Riciclo del micropolipropilene in miscela di asfalto caldo modificato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3639 (2023) Citare questo articolo

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Uno degli obiettivi dell’economia circolare è risolvere la crisi mondiale dell’inquinamento da plastica e il riciclaggio dei materiali garantendo meno rifiuti. La motivazione di questo studio era quella di dimostrare la possibilità di riciclare due tipi di rifiuti ad alto rischio di inquinamento, come il polipropilene a base plastica e i rifiuti di sabbiatura abrasiva nelle strade asfaltate. In questo studio sono stati mostrati gli effetti dell’aggiunta di microplastiche a base di polipropilene e scarti di sabbia nella miscela di asfalto per le prestazioni dello strato di usura. La morfologia e la composizione elementare dei campioni di miscela di asfalto caldo prima e dopo il ciclo di gelo-disgelo sono state esaminate mediante SEM-EDX e le prestazioni della miscela di asfalto modificato sono state determinate con test di laboratorio tra cui stabilità Marshall, portata, rapporto solido-liquido, apparente densità e assorbimento d'acqua. Viene anche descritta una miscela di asfalto caldo adatta per realizzare uno strato di usura nella costruzione di strade, contenente aggregati, riempitivo, bitume, scarti di sabbia abrasiva e microplastiche a base di polipropilene. Nella ricetta delle miscele di asfalto caldo modificato sono state aggiunte 3 proporzioni di microplastiche a base di polipropilene quali 0,1%, 0,3% e 0,6%. Un miglioramento delle prestazioni della miscela si evidenzia nel campione di miscela di asfalto con lo 0,3% di polipropilene. Inoltre, le microplastiche a base di polipropilene si legano bene agli aggregati della miscela, quindi la miscela di asfalto caldo modificato con polipropilene può ridurre efficacemente la comparsa di crepe durante gli sbalzi di temperatura improvvisi.

Le strade rappresentano l’infrastruttura di trasporto predominante in Europa e un importante contributo all’economia1. La miscela di asfalto preparato a caldo è un materiale da costruzione realizzato mediante un processo tecnologico che prevede il riscaldamento di aggregati naturali e bitume, la miscelazione della miscela, il trasporto e la messa in servizio, mediante compattazione a caldo2,3. Con la continua accelerazione del cambiamento climatico, sono stati osservati vari meccanismi di degrado stradale tra cui solchi, fessurazioni ed erosione per le strade sigillate o non sigillate4. Le miscele di asfalto o strade bituminose utilizzano generalmente zavorra fluviale prelavata come aggregati naturali, mescolata con sabbie quarzose estratte da cave o letti di ghiaia e pietrisco (prelevato dalle cave a causa di processi di frantumazione e selezione delle rocce, o frantumazione di sabbie fini frazione di liti di carriera5. Uno degli obiettivi dell’AGENDA 2030 mira allo sviluppo sostenibile per garantire modelli di consumo e produzione sostenibili, al fine di sostenere il concetto di sviluppo sostenibile in termini di ristrutturazione del modo in cui vengono utilizzate le risorse naturali, in modo che le attività economiche siano in equilibrio con i sistemi ecologici, al fine di per evitare l'esaurimento totale di quest'ultimo in ricerche precedenti abbiamo studiato l'uso della sabbia di scarto nella miscela di asfalto 6. I cantieri navali utilizzano un materiale chiamato sabbia con una composizione di SiO2, Fe2O3, Al2O3, CaO, MgO, ZnO, MnO, SO4–2 e Cl in operazioni di sabbiatura di scafi di navi.La sabbia di scarto risultante dal processo di sabbiatura presenta un grosso problema in termini di stoccaggio e misure di protezione ambientale perché le frazioni leggere formano polvere volante (quantità significative si trovano trasportate sulle rive del Danubio)7. In un altro studio, abbiamo sostituito con successo il 25% della quantità di sabbia di quarzo naturale con graniglia di scarto con granulometria simile (0,1–2,0 mm) e la miscela di asfalto ottenuta presenta sia caratteristiche fisico-meccaniche che resistenza all'usura superiori alla miscela di asfalto standard8 . L’inquinamento da plastica è un grave problema di preoccupazione globale che necessita di una risposta urgente e internazionale che coinvolga tutti i soggetti interessati a vari livelli. Sono disponibili numerosi studi sull’uso della plastica riciclata nei leganti e nelle miscele di asfalto9. Ahmed et al. ha valutato il polietilene a bassa densità (LDPE) e il polietilene ad alta densità (HDPE) per la modifica dell'asfalto tramite il processo a umido. Hanno raccomandato il dosaggio ottimale del 2% in peso di LDPE e HDPE nel legante per asfalto (grado di penetrazione 40/50) per la modifica dell'asfalto e il miglioramento delle proprietà della miscela è stato più marcato per l'HDPE che per l'LDPE10. Appiah et al. ha valutato l'uso di polietilene ad alta densità (HDPE) e polipropilene (PP) riciclati per la modifica dell'asfalto mediante processo a umido. Il dosaggio ottimale identificato era 2% HDPE e 3% PP in peso di legante asfaltico (grado AC-20). Si è ottenuto un aumento del punto di rammollimento e della viscosità del legante base aggiungendo HDPE e PP11. La seconda plastica produttiva è il polipropilene, che rappresenta il 21% del mercato totale della plastica a livello globale12. Rispetto al modificatore del polietilene, il polipropilene è più difficile da miscelare in modo omogeneo con l'asfalto attraverso il processo a umido a causa del punto di fusione più elevato. La temperatura regolare di miscelazione varia tra 160 e 190 °C, mentre la percentuale di polipropilene per la produzione di asfalto modificato varia tra il 3% e il 5%13. Ahmedzade et al. hanno sintetizzato un additivo di polipropilene di scarto che ha un contenuto dell'80% di polipropilene di scarto e altri materiali (anidride maleica e stirene) come modificatore nella quantità di legante bituminoso in percentuale in peso: 3, 4, 5 e 6 sul peso totale del legante, e hanno osservato che a un contenuto di polimero più elevato, il comportamento meccanico dei leganti è controllato sia dalla fase bituminosa che da quella polimerica, il che potrebbe indurre un comportamento di deformazione migliorato del bitume sotto carico14. Al-Hadidy e Yi-Giu hanno studiato i vantaggi della modifica della miscela di asfalto e asfalto a matrice di pietra (SMA) nella pavimentazione flessibile e hanno concluso che la pavimentazione costituita da un contenuto di PP pari al 5% in peso di asfalto è raccomandata per il miglioramento delle prestazioni di miscele di calcestruzzo bituminoso e SMA modificato con PP come strato superficiale è vantaggioso nel ridurre i materiali da costruzione15. L'incorporazione di polveri di polipropilene macinate nell'asfalto ridurrebbe notevolmente la penetrazione e aumenterebbe la viscosità e il punto di rammollimento delle miscele di leganti modificati, che hanno una pronunciata resistenza all'ormaiamento rispetto all'asfalto modificato con polietilene16. Jin et al. ha condotto uno studio sull'utilizzo della sabbia per stampi e del composito plastico ASA come miscela per pavimentazione o manto stradale. I loro risultati hanno mostrato che le miscele di rifiuti di sabbia per stampi e acrilonitrile-stirene-acrilato hanno una migliore suscettibilità all’umidità e resistenza all’ormaiamento rispetto alle miscele di asfalto standard17. Risolvere la crisi mondiale dell’inquinamento da plastica è uno degli obiettivi dell’economia circolare. Il concetto di economia circolare presenta il modello sostenuto dal rapporto produzione-consumo che coinvolge la selezione, il riutilizzo, la rivalorizzazione e il riciclo dei materiali e uno degli obiettivi consiste nel garantire meno rifiuti. I potenziali prodotti asfaltici utilizzano rifiuti di plastica e sabbia per dimostrare la diminuzione dei costi economici e ambientali, ma anche delle emissioni di CO2 (potenziale di riscaldamento globale-GWP in kg di CO2 equivalente). Inoltre, i costi di produzione della miscela di asfalto sono dati dai prezzi di estrazione della materia prima, ma anche dal prezzo elevato del bitume. In particolare, nel sud-est della Romania, un improvviso cambiamento climatico con cicli di gelo-disgelo provoca danni all'asfalto, che porta alla fessurazione. Per superare i problemi sopra menzionati, questo studio ha proposto l’uso di polipropilene riciclato e graniglia di scarto nella miscela di asfalto caldo. I campioni di miscela di asfalto dell'esperimento esplorano la caratterizzazione morfologica e le caratteristiche Marshall, come stabilità, portata, rapporto solido-liquido, densità apparente e assorbimento d'acqua. La novità della nostra ricerca consiste nella miscela di entrambi i rifiuti, come il polipropilene e la sabbia proveniente dal processo di sabbiatura, nella miscela di asfalto caldo utilizzata come strato di usura nella costruzione di strade.