NORTH EXTENSION

JANE ADDAMS MEMORIAL TOLLWAY

(I‐90) 

ELGIN O’HARE WEST BYPASS

I‐294/I‐57 INTERCHANGE

ILLIANA EXPRESSWAY

Tollway Recycling of Concrete and Asphalt  Pavements

In Base Aggregates In New Asphalt Mixes

6

Innovations Adopted

Fractionated RAP (FRAP)Recycled Asphalt Shingles 

(RAS)

7

Coarse FRAP for Concrete?

8

Answers Needed SHRP R21 Composite Pavement Project

Demonstrations Observed

History of Composites Studied

History of Black Rock Concrete Studied

9

Field Trials Initiated in 2010 Asphalt over Concrete Composite Ramps Built

6.5 bag fly ash mix w/ 20% black rock placed

Compressive strengths     > 3500 psi in 3 days.

Flexural Strengths >650 psi in 7 days.

10

Black Rock Ternary Mixes Researched

Fractionated Reclaimed Asphalt Pavement (FRAP) as a Coarse Aggregate Replacement in a Ternary Blended Concrete Pavement

ict.illinois.edu/publications

11

Conclusions of Initial Research Further processing of FRAP to remove agglomerated sand/asphalt particles was not necessary

A ternary concrete design with a cement factor of 6.2 could obtain specified strength properties with up to 50% of the coarse aggregate replaced with FRAP

Durability of concrete will be adequate for composite pavement applications

12

Composite Pavement Research Continues    Further evaluate black rock concrete mixes for fresh, hardened and durability properties

Develop better predictive models of the field performance for 2 lift composite concrete pavements using recycled materials

13

University of Illinois Slab Tests (2012)

14

• Two‐lift Slabs:• Virgin over 45% FRAP• Virgin over 45% FRAP (with fibers)

• Virgin over 100% RCA• Virgin over 45‐55 FRAP‐RCA

• Full‐depth Slabs:• 45% FRAP• 100% RCA• 45‐55% FRAP‐RCA• Virgin

Mix Proportions:• 610 lb/yd3 with 35% slag and 10% fly ash• w/cm = 0.37• 41% coarse aggregate (by volume)• 27% fine aggregate (by volume)

All mixes were designed based on a constant volume methodology

Univ. of Illinois Slab Test Results (38 days)

15

Slab Peak Load (kN)

Percent Differencefrom Full‐depth 

Virgin

Two Lift

Virgin over 45% FRAP 123.2 22.8%

Full Depth45% FRAP 118.2 17.7%

Two Lift

Virgin over 45% FRAP with fibers 109.5 9.1%

Full Depth100% RCA 109.4 9.0%

Two Virgin over

Slab Results (Average of 2 Tests)

MixAverage MOR 

(psi)

Fresh Air Content (%)

45% FRAP 584 8.5%

45% FRAP with fibers

451 12%

100% RCA 574 5.5%

45‐55% FRAP‐RCA

593 6.0%

Virgin 786 5.6%

Flexural Strength (3rd point)

Mix Total Fracture Energy (N/m)

45% FRAP 75.7

45% FRAP with fibers 3192.9

100% RCA 84.5

Specifications Established  Materials Ternary – 35% to 50% portland cement replaced in bottom Black Rock – 20% to 50% coarse aggregate replaced in bottom RCA – Option given to replace any remaining coarse aggregate with RCA in bottom lift

Two slip form pavers specified unless alternative method for placement is demonstrated

Minimum 5 day cure time before heavy equipment 

16

Placement Test Strips 

17

Field Trials Continue in 2012

I‐88 reconstructed and widened with 2 lift PCC composite 

Full interchange ramps at I‐90 / Rt. 47 constructed using asphalt over concrete composite

18

I‐90 Long Life Pavement Designs

19

LCCA’s Determine JPCP to be the Choice

20

Major Traffic Inputs for Pavement Design Lane Distribution Traffic Volume Load Spectra

3-Lane 4-Lane

National60%

Tollway70%

National45%

Tollway70%

Design Trucks – Load Distributions

34kip12kip 34kip

Current Load Limits 40kip12kip 40kip

40kip12kip 60kip

Proposed Load Limits

Proposed Load Limits

Tollway Axle Weight Distribution Does Not Follow National Data

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000 45,000 50,000

Percen

t of A

xles

Weight of Tandem Axle Group (lb)

MEPDG

Tollway

Tandem Axle – Class 9

I‐90 Concrete Pavement Design Details 15’ Slab length 1’ Widened slab Doweled Joints (1 ½”)

Topping Concrete

High-recycled Content Concrete

WMA Base

Aggregate Cap

Porous Aggregate

Compacted Subgrade

THANK YOU

25