In questo articolo vengono descritte le prestazioni meccaniche di una miscela di fibre aramidiche e poliolefiniche conforme alla ASTM D8395-23 – Standard Specification for Aramid Fiber for Asphalt Mixtures -, destinata a migliorare le prestazioni meccaniche dei conglomerati bituminosi con particolare riferimento al CB drenante (CBd).
La caratteristica principale di queste fibre è la resistenza a trazione di circa 2.700 MPa, con una temperatura di sublimazione oltre i 400 °C, in grado pertanto di essere utilizzate con tutte le miscele di CB ad alta temperatura, senza alterarne la resistenza a trazione, anche dopo indurimento del CB.
Le fibre vengono aggiunte direttamente agli inerti e prima del bitume; bastano pochi secondi di mescolazione per distribuirsi perfettamente nel CB e svolgere un’azione strutturale omnidirezionale nell’asfalto, trasformandolo in un materiale fibrorinforzato, resistente ai fenomeni di degrado fisico e meccanico.
Nell’articolo verranno inizialmente descritte le principali caratteristiche prestazionali delle fibre, confrontando miscele di CB confezionato con bitume standard, bitume standard con le fibre e bitume modificato senza fibre, al fine di mostrare l’evidenza sperimentale di realizzare CB fibrorinforzati con bitume standard a prestazioni superiori di un CB confezionato con bitume modificato. Inoltre, le fibre legandosi agli inerti attraverso il bitume, costituiscono una tessitura fisico-meccanica che non risente delle condizioni termoigrometriche e delle sollecitazioni meccaniche a cui va incontro anche il CB con bitume modificato, incrementando la vita utile in esercizio.
Questo risultato è dimostrato da oltre 30 anni di utilizzo dei CB con FORTA-FI® negli USA in cui i diversi DoT (Department of Transportation) hanno verificato lo stato di degrado dell’asfalto, dopo 10/15 anni dall’applicazione. L’articolo infine descrive il test di durabilità ESALs (Equivalent Standard Axle Load) eseguito presso l’NCAT (National Center for Asphalt Technology) finanziato dall’Alabama DoT, in cui si evidenzia che un asfalto drenante fibrorinforzato con le fibre FORTA-FI® resiste fino a 30 milioni di ESALs, corrispondenti a 30 anni di traffico senza alcuna fessurazione.
PREMESSA
Le prestazioni dei CB confezionati con diversi mix design (bitume standard, bitume modificato, bitume standard con fibre) riportate nell’articolo, sono i risultati dei rapporti di prova eseguiti da un Laboratorio Autorizzato dal Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti.
La scelta della tipologia delle miscele è stata quella di valutare le prestazioni della fibra in un CB con bitume standard, cioè non additivato, per valutare il miglioramento funzionale dell’asfalto dovuto alle sole fibre. Dopo aver caratterizzato prestazionalmente un CB con bitume standard + le fibre rispetto a CB con bitume modificato, riportiamo la sperimentazione effettuata presso il laboratorio NCAT finanziate dal DoT dell’Alabama, utilizzando un CB drenante a cui sono state aggiunte le fibre.
MATERIALI
Miscela di fibre polimeriche strutturali; le fibre aramidiche hanno funzione strutturale, mentre quelle poliolefiniche svolgono solo l’azione disperdente durante l’aggiunta agli aggregati e prima dell’aggiunta del bitume.
L’efficacia delle fibre per il rinforzo strutturale dei conglomerati bituminosi è un argomento che, a mio parere, non è stato sufficientemente approfondito. Spesso si è portati a considerare erroneamente che tutte le diverse tipologie di fibre (cellulosa, polipropilene ecc.) influiscano sulle prestazioni meccaniche dell’asfalto, cosa non vera. Per questo motivo è sempre opportuno descrivere nelle schede tecniche delle fibre non solo la natura del materiale ma le prestazioni meccaniche, quali per esempio la resistenza a trazione e la temperatura di esercizio, rapporti di prova validati da laboratori indipendenti che confrontano le prestazioni del CB con fibre vs CB senza e infine, verificato sul campo da parte di Autorità terze, lo stato di degrado dell’asfalto dopo molti anni dall’applicazione.
CAMPAGNA SPERIMENTALE
La caratterizzazione è stata eseguita su tre miscele: CB con bitume normale, CB con bitume modificato, CB con bitume standard con aggiunta delle fibre. Abbiamo confrontato le prestazioni del CB con bitume standard + fibre, con un CB realizzato con bitume modificato per avere un confronto con un CB prestazionale.
Scopo della sperimentazione è di mostrare come l’aggiunta di queste fibre:
- migliora nettamente le prestazioni di un CB con bitume standard
- conferisce ad un CB con bitume standard + fibre, prestazioni superiori ad un CB con bitume modificato.
Prova di ormaiamento (wheel tracking) UNI EN 12697-22
L’incapacità dei CB di assorbire le forze di trazione dovute a carichi sia dinamici sia statici è sempre stata una delle maggiori fonti di danno per fatica delle superfici asfaltate. Indipendentemente dal fatto che siano causate, ad esempio, dall’impatto del traffico o da contrazioni dovute a differenze di temperatura, anche forze di trazione minime portano a fessurazioni sui lati superiori e inferiori dei sistemi in asfalto.
È pertanto necessario rinforzare le superfici asfaltate in maniera tale che le forze di trazione possano essere assorbite dal sistema senza danni, indipendentemente da dove si generano. Le forze di trazione possono essere trasferite grazie al modo in cui le fibre aramidiche sono saldamente inglobate nel mastice
bituminoso e, allo stesso tempo, si legano alla struttura granulare. Il test che misura il fenomeno dell’ormaiamento è quello descritto in UNI EN 12697-22.
ASFALTO DRENANTE CON FIBRE FORTA-FI®
L’aumento della popolazione, l’urbanizzazione e il cambiamento climatico sono i maggiori responsabili dell’aumento del rischio e della gravità degli eventi alluvionali. Un asfalto permeabile, cioè un conglomerato bituminoso drenante (CBd), rappresenta la soluzione più efficace per mitigare l’aumento delle superfici impermeabili, legate all’urbanizzazione dei nuovi insediamenti. Tuttavia, come già ricordato, una delle maggiori sfide per la progettazione delle pavimentazioni di un asfalto drenante è data dalla sua fragilità e dall’impossibilità di sopportare lo stesso carico degli asfalti tradizionali impermeabili.
Le fibre FORTA-FI®, legandosi alla sabbia e alla ghiaia e senza aumentare lo spessore, trasformano il CB drenante in un asfalto strutturale duraturo. Le prove eseguite al NCAT e finanziate dall’Alabama DoT, mostrano che il CB drenante con le FORTA-FI® non si fessura neanche dopo 30 milioni di ESALs, circa 30 anni di traffico.
Materiali e miscele
L’asfalto drenante è nato circa 40 anni fa in Inghilterra e negli Stati Uniti. Fu ideato con il preciso scopo di contrastare il pericoloso effetto dell’aquaplaning, oltre che per offrire una maggior aderenza in presenza di forti piogge e condizioni atmosferiche avverse. La percentuale di bitume è di circa il 7% superiore a quella del CB tradizionale (impermeabile).
Il CBd viene progettato con uno particolare mix design con percentuali di vuoti dal 16 al 27%, contro il 3-8% dei CB tradizionali (impermeabili); pertanto il CBd è caratterizzato da una elevata porosità che consente il rapido deflusso dell’acqua. Infine il CBd, nella fase di posa in opera, deve essere steso sopra a uno strato di collegamento, preventivamente realizzato con un conglomerato bituminoso “chiuso”, ossia privo di vuoti, a bassa porosità e perciò impermeabile, posato con adeguate pendenze.
È solo questa accortezza costruttiva che permetterà il deflusso completo dell’acqua piovana che sarà convogliata dallo strato drenante verso quello sottostante, assolvendo così al compito di confluire le acque ai lati della strada e permettendo allo strato superficiale di rimanere sempre asciutto anche in caso di condizioni avverse.
Caratteristiche funzionali del CBd
- Riduzione dell’aquaplaning;
- miglioramento delle condizioni di visibilità;
- riduzione del rumore;
- aumento della sicurezza stradale.
10. Miscela di fibre aramidiche FORTA-FI®
Il ruolo delle fibre FORTA-FI® nel CBd
Una delle maggiori sfide per la progettazione delle pavimentazioni di un CBd è quella, come detto, di non poter sopportare lo stesso carico veicolare delle pavimentazioni in CB tradizionale. Infatti, lo spessore della pavimentazione porosa in CBd solitamente deve essere maggiore delle sezioni della pavimentazione impermeabile, il che limita i progetti.
Inoltre, anche se fosse possibile utilizzare una sezione più spessa, le pavimentazioni porose CBd tenderebbero a rompersi più rapidamente sotto l’azione delle sollecitazioni da carico veicolare, in particolare i carichi angolari derivanti dai movimenti di svolta, a causa del maggiore spazio dei pori nella pavimentazione. In presenza delle fibre FORTA-FI®, le sollecitazioni del traffico veicolare vengono trasferite a queste che, attraverso il bitume, sono legate saldamente alla sabbia e alla ghiaia.
L’elevata resistenza a trazione delle FORTA- FI® (2.700 MPa) assorbe le sollecitazioni del traffico, mantenendo intatta la struttura del conglomerato bituminoso drenante, evitando anche lo sgranamento della ghiaia.
Test eseguito presso il National Center for Asphalt Technology Resistenza alla formazione di fessure di un CBd con aggiunta delle fibre FORTA-FI® vs CBd tradizionale
Il centro nazionale per la tecnologia dell’asfalto (NCAT) Auburn University, Alabama, è leader mondiale nella ricerca sull’asfalto ed è conosciuto per la sua rinomata pista per prove accelerate della pavimentazione.
Ogni ciclo di test può valere circa 10 milioni di ESAL (circa 10 anni di traffico) realizzati in due anni sul tracciato. Nel 2012 sono stati testati 2 CBd (PCF Permeable Friction Course):
- drenante TQ;
- drenante con FORTA-FI®.
Nel 2021, il Dr. Fan Gu del NCAT ha presentato i risultati della prova, in cui si evidenzia che il CB con le fibre FORTA-FI®, dopo ben 30 milioni di ESALs, corrispondenti a 30 anni di traffico, non presenta alcuna fessurazione. Il CBd senza fibre, inizia a fessurarsi molto tempo prima, innescando successivamente fenomeni di degrado come l’ormaiamento, il distacco degli inerti ecc.
CONCLUSIONI
Le fibre polimeriche aramidiche FORTA-FI® aggiunte a un CB confezionato con bitume standard:
- aumentano la resistenza a fatica anche in presenza dell’elevata porosità del materiale, come nei CB drenanti;
- eliminano le situazioni di forte degrado, dovute allo sgranamento degli inerti nello strato di usura;
- riducono l’abrasione;
- consentono di sopportare carichi statici per lunghi periodi, come nel caso delle logistiche o dei parcheggi per autotreni;
- contrastano il collassamento dei pori della pavimentazione se si esercita una pressione costante come la frenata di un veicolo pesante;
- evitano la frantumazione della pavimentazione, durante i processi di “pulizia” della struttura porosa con getti di acqua in pressione.
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