Multiscale approach for characterising the behaviour of cold bitumen emulsion materials

Cold bitumen emulsion (CBE) materials are sustainable pavement construction and rehabilitation technologies. They are obtained using bitumen emulsion as the main binder. Cement or other types of mineral additions can be employed as co-binders or secondary stabilising agents. Frequently, CBE materials are produced using high amounts of reclaimed asphalt aggregate, maximising their sustainable benefits. However, CBE materials can lead to real economic advantages only if their performance is comparable to traditional hot mix asphalt. The achievement of CBE materials with satisfactory performances is strongly linked to a superior design of their composition and to a deep awareness about the mechanisms influencing their mechanical behaviour. Hence, type and dosages of the constituents, and their interaction, are key features to be investigated and optimised. Within this framework, this thesis aims to provide the scientific community with a multiscale approach for the fundamental characterisation of CBE materials. The multiscale approach here presented considers CBE materials as multiphase composites and investigates four scales of engineering interest: mixtures, fine aggregate matrix (FAM) mortars, fresh mastics (i.e. slurries) and bitumen emulsions. Specifically, the experimental investigation first attempted to define the FAM mortar concept. The evolutive behaviours of mixtures and FAM mortars were evaluated, as well as their linear viscoelastic (LVE) response. Then, a procedure for testing the viscosity of CBE slurries was investigated. In parallel, the adoption of innovative constituents for enhancing the CBE materials performances was assessed as well. Results showed that the developed multiscale approach is an effective tool for characterising CBE materials. FAM mortars showed a satisfactory predicting ability of CBE mixtures evolutive behaviour indeed. Besides, mortars and mixtures exhibited a similar sensitivity in terms of LVE response. A reliable novel methodology for characterising the rheological behaviour of CBE slurries was proposed. Finally, the use of innovative materials was found beneficial for enhancing the mechanical properties of CBE materials.

I materiali a freddo prodotti con emulsione bituminosa rappresentano tecnologie sostenibili nel campo della costruzione e riabilitazione delle pavimentazioni. Si ottengono utilizzando l'emulsione bituminosa come legante principale. Come co-leganti o agenti stabilizzanti secondari possono essere impiegati cemento o altri tipi di aggiunte. Spesso, i materiali a freddo con emulsione vengono prodotti utilizzando quantità elevate di conglomerato bituminoso di recupero, massimizzando i loro benefici in termini di sostenibilità. Tuttavia, i materiali a freddo possono apportare reali vantaggi economici solo se le loro prestazioni sono paragonabili a quelle del tradizionale conglomerato bituminoso. L’ottenimento di materiali a freddo con emulsione bituminosa aventi prestazioni soddisfacenti è fortemente legato ad una progettazione avanzata della loro composizione e ad una profonda consapevolezza dei meccanismi che influenzano il loro comportamento meccanico. Di conseguenza, il tipo e i dosaggi dei componenti, ma anche la loro interazione, sono caratteristiche chiave da studiare e ottimizzare. In quest’ottica, la presente tesi mira a fornire alla comunità scientifica un approccio multiscala per la caratterizzazione fondamentale dei materiali a freddo prodotti con emulsione bituminosa. L'approccio multiscala qui presentato considera i materiali a freddo con emulsione bituminosa come compositi multifase e indaga quattro scale di interesse ingegneristico: le miscele, la malte, i mastici allo stato fresco e l’emulsione bituminosa. Nello specifico, l'indagine sperimentale ha tentato di definire il concetto di malta. È stato poi valutato il comportamento evolutivo di miscele e malte, nonché le loro proprietà viscoelastiche lineari (LVE). Quindi, è stata studiata una procedura per misurare la viscosità dei mastici allo stato fresco. Parallelamente, è stata valutata anche l'adozione di componenti innovative per migliorare le prestazioni dei materiali a freddo. I risultati hanno mostrato che l'approccio multiscala sviluppato è uno strumento efficace per caratterizzare i materiali a freddo con emulsione bituminosa. Le malte hanno evidenziato una soddisfacente capacità predittiva del comportamento evolutivo delle miscele. Inoltre, malte e miscele hanno mostrato una sensibilità simile in termini di risposta LVE. È stata proposta una nuova metodologia affidabile per caratterizzare il comportamento reologico dei mastici freschi. Infine, l'uso di materiali innovativi si è dimostrato utile per migliorare le proprietà meccaniche dei materiali CBE.