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L’attualità dei bitumi modificati – prima parte

Il confronto tra bitumi normali e modificati con polimeri: esperienze di durabilità in laboratorio e sul campo

Il seguente articolo è tratto dalla pubblicazione di diversi Autori avente come oggetto uno studio condotto in sinergia tra i CReS di Lione (Centro di Ricerche della Società Total) e il laboratorio del traffico dell’Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna.

Immagini

  • Asfalto drenante con bitume Styrelf
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    Asfalto drenante con bitume Styrelf
  • La struttura e la fondazione dell’autostrada (test e sezione complementare). Con AB 16S, AB 25 uS, HMT 0/32, HMF 0/40 si intendono asfalti realizzati in accordo alle vecchie Norme Svizzere vigenti nel periodo della realizzazione dell’opera
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    La struttura e la fondazione dell’autostrada (test e sezione complementare). Con AB 16S, AB 25 uS, HMT 0/32, HMF 0/40 si intendono asfalti realizzati in accordo alle vecchie Norme Svizzere vigenti nel periodo della realizzazione dell’opera
  • La struttura e la fondazione dell’autostrada (test e sezione complementare). Con AB 16S, AB 25 uS, HMT 0/32, HMF 0/40 si intendono asfalti realizzati in accordo alle vecchie Norme Svizzere vigenti nel periodo della realizzazione dell’opera
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    La struttura e la fondazione dell’autostrada (test e sezione complementare). Con AB 16S, AB 25 uS, HMT 0/32, HMF 0/40 si intendono asfalti realizzati in accordo alle vecchie Norme Svizzere vigenti nel periodo della realizzazione dell’opera
  • L’ampiezza delle fessure delle differenti sezioni dopo quattro, sette e dieci anni
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    L’ampiezza delle fessure delle differenti sezioni dopo quattro, sette e dieci anni
  • La stesa di asfalto drenante con bitume Styrelf
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    La stesa di asfalto drenante con bitume Styrelf
  • Asfalto drenante con bitume Styrelf
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    Asfalto drenante con bitume Styrelf
  • L’evoluzione della penetrazione a 25 °C durante il periodo di esercizio
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    L’evoluzione della penetrazione a 25 °C durante il periodo di esercizio
  • L’evoluzione del rammollimento durante il periodo di esercizio
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    L’evoluzione del rammollimento durante il periodo di esercizio
  • L’evoluzione della viscosità dinamica durante il periodo di esercizio
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    L’evoluzione della viscosità dinamica durante il periodo di esercizio
  • L’evoluzione del ritorno elastico durante il periodo di esercizio
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    L’evoluzione del ritorno elastico durante il periodo di esercizio
  • L’evoluzione degli indici di ossidazione CO e SO durante il periodo di servizio
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    L’evoluzione degli indici di ossidazione CO e SO durante il periodo di servizio
  • L’evoluzione del tenore di polimero
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    L’evoluzione del tenore di polimero
  • Il GPC delle curve di distribuzione di entrambi i leganti
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    Il GPC delle curve di distribuzione di entrambi i leganti
  • Il GPC delle curve di distribuzione di entrambi i leganti
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    Il GPC delle curve di distribuzione di entrambi i leganti

Si tratta di uno studio comparato di diversi leganti bituminosi che porta ad osservazioni interessanti sul comportamento a lungo termine dei materiali analizzati – siano essi bitumi modificati o normali – e, conseguentemente, sugli asfalti con essi confezionati.

Quanto esposto nella pubblicazione e qui riportato riaccende una luce nuova su un tema ormai consolidato: l’attualità dei bitumi modificati.

L’uso, il valore e l’esperienza sui bitumi modificati, e tra questi quelli con una modifica elastomerica, sono ormai più che consolidati sia in Europa che nel nostro Paese. In Italia esistono diversi Produttori con diversi processi produttivi che inseguono diverse esigenze e Capitolati e a volte promuovono nuove soluzioni.

Ciononostante, l’uso di questi bitumi speciali è ancora prevalentemente relegato al perimetro autostradale e, anche in questo ambito, raramente esce dall’applicazione dei drenanti per passare ad asfalti con diversa funzione. Ma è sensato limitarsi a questo perimetro?

La valenza della “durabilità”

In questo studio, oltre all’ovvio e ormai ben noto valore della elasticità e coesione del bitume legante, emerge eclatante la valenza della “durabilità”. L’asfalto realizzato con il bitume modificato analizzato (in questo caso lo Styrelf® della Total) dopo quasi 20 anni di vita, evidenzia prestazioni (più oltre vedremo quali) maggiori di quelle di un uguale asfalto realizzato con bitume normale.

In questi tempi dove il tema dello “sviluppo sostenibile” spinge la ricerca a trovare nuove e a volte discutibili soluzioni, vale la pena verificare in maniera oggettiva la vita utile delle soluzioni adottate: ecco l’obiettivo di questo studio. Il passo successivo, non affrontato in queste pagine, potrebbe essere quello di analizzare quanto sia economicamente (e, perché no, anche dal punto di vista sociale ed economico) vantaggioso scegliere un prodotto più duraturo. Intuitivamente già sappiamo che il maggior costo, dovuto all’uso del bitume modificato per realizzare un comune tappeto d’usura, pesa sicuramente meno del risparmio in termini di costo di rifacimento dello stesso: da questo studio emerge che la vita dell’asfalto realizzato con bitume modificato dura più del doppio, ma il suo costo complessivo (ivi inclusi costi energetici) è sicuramente meno di due volte (molto meno).

A ciò si dovrebbe aggiungere il vantaggio del minor impegno di risorse ambientali (cave, carburanti, energia). Si vedrà che a otto anni il bitume normale è stato rimosso per l’elevato livello di danneggiamento, mentre a 19 anni il bitume modificato studiato si presentava ancora in buone condizioni. Se quindi ragioniamo a parità di risorse impegnate per una periodica manutenzione, poiché a parità d’investimento si arriva ad uno stato di qualità dell’opera invecchiata migliore con un bitume modificato, si conclude che l’opera realizzata con quest’ultimo sarà più sicura per la collettività.

Per questi motivi, in periodi come quello che stiamo vivendo, dove l’attenzione alle risorse economiche, ambientali ed energetiche, unitamente alla sicurezza per la collettività, è al centro di importanti discussioni, l’articolo qui riportato diventa di estrema attualità.

I leganti modificati

I leganti modificati iniziarono ad essere utilizzati in maniera intensiva già 30 anni fa, con lo scopo di migliorare le caratteristiche meccaniche delle pavimentazioni bituminose ed in particolare negli strati superficiali. Questo sviluppo era in risposta a una sempre crescente intensità di traffico, e per ridurre la periodicità delle manutenzioni, che rappresentano l’elemento di maggior disturbo e danno al traffico.

In questa nuova era di “sviluppo sostenibile” dove si valorizza il miglioramento della durevolezza, la conoscenza dei meccanismi di invecchiamento riveste, infatti, un ruolo rilevante.

Alla fine degli anni Ottanta, il Dipartimento Autostradale del Cantone Vallese e il Laboratorio del Traffico dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia hanno collaborato alla redazione delle Raccomandazioni svizzere relative ai bitumi modificati. Tuttavia allora erano disponibili solo poche informazioni basate sull’esperienza, nonostante si usassero quei prodotti già da diversi anni. Nel 1988, il National Roadway Service del Canton Vallese realizzò la struttura e la pavimentazione della Autostrada N9 per un tratto di 15 km. Fu quindi messo a disposizione un lotto intero per realizzare delle sezioni da testare in modo da confrontare il comportamento dei polimeri e additivi per modifica dei bitumi nelle miscele, rispetto a miscele realizzate con bitumi puri. Venne condotta così un’ampia indagine sul campo su asfalti realizzati nelle stesse condizioni, su 16 differenti tronconi da 300 m di lunghezza. Per realizzare il tappeto d’usura sono state scelte 12 miscele realizzate con bitumi modificati o speciali e quattro con bitume puro. Per quanto riguarda la struttura e le miscele, la pavimentazione fu progettata in accordo con le Norme Svizzere SN 640322 del 1971 relative a una vita utile di 20 anni, con 1.600 ESAL (Asse Standard Equivalente) giornalieri di più di 8 t ed una progressione annuale di traffico del 5%. Questi tappeti d’usura in asfalto tipo AB 16S (vedi Norma Svizzera) furono realizzati nel 1988 nello stesso sito di produzione, con gli stessi aggregati, filler, impianto, finitrici, rulli e condizioni meteorologiche ed aperti al traffico fino al 2002 senza alcun intervento manutentivo.

La totalità dei dati e lo studio connesso sono di proprietà del Laboratorio del Traffico dell’Istituto Federale Svizzero. Tuttavia, è stato concesso a Total, quale fornitore di uno dei bitumi modificati, la possibilità di analizzare e utilizzare i risultati relativamente alle sezioni realizzate con il proprio bitume ed un bitume normale usato come elemento comparativo. Per questo motivo gli Autori riportano soltanto una parte della campagna: le sezioni utilizzate per l’esame comparativo, contemplavano, tra gli altri, un bitume 80/100 (riferimento P15) e uno modificato con copolimeri stirene-butadiene reticolati, Styrelf® 13/80 (riferimento P11), avente il 3% polimero, prodotto industrialmente con un processo di proprietà Total (e in uso anche in Italia dalla TotalErg).

Entrambe le sezioni, con bitume modificato e non, erano state realizzate con gli stessi grezzi di origine. Quindi entrambe le sezioni avevano la stessa geometria ed aggregati ma diverso legante nel solo strato d’usura. Lo spessore dello strato d’usura era di 38 mm.

Nello stesso anno, venne anche stesa un’altra sezione complementare per l’estensione degli studi e la tenuta sotto traffico fino al 2007 e, analogamente alla precedente, realizzata con lo Styrelf® 13/80. Questa aveva solo una leggera differenza di spessori rispetto al tappeto AB 16S, cioè 55 mm. Entrambe avevano una percentuale di legante del 5,6% sul peso degli aggregati e una percentuale di vuoti dal 3% al 3,5%. Per interpretare la resistenza alla fessurazione osservata dell’asfalto prodotto con bitume modificato Styrelf, si è valutata la resistenza a lungo termine confrontandola con quella offerta dagli asfalti prodotti con bitumi puri; l’attenzione si concentra sui leganti forniti dalla allora Elf (ora Total) e sull’evoluzione delle analisi delle due sezioni sopra descritte.

Mentre le altre sezioni, realizzate con altri leganti non di proprietà di Total vengono solo riportate anonime per ragioni sia tecniche che di riservatezza. Inoltre, questo studio si concentra sull’analisi dei leganti o delle proprietà della miscela per predire le performance a lungo termine utilizzando procedure di analisi tradizionali o moderne. Sono stati eseguiti diversi controlli e prove di laboratorio durante la vita utile dell’opera, con particolare attenzione allo strato d’usura in modo da valutare l’evoluzione a lungo termine del comportamento delle sezioni testate.

Ovviamente le condizioni climatiche e di servizio per tutti i 14 anni sono state identiche per tutte le sezioni realizzate. Successivamente le sezioni per i test di comparazione (cioè quelle di bitume tradizionale) furono rimpiazzate a causa della fessurazione di alcune di esse, ma le complementari sezioni realizzate con bitume modificato rimasero in servizio per altri quattro anni, fino all’estate del 2009.

I test di laboratorio inclusero prove tradizionali e test con procedure d’avanguardia sia su binder che su miscele. Sono state scelte diverse età di riferimento per le miscele in sito (0, 2, 4, 8, 14 e 19 anni); poi è iniziata la fase di comparazione sul campo e in laboratorio dell’invecchiamento subito.