Experimental investigation on polymer-modified bitumen containing renewable components for sustainable asphalt pavements ​

The goal of global energy transition due to the final aim of stopping the production of fossil fuels by 2050 and the following growing awareness of the depletion of non-renewable sources (such as petroleum), have led to the development of new materials that not only maximise the circularity of resources but also minimise environmental impact. This shift is driving significant interest in biomaterials, particularly within the civil engineering and road construction sectors. With rapid urbanization and growing traffic volumes, the demand for raw materials for pavement construction and maintenance continues to rise, along with associated costs. At the same time, the environmental impacts of traditional materials, including their carbon footprint and greenhouse gas emissions, have become critical concerns. As a result, bio-binders are gaining attention as sustainable alternatives for flexible pavements. These innovative materials replace bitumen – traditionally derived from crude oil – partially or entirely with renewable resources such as by-products of wood, bio-oils or lignin. The global energy transition further underscores the urgency of reducing dependence on bitumen, with researchers focusing on maximizing the use of renewable biomass materials. However, while bio-binders show promise, challenges remain, particularly in ensuring performance comparable to conventional polymer-modified bitumen, which is widely used for high-traffic pavements. In light of this context, this PhD study aims to investigate the potential of using polymer-modified bitumen containing renewable components in flexible pavements. A performance-based characterization was carried out by investigating several bio-binders properties, including storage stability, linear viscoelastic behaviour, fatigue performance, permanent deformation resistance, chemistry, and aging susceptibility. These bio-binders were subsequently used to produce laboratory bio-asphalt mixtures for base and upper layers, which were subjected to conventional and advanced mechanical characterization. Overall, this investigation highlights the potential of polymer modified bio-binders as sustainable alternatives for asphalt applications, offering comparable or even enhanced performance characteristics relative to traditional polymer-modified bitumen. Bio-binders, therefore, qualify as a sustainable and high-performance alternative, contributing to reducing the environmental impact of the road sector and promoting a more responsible use of natural resources.

La transizione energetica globale, che mira a interrompere la produzione di combustibili fossili entro il 2050, unito all’esaurimento delle risorse non rinnovabili (come il petrolio), hanno portato allo sviluppo di materiali innovativi che promuovono l’economia circolare e minimizzano gli impatti ambientali. Questa necessità ha suscitato un notevole interesse nei riguardi dei bio-materiali, in particolare nei settori dell'ingegneria civile e dell’industria stradale. La crescente urbanizzazione e l’aumento del traffico hanno determinato una maggiore domanda di materie prime per la costruzione e manutenzione delle infrastrutture stradali, con un conseguente incremento dei costi associati. Allo stesso tempo, gli impatti ambientali dei materiali tradizionali, incluso il loro apporto di carbonio e le emissioni di gas serra, sono diventati temi anch’essi rilevanti. In risposta a queste sfide, i bio-leganti sembrano essere un’alternativa promettente per la realizzazione di pavimentazioni flessibili sostenibili. Tali leganti innovativi consentono la sostituzione, parziale o totale, del bitume tradizionale derivante dal petrolio con materiali rinnovabili come sottoprodotti del legno, bio-oli o lignina. La transizione energetica globale sottolinea ulteriormente l'urgenza di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, spingendo i ricercatori a massimizzare l'uso di materiali rinnovabili provenienti da biomasse. Tuttavia, nonostante il potenziale dei bio-leganti, permangono sfide legate soprattutto alla necessità di garantire prestazioni paragonabili a quelle del bitume modificato con polimeri, ampiamente utilizzato per pavimentazioni ad alto traffico. Il presente studio di dottorato si pone l’obiettivo di studiare il potenziale impiego di bitumi modificati con polimeri contenenti componenti derivati da fonti rinnovabili, al fine di impiegarli per la realizzazione di pavimentazioni stradali flessibili. Dunque, è stata effettuata una caratterizzazione prestazionale di differenti bio-leganti, la quale ha previsto lo studio della stabilità allo stoccaggio, del comportamento viscoelastico lineare, delle prestazioni a fatica, della resistenza alle deformazioni permanenti, della composizione chimica e della suscettibilità all’invecchiamento. Successivamente, i medesimi bio-leganti sono stati impiegati per produrre in laboratorio miscele di conglomerato bituminoso per strati di usura drenante e di base. Tali miscele sono state poi sottoposte ad una dettagliata caratterizzazione meccanica convenzionale e avanzata. I risultati di questo lavoro di ricerca dimostrano che i bio-leganti modificati con polimeri possono offrire prestazioni paragonabili o persino superiori a quelle del bitume tradizionale modificato con polimeri attualmente impiegati nelle pavimentazioni autostradali. Questi materiali, pertanto, si qualificano come un’alternativa sostenibile e ad alte prestazioni, contribuendo a ridurre l’impatto ambientale del settore stradale e a promuovere un uso più responsabile delle risorse naturali.