Microwave-assisted self-healing and self-sensing performance of asphalt mixtures: towards multifunctional road pavements

Repensar el papel de los firmes asfálticos en el sistema de transporte por carretera es una necesidad urgente para afrontar los retos futuros hacía la transformación digital y sostenible del sector. Los firmes han sido siempre considerados un elemento pasivo del sistema, cuyas funciones eran las de resistir a las cargas de tráfico y proporcionar una superficie cómoda y segura para los usuarios. Para satisfacer los nuevos requisitos del sector del transporte, el concepto de pavimentos multifuncionales está ganando impulso. Esta nueva generación de pavimentos, que poseen funciones adicionales no estructurales, juega un rol activo en el sistema de transporte por carretera. La auto-reparación y la auto-sensorización son dos características que podrían poseer los pavimentos asfálticos multifuncionales, y tendrían un papel crucial en el ámbito de la conservación vial. El diseño de mezclas asfálticas auto-reparantes y auto-sensorizadas es el tema principal de la presente tesis doctoral. La reparación asistida con microondas es una técnica eficaz para activar las funciones de autoreparación de las mezclas asfálticas. Al calentar con microondas el pavimento asfáltico deteriorado, el betún reduce su viscosidad, fluye a través de las grietas y las repara. Una de las principales limitaciones es que la mezcla asfáltica convencional tiene escasas propiedades dieléctricas, responsables de la generación de calor. Además, el calentamiento puede restaurar solo parcialmente las propiedades mecánicas originales del firme. Para mejorar la respuesta dieléctrica de los morteros asfálticos, se utilizó escoria de horno de arco eléctrico (EAFS). La caracterización dieléctrica se realizó con el objetivo de optimizar el tratamiento con microondas, que consiste en la selección de la frecuencia más adecuada a emplear para maximizar la generación de calor y minimizar el consumo energético. Las capacidades de auto-reparación se han evaluado a nivel de laboratorio. Probetas de mezcla asfáltica previamente rotas se sometieron a calentamiento con microondas, y luego se evaluaron las propiedades de auto-reparación en términos de recuperación de su resistencia a tracción indirecta inicial. Los resultados confirmaron que el tratamiento con microondas puede recuperar solo hasta el 65% de las propiedades mecánicas originales de la mezcla. A continuación, se propuso un tratamiento termo-mecánico para mejorar las propiedades de auto-reparación, que consiste en el calentamiento con microondas y siguiente re-compactación de la mezcla asfáltica. Los resultados mostraron que la re-compactación después del tratamiento con microondas es fundamental para reparar la mezcla asfáltica, y la tasa de recuperación puede exceder el 100%. Además, se puede reparar la mezcla a temperaturas relativamente bajas (60 ° C), reduciendo el consumo energético. La auto-sensorización es otro ejemplo de pavimentos asfálticos multifuncionales. Los materiales auto-sensorizados se diseñan mediante la incorporación de aditivos conductores, hasta formar una extensa red conductora y dotar la mezcla asfáltica de funciones de sensorización, manteniendo o mejorando las propiedades mecánicas y de durabilidad. La aplicación de estímulos externos (tensión/deformación), la presencia de daños o factores climáticos perturban la red conductora y provocan un cambio en las propiedades eléctricas del material. Al medir los cambios en las propiedades eléctricas, se puede detectar el estímulo externo. Estos materiales asfálticos se pueden emplear como sensores intrínsecos para el desarrollo de aplicaciones de monitoreo de tráfico, pesaje dinámico (WIM) y auscultación del estado estructural del firme. Mezclas asfálticas conductoras se han diseñado incorporando escoria EAFS y nanoplaquetas de grafeno (GNPs). El resultado de la investigación ha mostrado que estas mezclas asfálticas (EAFS + GNPs) pueden auto-detectar su estado tensional, proporcionando excelentes propiedades de auto-sensorización para las operaciones de detección de tráfico o pesaje dinámico. Se ha observado también la posibilidad de detectar la iniciación y propagación de fisuras, ya que la resistencia eléctrica aumenta durante el deterioro de las muestras. Por último, las mezclas asfálticas EAFS+GNP también tienen cierta sensibilidad a los cambios de temperatura, lo que se traduce en un cambio en la resistencia eléctrica y permitiría utilizar estos materiales como un termistor. ABSTRACT Rethinking the role of asphalt pavements in the road transport system is an urgent necessity to face the future challenge of the sustainable and digital transformation of the sector. Road pavements have always been considered a passive element of the system, whose functionalities were those of resisting traffic loads and proving a comfortable and safe surface for road users. Now, to meet the continuously increasing requirements of innovative road infrastructures, the concept of multifunctional pavements is gaining momentum. This new generation of asphalt pavements plays an active role in the road transport system and possesses additional nonstructural functions. Self-healing and self-sensing are two essential features that multifunctional asphalt pavements may possess, which have a crucial role in the maintenance and monitoring operations. The design of self-healing and self-sensing asphalt mixtures is the topic of the present doctoral thesis. Microwave (MW) heating is an effective technique for triggering the self-healing functions of asphalt mixtures. By heating the damaged asphalt pavement with MW energy, bitumen reduces its viscosity, flows through the cracks and heals the pavement. However, one of the main shortcomings of this technique is that conventional asphalt mixture has low dielectric properties, which are mainly responsible for heat generation. Furthermore, this kind of thermal treatment can only partially restore the original mechanical properties of damaged asphalt pavements. The dielectric response of asphalt mortars was enhanced by using Electric Arc Furnace Slag (EAFS). The use of EAFS allows reducing the energy consumption during the heating process significantly. Dielectric characterization of EAFS asphalt mortars was realized to optimize the MW heating treatment by selecting the most suitable MW frequency for maximizing the heating performance and minimizing energy consumption. The healing capabilities of asphalt mixtures were then assessed. Previously broken asphalt mixture specimens were subjected to MW heating, and the healing response was evaluated in terms of recovery of their original indirect tensile strength. The results confirmed that MW heating treatment can only partially repair the asphalt mixture, and approximately 65% of the original mechanical properties can be recovered. To enhance the healing performance, an innovative thermomechanical treatment, consisting of MW heating and re-compaction energy, was then proposed. The results showed that the recompaction of the asphalt mixture after the MW heating treatment is crucial for restoring its original mechanical properties, and, in some cases, the recovery rate exceeded 100%. Furthermore, excellent healing performance was obtained at a relatively low temperature (60°C), drastically reducing the energy consumption for maintenance operations. Self-sensing is another example of multifunctional asphalt pavements. Self-sensing materials are designed by incorporating a certain amount of conductive additives in such a way as to form an extensive conductive network inside the structural material and endow it with self-sensing functions, while maintaining or even enhancing the mechanical and durability performance of the pavement. The application of external stimuli (stress/strain), the presence of damage, or climatic factors disturbs the conductive network and leads to a change in the electrical properties of the material. Therefore, by measuring the changes in the electrical properties, the external stimulus can be detected. These kinds of materials can be therefore used as intrinsic sensors, for the development of traffic monitoring, weigh-in-motion (WIM), and pavement health monitoring applications. Conductive asphalt mixtures have been designed by incorporating EAFS as fine aggregate and graphene nanoplatelets (GNPs) at different content. The research showed that EAFS+ GNPs asphalt mixtures can effectively mimic the stress state of the material during the cyclic loading test. It was also observed that damage initiation and propagation can also be monitored with EAFS+GNPs asphalt mixtures, as the electrical resistance increased during the deterioration of the samples. Furthermore, EAFS+GNPs asphalt mixtures also exhibited excellent temperaturesensing properties, useful for using these materials as a thermistor