Waste Food Wax Additive as a Bitumen Modifier for Warm Mix Asphalt Production

Вступ. Наведено результати дослідження воску харчових відходів як потенційно екологічного модифікатора бітумних в'яжучих з метою зменшення в'язкості при температурі нижче 120 °С. На сьогодні добре відомо, що порівняно з класичними процесами віск знижує робочі температури асфальтобетонного покриття, зменшуючи тим самим атмосферні викиди та витрати енергоресурсів.

Мета. Встановити вплив цього воску харчових відходів, а також інших воскоподібних та поверхнево-активних добавок на макроскопічні реологічні властивості шляхом визначення температури в'язкоеластичного переходу та в'язкості різних сумішей бітумних добавок.

Результати. Представлено молекулярне дослідження впливу різних добавок на основі молекулярної дифузії за допомогою дифузіометрії ядерно-магнітного резонансу (ЯМР), вимірювання диференціальної скануючої калориметрії (ДСК). Також проводено дослідження для різних типів воску (відходи та комерційний) для оцінки та порівняння температури переходу досліджуваних добавок з твердої фази у рідку.

Висновки. Встановлено, що віск харчових відходів зменшує в'язкість бітуму за температури нагрівання менше ніж 120 °C, що дозволяє виробляти суміш за нижчих температур. Дія цього воску аналогічна комерційним воскам, які застосовують для виробництва теплих асфальтобетонних сумішей, але його вартість значно нижча, оскільки, по суті — це відходи.

1. Yen T.F., Chilingarian G.V. Asphalthenes and Asphalts, Elsevier. New York, 1994. 458 p.  [in English].
2. Oliviero Rossi C., Caputo P., De Luca G., Maiuolo L., Eskandarsefat S., Sangiorgi C.: 1H-NMR Spectroscopy: A Possible Approach to Advanced Bitumen Characterization for Industrial and Paving Applications. Applied Sciences. Switzerland, 2018. Vol. 8. 229 p. DOI: 10.3390/app8020229 (Last accessed: 12.07.2020) [in English].
3. Caputo P., Loise V., Crispini A., C. Sangiorgi C., Scarpelli F., Oliviero Rossi C. The efficiency of bitumen rejuvenator investigated through Powder X-ray Diffraction (PXRD) analysis and T2-NMR spectroscopy. Colloids and surfaces. A, Physicochemical and engineering aspects. Netherlands, 2019. N 571. P. 50–54 [in English].
4.  Loeber L., Muller G., Morel J., Sutton O.: Bitumen in colloid science: a chemical, structure and rheological approach.  Fuel. United Kingdom, 1998. N 77. P. 1443–1450. DOI: https://doi.org/10.1016/S0016-2361(98)00054-4 (Last accessed: 12.07.2020) [in English].
5. Oliviero Rossi C., Caputo P., Ashimova S, Fabozzi A., D’Errico G., Angelico R. Effects of Natural Antioxidant Agents on the Bitumen Aging Process: An EPR and Rheological Investigation. Applied Sciences. Switzerland, 2018. Vol. 8. 1405 p. DOI: 10.3390/app8081405 (Last accessed: 12.07.2020)                [in English].
6. Oliviero Rossi C., Caputo P., Loise V., Miriello D., Teltayev B., Angelico R. Role of a food grade additive in the high temperature performance of modified bitumens. Colloids and surfaces. A, Physicochemical and engineering aspects. Netherlands, 2017. Vol. 592. P. 618–624 [in English].
7. Oliver E.B. Asphalt Rheology: Relationship to Mixture. ASTM Spec. Publ. 941, American Society for Testing and Materials. Philadelphia, PA, 1987. [in English].
8. Caputo P., Loise V., Ashimova S., Teltayev B., Vaiana R., Oliviero Rossi C. Inverse Laplace Transform (ILT) NMR: A powerful tool to differentiate a real rejuvenator and a softener of aged bitumen. Colloids and surfaces. A, Physicochemical and engineering aspects. Netherlands, 2019. Vol. 574. P. 154–161 [in English].
9. Ashimova S., Teltayev B., Oliviero Rossi C., Caputo P., Eskandarsefat S.: Organic-based recycling agents for road paving applications in cold-climate regions. International Journal of Pavement Engineering. DOI: https://doi.org/10.1080/10298436.2020.1726347 (Last accessed: 12.07.2020)                          [in English].
10. M.C. Rubio M.C., Martínez G., Baena F., Moreno F. Warm mix asphalt: An over-view. Journal of Cleaner Production. 2012. Vol. 24. P. 76–84. DOI: 10.1016/j.jclepro.2011.11.053 (Last accessed: 12.07.2020) [in English].
11. Caputo P., Abe A.A., Loise V., Porto M., Calandra P., Angelico R., Oliviero Rossi C. The Role of Additives in Warm Mix Asphalt Technology: An Insight into Their Mechanisms of Improving an Emerging Technology. Nanomaterials. Switzerland, 2020. Vol. 10, 2020. 1202 p. DOI: 10.3390/nano10061202 (Last accessed: 12.07.2020) [in English].
12. Prowell B.D., Hurley G.C., Frank B.: Warm-Mix Asphalt: Best Practices, 2nd ed.; Quality Improvement Publication: National Asphalt Pavement Association. USA, 2011 [in English].
13. Srikanth G., Kumar R.., Vasudeva R. A Review on Warm Mix Asphalt. In Proceedings of National Conference: Advanced Structures, Materials and Methodology in Civil Engineering. (3–4 November 2018). NIT Jalandhar, India [in English].
14. Caputo P., Ranieri G.A., Godbert N., Aiello I., Tagarelli A., Oliviero Rossi C. Investigation of new additives to reduce the fume emission of bitumen during Asphalt Concrete Processing. Mediterranean Journal of Chemistry. Morocco, 2018. Vol. 7. P. 259-266 [in English].
15. The Use of Warm Mix Asphalt – EAPA Position Paper. European Asphalt Pavement Association. USA, 2014 [in English].
16. Sol-Sánchez M., Moreno-Navarro F., Rubio-Gámez M.C.: Study of Surfactant Additives for the Manufacture of Warm Mix Asphalt: From Laboratory Design to Asphalt Plant Manufacture. Applied sciences. Switzerland, 2017. Vol. 7. 745 p. [in English].
17. Bayati S., Galantini L., Knudsen K.D., Schilleń K.: Effects of Bile Salt Sodium Glycodeoxycholate on the Self-Assembly of PEO−PPO−PEO Triblock Copolymer P123 in Aqueous Solution. Langmuir. United States, 2015. Vol. 31. P. 13519−13527 [in English].
18. di Gregorio M.C., Gubitosi M., Travaglini L., Pavel N.V., Jover A., Meijide F., Vázquez Tato J., Sennato S., Schillén K., Tranchini F., De Santis S., Masci G., Galantini L. Supramolecular assembly of a thermoresponsive steroidal surfactant with an oppositely charged thermoresponsive block copolymer. Physical Chemistry Chemical Physics. 2017. Iss. 2. 1504 p. DOI: https://doi.org/10.1039/C6CP05665B (Last accessed: 12.07.2020) [in English].
19. Bayati S., Galantini L., Knudsen K.D., Schillén K.: Complexes of PEO-PPO-PEO triblock copolymer P123 and bile salt sodium glycodeoxycholate in aqueous solution: A small angle X-ray and neutron scattering investigation. Colloids and surfaces. A, Physicochemical and engineering aspects. Netherlands, 2016. Vol. 504. P. 426–436 [in English].
20. Sasol Wax Sasobit REDUX Factsheet, 2016. Available online: https://www.sasolwax.com/fileadmin/sasolwax/documents/Asphalt%20Additives/Asphalt_Additive_Sas obit_REDUX.pdf. (Last accessed: 11.04.2020) [in English].
21. Rowe G.M, Baumgardner G.L, Reinke G., D’Angelo J., Anderson D.A.: Evaluation of the BBR test with mixtures containing waxes. In Proceedings of the Binder Expert Task Group Meeting (September 2009). San Antonio, 2009 [in English].
22. Lu X., Redelius P. Effect of bitumen wax on asphalt mixture performance. Construction and Building Materials. Vol. 21 (11). United Kingdom, 2007. P. 1961–1970. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2006.05.048 (Last accessed: 11.04.2020) [in English].
23. P. Caputo, D. Miriello, A. Bloise, N. Baldino, O. Mileti, G. A. Ranieri. A comparison and correlation between bitumen adhesion evaluation test methods, boiling and contact angle tests. International Journal of Adhesion and Adhesives. United Kingdom, 2020. Vol. 102. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2020.102680 (Last accessed: 12.07.2020) [in English].
24. Baldino N., Gabriele D., Oliviero Rossi C., Seta L., Lupi F.R., Caputo P., Falvo T.: Rheological effects on bitumen of polyphosphoric acid (PPA) addition. Construction and Building Materials. United Kingdom, 2013. Vol. 40. P. 397-404 [in English].
25. Porto M., Caputo P., Loise V., De Filpo G., Oliviero Rossi C., Calandra P.: Polysaccharides-Reinforced Bitumens: Specificities and Universality of Rheological Behavior. Applied Sciences. Switzerland, 2019. Vol.  9. 564 p. [in English].
26. Duncan J. Principles and applications of mechanical thermal analysis. Oxford: Blackwell Publishing Ltd; 2008. P. 119–63 [in English].
27. Baldino N., Gabriele D., Oliviero Rossi C., Seta L., Lupi F.R., Caputo P. Low temperature rheology of polyphosphoric acid (PPA) added bitumen. Construction and Building Materials. United Kingdom, 2012. Vol. 36. P. 592-598 [in English].
28. Porto M., Caputo P., Loise V., Eskandarsefat S., Teltayev B., Oliviero Rossi C. Bitumen and Bitumen Modification: A Review on Latest Advances. Applied Sciences. Switzerland, 2019. Vol. 9. 742 p.
29. Calandra P., Caputo P., De Santo M.P., Todaro L., Turco Liveri V., Oliviero Rossi C. Effect of additives on the structural organization of asphaltene aggregates in bitumen. Construction and Building Materials. United Kingdom, 2019. Vol. 199. P. 288–297 [in English].
30. Caputo P., Porto M., Calandra P., De Santo M.P., Oliviero Rossi C. Effect of epoxidized soybean oil on mechanical properties of bitumen and aged bitumen. Molecular Crystals and Liquid Crystalas, United States, 2018. Vol. 675. P. 68–74. https://doi.org/10.1080/15421406.2019.1606979 (Last accessed: 12.07.2020) [in English].
31. Oner J., Sengoz B., Maidanova N., Topal A., Malkoc G. Evaluation of rheological effects of waxes on bitumen from different sources. 6th Eurasphalt & Eurobitume Congress (1-3 June 2016, Prague). Czech Republic, 2016 [in English].
32. Stejskal E.O., Tanner J.E.: Spin diffusion measurements: spin echoes in the presence of a time‐dependent field gradient. Physical Chemistry Chemical Physics. 1965. Vol. 42. P. 288-292. [in English].
33. Coppola L., Oliviero C., Olsson U., Ranieri G.A. Characterization of a reverse hexagonal lyomesophase by a PGSE NMR water self-diffusion study. Langmuir, United States, 2000. Vol. 16. P. 4180-4184 [in English].
34. Filippelli L., Gentile L., Oliviero Rossi C., Ranieri G.A., Antunes F.E. Structural change of bitumen in the recycling process by using rheology and NMR. Industrial & Engineering Chemistry Research, Washington, 2012. Vol. 51. P. 16346-16353. DOI: 10.1021/ie301899v [in English].
35. Chidichimo G., De Fazio D., Ranieri G.A., Terenzi M. Self-diffusion of water in a lamellar lyotropic liquid crystal: A study by pulsed field gradient NMR. Chemical physics letters. 1985. Vol. 117 (5). P. 514-517. DOI: https://doi.org/10.1016/0009-2614(85)80293-1 (Last accessed: 12.07.2020) [in English].
36. Hassan F., Hamid B., Amir A.A., Rahmani J., Golazin Y. High and Low Temperature Properties of FT-Paraffin-Modified Bitumen. Advances in Materials Science and Engineering. 2012. DOI: 10.1155/2012/406791 [in English].
37. Coppola L., Oliviero C., Pogliani L., Ranieri G.A., Terenzi M. A self-diffusion study in aqueous solution and lyotropic mesophases of amphiphilic block copolymers. Colloid and Polymer Science. Switzerland, 2000. Vol. 278. P. 434-442. DOI: 10.1007/s003960050536 [in English].