Experimental and Life Cycle assessment of RAP modified with Fe2O3 and Waste Cooking Oil Admixtures

Sintesi Tecnica: Valutazione Sperimentale e del Ciclo di Vita di RAP Modificato con Additivi di Fe2O3 e Olio di Cucina Esausto

Definizione del Problema
I manti stradali asfaltici soffrono frequentemente di difetti quali fessurazioni termiche a basse temperature, ormaiazione (rutting) ad alte temperature e danni da umidità, causati dal traffico pesante, carenze costruttive e fattori ambientali. Sebbene gli additivi per l'asfalto possano migliorare le prestazioni, i singoli modificatori raramente potenziano simultaneamente tutte le proprietà. Inoltre, l'industria della costruzione stradale dipende fortemente dalle risorse naturali e da processi energivori, contribuendo significativamente all'inquinamento ambientale. Sebbene il RAP (Reclaimed Asphalt Pavement), il WCO (Waste Cooking Oil) e il Nano Fe2O3 siano stati investigati singolarmente, manca una ricerca riguardante la loro applicazione composita nei mix di RAP e la quantificazione sistematica dei loro impatti meccanici e ambientali combinati.

Metodologia
Questo studio ha impiegato un approccio di modifica a doppio additivo per valutare i mix di asfalto RAP. Sono stati preparati e testati cinque mix distinti:

1. Mix di controllo (asfalto vergine).
2. Mix RAP (20% RAP).
3. Mix RAP modificato con Olio di Cucina Esausto (WCO) a dosaggi variabili (5%, 7%, 9%).
4. Mix RAP modificato con Nano Fe2O3 a dosaggi variabili (2%, 3%, 4%).
5. Mix RAP con un composito di Nano Fe2O3 e WCO.

Valutazione Sperimentale:

• Preparazione dei Campioni: È stato utilizzato un metodo di miscelazione a secco. Gli aggregati sono stati riscaldati a 175°C, miscelati con gli additivi, seguiti dal bitume vergine (grado 60/70) a 160–170°C e, infine, dal filler.
• Test Meccanici:
  • Test Marshall: Ha determinato il contenuto ottimale di legante, stabilità, scorrimento, densità e vuoti d'aria.
  • Wheel Tracking (Hamburg): Ha valutato la resistenza all'ormaiamento a 60°C sotto una pressione di 0,7 MPa.
  • Immersione Marshall: Ha valutato la resistenza ai danni da umidità (Rapporto di Suscettibilità all'Umidità - MSR).
  • Resistenza alla Trazione Indiretta (ITS): Ha misurato la resistenza alle fessurazioni a bassa temperatura a -5°C.
• Valutazione del Ciclo di Vita (LCA):
  • Unità Funzionale: Lunghezza di 1 km × larghezza di 1 m dello strato di usura (vita utile di 15 anni, 20.000 veicoli/giorno).
  • Confini del Sistema: Includevano la produzione di materie prime, la produzione del mix bituminoso, il trasporto e la costruzione dello strato di usura. Esclusi le fasi di progettazione, uso e fine vita.
  • Strumenti e Dati: Software SimaPro 9.1.0 con database Ecoinvent (V 3.6) e metodo di valutazione dell'impatto CML2001.
  • Categorie di Impatto: Valutate 10 categorie tra cui Potenziale di Riscaldamento Globale (GWP), Acidificazione (AP), Eutrofizzazione (EP), Esaurimento dell'Ozono (OLD) e varie potenzialità di tossicità.

Risultati Chiave

• Prestazioni Meccaniche:
  • Resistenza all'Ormaiamento: Il Nano Fe2O3 ha migliorato significativamente la resistenza all'ormaiamento. Il mix composito (M8) ha ottenuto il maggior miglioramento, riducendo la profondità di ormaiazione del 38,60% rispetto al controllo. Il solo WCO ha aumentato leggermente la profondità di ormaiazione.
  • Fessurazione a Bassa Temperatura: Il WCO ha dimostrato un effetto superiore sulla resistenza alla fessurazione termica rispetto al Nano Fe2O3. Il mix composito (M8) ha registrato la massima Resistenza alla Trazione Indiretta (ITS), con un miglioramento del 30,21% rispetto al controllo.
  • Resistenza all'Umidità: Il Nano Fe2O3 ha mostrato un effetto maggiore sulla resistenza ai danni da umidità rispetto al WCO. Il mix composito (M8) ha ottenuto il Rapporto di Suscettibilità all'Umidità (MSR) più elevato, con un incremento dell'8,24% rispetto al controllo.
  • Dosaggi Ottimali: In base ai risultati del test Marshall, sono stati identificati come dosaggi ottimali per i mix a singolo modificatore il 4% di Nano Fe2O3 (M4) e il 9% di WCO (M7).
• Prestazioni Ambientali (LCA):
  • Singoli Modificatori: Il mix RAP (M1) ha migliorato gli impatti ambientali in tutte le categorie rispetto al controllo. Il mix con Nano Fe2O3 (M4) ha mostrato il miglior profilo ambientale complessivo tra i mix modificati, sebbene abbia presentato lievi impatti negativi nelle categorie EP, GWP, TETP e OLD. Anche il mix WCO (M7) ha migliorato il profilo, ma ha mostato impatti negativi in categorie simili.
  • Modificatore Composito: Il mix composito (M8) ha generalmente migliorato il profilo ambientale rispetto al controllo, ma ha mostrato i più alti impatti negativi in diverse categorie (TETP, AP, EP, OLD, GWP) rispetto agli altri mix modificati.
  • Contributi di Processo: La produzione di bitume è stata il driver principale per AP, EP, GWP, HTP, FWETP, MAETP e POFP. La produzione del mix asfaltoso ha guidato gli impatti OLD, mentre il trasporto ha guidato ADP e TETP.
  • Ponderazione: Utilizzando un metodo di ponderazione di un panel canadese, tutti i mix modificati hanno mostrato impatti ambientali complessivi inferiori rispetto al controllo. Il mix modificato con Nano Fe2O3 (M4) ha avuto il minor impatto ambientale complessivo, seguito dal mix composito (M8).

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo studio fornisce la prima investigazione sistematica sulla modifica composita del RAP con l'uso di sia WCO che Nano Fe2O3. La ricerca dimostra che, mentre i singoli additivi hanno vantaggi specifici (Nano Fe2O3 per ormaiazione e umidità; WCO per fessurazione a bassa temperatura), un approccio composito produce le migliori prestazioni meccaniche complessive, potenziando significativamente la resistenza all'ormaiamento, la stabilità all'umidità e la resistenza alla fessurazione termica simultaneamente.

Per quanto riguarda la sostenibilità ambientale, lo studio conclude che, sebbene il mix composito offra proprietà meccaniche superiori, la modifica singola con Nano Fe2O3 offre il profilo ambientale complessivo più favorevole considerando le categorie di impatto ponderate. Il documento asserisce che gli additivi compositi sono una strategia percorribile per migliorare l'efficienza complessiva e la vita utile dei mix asfaltici senza compromettere la sostenibilità ambientale, fornendo dati a supporto delle decisioni per le politiche di costruzione stradale in Egitto e contesti simili. Gli autori sottolineano che nessun singolo additivo può migliorare tutte le proprietà del mix, giustificando la necessità di soluzioni composite.