The mechanical performance of an asphalt mixture is largely dependent on the properties of its constituents and by the way they reciprocally interact in the bituminous layer. In particular, the stress-strain response of the road pavements is closely related to the rheological behavior of the bituminous binder and of its interaction with the finest part of the lytic skeleton. Therefore, it is important to study in the laboratory by means of advanced rheological tests, how mastics (Bitumen-Filler Systems) and mortars (Bitumen-Filler-Sand Systems) react to dynamic loads and thermal stresses. Moreover, the understanding of the contacts mechanisms within the bitumen-filler system, through 3D micro-mechanical models, should allow for a deeper analysis of the mastic rheological behavior. Based on these considerations, in a socio-economic context in which it is necessary to reduce the environmental impact caused by the construction and maintenance of transportation infrastructures, bituminous mastics containing different reclaimed fillers from the industrial production wastes were studied. For this purpose, advanced rheological tests have been first validated and then implemented and combined with the 3D DEM models development. Results showed that the methods used to study the bituminous mastics and mortars allowed to understand the effects due to the addition of innovative and recycled fillers within the mixtures blend, highlighting as these can increase the asphalt mixture performance during its service life.

According to most recent surveys, 265 mil tonnes of asphalt for road applications were produced in the European area in 2014. In the same year, the amount of available RAP was more than 50 mil tonnes. The use of RAP in new blended mixes reduces the need of neat bitumen, making RAP recycling economically attractive. In spite of its economic and environmental benefits, the use of RAP is often subjected to restrictive policies pursued by agencies due to uncertainty related to RAP mixes field performances. This thesis focuses on the effects of RAP on performances and durability of new asphalt mixes produced incorporating RAP with a standard hot-in-plant process. The influence of RAP being incorporated in new mixes was investigated through an extensive laboratory testing campaign on asphalt mixtures and on bitumen recovered from the same mixes. A specific typology of asphalt mixture has been produced with different RAP percentages of 10%, 20% and 30%. In the first phase of the research, asphalt materials have been characterized and compared in terms of resistance to fatigue, stiffness and volumetric properties. The second phase of the research aims to investigate the effects of RAP on asphalt binder as a composite blend of neat and RAP bitumen. Bituminous samples have been recovered from asphalt samples tested in phase 1 and then have been studied and compared with standard and dynamic laboratory tests. Findings show that HMA can be successfully produced incorporating up to 20% of RAP in the fresh mix. For these percentages of RAP being recycled, no negative effects on performances and durability of recycled mixtures have been noted. However, the final bitumen grade of the mix may be adjusted if more than 20% of RAP is added. Furthermore, practical implications regarding production methods and paving of RAP mixes are proposed.

This thesis proposes the use of new methodologies for prediction of performances of asphalt mixtures. Recent improvements in technology make it possible to adopt new methods of investigation with the dual objective of improving the performance in the survey of the parameters and investigate new properties so far not analyzed. In particular, the image analysis and the tyre/surface interaction belong to an innovative framework, which is next to flank, if not replace, the classic measurements so far employed. The thesis deals with the use of these technologies for the analysis of three rubberized stone mastic asphalts, which were laid on a stretch of road close to Bologna, Italy. Three different surveys were carried out on site during the first year of service. The surveys included the change in texture and skid resistance due to the traffic, along with the acoustic properties of the pavement. Local as well as dynamic continuous measurements were carried out, involving the use of a profilometer and a skiddometer. A second phase involved the prediction of the surface parameters with different stages of simulated trafficking on Road Test Machine. At each stage change in macrotexture, skid resistance, adhesion between bitumen and aggregates, contact pressures and areas were assessed. The image analysis is used for the assessment of the adhesion between the bitumen and the aggregate. The images are then processed in order to create 3D models of the asphalt specimens and investigate the surface and volume properties. The tyre/pavement interaction is another fundamental phenomena that received little considerations from the research, given its importance. A final discussion summarizes these investigations by separately review three different simulated periods, i.e. the early life, the in-service equilibrium and the end of life. In order to accelerate the distress, one slab was subjected to Immersion Wheel Track test.

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La tesi dottorale in oggetto prende spunto da alcune considerazioni di base relative alla salute di una comunità. Infatti quest’ultima si fonda sulla sicurezza dell’ambiente in cui vive e sulla qualità delle relazioni tra i suoi componenti. In questo ambito la mobilità rappresenta uno degli elementi di maggior criticità, sia per la sicurezza delle persone, che per la salute pubblica, che per le conseguenze sull’ambiente che ne derivano. Negli ultimi anni la circolazione stradale è notevolmente aumentata è questo ha portato a notevoli aspetti negativi, uno dei quali è connesso agli incidenti stradali. In tale ambito viene ricordato che l’Unione Europea ha da tempo indicato come obiettivo prioritario il miglioramento della sicurezza stradale e nel 2001 ha fissato il traguardo di dimezzare entro il 2010 il numero delle vittime degli incidenti stradali. Non ultima, l’approvazione da parte del Parlamento europeo e del Consiglio di un atto legislativo (d’imminente pubblicazione sulla GU Europea) relativo alla gestione della sicurezza in tutte le fasi della pianificazione, della progettazione e del funzionamento delle infrastrutture stradali, in cui si evidenzia l’esigenza di una quantificazione della sicurezza stradale. In tale contesto viene sottolineato come uno dei maggiori problemi nella gestione della sicurezza stradale sia la mancanza di un metodo affidabile per stimare e quantificare il livello di sicurezza di una strada esistente o in progetto. Partendo da questa considerazione la tesi si sviluppa mettendo in evidenza le grandezza fondamentali nel problema della sicurezza stradale, (grado di esposizione, rischio d’incidente e le possibili conseguenze sui passeggeri) e analizzando i sistemi adottati tradizionalmente per effettuare analisi di sicurezza: • Statistiche dei dati storici d’incidente; • Previsione da modelli basati su analisi di regressione dei dati incidentali; • Studi Before-After; • Valutazione da giudizi di esperti. Dopo aver analizzato gli aspetti positivi e negativi delle alternative in parola, viene proposto un nuovo approccio, che combina gli elementi di ognuno dei metodi sopra citati in un algoritmo di previsione incidentale. Tale nuovo algoritmo, denominato Interactive Highway Safety Design Model (IHSDM) è stato sviluppato dalla Federal Highway Administration in collaborazione con la Turner Fairbank Higway Research Center ed è specifico per le strade extraurbane a due corsie. Il passo successivo nello sviluppo della tesi è quello di un’analisi dettagliata del modello IHSDM che fornisce il numero totale di incidenti previsti in un certo intervallo temporale. Viene analizzata la struttura del modello, i limiti d’applicabilità, le equazioni che ne sono alla base e i coefficienti moltiplicativi relativi ad ogni caratteristica geometrica e funzionale. Inoltre viene presentata un’ampia analisi di sensibilità che permette di definire quale sia l’influenza d’ogni singolo Fattore di Previsione incidentale (Accident Predication Factor) sul risultato finale. Dai temi trattati, emerge chiaramente come la sicurezza è legata a più sistemi tra loro interconnessi e che per utilizzare e migliorare i modelli previsionali è necessario avere a disposizione dati completi, congruenti, aggiornati e facilmente consultabili. Infatti, anche quando sono disponibili elementi su tutti gli incidenti avvenuti, spesso mancano informazioni di dettaglio ma fondamentali, riguardanti la strada come ad esempio il grado di curvatura, la larghezza della carreggiata o l’aderenza della pavimentazione. In tale ottica, nella tesi viene presentato il Sistema Informativo Stradale (SIS) della Provincia di Bologna, concepito come strumento di gestione delle problematiche inerenti la viabilità e come strumento di supporto per la pianificazione degli interventi e la programmazione delle risorse da investire sulla rete. Viene illustrato come il sistema sia in grado di acquisire, elaborare ed associare dati georeferenziati relativi al territorio sia sotto forma di rappresentazioni grafiche, sia mediante informazioni descrittive di tipo anagrafico ed alfanumerico. Quindi viene descritto il rilievo ad alto rendimento, effettuato con l’ausilio di un laboratorio mobile multifunzionale (Mobile Mapping System), grazie al quale è stato possibile definire con precisione il grafo completo delle strade provinciali e il database contenente i dati relativi al patrimonio infrastrutturale. Tali dati, relativi alle caratteristiche plano-altimetriche dell’asse (rettifili, curve planimetriche, livellette, raccordi altimetrici, ecc...), alla sezione trasversale (numero e larghezza corsie, presenza di banchine, ecc..), all’ambiente circostante e alle strutture annesse vengono presentati in forma completa specificando per ognuno la variabilità specifica. Inoltre viene evidenziato come il database si completi con i dati d’incidentali georeferenziati sul grafo e compresivi di tutte le informazioni contenute nel modello ISTAT CTT/INC spiegandone le possibili conseguenze sul campo dell’analisi di sicurezza. La tesi si conclude con l’applicazione del modello IHSDM ad un caso reale, nello specifico la SP255 di S.Matteo Decima. Infatti tale infrastruttura sarà oggetto di un miglioramento strutturale, finanziato dalla Regione Emilia Romagna, che consistente nell’allargamento della sede stradale attraverso la realizzazione di una banchina pavimentata di 1.00m su entrambi i lati della strada dalla prog. km 19+000 al km 21+200. Attraverso l’utilizzo dell’algoritmo di previsione incidentale è stato possibile quantificare gli effetti di questo miglioramento sul livello di sicurezza dell’infrastruttura e verificare l’attendibilità del modello con e senza storia incidentale pregressa. Questa applicazione ad un caso reale mette in evidenza come le informazioni del SIS possano essere sfruttate a pieno per la realizzazione di un analisi di sicurezza attraverso l’algoritmo di previsione incidentale IHSDM sia nella fase di analisi di uno specifico tronco stradale che in quella fondamentale di calibrazione del modello ad una specifica rete stradale (quella della Provincia di Bologna). Inoltre viene sottolineato come la fruibilità e la completezza dei dati a disposizione, possano costituire la base per sviluppi di ricerca futuri, come ad esempio l’indagine sulle correlazioni esistenti tra le variabili indipendenti che agiscono sulla sicurezza stradale.

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The "sustainability" concept relates to the prolonging of human economic systems with as little detrimental impact on ecological systems as possible. Construction that exhibits good environmental stewardship and practices that conserve resources in a manner that allow growth and development to be sustained for the long-term without degrading the environment are indispensable in a developed society. Past, current and future advancements in asphalt as an environmentally sustainable paving material are especially important because the quantities of asphalt used annually in Europe as well as in the U.S. are large. The asphalt industry is still developing technological improvements that will reduce the environmental impact without affecting the final mechanical performance. Warm mix asphalt (WMA) is a type of asphalt mix requiring lower production temperatures compared to hot mix asphalt (HMA), while aiming to maintain the desired post construction properties of traditional HMA. Lowering the production temperature reduce the fuel usage and the production of emissions therefore and that improve conditions for workers and supports the sustainable development. Even the crumb-rubber modifier (CRM), with shredded automobile tires and used in the United States since the mid 1980s, has proven to be an environmentally friendly alternative to conventional asphalt pavement. Furthermore, the use of waste tires is not only relevant in an environmental aspect but also for the engineering properties of asphalt [Pennisi E., 1992]. This research project is aimed to demonstrate the dual value of these Asphalt Mixes in regards to the environmental and mechanical performance and to suggest a low environmental impact design procedure. In fact, the use of eco-friendly materials is the first phase towards an eco-compatible design but it cannot be the only step. The eco-compatible approach should be extended also to the design method and material characterization because only with these phases is it possible to exploit the maximum potential properties of the used materials. Appropriate asphalt concrete characterization is essential and vital for realistic performance prediction of asphalt concrete pavements. Volumetric (Mix design) and mechanical (Permanent deformation and Fatigue performance) properties are important factors to consider. Moreover, an advanced and efficient design method is necessary in order to correctly use the material. A design method such as a Mechanistic-Empirical approach, consisting of a structural model capable of predicting the state of stresses and strains within the pavement structure under the different traffic and environmental conditions, was the application of choice. In particular this study focus on the CalME and its Incremental-Recursive (I-R) procedure, based on damage models for fatigue and permanent shear strain related to the surface cracking and to the rutting respectively. It works in increments of time and, using the output from one increment, recursively, as input to the next increment, predicts the pavement conditions in terms of layer moduli, fatigue cracking, rutting and roughness. This software procedure was adopted in order to verify the mechanical properties of the study mixes and the reciprocal relationship between surface layer and pavement structure in terms of fatigue and permanent deformation with defined traffic and environmental conditions. The asphalt mixes studied were used in a pavement structure as surface layer of 60 mm thickness. The performance of the pavement was compared to the performance of the same pavement structure where different kinds of asphalt concrete were used as surface layer. In comparison to a conventional asphalt concrete, three eco-friendly materials, two warm mix asphalt and a rubberized asphalt concrete, were analyzed. The First Two Chapters summarize the necessary steps aimed to satisfy the sustainable pavement design procedure. In Chapter I the problem of asphalt pavement eco-compatible design was introduced. The low environmental impact materials such as the Warm Mix Asphalt and the Rubberized Asphalt Concrete were described in detail. In addition the value of a rational asphalt pavement design method was discussed. Chapter II underlines the importance of a deep laboratory characterization based on appropriate materials selection and performance evaluation. In Chapter III, CalME is introduced trough a specific explanation of the different equipped design approaches and specifically explaining the I-R procedure. In Chapter IV, the experimental program is presented with a explanation of test laboratory devices adopted. The Fatigue and Rutting performances of the study mixes are shown respectively in Chapter V and VI. Through these laboratory test data the CalME I-R models parameters for Master Curve, fatigue damage and permanent shear strain were evaluated. Lastly, in Chapter VII, the results of the asphalt pavement structures simulations with different surface layers were reported. For each pavement structure, the total surface cracking, the total rutting, the fatigue damage and the rutting depth in each bound layer were analyzed. / Il concetto di “sostenibilità” si riferisce allo sviluppo dei sistemi di supporto per la vita umana che minimizzino l’impatto sul sistema ambientale. Le opere che si inseriscono bene nel contesto ambientale circostante e le pratiche che rispettano le risorse in maniera tale da permettere una crescita e uno sviluppo a lungo termine senza impattare sull’ambiente sono indispensabili in una società moderna. Il progressi passati, presenti e futuri che hanno reso i conglomerati bituminosi materiali sostenibili dal punto di vista ambientale sono particolarmente importanti data la grande quantità di conglomerato usato annualmente in Europa e negli Stati Uniti. I produttori di bitume e di conglomerato bituminoso stanno sviluppando tecniche innovative per ridurre l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Per esempio il conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” (WMA), pur sviluppando le stesse caratteristiche meccaniche, richiede un temperatura di produzione minore rispetto a quella di un tradizionale conglomerato bituminoso a caldo (HMA) riducendo sensibilmente l’invecchiamento del legante. Anche il conglomerato additivato con polverino di gomma, ottenuto dalla frantumazione di pneumatici dismessi, è risultata essere un’alternativa eco-sostenibile al conglomerato stradale convenzionale. Oltretutto, l’utilizzo di questo additivo non è rilevante solamente dal punto di vista ambientale, costituendo materiale di risulta difficile da smaltire, ma anche per le proprietà meccaniche che lo stesso è in grado di conferire al conglomerato. L’obbiettivo principale di questa tesi è quello di dimostrare il duplice valore meccanico-ambientale di questi materiali innovativi, sottolineando come il concetto di sostenibilità, applicato alla progettazione delle infrastrutture viarie, non dipenda esclusivamente dai materiali impiegati. L’uso di materiali a basso impatto ambientale rappresenta solamente il punto di partenza della progettazione sostenibile. L’approccio ecocompatibile deve essere esteso anche ai metodi progettuali e alla caratterizzazione in laboratorio dei materiali al fine di conoscerne il comportamento e conseguentemente sfruttarne le potenzialità. La caratterizzazione volumetrica (Mix Design) e meccanica (Deformazioni Permanenti e Comportamento a fatica) di un conglomerato bituminoso è fondamentale e necessaria per una realistica previsione delle performance di una pavimentazione stradale. Una metodo progettuale avanzato ed efficiente potrebbe essere rappresentato dall’approccio Empirico-Meccanicistico (M-E). La progettazione Empirico-Meccanicistica consiste di un modello strutturale capace di prevedere gli stati tenso-deformativi all’interno della pavimentazione sotto l’azione del traffico e in funzione delle condizioni atmosferiche e di modelli empirici, calibrati sul comportamento dei materiali, che collegano la risposta strutturale alle performance della pavimentazione. Nel 1996 in California, per poter effettivamente sfruttare i benefici dei continui progressi nel campo delle pavimentazioni stradali, fu iniziato un estensivo progetto di ricerca mirato allo sviluppo dei metodi di progetto Empirico-Meccanicistici per le pavimentazioni stradali. Il risultato finale fu la prima versione del software CalME che fornisce all’utente tre approcci diversi di l’analisi e progetto: un approccio Empirico, uno Empirico - Meccanicistico classico e un approccio Empirico - Meccanicistico Incrementale - Ricorsivo. Questo dissertazione si focalizza sulla procedura Incrementale - Ricorsiva del software CalME basata su modelli di danno da fatica e accumulo di deformazioni permanenti ottenuti sperimentalmente attraverso una accurata caratterizzazione dei materiali in laboratorio. Tale procedura funziona per incrementi temporali successivi e, usando i risultati di ogni incremento temporale, ricorsivamente, come input dell’incremento temporale successivo, prevede le condizioni di una pavimentazione stradale per quanto riguarda il modulo complesso dei diversi strati, le fessurazioni superficiali dovute alla fatica, le deformazioni permanenti e la rugosità superficiale. Al fine di verificare le proprietà meccaniche delle miscele oggetto di studio e le reciproche relazioni in termini di danno a fatica e deformazioni permanenti una volta inserite nella sovrastruttura stradale per fissate condizioni ambientali e di traffico, la procedura sopracitata è stata adottata. I conglomerati bituminosi studiati, due tiepidi ed uno additivato con rubber, sono stati impiegati nella pavimentazione stradale come strato superficiale. Le performance delle pavimentazioni sono poi state confrontate in riferimento ad una pavimentazione contenente conglomerati tradizionali. Le tre tipologie di conglomerato oggetto di studio sono: un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” a gradazione “chiusa” (DGWMA), un conglomerato bituminoso modificato con polverino di gomma a gradazione “aperta” (GGRAC) e un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” additivato con SBS a gradazione aperta (PGGWMA). I primi due Capitoli sintetizzano gli step necessari a soddisfare i principi fondamentali alla progettazione sostenibile delle infrastrutture viarie. Nel primo Capitolo è stato approfondito il tema delle miscele di conglomerato eco-compatibili. In particolare sono state descritte dettagliatamente le proprietà dei Conglomerati tiepidi ad “alta lavorabilità” e dei Conglomerati con polverino di gomma. Inoltre è stato introdotto il problema dei metodi di progettazione delle sovrastrutture stradali flessibili, dai metodi razionali ai metodi Empirico Meccanicistici. Nel Capitolo due si è sottolineata l’importanza della caratterizzazione in laboratorio dei materiali di uso stradale basata su una appropriata selezione degli stessi e su uno studio di performance. Nel Terzo Capitolo, è stato introdotto il Californian Mechanistic Empirical design Software (CalME) attraverso una dettagliata analisi dei modelli alla base delle differenti procedure di progettazione in dotazione. Il Capitolo Quattro introduce il programma sperimentale e descrive le procedure di prova adottate fini alla caratterizzazione meccanica dei materiali. I risultati sperimentali a Fatica ed a Rutting ed i modelli di performance delle miscele oggetto di studio sono stati estrapolati nei Capitoli Cinque e Sei. In ultimo, nel Capitolo Sette, attraverso l’ausilio del CalME e dei modelli comportamentali estrapolati nei capitoli precedenti, sono riportati i risultati delle simulazioni effettuate con le diverse pavimentazioni in esame. Per ogni sovrastruttura sono state analizzate le seguenti forme di ammaloramento: superficie totale fessurata, ormaiamento totale e danno da fatica e ormaiamento relativo ad ogni strati legato.