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Soluzioni tecnologiche a favore dell’ambiente – seconda parte

L’impiego di bitumi marcati CE, additivati con ringiovanenti per la rigenerazione a caldo o a tiepido di elevate quantità di fresato nella produzione di miscele di conglomerato bituminoso, che garantiscono costanza nelle prestazioni e durabilità

Stesa con prodotti Bitem

La prima parte dell’articolo è sul fascicolo n° 153 Maggio/Giugno 2022 a pag. 75 e online su https://www.stradeeautostrade.it/asfalti-e-bitumi/soluzioni-tecnologiche-a-favore-dellambiente-prima-parte/.

Nella precedente puntata sono state descritte le caratteristiche del bitume BITROAD N/R Plus e si sono riportati alcuni risultati di test volumetrici e meccanici che si sono ottenuti su una miscela per strato di usura costituita dal 40% di fresato.

Proponiamo ora ulteriori analisi e risultati.

Focus sul test di trazione indiretta (EN 12697-23)

La resistenza a trazione indiretta RTI (o ITS – Indirect Tensile Stress) è la massima tensione di trazione (calcolata) applicata a un provino cilindrico caricato diametralmente fino a rottura, alla temperatura di prova e alla velocità di avanzamento costante (pari a 50±2 mm/min):

dove:

  • P = carico massimo (N);
  • D = diametro del provino (mm);
  • h = altezza del provino (mm). Un altro parametro che può essere ricavato dalla prova di trazione indiretta è il Coefficiente di Trazione Indiretta (CTI), definito come:

dove:

  • ITS = resistenza a trazione indiretta (N/mm2);
  • D = diametro del provino (mm);
  • dv = deformazione verticale a rottura del provino (mm).

I risultati medi ottenuti sui provini delle due miscele aventi la stessa curva granulometrica, dosaggio di bitume e il 40% di fresato sono riportati in Figura 1.

Nel panorama nazionale, la resistenza a trazione indiretta a 25 °C è uno dei parametri meccanici più significativi, infatti il CSA in questione (ANAS, ma accade anche nella maggior parte dei CSA) lo prende come unico parametro meccanico di riferimento.

Andando a valutare quanto ottenuto, si vede come l’utilizzo del bitume con rigenerante permetta di ottenere valori medi di resistenza a trazione indiretta inferiori rispetto alla miscela con bitume tal quale e rientranti nel range (0,72-1,60 N/mm2) dei valori prescritti nel Capitolato di riferimento.

La resistenza e il coefficiente di trazione indiretta
1. La resistenza e il coefficiente di trazione indiretta

Unendo questa analisi con il coefficiente di trazione indiretta, si evince come il BITROAD N/R Plus riduca effettivamente la rigidezza generata fortemente dalla presenza del fresato. I limiti di Capitolato minimo e massimo sono stabiliti proprio perché l’eccessiva rigidezza porta ad avere e innescare problemi prestazionali al pacchetto della pavimentazione stradale.

Andando inoltre a valutare le curve medie (Figura 2) nei due casi oggetto di studio, si evince che nel materiale con bitume tal quale si ha una pendenza maggiore del tratto iniziale fino al raggiungimento del carico massimo (che indica la rigidezza) rispetto alla miscela con bitume con rigenerante, e inoltre quest’ultima, dopo il raggiungimento del carico massimo, il ramo del ratto deformativo è molto più ampio e presenta una pendenza minore.

Questo indica che effettivamente il bitume ossidato presente nel fresato impiegato è stato rigenerato e ha recuperato la componente visco-elastica. In definitiva, questo tipo di comportamento porta ad avere una rottura più duttile e meno rigida al sistema “conglomerato bituminoso”.

Carico e deformazione assiale
2. Il grafico carico/deformazione assiale

Focus sul test di sensibilità all’acqua (EN 12697-12)

Per valutare l’eventuale perdita di prestazioni subita dalle diverse miscele per effetto dell’acqua (suscettività all’acqua), alcuni provini sono stati condizionati tre giorni in acqua a 40 °C prima di essere testati a trazione indiretta alla temperatura di 25 °C (Figura 4).

I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli ricavati su provini analoghi condizionati in aria a temperatura ambiente e testati alla stessa temperatura di prova (25 °C), ricavando il parametro ITSR:

dove:

  • ITSw = resistenza a trazione indiretta media dei provini bagnati (tre giorni in acqua previa saturazione);
  • ITSd = resistenza a trazione indiretta media dei provini asciutti.

Si noti come il bitume BITROAD permetta una migliore prestazione in termini del parametro di degrado misurato con il test di sensibilità all’acqua.

Caratteristiche rigeneranti… e non flussanti

Come già descritto nella prima parte dell’articolo, in merito alla definizione della formulazione del bitume, la sfida più complessa in laboratorio è stata quella di verificare che le prestazioni donate al conglomerato bituminoso fossero legate ad effetti “ringiovanenti” e non “flussanti” del bitume invecchiato nel fresato.

Il fresato, in genere, porta ad avere altissimi valori di trazione indiretta (e del suo coefficiente) alla miscela perché più è rigido il materiale più essa aumenta.

La sensibilità all’acqua
3. La valutazione della sensibilità all’acqua

Molti degli additivi proposti nel mercato hanno la capacità di ridurre tali due parametri, ma tale diminuzione molto spesso è fittizia, nel senso che non fanno altro che indebolire il sistema “conglomerato bituminoso” abbassando così la ITS e CTI, ma non hanno la capacità di blendarsi bene con il bitume ossidato del fresato e recuperare il suo stato originario.

Per indagare in merito a questo quesito è stato necessario eseguire numerosi test di laboratorio, focalizzando l’attenzione sulle caratteristiche chimiche, fisiche e soprattutto reologiche del legante bituminoso estratto da miscele contenenti fresato (UNI EN 12697-3, Rolling Vaporizer Method) o invecchiato in laboratorio.

In questo estratto, con il fine di provare scientificamente la rigenerazione a caldo, si riportano gli esiti delle prove reologiche di nuova generazione, impiegando il reometro DSR (Dynamic Shear Rheometer).

Il principio di funzionamento dello strumento DSR consiste nel sollecitare un provino di bitume, avente simmetria assiale, con una coppia torcente T variabile nel tempo secondo una legge stabilita e in condizioni di temperatura controllata.

I test di laboratorio condotti
4. I test di laboratorio condotti per la verifica delle caratteristiche rigeneranti del legante estratto da miscele contenenti fresato

Conseguentemente, vengono misurate le rotazioni angolari che il campione subisce durante il test. L’apparecchiatura è in grado di misurare la risposta del legante. Ad esempio, come si vede dalla Figura 5B, se il legante fosse un materiale perfettamente elastico, la risposta alla sollecitazione seguirebbe immediatamente l’applicazione di quest’ultima e il ritardo tra le due sarebbe nullo.

Per contro un materiale perfettamente viscoso presenterebbe un elevato ritardo nella risposta alla sollecitazione applicatagli.

Un materiale viscoelastico, come il bitume quando si trova alla normale temperatura d’esercizio di una pavimentazione, presenta un comportamento che è compreso tra questi due estremi.

Attraverso la relazione tra lo sforzo applicato, e la deformazione ottenuta, il reometro dinamico permette di calcolare due importanti parametri:

  • modulo complesso G*, calcolato come il rapporto tra il massimo sforzo di taglio applicato e la massima deformazione ottenuta:

  • angolo di fase δ, che rappresenta il ritardo che si manifesta tra l’applicazione dello sforzo e l’instaurarsi della deformazione, e quindi la conseguente prevalenza o meno delle deformazioni temporanee su quelle permanenti.

  • La configurazione DSR
    5A La configurazione DSR
    5A. La configurazione DSR
  • La risposta del legante
    5B La risposta del legante
    5B. La risposta elastica e viscosa del legante sotto analisi

Quindi G* si può considerare come una sorta di misura della rigidezza del bitume ad una certa temperatura, e l’angolo di fase come lo sfasamento che indica quale delle due componenti, elastica o viscosa, sia preponderante.

Più l’angolo di fase è basso, più il sistema reagisce in maniera rigida. Più è alto e più la componente viscosa (intesa come capacità di rilassamento del bitume) è presente.

Partendo da questi concetti, prima di arrivare ai risultati, c’è da introdurre il grafico riportato in Figura 6 sotto, tratto da una proposta di Norma realizzata in Germania, ideata dal Prof. Radenberg (Università di Bochum).

Nel grafico si mostra sinteticamente il frutto di migliaia di analisi condotte su più di 50 diversi bitumi e su una trentina di diversi additivi esistenti in ambito internazionale.

Nel grafico sono riportate le seguenti zone:

  • area azzurra: area che racchiude un range di valori di risposta del modulo complesso e angolo di fase di un bitume stradale;
  • linea nera: tipica risposta di un bitume invecchiato e ossidato.

Si nota come per un determinato valore di modulo complesso, l’angolo di fase è diminuito. È la misurazione del fatto che il bitume tende a perdere la fase viscosa (intesa come perdita della capacità di rilassamento, regredendo verso un comportamento di tipo fragile).

Il modulo complesso-angolo di fase
6. Il grafico del modulo complesso-angolo di fase

Adottando un flussante o un rigenerante, possiamo avere due trend completamente diversi:

  • linea gialla: trend verso il quale vanno gli additivi flussanti. Graficamente si nota come il bitume tende effettivamente a indebolirsi. Ma, esaminando bene l’andamento del grafico, per una prefissata temperatura, entrando con un valore di G*, dalla linea nera alla linea gialla, l’angolo di fase diminuisce, portando il bitume verso un comportamento di tipo fragile;
  • linea verde: trend verso il quale vanno gli additivi rigeneranti.

Graficamente si nota come si ripristinano le caratteristiche reologiche del bitume verso il comportamento vergine (all’interno del fuso del comportamento del bitume vergine) e inoltre, per una prefissata temperatura, entrando con un valore di G*, dalla linea nera alla linea verde, l’angolo di fase aumenta, portando il bitume verso un comportamento di tipo viscoso e duttile.

I risultati

Si sintetizzano nelle Figure 7A e 7B i risultati dei test condotti con DSR, partendo da un bitume tradizionale 50/70.

Sistema utilizzato:

  • piatto-piatto a deformazione controllata, sistema oscillatorio;
  • range di temperatura da −10 °C a 150 °C (intervalli da 10 °C).

La linea nera rappresenta la risposta del bitume vergine, mentre quella tratteggiata la risposta dopo averlo invecchiato con 72 ore di PAV (Pressure Ageing Vessel), simulando così l’invecchiamento a lungo termine in laboratorio che subisce il bitume durante i primi anni durante l’esercizio.

In Figura 7B, si evince come, additivando il bitume invecchiato, caratterizzandolo con DSR, la risposta tenso/deformativa misurata con G* e δ vira verso la direzione “rigenerante” prima descritta.

  • I risultati del test con DSR
    7A I risultati del test con DSR
    7A. I risultati del test con DSR
  • I risultati del test con DSR
    7B I risultati del test con DSR
    7B. I risultati del test con DSR

Conclusioni

Il bitume BITROAD R Plus (disponibile come bitume tradizionale e modificato con SBS), nella complessa tematica della rigenerazione a caldo, presenta i seguenti vantaggi tecnico-operativi:

  • ringiovanisce: permette di interagire in maniera effettiva ed efficace con il bitume ossidato contenuto all’interno del fresato stradale, ripristinandone le caratteristiche reologiche iniziali. Estraendo il legante dalla miscela contenente fresato, si denota che il suo comportamento e le sue prestazioni ricadono all’interno delle specifiche tecniche di un bitume di tipo stradale (penetrazione, rammollimento, RTFOT, DSR, ecc.);
  • caratterizzabile: in fase di accettazione durante la fornitura è possibile verificarlo e caratterizzarlo eseguendo i normali test che si eseguono sui bitumi stradali;
  • costante: permette di progettare e produrre in continuo miscele bituminose (per strati di base, binder e usura) con alti quantitativi di fresato, senza pregiudicare le prestazione volumetriche e meccaniche;
  • non nocivo per la salute;
  • marcato CE.

La prima parte dell’articolo è sul fascicolo n° 153 Maggio/Giugno 2022 a pag. 75 e online su https://www.stradeeautostrade.it/asfalti-e-bitumi/soluzioni-tecnologiche-a-favore-dellambiente-prima-parte/.

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