Use of mining magnetic material as filler to promote induction healing in smart road pavement applications

Road pavements are subjected to traffic loads (which number and intensity are still growing), atmospheric agents and aging, therefore roads are always requiring maintenance. Nowadays, the interest in finding new and easier ways to maintain asphalt pavements is an important and new challenge. Instead of removing and replacing the asphalt when it cracks, in this work asphalt gets healed by using induction heating systems. Mining materials are added into bituminous compounds, the rheology of the mix is described and compared to a normal mastic with natural filler (limestone) to understand if magnetite is suitable in asphalt mastic, from the physical, mechanical, and rheological points of view. Thanks to the ferromagnetic properties of magnetite, an alternative magnetic field -generated through an induction heater- could be able to heat the magnetite particles that, in turn, heat the bitumen, reaching a homogeneous heating throughout all the mastic, reducing its viscosity and allowing it to flow and heal the micro-cracks. The heating happens without any contact between the heater and the body: this is the induction heating. In this research, various machines have been used; the most important are the Dynamic Shear Rheometer (DSR) to quantify the rheological specific characteristics of each neat bitumen and on various mastic samples containing magnetite or natural filler. The frequency sweep test methodology used on the HR3 TA Instruments DSR requires an accurate temperature control system all over the test. On the DSR, different circular plates were tested and a specific process in setting and removing the specimen was found, to avoid compromised results. The second most important used machine is the induction heater Easyheat 2.4 kW, in which flows an alternating current that, going through a coil, generates a magnetic field. This magnetic field was used to induce eddy currents into the ferromagnetic sample, thanks to the presence of magnetite in the specimen, which dissipates energy and heats the entire body. Furthermore, magnetite is a ferromagnetic material, hence heating up more easily than other materials due to another process occurring in the sample. The iron crystals of the magnetite are magnetised and demagnetised repeatedly by the alternative magnetic field. This generates a continuous change in the magnetic domains direction, which leads to hysteresis losses that generate heat. By heating it up to a certain temperature, the viscosity of the bitumen starts to reduce and it flows, filling the micro-cracks and healing the asphalt pavement.

Le pavimentazioni stradali sono sottoposte alla continua presenza di carichi di traffico (il cui numero e intensità sono in costante aumento), all’aggressione di agenti atmosferici e all’invecchiamento; per questi motivi una continua manutenzione è necessaria. In questo studio, viene proposta una nuova tecnologia che permette di estendere la vita utile delle pavimentazioni in conglomerato bituminoso, utilizzando un metodo di manutenzione semplice e moderno. Invece di rimuovere e sostituire gli strati di conglomerato bituminoso fessurati, il sistema presentato all’interno di questo elaborato consente si curare le fessure attraverso l’utilizzo della tecnologia di induction heating. Per poter applicare tale sistema, il bitume è estato addizionato con materiale minerario dotato di proprietà ferromagnetiche. Nella prima parte dell’elaborato vengono presentati i materiali utilizzati (bitumi, filler magnetico -magnetite- e filler naturale) e i test che sono stati effettuati per ottenere una caratterizzazione preliminare delle materie prime. Dopo aver mescolato i bitumi con i filler, sono stati effettuati test reologici per valutare se il comportamento fisico meccanico del mastice (filler + bitume) contenente magnetite potesse garantire prestazioni simili a quelle ottenute utilizzando il filler naturale. Successivamente si sono studiate le caratteristiche dei mix di bitume e magnetite al fine di ottenere la chiusura delle fessure. Grazie alle proprietà ferromagnetiche della magnetite, il campo magnetico –generato da un induction heater– permette di riscaldare le particelle magnetiche, che a loro volta, riscaldano il bitume, raggiungendo un riscaldamento omogeneo all’interno di tutto il mastice, riducendone la viscosità e permettendogli di scorrere e richiudere (e quindi curare) le microfessure. Il riscaldamento avviene senza alcun contatto tra l’induction heater e il corpo, si chiama infatti induction heating (riscaldamento indotto). In questa ricerca sono stati usati diversi macchinari, i più importanti sono due: il primo è il Dynamic Shear Rheometer (DSR), che è stato usato per quantificare le caratteristiche reologiche specifiche dei bitumi vergini e dei vari mastici contenenti magnetite o filler naturale. La metodologia utilizzata (frequency sweep test) sul HR3 TA Instruments DSR richiede un controllo accurato della temperatura e dell’imposizione della frequenza lungo tutto il periodo di test. Sono state inoltre usate diverse piastre ed è stato perfezionato un metodo ottimale per il posizionamento e la rimozione del provino per evitare la compromissione della lettura dei dati da parte della macchina. Il secondo macchinario di fondamentale importanza è l’induction heater Easyheat 2.4 kW, nel quale circolano delle correnti alternate che, muovendosi in una spira, generano un campo magnetico. Questo campo magnetico è stato usato per indurre delle “eddy currents” (o correnti parassite, o correnti indotte) all’interno del provino con caratteristiche ferromagnetiche (grazie alla presenza della magnetite all’interno del corpo) le cui dissipazioni di energia si manifestano come riscaldamento. Inoltre, nei materiali ferromagnetici, si sviluppa un ulteriore fenomeno: i cristalli di ferro contenuti nella magnetite vengono continuamente magnetizzati e demagnetizzati dal campo magnetico alternato, causando così una continua variazione del verso del dominio magnetico. Questo fa sì che si verifichino delle perdite di isteresi, le quali producono calore. Scaldando il provino a una determinata temperatura, la viscosità del bitume diminuisce e questo inizia a scorrere, riempiendo i vuoti delle micro-fessure e curando perciò la pavimentazione.