Sustainable modification of bitumen and asphalt mixes with kraft lignin

Rezazad Gohari, Ali (2025). Sustainable modification of bitumen and asphalt mixes with kraft lignin. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Asphalt pavements are vital to modern infrastructure, but conventional methods often struggle to address growing sustainability demands while maintaining reliable performance. This PhD research aims to investigate the potential of sustainable additives, specifically Kraft lignin, to address these challenges. The research began with a preliminary investigation into Aluminosilicate, as a warm mix asphalt modifier, which lacked the necessary properties for an effective additive, prompting a shift toward Kraft lignin. The study was initiated by evaluating different lignin types and then continued in three phases, focusing on Kraft lignin. In the first phase, key properties of Kraft lignin, including particle size distribution and chemo-thermal characteristics, were investigated. Subsequently, Kraft lignin was incorporated into bitumen using two mixing protocols: high-shear mixer and mechanical mixer, to evaluate the effects of Kraft lignin and blending conditions. A comprehensive series of tests, including BRV, DSR, FTIR, ESEM, TGA, and DSC, were conducted. The results demonstrated significant influences of Kraft lignin content and blending conditions on viscosity, viscoelastic behavior, and thermal stability, while FTIR confirmed no chemical reaction with bitumen. The second phase focused on mitigating the increased viscosity observed in lignin-modified bitumen using Sasobit®. The synergistic effects of Kraft lignin and Sasobit were investigated using FTIR, TGA, BRV, DSR, MSCR, and BBR tests on bitumen. Results demonstrated that Sasobit effectively reduced the viscosity of lignin-modified bitumen, enhanced thermal stability, and improved high-temperature performance, although low-temperature performance was slightly compromised. The third phase extended the research to asphalt mixes, evaluating the combined effects of Kraft lignin and Sasobit on hot and warm mix asphalt. Four Mixes with 20 % Kraft lignin and 3 % Sasobit, were produced. Volumetric and mass properties, compactability, and construction temperatures were evaluated using the SGC. While Kraft lignin increased binder viscosity and air voids, leading to higher construction temperatures and reduced compactability, Sasobit effectively counteracted these effects. Additionally, Kraft lignin exhibited a dual role, as both a binder replacement and a filler. The combination of 20 % Kraft lignin and 3 % Sasobit demonstrated significant potential for advancing sustainable asphalt production.

Titre traduit

Modification durable du bitume et des enrobes avec la kraft lignin

Résumé traduit

Les revêtements en asphalte sont essentiels aux infrastructures modernes, mais les méthodes conventionnelles peinent souvent à répondre aux exigences croissantes de durabilité tout en maintenant une performance fiable. Cette recherche doctorale explore le potentiel des additifs durables, notamment la Kraft lignin. La recherche s'est déroulée en trois phases, en se concentrant sur la Kraft lignin. Lors de la première phase, les propriétés clés de la Kraft lignin, telles que la distribution granulométrique et les caractéristiques chimio-thermiques, ont été étudiées. Par la suite, la Kraft lignin a été incorporée au bitume en utilisant deux protocoles de mélange afin d'évaluer les effets des conditions de mélange et de la teneur en lignine. Divers tests (BRV, DSR, FTIR, ESEM, TGA, DSC) ont été réalisés. Les résultats ont démontré des influences significatives de la teneur en Kraft lignin et des conditions de mélange sur la viscosité, le comportement viscoélastique et la stabilité thermique, tandis que les analyses FTIR ont confirmé l'absence de réaction chimique avec le bitume. La deuxième phase s'est concentrée sur l'atténuation de l'augmentation de la viscosité observée dans le bitume modifié par la Kraft lignin en utilisant le Sasobit®. Les effets synergiques de la Kraft lignin et du Sasobit ont été étudiés à l'aide de tests FTIR, TGA, BRV, DSR, MSCR et BBR. Les résultats ont montré que le Sasobit réduisait efficacement la viscosité du bitume modifié par la Kraft lignin, améliorait la stabilité thermique et renforçait la performance à haute température, bien que la performance à basse température ait été légèrement compromise. La troisième phase a élargi la recherche aux Enrobé, en évaluant les effets combinés de la Kraft lignin et du Sasobit dans des enrobés à chaud (HMA) et tièdes (WMA). Les propriétés volumétriques et massiques, la compactabilité et les températures de mise en oeuvre ont été évaluées à l’aide du PCG. Bien que la Kraft lignin ait entraîné une augmentation de la viscosité du liant et des vides d'air, ce qui a conduit à des températures de mise en oeuvre plus élevées et à une compactabilité réduite, le Sasobit a efficacement compensé ces effets. De plus, la Kraft lignin a montré un rôle double, à la fois en tant que substitut partiel du liant et en tant que filler. La combinaison de 20 % de Kraft lignin et de 3 % de Sasobit a démontré un potentiel significatif pour promouvoir une production d'asphalte plus durable.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 227-249).
Mots-clés libres:	additifs durables, kraft lignin, enrobés tièdes, modification du bitume, propriétés des enrobés
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Carter, Alan
Codirecteur:	Codirecteur Bilodeau, Jean-Pascal
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 août 2025 14:25
Dernière modification:	18 août 2025 14:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3670

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