Effect of the rejuvenators on the mechanical and performance characteristics of Hot Recycled Mix Asphalt

Nowadays, one of the main challenges to face up is the development of a circular economy. For this purpose, in the road sector, many economic and environmental benefits encourage the use of the Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) to produce new Hot Mix Asphalt (HMA). Such material, together with an important cost and landfill issues reduction, leads to a considerable saving of natural resources, thanks to the re-use of both materials contained into it (aggregates and bitumen). Despite several benefits in using RAP with the Hot-Recycling technique, many issues also arise. Some of the main problems are its isogeneity (both from aggregate gradation and bitumen content) and the difficulties in defining and ensuring the correct heating of the recycled material from a logistical (needing to adapt existing plants) technical (necessity to limit the aging of both virgin and recycled bitumen) and environmental point of view (CO2 emission). Moreover, the aged and brittle bitumen contained into RAP leads to the reduction of the workability and the performance of the Hot Recycled Mix Asphalt (HRMA) with the consequent and inevitable need to add additives called rejuvenators. All these issues explain why in Italy and all around the world, there are still many limitations on the percentage of RAP that can be re-used in hot recycling techniques. Recently, research has been moving on trying to develop solutions to allow the 100% reuse of RAP even with the hot technique, thus guaranteeing the continuous and circular recycling. In this context, the main purpose of this PhD research activity is to study and analyse the rheological, mechanical and performance characteristics of HRMA changing the type of rejuvenator, the distillation process of the virgin bitumen, the pre-heating and mixing temperature and the loose mixture time spent in the oven after the mixing process. Based on the experimental findings, it can be stated that the use of a high RAP content (equal to 50%), without compromising the properties of the HRMA is possible if the production and compaction process, the origin and the properties of the RAP material, the virgin bitumen and the rejuvenator are properly selected. In particular, it was found out that using a reasonably low mixing temperature (enough to make the bitumen workable) and a good straight-run virgin bitumen plays a fundamental role in the production of an HRMA that achieves optimal rheological and mechanical characteristics and is therefore durable over time without suffering from cracking issues. Moreover, the analysis of the effects of a second aging of the rejuvenated bitumen led to the conclusion that the re-aging induces a bitumen having rheological characteristics almost comparable to those of a virgin bitumen first time aged. Thus, the possibility to reuse the rejuvenated bitumen for the production of new asphalt pavements is achieved.

Una delle principali sfide da fronteggiare ai giorni nostri è sicuramente quella di garantire un’economia quanto più possibile circolare. Per questo motivo, in ambito stradale, molteplici benefici economico-ambientali incoraggiano l’uso di fresato (RAP), proveniente dalla demolizione di vecchie pavimentazioni stradali, da introdurre nella produzione di nuovo conglomerato bituminoso a caldo. Tale materiale permette, insieme ad una netta riduzione dei costi di produzione e dei problemi di smaltimento, anche un notevole risparmio delle risorse naturali, grazie allo sfruttamento di entrambi i materiali con cui il RAP è composto (aggregati e bitume). A fronte dei tali vantaggi nell’utilizzare il fresato nella tecnica a caldo, ci sono anche alcune problematiche da fronteggiare, come la sua disomogeneità (sia dal punto di vista della granulometria che del contenuto di bitume), la difficoltà nel garantire e definire un corretto riscaldamento del RAP, sia dal punto di vista logistico (con la necessità di adeguare gli impianti esistenti) che tecnico (occorre limitare l’invecchiamento del bitume vergine e di quello presente nel RAP) che ambientale (con problematiche di emissione di fumi). Inoltre, il bitume contenuto nel fresato risulta essere invecchiato e quindi rigido-fragile, con la conseguente necessità di dover impiegare additivi rigeneranti. Tale invecchiamento del bitume provoca ovviamente una riduzione sia della lavorabilità che delle prestazioni del conglomerato bituminoso di recupero. Tutto ciò fa sì che in Italia e nel mondo ci siano tutt’ora delle limitazioni sulla percentuale di RAP utilizzabile nel riciclaggio a caldo. Negli ultimi anni la ricerca si sta muovendo cercando di studiare queste problematiche, trovando delle soluzioni per arrivare a poter riutilizzare il 100% di fresato anche con la tecnica a caldo garantendo quindi un riciclo continuo e circolare. In questo contesto, l’attività di dottorato ha come scopo principale quello di studiare ed analizzare le proprietà reologiche, meccaniche e prestazionali del conglomerato bituminoso riciclato a caldo al variare della tipologia di additivo rigenerante, del processo produttivo del bitume vergine, della temperatura di produzione della miscela ed infine del tempo di permanenza in forno della miscela sfusa dopo la fase di miscelazione. Sulla base delle evidenze sperimentali ottenute si può affermare che l’impiego di un elevato contenuto di RAP (pari al 50%) è possibile, senza l’insorgenza di effetti dannosi sulla miscela finale se la tecnica di produzione e compattazione, la provenienza e le proprietà del RAP, del bitume vergine e dell’additivo rigenerante sono selezionate e scelte opportunamente. In particolare, usare una ragionevolmente bassa temperatura di miscelazione (sufficiente da rendere il bitume lavorabile) ed un buon bitume primario comporta la produzione di un conglomerato bituminoso riciclato a caldo con ottime proprietà reologiche e meccaniche tali da essere duraturo nel tempo senza soffrire di problemi fessurativi. Inoltre, l’analisi degli effetti del successivo invecchiamento del bitume rigenerato ha portato a concludere che tale re-invecchiamento produce un bitume aventi caratteristiche reologiche pressoché comparabili a quelle di un bitume vergine invecchiato per la prima volta, confermando così la possibilità di riutilizzare il bitume rigenerato per la produzione di nuove pavimentazioni stradali.