Advanced Analysis of WMA Asphalt Mixtures to Assess the Technology Readiness Level in Motorway Pavement Applications

In response to global concerns about environmental pollution and energy conservation, the road materials sector is seeking sustainable alternatives to traditional Hot Mix Asphalt (HMA). This PhD thesis focuses on an advanced analysis of Warm Mix Asphalt (WMA) mixtures to evaluate their suitability for motorway applications. WMA offers an eco-friendly solution, particularly when combined with high percentages of Reclaimed Asphalt (RA) or Crumb Rubber (CR) derived from end-of-life tires (ELTs). These methods help reduce energy consumption, decrease the use of raw materials, mitigate environmental impacts, and improve working conditions. Research conducted at the Road and Transport Laboratory of the Marche Polytechnic University involved extensive laboratory, in-plant, and in-field investigations. Initial studies optimized WMA mixtures with 25% RA for open-graded wearing courses, 30% RA for dense-graded wearing courses, and 45% RA for base courses, confirming their suitability for the Italian Motorway Network. Experimental results demonstrated that these mixtures met the volumetric and mechanical requirements of Italian Motorway Technical Specifications, proving their feasibility for large-scale production. Further investigations explored combining WMA with CR from ELTs to create semi-porous asphalt mixtures aimed at reducing pavement noise. Laboratory tests showed that CR-enhanced WMA mixtures achieved workability and mechanical performance comparable to conventional mixtures. Surface property assessments confirmed adequate raveling resistance and maintained friction after polishing. Additionally, a five-step methodology was developed to identify optimal chemical additives for lowering the operational temperatures of asphalt mixtures. This process included evaluations of chemical compatibility, viscosity, adhesion, workability, and resistance, ensuring the selection of additives that enhance sustainability without compromising performance. The Research also assessed the long-term performance of bitumens from pavements constructed using both WMA and HMA technologies. Physicochemical and rheological analyses indicated that WMA bitumens exhibited reduced oxidation and polymer degradation compared to HMA, maintaining superior properties even after five years of service. The promising findings strongly support the widespread adoption of these innovative technologies in asphalt production. Their high Technology Readiness Level (TRL) is evidenced by successful tests in real operational environments, demonstrating their maturity and readiness for broad implementation. By promoting sustainable road construction practices and enhancing Motorway infrastructure durability and performance, these advancements significantly address current environmental challenges while meeting stringent technical standards.

In risposta alle preoccupazioni globali sull'inquinamento ambientale e il risparmio energetico, il settore dei materiali stradali sta esplorando alternative sostenibili al tradizionale conglomerato bituminoso. Questa tesi di dottorato analizza le miscele bituminose tiepide per valutarne l'idoneità nelle applicazioni autostradali. Il conglomerato tiepido offre una soluzione ecologica, soprattutto se combinato con alte percentuali di fresato o polverino di gomma da pneumatici fuori uso (PFU). Questi metodi riducono il consumo di energia, l'uso di materie prime, gli impatti ambientali e migliorano le condizioni di lavoro. La Ricerca presso il Laboratorio Stradale e Trasporti dell'Università Politecnica delle Marche ha coinvolto indagini in laboratorio, impianto e sul campo. Gli studi hanno ottimizzato le miscele tiepide con 25% di fresato per strati di usura drenante, 30% per strati di usura e 45% per strati di base, confermandone l'idoneità per la rete autostradale italiana. I risultati hanno dimostrato che queste miscele soddisfano i requisiti volumetrici e meccanici previsti dalle specifiche italiane, provando la loro fattibilità per una produzione su larga scala. Ulteriori indagini hanno esplorato miscele tiepide contenenti PFU per ottenere miscele semi-porose mirate a ridurre il rumore degli pneumatici. I test hanno dimostrato che le miscele tiepide con PFU raggiungono lavorabilità e prestazioni meccaniche comparabili alle miscele convenzionali. Le valutazioni superficiali hanno confermato un'adeguata resistenza allo spogliamento e aderenza dopo levigatura. Inoltre, è stata sviluppata una metodologia in cinque fasi per identificare additivi chimici ottimali per diminuire le temperature operative delle miscele bituminose. Questo processo ha incluso valutazioni della compatibilità chimica, viscosità, adesione, lavorabilità e resistenza, garantendo la selezione di additivi che migliorano la sostenibilità senza compromettere le prestazioni. La Ricerca ha anche valutato le prestazioni a lungo termine di bitumi da pavimentazioni realizzate con conglomerato bituminoso caldo e tiepido. Le analisi fisico-chimiche e reologiche hanno indicato che i bitumi da conglomerato tiepido presentavano una minore ossidazione e degradazione dei polimeri rispetto a quelli del conglomerato tradizionale, mantenendo proprietà superiori anche dopo cinque anni di servizio. I risultati promettenti sostengono l'adozione di queste tecnologie innovative nella produzione di conglomerato. Il Technology Readiness Level (TRL) è dimostrato da test di successo in ambienti operativi reali, evidenziando la maturità e prontezza per una vasta implementazione. Promuovendo pratiche di costruzione sostenibile e migliorando la durabilità e le prestazioni delle infrastrutture autostradali, questi progressi affrontano le attuali sfide ambientali rispettando i rigorosi standard tecnici.