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

Technische Samenvatting: Experimentele en Levenscyclusanalyse van RAP Gemodificeerd met Fe2O3 en Afvalolie als Additieven

Probleemstelling
Asfaltverhardingen lijden regelmatig aan defecten zoals thermische scheurvorming bij lage temperaturen, spoorvorming bij hoge temperaturen en vochtbeschadiging, gedreven door zwaar verkeer, constructiefouten en omgevingsfactoren. Hoewel asfaltadditieven de prestaties kunnen verbeteren, verbeteren enkelvoudige modificatoren zelden alle eigenschappen tegelijkertijd. Bovendien leunt de wegenbouwsector zwaar op natuurlijke hulpbronnen en energie-intensieve processen, wat aanzienlijk bijdraagt aan milieuvervuiling. Hoewel Reclaimed Asphalt Pavement (RAP), afvalolie (WCO) en Nano Fe2O3 afzonderlijk zijn onderzocht, is er een gebrek aan onderzoek naar hun gecombineerde toepassing in RAP-mengsels en de systematische kwantificering van hun gezamenlijke mechanische en milieueffecten.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een duale additieve modificatiebenadering om RAP-asfaltmengsels te evalueren. Vijf verschillende mengsels werden bereid en getest:

1. Controlemengsel (virgin asfalt).
2. RAP-mengsel (20% RAP).
3. RAP-mengsel gemodificeerd met afvalolie (WCO) bij variërende doseringen (5%, 7%, 9%).
4. RAP-mengsel gemodificeerd met Nano Fe2O3 bij variërende doseringen (2%, 3%, 4%).
5. RAP-mengsel met een composiet van Nano Fe2O3 en WCO.

Experimentele Evaluatie:

• Monsterbereiding: Er werd een droog mengproces gebruikt. Aggregaten werden verhit tot 175°C, gemengd met additieven, gevolgd door virgin bitumen (graad 60/70) bij 160–170°C, en tot slot filler.
• Mechanische Testen:
  • Marshall-test: Bepaling van de optimale bindmiddelinhoud, stabiliteit, doorbuiging, dichtheid en luchtvacuümaandeel.
  • Wheel Tracking (Hamburg): Beoordeling van de weerstand tegen spoorvorming bij 60°C onder 0,7 MPa druk.
  • Marshall Immersion: Evaluatie van de weerstand tegen vochtschade (Moisture Susceptibility Ratio - MSR).
  • Indirect Tensile Strength (ITS): Meting van de weerstand tegen thermische scheurvorming bij -5°C.
• Levenscyclusanalyse (LCA):
  • Functionele Eenheid: 1 km lengte × 1 m breedte van de slijtlaag (ontwerplevensduur van 15 jaar, 20.000 voertuigen/dag).
  • Systeemgrenzen: Inclusief productie van grondstoffen, productie van het bitumineuze mengsel, transport en constructie van de slijtlaag. Exclusief ontwerpfase, gebruiksfase en end-of-life fase.
  • Tools & Data: SimaPro 9.1.0 software met de Ecoinvent database (V 3.6) en de CML2001 impactbeoordelingsmethode.
  • Impactcategorieën: Beoordeling van 10 categorieën, waaronder wereldwijde opwarming van de aarde (GWP), verzuring (AP), eutrofiëring (EP), ozonafbraak (OLD) en diverse toxiciteitspotentialen.

Belangrijkste Resultaten

• Mechanische Prestaties:
  • Weerstand tegen Spoorvorming: Nano Fe2O3 verbeterde de weerstand tegen spoorvorming aanzienlijk. Het composietmengsel (M8) behaalde de grootste verbetering, waarbij de diepte van de spoorvorming met 38,60% afnam ten opzichte van de controle. WCO alleen verhoogde de diepte van de spoorvorming licht.
  • Thermische Scheurvorming bij Lage Temperatuur: WCO vertoonde een superieur effect op de weerstand tegen thermische scheurvorming vergeleken met Nano Fe2O3. Het composietmengsel (M8) registreerde de hoogste Indirect Tensile Strength (ITS), een verbetering van 30,21% ten opzichte van de controle.
  • Vochtbestendigheid: Nano Fe2O3 toonde een groter effect op de weerstand tegen vochtbeschadiging dan WCO. Het composietmengsel (M8) behaalde de hoogste Moisture Susceptibility Ratio (MSR), een stijging van 8,24% ten opzichte van de controle.
  • Optimale Doseringen: Op basis van de Marshall-testresultaten werden 4% Nano Fe2O3 (M4) en 9% WCO (M7) geïdentificeerd als de optimale doseringen voor de enkelvoudige modifier-mengsels.
• Milieuprestaties (LCA):
  • Enkelvoudige Modificatoren: Het RAP-mengsel (M1) verbeterde de milieueffecten in alle categorieën vergeleken met de controle. Het Nano Fe2O3-mengsel (M4) vertoonde het beste algemene milieubereik onder de gemodificeerde mengsels, hoewel het kleine negatieve effecten vertoonde in de EP, GWP, TETP en OLD categorieën. Het WCO-mengsel (M7) verbeterde het profiel ook, maar vertoonde negatieve effecten in vergelijkbare categorieën.
  • Composiet Modificator: Het composietmengsel (M8) verbeterde over het algemeen het milieubereik vergeleken met de controle, maar vertoonde de hoogste negatieve effecten in verschillende categorieën (TETP, AP, EP, OLD, GWP) ten opzichte van andere gemodificeerde mengsels.
  • Procesbijdragen: Bitumenproductie was de belangrijkste drijfveer voor AP, EP, GWP, HTP, FWETP, MAETP en POFP. De productie van het asfaltmengsel dreef de OLD-impacten, terwijl transport de ADP en TETP dreef.
  • Weging: Gebruikmakend van een Canadese panelwegingsmethode, vertoonden alle gemodificeerde mengsels lagere totale milieueffecten dan de controle. Het met Nano Fe2O3 gemodificeerde mengsel (M4) had het laagste totale milieueffect, gevolgd door het composietmengsel (M8).

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat deze studie de eerste systematische onderzoek is naar de composietmodificatie van RAP-asfalt met zowel WCO als Nano Fe2O3. Het onderzoek toont aan dat hoewel enkelvoudige additieven specifieke sterktes hebben (Nano Fe2O3 voor spoorvorming en vocht; WCO voor thermische scheurvorming), een composietbenadering de beste algehele mechanische prestaties oplevert, waarbij de weerstand tegen spoorvorming, vochtstabiliteit en thermische scheurvorming tegelijkertijd aanzienlijk wordt verbeterd.

Wat betreft de milieustabiliteit concludeert de studie dat, hoewel het composietmengsel superieure mechanische eigenschappen biedt, de enkelvoudige Nano Fe2O3-modificatie het meest gunstige algemene milieubereik heeft wanneer de gewogen impactcategorieën worden overwogen. Het artikel stelt dat composietadditieven een levensvatbare strategie zijn om de algehele efficiëntie en levensduur van asfaltmengsels te verbeteren zonder de milieustabiliteit in gevaar te brengen, en biedt gegevens ter ondersteuning van besluitvorming voor wegenbouwbeleid in Egypte en soortgelijke contexten. De auteurs benadrukken dat geen enkel additief alle mengseleigenschappen kan verbeteren, wat de noodzaak voor composietoplossingen rechtvaardigt.