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Supermodificanti a base di grafene per ecosostenibilità e “pavimentazioni perpetue” – seconda parte

L’esperienza di Iterchimica Srl ha portato alla formulazione di un prodotto innovativo contenente grafene e plastiche dure riciclate attraverso una tecno-selezione

sfondo iter

  For English version: https://www.stradeeautostrade.it/en/materials-technologies/graphene-enhanced-supermodifiers-for-eco-sustainable-and-perpetual-pavements-part-2/

Nella prima parte dell’articolo proposto sul fascicolo n° 140 Marzo/Aprile 2020 con https://www.stradeeautostrade.it/asfalti-e-bitumi/supermodificanti-a-base-di-grafene-per-ecosostenibilita-e-pavimentazioni-perpetue-prima-parte/ abbiamo trattato la parte teorica; questa seconda e ultima riguarda l’applicazione.

Dalla ricerca alla realizzazione

Se da un lato la Green Economy e la Circular Economy spingono verso il riuso e il riciclaggio di prodotti a fine vita utile, dall’altro lato non bisogna dimenticare che, quando si parla di pavimentazioni stradali, la sicurezza è al primo posto, così come la garanzia prestazionale dell’opera.

La strada quindi non può diventare una “discarica” o un “ricettacolo” di materiali in disuso: ovvero, i prodotti utilizzati per la costruzione devono essere sottoposti ad adeguato studio tecnico-ambientale. Pertanto, anche parlando di modifiche Dry, l’utilizzo di compound polimerici per conglomerati bituminosi non può essere fatto in modo indiscriminato senza un percorso di ricerca e sviluppo.

Il Progetto Ecopave ha previsto:

  • la messa a punto del prodotto presso il laboratorio chimico e R&D;
  • la verifica dell’utilizzo in conglomerati bituminosi attraverso analisi tecnologiche di laboratorio;
  • la realizzazione di campi prove in vera grandezza, previa prequalifica del mix design;
  • la verifica post-produzione delle miscele sia in laboratorio sia direttamente in situ, effettuate da Laboratori ufficiali e Università;
  • il monitoraggio nel tempo dei campi prove;
  • la verifica della LCA, anche con rilievi in situ delle emissioni e dei consumi energetici.

È evidente che, oltre ai diversi anni di studio, tale processo ha richiesto elevati investimenti anche in personale e macchine, ma solo in questo modo si è riusciti a garantire la qualità e le prestazioni del prodotto finale.

Gipave
1. Un particolare della posa in opera di un CB con Gipave®

Life Cycle Assessment (LCA)

La Life Cycle Assessment (LCA) è stata eseguita secondo le Norme UNI EN ISO 14040-14044, mettendo in confronto il nuovo supermodificante a base di grafene con le altre tecnologie produttive (utilizzo di bitume tal quale o di PMB), valutando e quantificando i potenziali impatti ambientali lungo tutta la catena produttiva, sino al riutilizzo a fine vita utile della pavimentazione invecchiata.

I confini del sistema analizzati riguardano l’estrazione e la lavorazione delle materie prime, i trasporti dei materiali, l’uso dei diversi prodotti (bitumi, polimeri e compound polimerici), la produzione del conglomerato bituminoso con le diverse tecnologie, le operazioni di demolizione e di ricostruzione della strada nei diversi cicli di manutenzione (da quelli ordinari a quelli straordinari), il riutilizzo attraverso la rigenerazione del granulato di conglomerato bituminoso derivante dalla fresatura della medesima sovrastruttura stradale (nelle percentuali consentite mediamente dalle specifiche tecniche dei CSA).

L’unità funzionale di riferimento è stata una strada extraurbana larga 15 m e lunga 1 km. L’analisi è stata eseguita per la sezione stradale comprendente gli strati in conglomerato bituminoso: base, binder e usura.

La metodologia di calcolo adottata è l’“Environmental Footprint” che comprende le categorie di impatto seguenti:

  • riscaldamento globale;
  • eutrofizzazione;
  • effetti cancerogeni e non sulla salute umana;
  • ecotossicità;
  • riduzione dello strato di ozono;
  • uso del suolo e delle risorse;
  • formazione fotochimica dello strato di ozono;
  • acidificazione;
  • malattie respiratorie;
  • utilizzi idrici e radiazioni ionizzanti.

I risultati della LCA mostrano come, grazie al notevole aumento delle prestazioni meccaniche e di conseguenza all’incremento della vita utile stimata, la tecnologia metodo Dry con supermodificante a base di grafene risulti essere meno impattante rispetto alle altre prese a riferimento, per tutte le categorie di impatto sopra elencate.

Oltre all’analisi di LCA, si sono valutati anche i rilasci in ambiente, le emissioni in atmosfera, il rilascio in acqua e di microplastiche. Tutti i risultati ottenuti sono in linea con le analisi positive di LCA e saranno pubblicate a breve.

pavimentazione stradale
2. La LCA dalla culla alla culla di una pavimentazione stradale

La verifica su strada

Con lo scopo di convalidare gli ottimi risultati ottenuti in laboratorio, il supermodificante a base di grafene è stato verificato in grande scala attraverso la costruzione di campi prove e il primo tratto è stato realizzato alla fine del 2018.

I campi prove sono stati realizzati sia in Italia sia all’estero, per diversi tipi di pavimentazioni:

  1. Città Metropolitana di Roma Capitale – S.P. 3 “Ardeatina” (strada extraurbana a forte traffico): l’intervento si è inserito nel progetto di manutenzione straordinaria già in fase di realizzazione che prevedeva il rifacimento degli strati di binder e di usura. Le tecnologie per la produzione dei CB hanno previsto l’utilizzo di bitume:
  • tal quale;
  • modificato con SBS (tipo hard);
  • tal quale e aggiunta del compound polimerico Superplast a bassa modifica metodo Dry;
  • tal qual e aggiunta del supermodificante Gipave® (metodo Dry);
  1. Città Metropolitana di Milano – S.P. 35 “Milano-Meda” (strada extraurbana a forte traffico): l’intervento si è inserito nel progetto di rifacimento della pavimentazione già in fase di realizzazione che prevedeva la posa in opera degli strati di base, binder e usura. Le tecnologie per la produzione dei CB hanno previsto l’utilizzo di bitume:
  • modificato con SBS (tipo super-hard);
  • tal qual e aggiunta del supermodificante Gipave® (metodo Dry);
  1. Città di Bergamo – Tangenziale (strada extraurbana a forte traffico): l’intervento si è inserito nel progetto di rifacimento della pavimentazione già in fase di realizzazione che prevedeva la posa in opera degli strati di base e usura. Le tecnologie per la produzione dei CB hanno previsto l’utilizzo di bitume:
  • modificato con SBS (tipo hard);
  • tal qual e aggiunta del supermodificante Gipave® (metodo Dry);
  1. Città Metropolitana di Milano – S.P. 40 “Lacchiarella” (strada extraurbana a forte traffico): l’intervento si è inserito nel progetto di rifacimento della pavimentazione già in fase di realizzazione che prevedeva la posa in opera degli strati di base e usura. Le tecnologie per la produzione dei CB hanno previsto l’utilizzo di bitume:
  • tal quale;
  • modificato con SBS (tipo soft);
  • tal qual e aggiunta del supermodificante Gipave® (a bassa modifica con metodo Dry);
  1. Oxfordshire County-Curbridge (strada urbana principale a forte traffico): l’intervento si è inserito nel progetto di rifacimento della pavimentazione già in fase di realizzazione che prevedeva la posa in opera degli strati di binder e usura. Le tecnologie per la produzione dei CB hanno previsto l’utilizzo di bitume:
  • tal quale;
  • tal qual e aggiunta del supermodificante Gipave® (a bassa modifica con metodo Dry);
  1. Aeroporto Internazionale di “Elmas” – Cagliari (Raccordo K): l’intervento si è inserito nel progetto di manutenzione ordinaria già in fase di realizzazione che prevedeva solamente la posa in opera dello strato di usura. Le tecnologie per la produzione dei CB hanno previsto l’utilizzo di bitume:
  • modificato con SBS (tipo hard);
  • tal qual e aggiunta del supermodificante Gipave® (metodo Dry);
  1. Aeroporto Intercontinentale di “Fiumicino” – Roma (Taxiway Alpha Alpha): l’intervento si è inserito nel progetto di rifacimento della pavimentazione già in fase di realizzazione che prevedeva la posa in opera degli strati di base, binder e usura.

Le tecnologie per la produzione dei CB hanno previsto l’utilizzo di bitume:

  • modificato con SBS (tipo hard);
  • tal qual e aggiunta del supermodificante Gipave® (metodo Dry).

Ogni campo prove è stato anticipato dagli studi di prequalifica delle relative miscele, con l’utilizzo di bitumi e aggregati previsti in fase di realizzazione. Le verifiche pre e post-produzione sono state eseguite da Laboratori Ufficiali e Università. 

  • Life Cycle Assessment
    3 iter
    3. La resistenza a trazione indiretta dei diversi CB per strato d’usura
  • UNI EN ISO 14040
    4 iter
    4. I moduli di rigidezza dei diversi CB per strato d’usura
  • riscaldamento globale
    5 iter
    5. La deformazione permanente dei diversi CB per strato d’usura
  • eutrofizzazione
    6 iter
    6. La resistenza a fatica a 40 °C dei diversi CB per strato d’usura
  • Green Economy
    7 iter
    7. Il modulo elastico medio con HWD a 20 °C dei diversi CB
  • ricerca
    8 iter
    8. La stima della vita utile residua dei diversi CB
  • Iterchimica
    9 iter
    9. L’aderenza pneumatico-pavimentazione delle diverse usure

Le incredibili prestazioni

Con lo scopo di presentare le prestazioni di un conglomerato bituminoso con supermodificante a base di grafene e facendo riferimento al primo campo prove realizzato a fine 2018, si riportano di seguito i risultati delle miscele per lo strato di usura, sia di laboratorio sia in situ, ottenuti dai Laboratori Ufficiali.

In particolare, sono stati messi a confronto le seguenti miscele con:

  • bitume tal quale e compound polimerico a base di grafene (GP);
  • bitume tal quale e compound polimerico tradizionale (modifica tipo soft – SU);
  • bitume modificato con SBS (modifica tipo hard – MB);
  • bitume tal quale (TQ).

Le Figure dalla 3 alla 9 sopra riportano le prestazioni riscontrate che evidenziano:

  • l’incremento delle resistenze alla trazione (capacità di assorbire maggiori deformazioni prima di andare a rottura e, quindi, innescare il fenomeno fessurativo, con particolare riferimento a quelle della risalita bottom-up);
  • l’incremento dei moduli di rigidezza (capacità di distribuire i carichi in modo più efficace ed efficiente);
  • la riduzione dell’ormaiamento (capacità di resistere maggiormente alle deformazioni permanenti);
  • l’aumento della resistenza a fatica (capacità di resistere a cicli di carico);
  • la garanzia dell’aderenza pneumatico-pavimentazione che dipende praticamente ed esclusivamente dalla micro e macro tessitura degli aggregati.

Si evidenzia che le prestazioni di una miscela bituminosa sono correlate contemporaneamente a tutte le capacità riportate nei punti presedenti (ad esempio, il semplice incremento della rigidezza con un’eventuale riduzione della resistenza a trazione e ai cicli di fatica renderebbe la pavimentazione fragile).

Nel caso del supermodificante a base di grafene in oggetto, il miglioramento generale di tutte le caratteristiche fisico-meccaniche consente di ottenere una pavimentazione altamente resistente, con un sostanziale incremento della vita utile a parità di condizioni e di carichi, rispetto alle tecnologie tradizionalmente utilizzate. 

Conclusioni

Se da un lato la richiesta prestazionale delle pavimentazioni è in continuo aumento a causa della crescita del traffico e della dimensione dei carichi, dall’altro la Circular Economy e l’Ecosostenibilità ci hanno portato in questi anni a trovare soluzioni tecnologiche che consentano allo stesso tempo di riutilizzare materiali e di aumentare la vita utile delle pavimentazioni.

La ricerca sviluppata in collaborazione con l’Università degli Studi di Milano-Bicocca, Directa Plus e G.Eco è inserita nell’ambito del progetto Ecopave 2014-2020 finanziato da Regione Lombardia e ha permesso la formulazione di un supermodificante a base di grafene per la modifica Dry dei conglomerati bituminosi.

Tale ricerca si avvale di tre brevetti: formulazione Gipave®, processo produttivo del grafene G+ e processo di lavorazione delle plastiche “dure”.

I controlli post-stesa eseguiti da laboratori ufficiali evidenziano i seguenti incrementi prestazionali della miscela con Compound polimerico a base di grafene (GP).

In funzione del miglioramento di tutte le prestazioni, il supermodificante a base di grafene consente di aumentare pertanto la vita utile delle pavimentazioni bituminose rispetto alle tecnologie sino ad ora utilizzate e di recuperare una selezione di plastiche dure che altrimenti sarebbero destinate al termovalorizzatore.

Inoltre, l’LCA (dalla culla alla culla) evidenzia che il recupero di materie plastiche dure di scarto e l’utilizzo del grafene permettono di diminuire sensibilmente gli impatti. Il guadagno ambientale è apprezzabile per tutte le categorie di impatto e in particolare per il “Global Warming Potential”.

Oltre all’analisi LCA, a breve saranno anche pubblicati tutti i risultati inerenti ai rilasci in ambiente, alle emissioni in atmosfera, al rilascio in acqua e di microplastiche, che confermano quanto già previsto da LCA.

  For English version: https://www.stradeeautostrade.it/en/materials-technologies/graphene-enhanced-supermodifiers-for-eco-sustainable-and-perpetual-pavements-part-2/

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