Studi condotti da dipartimenti ambientali negli Stati Uniti, nell’Unione Europea, in Canada, in Australia e in altri Paesi hanno evidenziato la necessità di prestare maggiore attenzione ai rischi di inquinamento atmosferico associati ai materiali bituminosi e per questo alcuni ricercatori hanno iniziato a formulare specifici test per valutarne le emissioni in termini di composti volatili organici (VOC), Total Organic Compound (TOC), IPA, particolato (PM) [1, 2].
La maggior parte delle ricerche ha analizzato le dinamiche di rilascio dei fumi dei conglomerati bituminosi in opera, analizzando i fumi prodotti in impianto durante la miscelazione e durante le operazioni di stesa e compattazione in sito, confermando il loro impatto sulla salute umana e sull’ambiente, con particolare riferimento agli effetti sulla salute dei lavoratori e dei residenti nelle aree circostanti [2, 3]. Recentemente alcuni studi si stanno soffermando sulla possibilità di effettuare le analisi dei fumi in laboratorio.
Le misurazioni condotte in laboratorio offrono un livello di controllo e riproducibilità impossibile da ottenere in situazioni operative reali. In laboratorio, è possibile simulare condizioni specifiche di temperatura e pressione, isolando i parametri che influenzano maggiormente le emissioni. Ciò consente di ottenere dati più affidabili e confrontabili, che sono essenziali per ottimizzare le formulazioni dei conglomerati e sviluppare tecnologie più sostenibili. Le misurazioni in opera, infatti, sono spesso soggette a variabilità ambientale e operativa, come variazione dei fattori climatici, fluttuazioni nelle modalità di posa e interferenze esterne.
Questo rende difficile isolare le variabili critiche e può compromettere l’accuratezza dei risultati. Inoltre, le prove di laboratorio permettono di testare in anticipo nuove soluzioni, come l’utilizzo di additivi o il riciclo di materiali, evitando costosi interventi correttivi sul campo. Nel presente articolo si analizzano i vantaggi delle misure di laboratorio, descrivendo le tecniche utilizzate per la valutazione delle emissioni in laboratorio durante le operazioni di mix design e il loro ruolo nell’innovazione del settore dei conglomerati bituminosi, con l’obiettivo di promuovere un futuro più sostenibile per l’ambiente e la salute umana.
METODOLOGIA DI PROVA
Tramite un protocollo di prova specifico sono state valutate le emissioni dei fumi di quattro diverse miscele in conglomerato bituminoso contenenti tre diversi tipi di additivi, durante il processo di miscelazione in laboratorio a una temperatura di 180 °C. Il protocollo prevede la miscelazione di aggregati e legante bituminoso in un miscelatore chiuso e termoregolato (figura 1).
In genere, le operazioni di miscelazione richiedono pochi minuti ma in questo caso, per simulare il percorso del conglomerato bituminoso dall’impianto al cantiere stradale, il periodo di miscelazione è stato suddiviso in tre sequenze in cui sono stati monitorati iComponenti Organici Totali (TOC) tramite l’analizzatore automatico Nira Mercury 901 e sono stati prelevati due campioni da analizzare successivamente in laboratorio all’inizio e al termine della prova per la determinazione delle Componenti Organiche Volatili (VOC) e degli Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) rispettivamente secondo le normative ISO 16200-1, 2001 e NIOSH 5515, 1994.
Queste tre sequenze consistono nel riprodurre le operazioni di:
- produzione della miscela;
- trasferimento della miscela dal silo dell’impianto al camion;
- trasferimento della miscela dal camion alla finitrice;
- messa in opera della miscela e dispersione sulla coclea della finitrice.
Dopo una miscelazione iniziale di 3 minuti per simulare le prime due sequenze, si è proceduto a un periodo di riposo di circa 30 minuti atto a simulare le operazioni di trasporto del conglomerato bituminoso dall’impianto al sito durante il quale sono stati continuativamente monitorati i TOC.
Dopodiché si è proceduto con una successiva miscelazione a basso numero di giri per simulare le ultime due operazioni di messa in opera in sito.
MATERIALI
Sono state prodotte quattro miscele in conglomerato bituminoso per strati di usura utilizzando il fuso granulometrico riportato in figura 2 e con una percentuale di bitume pari al 4,4%. In particolare, è stata prodotta una miscela di riferimento composta da un bitume tal quale 50/70 e tre miscele contenenti lo stesso bitume tal quale e tre diversi tipi di additivi.
RISULTATI
In figura 3 sono diagrammati i valori dei Componenti Organici Volatili (VOC) e degli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) rilevati nei due campioni di fumi prelevati all’inizio e al termine delle operazioni di miscelazione a 180 °C e analizzati in laboratorio rispettivamente secondo le norme ISO 16200-1, 2001 e NIOSH 5515, 1994.
In particolare, per i composti organici volatili sono stati identificati:
- idrocarburi alifatici lineari e ramificati (nell’intervallo tra C5 e C40, con una doppia gobba avente i due massimi intorno a C16 e C32);
- cicloalcani sostituiti.
Per gli IPA il valore riportato nel diagramma è riferito alla sommatoria dei seguenti congeneri che sono quelli comunemente utilizzati per valutare i potenziali effetti cancerogeni sull’uomo:
- benzo[a]antracene;
- benzo[b+j]fluorantene;
- benzo [k]fluorantene;
- benzo[a]pirene;
- indeno[1,2,3,c,d]pirene;
- dibenzo[a,h]antracene;
- benzo[g,h,i]perilene.
I risultati riportati in figura 3, mostrano che le miscele prodotte con gli additivi presentano valori inferiori o analoghi a quelli della miscela di riferimento dimostrando di non peggiorare i valori di emissioni durante le operazioni di miscelazione in impianto, e durante il trasporto e la stesa del materiale.
La ripetibilità delle misure è risultata dell’ordine del 5% per i VOC e del 15% per la determinazione degli IPA. Per analizzare meglio gli IPA, in figura 4 sono stati riportati i valori delle concentrazioni dei vari congeneri misurati. In base all’aromaticità dei vari costituenti, gli IPA possono essere classificatiin IPA leggeri e pesanti.
Come si nota dalla figura, le concentrazioni di naphthalene, su cui i vari Stati hanno dei valori limite di esposizione, sono risultati quelli che maggiormente hanno contribuito alle emissioni degli IPA. Il naphtalene è considerato un IPA leggero, caratterizzato da un punto di fusione intorno a 80 °C e che lo rende relativamente volatile. Considerando anche questo elemento nella sommatoria degli IPA, questo contribuisce per il 24% nella miscela di riferimento agli IPA totali e per circa il 50% per gli altri additivi.
Come si nota, l’aggiunta degli additivi sembra avere un effetto positivo sulle emissioni degli IPA pesanti che sono quelli potenzialmente cancerogeni e quindi pericolosi per la salute umana. Per quanto riguarda il monitoraggio dei TOC, riportato in figura 5, si vede che tutte le miscele raggiungono un plateau alla fine della sperimentazione, quando raggiungono un equilibrio stabile in termini di temperatura.
Valutando il valore dei TOC alla fine del periodo di osservazione, ossia dopo 30 minuti di monitoraggio, si nota che tutte le miscele presentano valori simili che si attestano intorno ai 1.200 mg/Nm3. Pertanto, anche in termini di TOC non si sono registrati problemi con l’aggiunta degli additivi all’interno delle miscele.
CONCLUSIONI
In questo studio sono stati valutati gli effetti dell’aggiunta di tre diversi additivi sulle emissioni dei fumi in laboratorio durante le operazioni di miscelazione del conglomerato bituminoso. Le miscele sono state prodotte alla temperatura di 180 °C e il protocollo di miscelazione è stato suddiviso in tre sequenze per riprodurre il viaggio del conglomerato bituminoso dall’impianto di produzione alla stesa in cantiere con la vibrofinitrice.
Durante questo periodo sono stati monitorati in real-time i Componenti Organici Totali (TOC) e sono stati prelevati campioni da analizzare successivamente in laboratorio all’inizio e alla fine del periodo di miscelazione per la determinazione dei Componenti Organici Volatili (VOC) e degli Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA).
In particolare, è stata monitorata una miscela di riferimento confezionata con un bitume tal quale 50/70 e senza additivi e successivamente le tre miscele contenenti lo stesso bitume e tre diversi additivi alla stessa percentuale di additivazione.
I risultati hanno mostrato che l’aggiunta degli additivi non peggiora le emissioni dei fumi in termini di VOC e IPA, che anzi tendono a diminuire. Questo potrebbe essere dovuto a una maggiore viscosità del film di bitume additivato attorno all’aggregato durante le fasi di miscelazione. Infatti, l’interfaccia tra il legante e l’aria viene modificata dall’additivazione consentendo una minore emissione di IPA pesanti che sono quelli potenzialmente cancerogeni e quindi pericolosi per la salute umana. Le condizioni di prova imposte in laboratorio risultano sicuramente più severe rispetto a quelle reali. Infatti, le condizioni di prova raccolgono le emissioni in un ambiente chiuso, mentre nell’impianto di miscelazione e durante le operazioni di stesa, l’ambiente risulta aperto.
Ciò significa che le concentrazioni dovrebbero essere inferiori a quelle determinate in laboratorio durante l’esperimento. In studi futuri, le emissioni verranno quantificate a diverse temperature in modo da valutare l’effettiva diminuzione delle emissioni al diminuire della temperatura in accordo con i nuovi CAM strade.
Inoltre, verranno eseguite future valutazioni sulla possibilità di integrare tali dati nei modelli di diffusione degli inquinanti atmosferici che consentirà di stimare la dispersione delle sostanze emesse e il loro potenziale impatto sulla qualità dell’aria a livello locale e regionale. Fondamentale sarà studiare la qualità e la ripetibilità delle misurazioni sperimentali in modo da aumentare l’affidabilità dei modelli.
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