Mechanistic modeling of bituminous mortars to predict performance of asphalt mixtures containing RAP

Nell’ultimo ventennio si è assistito a un rapido incremento dell’utilizzo di materiale fresato nelle pavimentazioni stradali dovuto in parte al risparmio economico derivante dall’utilizzo di questo materiale e in parte ai vantaggi ambientali. Tuttavia, esistono ancora due importanti problematiche alle quali non è stata data una risposta efficace: la prima riguarda la caratterizzazione del bitume invecchiato contenuto nel fresato; la seconda riguarda la possibilità di prevedere le prestazioni delle miscele confezionate utilizzando elevate quantità di fresato. Con riferimento alla prima problematica, i metodi attualmente disponibili sono basati sull’estrazione e sul recupero del bitume contenuto nel fresato per mezzo di solventi. Tali metodi presentano però vari problemi connessi al fatto che l’estrazione e il recupero del bitume può alterarne le proprietà reologiche. Per questo motivo, nel presente lavoro, si è sviluppata una nuova procedura che permette di eseguire un retrocalcolo delle proprietà reologiche del bitume invecchiato e dei blends, composti da bitume invecchiato e bitume vergine, partendo da test su malte composte miscelando la parte fine degli aggregati del fresato e il bitume vergine; utilizzando il modello di Nielsen, appositamente adattato al caso di materiali bituminosi, e il modello di Voigt si riesce a determinare le suddette proprietà reologiche utilizzando i risultati dei test eseguiti sulle malte. Ciò ha un duplice beneficio: da una parte è possibile caratterizzare il bitume invecchiato contenuto nel fresato nelle stesse condizioni di lavoro in cui si trova all’interno della pavimentazione, evitando che subisca ulteriori trattamenti, dall’altra si possono eseguire le prove di caratterizzazione su una delle fasi che maggiormente governano le proprietà delle miscele in conglomerato bituminoso e che quindi regolano le performance delle pavimentazioni. Con riferimento alla seconda problematica, è stata sviluppata una procedura di modellazione multiscala, basata sia su modelli reologici (2 Spring, 2 Parabolic Elements, 1 Dashpot, 2S2P1D model) sia su modelli empirici (Hirsh e Witczak models), che permette di prevedere il comportamento reologico delle miscele in conglomerato bituminoso, contenenti materiale fresato, partendo direttamente dai risultati di prove eseguite sulle malte e tenendo conto della composizione granulometrica degli aggregati e di quella volumetrica delle miscele. La metodologia messa a punto consente di ottenere previsioni affidabili per entrambe le problematiche affrontate, come dimostrato dai risultati delle prove di validazione eseguite nell’ambito della tesi, e di fornire una soluzione innovativa ad alcune questioni che risultano attualmente di particolare rilievo ai fini della estesa utilizzazione del fresato per il confezionamento dei conglomerati bituminosi. In last decades the use of Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) materials in asphalt mixtures has seen a significant expansion for economical and environmental reasons. Nevertheless, there are still two important issues which have not been effectively solved: the first regards the characterization of the aged binder contained in RAP; the second concerns the ability to predict the performance of asphalt mixture composed with high RAP content. Regarding the first problem, the current methods are based on extraction and recovery of the RAP binder using solvents; however, these methods are not fully accurate since they can alter the rheological properties of the binder. For this reason, in the present work, a new procedure to back-calculate the rheological properties of the aged binder contained in RAP materials and of the blends composed with fresh and RAP binder, was developed. This is based on DSR tests performed on mortars, composed by mixing the fine fraction of the RAP aggregate with virgin binder. Using the Nielsen model, specifically adapted to asphalt mortars’ case and the Voigt model, the rheological properties of RAP binder can be back-calculated from mortars tests. The present procedure has two advantages: the aged binder contained in RAP is tested as it is after the milling process, avoiding any further treatments, while the testing campaign is centered on the mortar phase, which is one of the most important phases governing the properties of the mixtures and, therefore, the performance of asphalt pavements. Regarding the second problem, a multi-scale approach based on rheological model (2 Spring, 2 Parabolic Elements, 1 Dashpot, 2S2P1D model) and on empirical models (Hirsh e Witczak models) was developed to predict the rheological properties of asphalt mixture containing RAP materials, starting from tests on asphalt mortars and taking into account the grading of the aggregates and the volumetric composition of the mixtures. This methodology allows to make reliable previsions for both the problems addressed, as demonstrated by the results of the validation tests carried out in this doctoral thesis. In addition, the present research provides innovative solutions to address some of the issues which are currently of particular importance for the purposes of extending the use of RAP material in the production of asphalt mixture.