Studi per l’identificazione analitica dell’odore del bitume nelle diverse fasi di costruzione delle pavimentazioni stradali

Abstract

Gli odori generati durante le diverse fasi di produzione e stesa dei conglomerati bituminosi per uso stradale costituiscono uno dei più rilevanti aspetti negativi legati a questa tipologia di attività. Sebbene a tali emissioni odorigene sia solo raramente associato un reale rischio tossicologico-sanitario, sia per la natura generalmente non pericolosa degli odoranti che per le concentrazioni abitualmente molto basse, tali flussi osmogeni possono limitare fortemente la fruibilità del territorio, rappresentando una causa di indubbio e persistente fastidio per la popolazione residente nelle vicinanze degli impianti, oggi molto spesso inseriti nel tessuto urbano. Dopo un’approfondita valutazione delle tecniche di rilievo dell’odore nella letteratura scientifica e nel quadro normativo internazionale, anche in ambiti apparentemente lontani da quello delle costruzioni stradali, si è deciso di focalizzare l’attività di ricerca sulla caratterizzazione dell’odore dei leganti bituminosi e delle relative emissioni attraverso due differenti approcci metodologici complementari: quello analitico e quello basato sui sistemi olfattivi artificiali o nasi elettronici. Tali dispositivi, il cui impiego rappresenta una soluzione ben conosciuta in svariati settori industriali per il controllo qualità e il monitoraggio in continuo, si configurano come strumenti, composti da una matrice di sensori e da un sistema di elaborazione, capaci di riconoscere odori semplici e complessi, con meccanismi riconducibili a quelli del sistema olfattivo umano, identificando una caratteristica globale della miscela odorosa, la cosiddetta impronta digitale odorosa o odour fingerprint. Questi strumenti hanno richiesto una lunga fase di calibrazione iniziale (flusso di misura, temperatura, quantità di bitume, tempo di iniezione), per il riconoscimento delle diverse sorgenti odorigene e la taratura della risposta, con notevolissimo impegno di analisi per l’adattabilità dei sensori a rilevare emissioni di miscele complesse di molecole quali quelle costituenti in prevalenza i bitumi stradali. I risultati delle varie indagini sperimentali condotte hanno evidenziato come l’approccio basato sui sistemi olfattivi artificiali possa essere effettivamente utilizzato, in affiancamento alle tradizionali tecniche analitiche, per lo studio del bitume nelle fasi della filiera produttiva dei conglomerati bituminosi. Le varie analisi analitico-sensoriali condotte con i nasi elettronici (Ise Nose 2000 e Cyranose 320) hanno, infatti, evidenziato una compatibilità tra principio di funzionamento dei sensori e tipologia delle emissioni dei leganti bituminosi, che ha permesso l’individuazione di specifiche impronte odorose (odour fingerprint) sia della matrice solida del bitume a temperatura ambiente sia delle emissioni generate alle varie temperature di processo. Attraverso l’elaborazione di una specifica procedura statistica di trattamento e post-processazione dei dati, è stato possibile attribuire una valenza quantitativa alla risposta prettamente qualitativa del naso elettronico. La tecnica gascromatografica ha permesso l’identificazione di oltre 200 composti alifatici nella complessa miscela idrocarburica di aerosol, vapori e gas emessa durante il processo di riscaldamento del legante bituminoso nelle varie fasi di realizzazione delle pavimentazioni stradali, evidenziando al contempo una loro gerarchia di comparsa in funzione della temperatura. Le strumentazioni analitiche (GC-MS e PID), impiegate per l’analisi dello spazio di testa dei bitumi, hanno, infatti, confermato come sia la temperatura il fattore preponderante nella generazione di tali sostanze aerodisperse. La parallela analisi con il naso elettronico ha permesso di evidenziare una variazione del profilo odorigeno delle emissioni contestualmente all’aumento di sostanze volatili. Le diverse tipologie di additivi, utilizzati per il confezionamento di conglomerati bituminosi tiepidi (WMA), pur essendo caratterizzati da uno specifico odore che li contraddistingue, non sono però in grado di instaurare con il bitume effetti di sinergia, additività o antagonismo, ma risultano essere da un punto di vista odoroso come elementi neutri. L’analisi analitico-sensoriale ha infatti mostrato come i profili odorigeni delle emissioni generate dal solo bitume alle varie temperature tendono ad essere coincidenti con quelle delle miscele bitume/additivo, sottolineando come l’odore del legante bituminoso tenda ad essere coprente o mascherante rispetto a quello degli agenti modificatori. Nemmeno l’utilizzo dell’additivo neutralizzatore di odori ha mostrato l’insorgere di variazioni nel profilo odorigeno delle emissioni, denotando un’insufficiente capacità di tale agente nel contenimento degli odori generati dal riscaldamento del bitume. L’insieme delle evidenze ottenute nel presente lavoro si configura pertanto come un valido punto di partenza per lo sviluppo di procedure e metodologie standardizzate, basate sul principio del naso elettronico, mirate al riconoscimento dell’odore generato durante le diverse fasi di produzione e stesa dei conglomerati bituminosi cui associare limiti di fastidio o molestia olfattiva.

The odours generated during the different stages of production and laying of hot mix asphalt for road applications are one of the most significant negative aspects linked to this type of activity. Although these odorous emissions are only rarely associated to a real toxicological risk, both for the generally non-hazardous nature of odorants and for their very low concentrations, such osmogene fluxes can severely limit the land-use, representing a cause of undeniable and persistent annoyance for the population living near the plants, which are very often located in the urban fabric. After a detailed evaluation of the odour analysis techniques in the scientific literature and in the international regulatory framework, even in fields apparently distant from the road construction, it was decided to focus the research on the odour characterization of bituminous binders and their emissions through two different complementary approaches: the analytic one and that based on artificial olfactory systems, also called electronic noses. Such devices, which represent a well-established solution used in several industries for quality assurance and quality control and real-time monitoring, are instruments consisting of an array of partially selective sensors coupled to a suitable pattern-recognition system capable of recognising simple or complex odours. The operating principle, which reproduces the mechanism of human olfactory system, is based on the conversion of the interaction between gaseous molecules and sensor-coating materials into a recordable signal, often defined as odour fingerprint. These instruments have required a long initial calibration phase (measuring flow, temperature, amount of bitumen, injection time), for the recognition of different odour sources and the sensor response adjustment, with remarkable efforts for finding the sensors adaptability to detect emissions characterized by complex mixtures of compounds, such as those predominating constituents the bitumens for paving applications. The results of the experimental investigations have shown that the approach based on artificial olfactory systems can be effectively used, alongside the traditional analytical techniques, for the study of bitumen in several stages of the production chain of hot mix asphalt. The various analytical and sensory analyses conducted with electronic noses (Ise Nose 2000 and Cyranose 320) have, in fact, demonstrated the compatibility between the sensors’ working principle and the bitumen emissions, which allowed the identification of specific odour fingerprint both of the bitumen solid matrix at room temperature and of the emissions generated at various process temperatures. Through the elaboration of a specific statistical procedure for the treatment and post-processing of data, it was possible to assign a quantitative value to the purely qualitative responses of the electronic noses. The gas chromatographic technique has allowed the identification of more than 200 aliphatic compounds in the complex hydrocarbon mixture of aerosols, vapors and gases emitted during the bituminous binder heating process in the various stages of road pavement construction, highlighting at the same time a hierarchy of their appearance in relation to the temperature. The analytical instruments (GC-MS and PID), used for the analysis of the head space of bitumen, have, in fact, confirmed as the temperature represents the preponderant factor in the generation of such airborne substances. The parallel analysis with the electronic nose allowed to show a change in the emission odorous profile contextually to the increase of volatile substances. The different kinds of additives, used for the warm mix asphalts (WMA), although characterized by a specific odour that distinguishes them, are not able to establish with the bitumen effects of synergy, additivity or antagonism, but appear to be as neutral elements by an odorous point of view. The analytical-sensory analyses have in fact shown that the emissions odorous profiles generated by the bitumen at various temperatures tend to be coincident with those of the bitumen/additive blends, emphasizing as the bituminous binder odour tends to be hiding or masking compared to that of modifying agents. Even the use of the odour neutraliser additive has not shown the development of variations in the emissions odorous profiles, which indicates an insufficient capacity of such product in the containment of the odour generated by the bitumen heating. All the results obtained in the present work are therefore configured as valid starting points for the development of standardized procedures and methodologies based on the principle of electronic nose, aimed at recognizing the smell generated during the various stages of the production and laying of bituminous mixtures, to which associate olfactory limits of nuisance.