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Influenza delle proprietà del filler sul comportamento a rottura del conglomerato bituminoso

Uno studio del comportamento a rottura del conglomerato bituminoso in relazione alle proprietà del mastice di cui è composto

Nell’ambito delle pavimentazioni flessibili è ampiamente riconosciuto che le prestazioni a rottura del conglomerato bituminoso sono strettamente correlate alle proprietà del mastice di cui è composto, e di conseguenza alle caratteristiche del filler e del bitume.

Immagini

  • Un esempio di pavimentazione ammalorata
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    Un esempio di pavimentazione ammalorata
  • I risultati dei test DSR a 60°C
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    I risultati dei test DSR a 60°C
  • I risultati dei test DSR a 25°C
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    I risultati dei test DSR a 25°C
  • I risultati dei test BBR a –12°C
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    I risultati dei test BBR a –12°C
  • I risultati dei test BBR a –5°C
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    I risultati dei test BBR a –5°C
  • La configurazione di prova del test MDTT
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    La configurazione di prova del test MDTT
  • La configurazione di prova del test MDTT
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    La configurazione di prova del test MDTT
  • Gli effetti del filler sulla resistenza a trazione ed FE dei mastici
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    Gli effetti del filler sulla resistenza a trazione ed FE dei mastici
  • Gli effetti del filler sulla resistenza a trazione ed FE dei mastici
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    Gli effetti del filler sulla resistenza a trazione ed FE dei mastici
  • Le mappe di deformazione di mastici contenenti NV
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    Le mappe di deformazione di mastici contenenti NV
  • Le mappe di deformazione di mastici contenenti N2
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    Le mappe di deformazione di mastici contenenti N2
  • Le mappe di deformazione di mastici contenenti MR
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    Le mappe di deformazione di mastici contenenti MR
  • Le mappe di deformazione di mastici contenenti ML
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    Le mappe di deformazione di mastici contenenti ML

La rigidezza del mastice influisce infatti sulla resistenza alle deformazioni permanenti della miscela ad alte temperature, e su quella a fatica a medie e basse temperature.

Al fine di migliorare le prestazioni meccaniche dei conglomerati bituminosi, vengono generalmente aggiunti opportuni polimeri al bitume naturale e/o calce idrata per modificare il filler. Tuttavia, il ruolo di tali polimeri e/o dei filler modificati sul comportamento a rottura dei conglomerati è molto complesso e non è stato ancora sufficientemente investigato. Risulta quindi importante poter analizzare le proprietà viscoelastiche del mastice tramite la descrizione dell’evoluzione del danno all’interno dello stesso.

Il presente studio è incentrato sulla valutazione dell’influenza delle proprietà del filler sul comportamento a frattura del conglomerato bituminoso mediante l’analisi dello sviluppo del danno all’interno della microstruttura del mastice.

Si è scelto di analizzare 16 diversi tipi di mastice ottenuti miscelando quattro tipi di filler a quattro tipi di bitume. Le proprietà reologiche dei mastici sono state valutate tramite procedura di prova Superpave, utilizzando i reometri DSR e BBR. Il comportamento a rottura è stato valutato utilizzando il test a trazione diretta MDTT. Un sistema basato sulla correlazione di immagini digitali ha permesso di studiare lo sviluppo del danno e la localizzazione delle deformazioni tramite l’ottenimento di mappe di deformazione bi-dimensionali.

I materiali

Sono stati impiegati 16 differenti tipi di mastice, ottenuti associando a quattro diversi leganti quattro diverse tipologie di filler. NV ed N2 sono bitumi naturali, mentre MR ed ML sono bitumi modificati SBS, ottenuti miscelando al legante di base N2 il 3,5% di polimero radiale e lineare, rispettivamente.

I quattro filler impiegati comprendono un filler calcareo, uno argilloso, e due combinazioni di questi ultimi con una percentuale in peso del 20% di calce idrata. La concentrazione stabilita di filler nel mastice è del 60% in peso. I mastici identificati con la lettera “A” finale indicano la presenza di filler argilloso mentre la lettera “L” finale indica la presenza di calce idrata.

Le proprietà reologiche

Per determinare le proprietà reologiche dei mastici sono stati impiegati il Dynamic Shear Rheometer e il Bending Beam Rheometer. Il DSR è stato utilizzato per la misura del modulo complesso dinamico (G*) a 25° e 60°, mentre il BBR per determinare la rigidezza dei mastici, calcolata a 60 s, a –25°C, –12°C e –5°C.

Dai risultati dei test effettuati con DSR si deduce che – ad alte temperature – le proprietà del mastice sono influenzate maggiormente dal tipo di legante piuttosto che dal tipo di filler.

La combinazione filler argilloso con calce idrata rende il mastice estremamente rigido e quindi poco lavorabile. Risultati simili sono stati ottenuti a temperature intermedie (25°C).

I risultati dei test eseguiti con BBR evidenziano invece come la rigidezza alle basse temperature sia influenzata maggiormente dal tipo di filler impiegato, presentando trend di comportamento simile a diverse temperature.

Il comportamento a rottura

Il comportamento a rottura del mastice è stato studiato utilizzando il Modified Direct Tension Test, sviluppato presso l’Università di Parma sulla base del test di trazione diretta Superpave per l’analisi del comportamento dei bitumi a basse temperature.

Rispetto al test tradizionale è stata modificata e ottimizzata la geometria del provino grazie ad uno studio in cui le proprietà del materiale sono state assunte viscoelastiche.

La prova viene svolta utilizzando un’apparecchiatura di prova elettroidraulica in controllo di spostamento. Per confezionare i provini di mastice è stata seguita la procedura suggerita da Ho e Zanzotto. I campioni, ottenuti colando il mastice nell’apposito stampo di alluminio sagomato ad osso di cane, sono stati riposti in cella climatica prima di eseguire il test.

La valutazione dell’influenza del filler sulla localizzazione delle deformazioni e sull’evoluzione del danno all’interno del mastice è stata possibile grazie all’utilizzo di una tecnica fotogrammetrica che stabilisce corrispondenze fra i valori di grigio delle immagini digitali acquisiste durante l’esecuzione della prova, restituendo mappe di deformazione con precisioni comparabili a quelle degli estensimetri. L’hardware consiste in una fotocamera digitale collegata al sistema di controllo di prova.

Lo sforzo di rottura è stato calcolato secondo le specifiche SuperPave, come rapporto tra carico a rottura e sezione trasversale originale. Sono stati poi confrontati i valori di resistenza a trazione con quelli di energia di frattura (FE), definita come l’area sottesa dalla curva sforzi-deformazioni al punto di rottura. Dai risultati si nota chiaramente che la natura del filler influenza la resistenza a rottura dei mastici; si osserva che tutti i mastici contenenti filler argilloso presentano un valore a rottura maggiore rispetto ai corrispondenti mastici contenenti filler calcareo. Al contrario, l’influenza della presenza di calce idrata non dà risultati univoci.

Osservando invece i valori di FE si nota che la natura del filler svolge un ruolo importante nella definizione di questo parametro di danno: tutti i mastici contenenti argilla presentano valori elevati; inoltre, la presenza di calce idrata in mastici non modificati migliora significativamente le prestazioni del mastice, mentre su quelli modificati influisce negativamente.

Si osserva che i mastici non modificati contenenti filler calcarei mostrano un’elevata distribuzione del danno, mentre quelli contenenti filler argillosi mostrano deformazioni molto più localizzate, mentre nelle miscele modificate si osserva comportamento opposto.

Questo è chiaramente attribuibile alla particolare interazione fisicochimica che si viene a creare tra legante e filler specifici.

Conclusioni

Si può concludere che le proprietà del filler hanno maggiore influenza sulla rigidezza a basse temperature e sulla resistenza a rottura a temperature intermedie. Si è invece osservato che a temperature elevate il ruolo fondamentale è svolto dal tipo di bitume.

La presenza di calce idrata è in grado di migliorare le prestazioni dei mastici quando utilizzata con bitume non modificato, mentre non apporta significativi benefici se associata a bitumi modificati con polimeri SBS.

Ringraziamenti

Questa ricerca è stata in parte finanziata dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca nell’ambito del progetto “FIRB – Futuro in Ricerca 2010 – Subpixel techniques for matching, image registration and change detection”.