This licentiate thesis investigates how forestry-derived biomaterials can reduce the fossil bitumen content of asphalt binders while maintaining functional performance. It focuses on lignin as a bio-based extender and on tall oil products as complementary softening bio-additives in a bio-composite binder. The work is motivated by two practical uncertainties in the literature: the ambiguous functional role of lignin in bitumen (often described as modifier-like or filler-like) and how this role affects the stiffness–flexibility trade-off.

The thesis addresses these questions through a combined approach: a systematic literature review and a targeted binder-scale experimental programme. The review confirms that lignin enhances high-temperature stiffness, rutting resistance, and ageing resistance, but it also identifies critical gaps: inconsistent mechanistic interpretation of lignin’s role, a lack of performance-balancing strategies, and insufficient comparative benchmarks.

Guided by these gaps, the experimental study evaluates a 70/100 paving-grade bitumen extended with 15 wt% kraft lignin (KL) or hydrolysis lignin (HL), using a limestone filler mastic (LSM) as an inert reference. Crude tall oil (CTO) and tall oil pitch (TOP PN) were assessed as secondary additives (5 and 10 wt%) in the KL-extended binder. Chemical and thermal analyses using Fourier-transform infrared spectroscopy and thermogravimetric analysis confirmed physical blending and thermal stability up to 190 °C for all binders. Rheological characterisation using dynamic shear rheometer and multiple stress creep and recovery testing revealed a clear functional distinction: KL behaved in a filler-like manner, showing a complex modulus and stress sensitivity very similar to the LSM mastic. In contrast, HL exhibited a modifier-like character, with significantly higher elastic recovery and lower non-recoverable creep compliance. Tall oil products acted as effective bio-fluxes; a 5 wt% dosage provided an optimal balance, improving workability and low-temperature flexibility while largely preserving the enhanced rutting resistance from KL. In contrast, a 10 wt% dosage, particularly of CTO, caused excessive softening, increased stress sensitivity, and a marked loss of high-temperature performance.

Overall, the thesis proposes a function-based framework for bio-composite binder design, where lignin type and tall oil dosage are selected according to their demonstrated role in the binder matrix, rather than treated as generic bitumen substitutes.

Denna licentiatavhandling undersöker hur skogsbaserade biomaterial kan minska andelen fossilt bitumen i asfaltbindemedel samtidigt som den funktionella prestandan bibehålls. Arbetet fokuserar på lignin som en biobaserad extender och på talloljeprodukter som kompletterande mjukgörande bioadditiv i ett biokompositbindemedel. Studien motiveras av två praktiska osäkerheter i litteraturen: den otydliga funktionella rollen som lignin har i bitumen (ofta beskriven som modifierarlikt eller fillerlikt beteende) och hur denna roll påverkar kompromissen mellan styvhet och flexibilitet.

Avhandlingen behandlar dessa frågor genom en kombinerad ansats: en systematisk litteraturöversikt och ett riktat experimentellt program på bindemedelsnivå. Översikten bekräftar att lignin förbättrar högtemperaturstyvhet, spårbildningsmotstånd och åldringsbeständighet, men identifierar också centrala kunskapsluckor: oenhetlig mekanistisk tolkning av lignins roll, brist på strategier för att balansera prestanda samt otillräckliga jämförande referenser.

Med utgångspunkt i dessa kunskapsluckor utvärderar den experimentella studien ett 70/100-beläggningsbitumen som extenderats med 15 wt% kraftlignin (KL) eller hydrolyslignin (HL), med en kalkstensfiller-mastix (LSM) som inert referens. Råtallolja (CTO) och tallbeck (TOP PN) utvärderades som sekundära additiv (5 och 10 wt%) i det KL-extenderade bindemedlet. Kemiska och termiska analyser med Fouriertransformerad infraröd spektroskopi och termogravimetrisk analys bekräftade fysisk inblandning och termisk stabilitet upp till 190 °C för samtliga bindemedel. Reologisk karakterisering med dynamisk skjuvreometri samt test av kryp och återhämtning vid flera spänningsnivåer visade en tydlig funktionell skillnad: KL uppvisade ett fillerlikt beteende, med komplex modul- och spänningskänslighet som var mycket lik LSM-mastixen. HL uppvisade däremot en mer modifierarlik karaktär, med avsevärt högre elastisk återhämtning och lägre icke-återhämtningsbar krypkomplians. Talloljeprodukter fungerade som effektiva bio-fluxer; en dosering på 5 wt% gav en optimal balans genom förbättrad bearbetbarhet och lågtemperaturflexibilitet samtidigt som den förbättrade spårbildningsresistensen från KL i stort sett bibehölls. En dosering på 10 wt%, särskilt av CTO, ledde däremot till överdriven uppmjukning, ökad spänningskänslighet och en tydlig försämring av högtemperaturprestandan.

Sammantaget föreslår avhandlingen ett funktionsbaserat ramverk för utformning av biokompositbindemedel, där lignintyp och talloljedosering väljs utifrån deras påvisade roll i bindemedelsmatrisen, snarare än att behandlas som generella bitumenersättare.