Advanced experimental characterization of bituminous binders extended with renewable materials in asphalt pavements

Human activities are progressively leading to the depletion of the (limited) resources of our planet and to the irreversible alteration of ecosystems, putting the quality of life of future generations at risk. For this reason, putting into practice the principles of sustainability and circular economy, aimed – among the other things – at minimizing resources and energy consumption, wastes and emissions, has become a crucial issue in today’s world. Consequently, the construction sector is looking for solutions that can promote sustainability and circular economy without penalizing the performance and durability of construction materials and infrastructures, including the adoption of innovative “green” materials. In this regard, the new challenge in road materials engineering is the development and use of so-called “bio-binders”, i.e. binders in which petroleum-based bitumen is partially replaced with bio-materials (especially bio-oils) deriving from residues or by-products from renewable sources (e.g. waste wood, non-edible vegetable biomass, animal manure, etc.). However, even though the use of bio-binders in road pavements would result in significant environmental benefits, the knowledge of these materials is still limited, especially in terms of performance and durability. Within this context, this PhD project (co-funded by the Swedish petrochemical company Nynas AB) focused on the systematic laboratory characterization of bio-binders obtained by partially replacing a conventional bitumen with a wood-based bio-oil that is a residue generated in the processing of a by-product from wood pulp and paper industries. Performance and durability were assessed by investigating several bio-binders properties, including chemistry, morphology, rheology, aging susceptibility, adhesion with aggregates, moisture susceptibility and recycling aspects. A performance-based characterization of the resulting bio-asphalt mixtures was also included in the project. The results obtained are very promising and suggest that the bio-binders can be considered a valid alternative to the traditional bituminous binders with potential benefits also in terms of performance and durability.

Le attività umane stanno progressivamente portando all'esaurimento delle risorse (limitate) del nostro pianeta e all'alterazione irreversibile degli ecosistemi, mettendo a rischio la qualità della vita delle generazioni future. Per questo motivo, mettere in pratica i principi della sostenibilità e dell'economia circolare, finalizzati – tra le altre cose – a minimizzare il consumo di risorse ed energia, i rifiuti e le emissioni, è diventato un tema cruciale nel mondo di oggi. Di conseguenza, il settore delle costruzioni è alla ricerca di soluzioni in grado di promuovere la sostenibilità e l'economia circolare senza penalizzare le prestazioni e la durabilità dei materiali da costruzione e delle infrastrutture, compresa l'adozione di materiali innovativi con ridotto impatto ambientale. A tal proposito, la nuova sfida nell'ingegneria dei materiali stradali è lo sviluppo e l'utilizzo dei cosiddetti “bio-leganti”, ovvero leganti in cui il bitume (che si ottiene dal petrolio) viene parzialmente sostituito con bio-materiali (soprattutto bio-oli) derivanti da residui o sottoprodotti da fonti rinnovabili (es. scarti del legno, biomasse vegetali non commestibili, letame animale, ecc.). Tuttavia, sebbene l'uso di bio-leganti nelle pavimentazioni stradali possa comportare significativi benefici ambientali, la conoscenza di questi materiali è ancora limitata, soprattutto in termini di prestazioni e durabilità. In questo contesto, questo progetto di dottorato (co-finanziato dall'azienda petrolchimica svedese Nynas AB) si è incentrato sulla caratterizzazione sistematica di laboratorio di bio-leganti ottenuti sostituendo parzialmente un bitume convenzionale con un bio-olio che è un residuo generato nella lavorazione di un sottoprodotto delle industrie della pasta di legno e della carta. Le prestazioni e la durabilità sono state valutate investigando diverse proprietà dei bio-leganti, tra cui la chimica, la morfologia, la reologia, la suscettività all'invecchiamento, l’adesione con aggregati lapidei, la suscettività all'acqua ed aspetti legati al riciclaggio. Nel progetto è stata inclusa anche la caratterizzazione delle prestazioni delle risultanti bio-miscele. I risultati ottenuti sono molto promettenti e suggeriscono che i bio-leganti possono essere considerati una valida alternativa ai tradizionali leganti bituminosi con potenziali benefici anche in termini di prestazioni e durabilità.