Χημική και ρεολογική διερεύνηση βιοτροποποιημένης ασφάλτου με διάφορους τύπους βιομάζας

Abstract

The present dissertation investigates the use of bio-derived materials as modifiers for petroleum-based bitumen. Six solid-phase (Kraft lignin, microchlorella, chlorella, olive-waste biochar, rice husk, spent coffee grounds) and two liquid-phase (corn oil, sunflower seed oil) bio-modifiers were incorporated into different reference binders at varying contents. The binders were assessed in terms of their characteristic, rheological and physicochemical properties and short-term ageing susceptibility using a multiscale chemomechanical approach. Correlation and hierarchical cluster analyses were employed to quantify interproperty relationships. Results indicate that Kraft lignin most effectively enhanced high-temperature performance, though its content must be carefully controlled to avoid negative impacts on fatigue resistance. Bio-derived oils improved fatigue behavior, particularly at concentrations ≥3%, while all bio-modifiers maintained satisfactory storage stability up to 5%. Additionally, BET (Brunauer-Emmett-Teller) surface area proved a more reliable storage stability predictor than total pore volume. Sulfoxide and carbonyl functional groups were identified as primary indicators of bitumen’s short-term ageing, whereas the polar region better reflected molecular changes in the bio-materials. Rice husk and microchlorella demonstrated superior ageing resistance. To better capture these molecular transformations, different spectroscopic techniques should be applied in a complementary manner. Cluster analysis revealed that, despite structural differences, solid- and liquid-phase bio-modified binders exhibit similar property correlations, indicating the potential future development of effective bio-material frameworks. Nevertheless, given the diversity of bio-materials and their structural and functional variability, universal approaches may be unsuitable, emphasizing the need for tailored, material-specific evaluation criteria.

Η παρούσα διατριβή διερευνά τη χρήση βιογενών υλικών ως τροποποιητών για άσφαλτο πετρελαϊκής προέλευσης. Έξι βιοτροποποιητές στερεής φάσης (λιγνίνη Kraft, μικροχλωρέλλα, χλωρέλλα, βιοεξανθράκωμα από υπολείμματα ελιάς, φλοιός ρυζιού, χρησιμοποιημένοι κόκκοι καφέ) και δύο υγρής φάσης (καλαμποκέλαιο, ηλιέλαιο) ενσωματώθηκαν σε διαφορετικές ασφάλτους αναφοράς σε ποικίλες περιεκτικότητες. Οι άσφαλτοι αξιολογήθηκαν ως προς τις χαρακτηριστικές, ρεολογικές και φυσικοχημικές ιδιότητές τους, καθώς και ως προς την ευαισθησία τους στη βραχυπρόθεσμη γήρανση, μέσω μιας πολυκλιμακικής χημικής και μηχανικής προσέγγισης. Για την ποσοτικοποίηση των συσχετίσεων μεταξύ των ιδιοτήτων εφαρμόστηκαν αναλύσεις συσχέτισης και ιεραρχική ανάλυση συστάδων (hierarchical cluster analysis). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η λιγνίνη Kraft βελτίωσε αποτελεσματικότερα τη συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες, ωστόσο η περιεκτικότητά της πρέπει να ελέγχεται προσεκτικά ώστε να αποφεύγονται αρνητικές επιπτώσεις στην αντοχή της ασφάλτου σε κόπωση. Τα βιογενή έλαια βελτίωσαν τη συμπεριφορά κόπωσης, ιδιαίτερα σε συγκεντρώσεις ≥3%, ενώ όλοι οι βιοτροποποιητές διατήρησαν ικανοποιητική σταθερότητα αποθήκευσης έως και 5%. Επιπλέον, η ειδική επιφάνεια BET (Brunauer–Emmett–Teller) αποδείχθηκε πιο αξιόπιστος δείκτης πρόβλεψης της σταθερότητας αποθήκευσης σε σύγκριση με τον συνολικό όγκο πόρων. Οι λειτουργικές ομάδες σουλφοξειδίου και καρβονυλίου αναγνωρίστηκαν ως οι κύριοι δείκτες βραχυπρόθεσμης γήρανσης της ασφάλτου, ενώ η πολική περιοχή αποτύπωσε καλύτερα τις μοριακές μεταβολές στα βιοϋλικά. Ο φλοιός ρυζιού και η μικροχλωρέλλα παρουσίασαν τη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στη γήρανση. Για την πληρέστερη καταγραφή αυτών των μοριακών μετασχηματισμών, προτείνεται η συμπληρωματική εφαρμογή διαφορετικών φασματοσκοπικών τεχνικών. Η ιεραρχική ανάλυση συστάδων έδειξε ότι, παρά τις δομικές διαφορές, οι τροποποιημένες άσφαλτοι με βιοϋλικά στερεής και υγρής φάσης εμφανίζουν παρόμοιες συσχετίσεις ιδιοτήτων, γεγονός που υποδεικνύει τη δυνατότητα μελλοντικής ανάπτυξης αποτελεσματικών πλαισίων αξιοποίησης βιοϋλικών. Ωστόσο, λόγω της μεγάλης ποικιλίας βιοϋλικών και της δομικής και λειτουργικής τους μεταβλητότητας, οι καθολικές προσεγγίσεις ενδέχεται να μην είναι κατάλληλες, γεγονός που υπογραμμίζει την ανάγκη για κριτήρια αξιολόγησης προσαρμοσμένα στο εκάστοτε υλικό.