The influence of the bitumen emulsion type on the rheological and mechanical properties of binders, mastics, and mixes for cold-recycled base layers

Nowadays one of the main concerns in the world is the protection of the environment. In fact, for over a century man has intensified production activity and increased the use of raw materials without thinking about the impact of this behaviour on the environment but thinking only of maximising profits. These habits have inexorably led to an exponential increase in air pollution with consequent inestimable damage to ecosystems. In recent years, however, awareness of these issues has increased and the concepts of eco-sustainability and circular economy are gaining more and more importance in almost all production sectors. Also in the road sector these last two concepts have entered vigorously. In fact, nowadays roads are being built with techniques capable of reducing the environmental impact and using waste materials as much as possible. One of the techniques that allows achieving both objectives is that of cold recycling. With this technology it is possible to produce asphalt concrete using up to 100% of RAP and without the aid of heat. However, despite the innumerable advantages they bring, these materials also have disadvantages, including the lower performance compared to hot bituminous mixtures. Italy has always had a special attention for these materials, since the 90s, above all by using the bituminous emulsion as a stabilising agent. In the first applications, these materials were produced using unmodified bitumen emulsions and then, with technological development, it was possible to produce modified emulsions. Nowadays, cold-recycled asphalt mixes with bitumen emulsion are mainly made using modified emulsions, as it is believed that they significantly improve the performance of the material. In this context, the PhD activity had the aim to study and analyse the rheological, mechanical and performance properties of cold recycled asphalt mixtures as the type of bituminous binder varied. To achieve this, the different bituminous binders (unmodified emulsion, latex modified bitumen emulsion and SBS-modified bitumen emulsion) were compared at the scale of the binder, that of the mastic (bitumen and filler) and that of the mixture. The next step was instead to evaluate the properties of the cold mixtures where reinforcing synthetic fibres were added. On the basis of the evidence obtained, it can be stated that, despite the different typology of binder involving differences on the scale of the binder and the mastic, this does not happen on the scale of the mixtures. This result is mainly due to the low content of binder present within these materials (2.4% on the final mix) but also to the numerous variables that come into play in defining the performance of a cold mixture. The use of unmodified bitumen emulsions to replace the modified ones would represent an important result both in economic terms but also in environmental terms. However, these results will have to be verified with full-scale applications. To this end, a test field was created where the type of binder used to create the base layer was varied. This road section will be monitored over time through non-destructive tests and laboratory tests on cores extracted from the pavement. The second part of the research confirmed that the inclusion of synthetic fibres allows to improve the performance of cold mixtures, especially in terms of fatigue resistance, when they are added with a quantity equal to 0.05% of the total weight of the aggregates.

Al giorno d’oggi una delle principali preoccupazioni al livello mondiale è la salvaguardia dell’ambiente. Infatti, per oltre un secolo l’uomo ha intensificato l’attività produttiva ed aumentato l’utilizzo di materie prime senza pensare all’impatto sull’ambiente di tale comportamento, ma pensando solo alla massimizzazione dei profitti. Tali abitudini hanno portato inesorabilmente all’incremento esponenziale dell’inquinamento atmosferico con conseguenti danni inestimabili sugli ecosistemi. Negli ultimi anni, tuttavia, è aumentata la consapevolezza riguardo queste problematiche ed i concetti di ecosostenibilità ed economia circolare stanno prendendo piede in quasi tutti i settori produttivi. Anche nel settore stradale questi due ultimi concetti sono entrati in maniera vigorosa. Infatti al giorno d’oggi si cerca di realizzare le strade con tecniche in grado di ridurre l’impatto ambientale ed impiegando quanto più possibile materiali di scarto. Una delle tecniche che permette di raggiungere entrambi gli obiettivi è quella del riciclaggio a freddo. Con tale tecnologia è possibile produrre conglomerati bituminosi impiegando fino al 100% di fresato e senza l’ausilio del calore. Tali materiali, tuttavia, nonostante gli innumerevoli vantaggi che portano, hanno anche degli svantaggi, tra i quali le minori prestazioni rispetto ai conglomerati bituminosi caldi. L’Italia ha avuto sempre un grande occhio di riguardo verso questi materiali, fin dagli anni 90’, soprattutto impiegando l’emulsione bituminosa come agente stabilizzante. Nelle prime applicazioni tali materiali venivano prodotti impiegando emulsioni non modificate e poi successivamente, con lo sviluppo tecnologico, è stato possibile produrre emulsioni modificate. Al giorno d’oggi i conglomerati bituminosi riciclati a freddo con emulsione bituminosa vengono realizzati principalmente tramite l’impiego di emulsioni modificate, poiché si ritiene che esse migliorino notevolmente le prestazioni del materiale. In questo contesto, l’attività di dottorato ha avuto come scopo quello di studiare ed analizzare le proprietà reologiche, meccaniche e prestazionali dei conglomerati bituminosi riciclati a freddo al variare della tipologia di legante bituminoso. Per arrivare a questo obiettivo, i diversi leganti bituminosi (emulsione non modificata, emulsione modificata con lattice ed emulsione modificata con SBS) sono stati confrontati alla scala del legante, a quella del mastice (bitume e filler) e quella della miscela. Il passo successivo è stato invece quello di valutare le proprietà delle miscele a freddo dove delle fibre sintetiche di rinforzo sono state aggiunte. Sulla base delle evidenze ottenute si può affermare che, nonostante la diversa tipologia di legante comporti delle differenze alla scala del legante e del mastice, questo non accade alla scala delle miscele. Tale risultato è dovuto principalmente al basso contenuto di legante presente all’interno di tali materiali (2.4% sulla miscela finale) ma anche alle numerose variabili che entrano in gioco nella definizione delle prestazioni di un conglomerato a freddo. L’impiego di emulsioni non modificate in sostituzione di quelle modificate, rappresenterebbe un importante risultato sia in termini economici ma anche in termini ambientali. Tuttavia tali risultati andranno verificati con applicazioni in vera scala. A tal fine è stato realizzato un campo prova dove è stata variata la tipologia di legante impiegato per la realizzazione dello strato di base. Tale tronco stradale verrà monitorato nel tempo tramite prove non distruttive e prove di laboratorio su carote estratte dalla pavimentazione. La seconda parte della ricerca ha confermato che l’inserimento di fibre sintetiche permette di migliorare le prestazioni di questi materiali, soprattutto in termini di resistenza a fatica, quando sono aggiunte con un quantitativo pari allo 0.05% sul peso degli aggregati.