Laboratory investigation on chemo-rheological and mechanical properties of bio-asphalt materials for sustainable asphalt pavements

Nowadays, one of the main interests of modern society is to replace increasingly larger quantities of petroleum-derived products, which is a non-renewable source progressively depleting. In the last decades, the use of bio-materials has gained notable interest in the civil engineering sector. In this context, the road industry is interested in developing new “green” solutions, promoting sustainability and circular economy principles. In fact, given the rapid growth of cities and traffic volumes, the demand for raw materials for pavement construction and maintenance has dramatically increased, along with their price. At the same time, the environmental issues related to the carbon footprint and greenhouse gas emissions in the atmosphere due to the use of non-renewable resources cannot be neglected. For these reasons, bio-binders are currently considered a promising solution for flexible pavements. They are defined as bituminous binders in which bitumen, which derives from the distillation process of crude oil, is entirely or partially replaced with various bio-resources such as animal waste, bio-oils (wood, sunflower, corn, soybean), waste cooking oil, lignin etc. Currently, one of the main issues is to ensure that bio-binders offer good performance, at least comparable with that offered by conventional materials. However, the knowledge of these materials is still limited in terms of performance and, above all, durability over time. Given this background, this PhD research (co-financed by the Swedish petrochemical company Nynas AB), aims to scientifically evaluate the feasibility of partially replacing bitumen with a wood-based bio-oil and different kind of lignin deriving from by-products of wood pulp and paper industry. To this end, an extensive experimental program was carried out involving advanced chemical and rheological analysis on the selected bio-binders. Then, the laboratory-produced bio-binders were used to produce bio-asphalt mixtures, which were subjected to a wide mechanical characterization campaign, including low-, medium- and high-temperature investigations, adhesion with aggregates, thermal, moisture and aging susceptibility. Based on the overall findings, all elements encourage the use of such kind of bio-binders as a valid alternative to traditional bitumens. Indeed, the study demonstrate perfectly comparable, or, in some cases, even better performances were identified, while suggesting the potential benefits from technical, environmental and economic point of view.

Al giorno d'oggi, uno dei principali interessi della società moderna è quello di sostituire quantità sempre maggiori di prodotti derivati dal petrolio, che è una fonte non rinnovabile in progressivo esaurimento. Negli ultimi decenni, l'uso di biomateriali ha acquisito un notevole interesse nel settore dell'ingegneria civile. In questo contesto, l'industria stradale è interessata a sviluppare nuove soluzioni "verdi", promuovendo i principi della sostenibilità e dell'economia circolare. Infatti, data la rapida crescita delle città e dei volumi di traffico, la domanda di materie prime per la costruzione e la manutenzione delle pavimentazioni è aumentata drasticamente, insieme al loro prezzo. Allo stesso tempo, non si possono trascurare le questioni ambientali legate alle emissioni di carbonio e di gas serra nell'atmosfera dovute all'uso di risorse non rinnovabili. Per questi motivi, i bio-leganti sono attualmente considerati una soluzione promettente per le pavimentazioni stradali flessibili. Essi sono definiti come leganti bituminosi in cui il bitume, che deriva dal processo di distillazione del petrolio greggio, è interamente o parzialmente sostituito da varie bio-risorse come rifiuti animali, bio-oli (legno, girasole, mais, soia), olio di scarto da cucina, lignina ecc. Attualmente, uno dei problemi principali è quello di garantire che i bio-leganti offrano buone prestazioni, almeno comparabili a quelle dei materiali convenzionali. Tuttavia, la conoscenza di tali materiali è ancora limitata in termini di prestazioni e, soprattutto, di durata nel tempo. Alla luce di queste premesse, la presente ricerca di dottorato (cofinanziata dall'azienda petrolchimica svedese Nynas AB) si propone di valutare scientificamente la fattibilità della parziale sostituzione del bitume con un bio-olio e diversi tipi di lignina derivanti da sottoprodotti della lavorazione del legno e della carta. A tal fine, è stato condotto un ampio programma sperimentale che prevedeva analisi chimiche e reologiche avanzate sui bio-leganti selezionati. Successivamente, gli stessi bio-leganti ottenuti in laboratorio sono stati impiegati per produrre bio-miscele, successivamente sottoposte a un'ampia campagna di caratterizzazione meccanica che ha incluso indagini a bassa, media e alta temperatura, prove di adesione con gli aggregati lapidei, suscettibilità termica, all’umidità e all'invecchiamento. Tutti i risultati ottenuti incoraggiano fortemente l'uso di questo tipo di bio-leganti, che possono rappresentare una valida alternativa ai bitumi tradizionali. Infatti, lo studio ha dimostrato prestazioni perfettamente comparabili o, in alcuni casi, addirittura migliori, suggerendo i potenziali vantaggi non solo dal punto di vista ambientale ed economico, ma anche da un punto di vista prestazionale.