6/27/2013

1

South Dakota Experience in Constructing Alternatives to Paved Surfaces on Local Roads and Streets

2013 APWA CongressChicago, IL

Ken Skorseth, Program ManagerSD Local Transportation Assistance Program

South Dakota State University

Presentation Overview

• Review of local projects with alternative surfaces from traditional HMA pavement 

– High quality gravel – untreated

– Chloride treated gravel surfacing

– “Otta” seal – asphalt surface treatment on thick aggregate base

• Conclusions and recommendations 

6/27/2013

2

High Quality Gravel: SDDOT Gravel Quality Comparison Test Project*

• Three test sections were constructed in:

– Hand County – northeast of Miller

– Custer County – northwest of Custer

– Brookings County – south of Volga

*All sections to have minimum 100 vehicles per     day or greater

SDDOT Gravel Quality Comparison Test Project (Con’t)

• Three types of gravel used:– Substandard – 100% passing the one‐inch sieve and no other control.

– Meets minimum SD Gravel Surfacing Specification –100% passing the 3/4 inch sieve, 50 ‐ 78% passing the #4 sieve, 4 ‐ 15% passing the #200 sieve and minimum plasticity index (PI) of 4.  

– Modified spec – same as above, but minimum of 8% passing the #200 sieve and minimum PI of 7. 

6/27/2013

3

Location of Sections:

Substandard Gravel

SD Standard  Specification

Modified Specification

Compacted and Uncompacted

Sections

Compacted and Uncompacted

Sections

Buffer Sections

Three levels of gravel quality compared

6/27/2013

4

Each section was built with three to four inches (75 to 100mm) of new gravel on a well‐prepared existing surface.  

Compaction/non compaction comparison as well. 

Road mixing natural clay to get a high quality modified spec surface gravel

6/27/2013

5

Custer County test sections six months after construction

Some sections showed contrast in performance quickly due to gravel quality

6/27/2013

6

Brookings County Test SectionsOnly one month after construction

Substandard Section

Modified Section

Current Status of Project

• SDLTAP has accumulated photo documentation on all sections over the past two years.

• Measurement and documentation has been done on these distress types in 2012:

1. Accumulation of loose aggregate (float)

2. Changes in top width from time of construction

3. Presence of corrugation (washboard) on surface

4. Change in roadway crown

6/27/2013

7

The float test

Simply remove loose aggregate from a 10 inch cross section, weigh it and extrapolate to a one‐mile section 

6/27/2013

8

Change in top‐width is measured on roadway surface – hinge point to hinge point

XX ft.

Summary of Loose Aggregate

• Brookings Section – measured 10‐10‐12:– Substandard Compacted:  383 tons per mile

– Substandard Uncompacted: 405 tons per mile

– Standard Spec Uncompacted: 211 tons per mile

– Standard Spec Compacted: 203 tons per mile

– Modified Spec Compacted: 71 tons pre mile

6/27/2013

9

Brookings Section – Loose Aggregate 

Substandard Compacted   Uncompated

Standard  SpecUncompated Compacted

Modified Spec

405 tons per mile

Modified Spec

71 tons per mile

Change in Roadway Width

• Brookings Section one  year after construction:– Width ranges from 21 ft, 6 inches on the modified section to 24 ft, 7 inches on the substandard section

• Hand Section:– Width ranges from 24 ft, 6 inches on the modified spec section to 26 ft, 10 inches on the substandard section.

• Custer Section: No measurement due to uneven cross     section 

6/27/2013

10

Corrugation (Washboard)

• No corrugation observed on any sections meeting at least minimum standard specification.

• However, Brookings substandard section had corrugation on 100% of center wheel path at last observation.

• Custer substandard did not have corrugation.

Case Study from Meade County, SD Experience with Stabilized Gravel

6/27/2013

11

Reason for Turning to Alternatives

• Part of the County is experiencing significant growth.

• Most of the roads in the county do not have good subgrade and base strength – therefore are not suitable for adding paved surface.

• Budget will not support reconstruction.

Meade County Road System:Total miles maintained by county – 1,040Total currently Unpaved – 961.3   Paved 78.7

22

6/27/2013

12

Stabilized gravel section information:

• Elk Vale Road– Located directly east and north of Rapid City

– Serves a growing area just off of exit 61 on Interstate Highway 90

– Classification: Rural Major Collector

– Became impossible to maintain as gravel surface

23

Recent Traffic Count Breakdown • Northbound

– 12/04/2012 299 total vehicles 22 trucks– 12/05/2012 319 total vehicles 28 trucks– 12/06/2012 317 total vehicles 22 trucks

• Southbound– 12/04/2012 331 total vehicles 69 trucks– 12/05/2012 339 total vehicles 92 trucks– 12/06/2012 319 total vehicles 76 trucks

• Total* – 12/04/2012 610 total vehicles ‐ 91 trucks– 12/05/2012 658 total vehicles ‐ 120 trucks– 12/06/2012 636 total vehicles ‐ 98 trucks*Meade County count tallied over 700 vehicles in earlier count with 25% trucks

24

6/27/2013

13

Elk Vale Rd transitions from pavement to unpaved surface approximately 2.5 miles from I‐90

25

Location: approximately 2.5 miles north of I‐90 exit 61

Originally constructed in May, 2011Excellent performance after first year

26

6/27/2013

14

Close‐up view of stabilized surface after one year

27

Stabilization was done with .5 gal (1.9 liters) of liquid MgCl2 per sq yd (m) mixed into approximately three 

inches (75mm) of good quality surface gravel

28

6/27/2013

15

No significant loose aggregate and no corrugation even on 6% grade.

29

30

Recent count by SDDOT showed average 635 vehicles per day and average 103 trucks per day (16% of total volume)

No blade maintenance was done between construction in summer of 2011 and surface retreatment in 2012!

6/27/2013

16

Phone call from citizen – “If you had enough money to pave this road, why didn’t you save enough to put striping on it”

31

2012 Performance

• Excellent performance through June, 2012.

• Last summer was one of driest on record.

• Retreatment was done in June, 2012.

• Performance was good thereafter until a state road closure forced additional traffic on the road in early Oct (ADT at 700 on one count) 

• Had to do recent reshape and a lean MgCltreatment @ .25 gal sq yd (1 liter per sq meter)  

32

6/27/2013

17

Treated Streets in Laramie, WY

6/27/2013

18

Laramie Commercial Access Street

Otta Seals – Another AlternativeCity of Pierre, SD  ‐ Construction in 2009.

Base Thickness Data:• 8 inches of base course aggregate was in place• 4 inches of milled asphalt added• 2 inches of base course added just prior to Otta seal

(final 2 inches not used on entire section)

6/27/2013

19

Pierre Otta Seal ConstrucitonConventional Chip Seal Equipment is used.

A heavy coat (.45 to .55 gal per sq yd or 1.7 to 2 liters per sq meter) of high‐float emulsion is applied – no prime coat.

6/27/2013

20

Heavy coat of cover aggregate – clean crushed gravel – 3/4  inch (19mm) minus material used

Rolling commences immediately 

6/27/2013

21

Performance has been excellent

Photo documentation of performance on 9‐14‐12  Chip seal followed by fog seal performed in summer

Carries 385 ‐ 525 ADT, Some Heavy Trucks.

Surprising good performance at edge of seal –even at commercial entrances

6/27/2013

22

Performance after six years

Lessons on Asphalt Surface Treatments from the Southern Hemisphere

6/27/2013

23

State hwy in Australia – Asphalt Surface Treatment – not paved!

ADT is High on many roads!

6/27/2013

24

Even used on some multi‐lane highways there

A New Zealand example: the surfacing is thin; base is thick and strong!!

6/27/2013

25

Otta Seal in Botswana, AfricaNo maintenance 13 years after construction! 

Conclusions – Untreated High Quality Gravel• Meeting basic SDDOT standard surface gravel specification reduces loose aggregate by 1/3 to 1/2 even in one of driest seasons on record

• Life cycle cost currently estimated at one third of asphalt pavement (20 yr. cycle)

• Most interesting fact thus far: Brookings has done blade maintenance up to four times on substandard section to only once on modified!  

6/27/2013

26

Conclusions – Stabilized Gravel in Meade Co.

• Total reconstruction of the road and paving would cost approximately $800,000 per mile

• Total cost of new gravel and initial treatment was $25,000 per mile

• In the immediate future, annual surface preparation and retreatment is planned

• Annual treatment cost is estimated at $9,000 to $11,000 per mile

51

• Excellent performance thus far – no distress

• Minimal base repair, preparation and four inch (100mm) asphalt overlay estimated at $11.35 per sq yd (m)

• Base improvement and Otta seal cost $7.57 per sq yard (m) – (equipment estimated)

• Otta seal has virtually no transverse crack pattern eliminating cost of crack sealing

Conclusions – Otta Seal in Pierre, SD

6/27/2013

27

Conclusions/Recommendations 

• High quality surface gravel is difficult to obtain – pushback from producers – must convince them of its value

• Treated gravel only works when stabilizer is compatible – make sure this is addressed before construction

• Life cycle data is mostly extrapolated at this time since few projects have been in place for 20 or more years to provide actual data 

Contact information:

Ken Skorseth 800‐422‐0129

ken.skorseth@sdstate.edu 

Thank you