Il Bitumen-TypisierungsSchnell-Verfahren (BTSV) è un nuovo metodo per eseguire una classificazione rapida del bitume alle alte temperature sviluppato in Germania. Questa procedura utilizza il reometro rotazionale (DSR) e ha il vantaggio di utilizzare una metodologia di prova semplice e veloce, fornendo risultati significativi e robusti. In particolare, essa consente una chiara differenziazione tra bitumi modificati e non modificati utilizzati in campo stradale.
Inoltre, trova applicazione a livello industriale per la determinazione delle quantità ottimali di additivi da aggiungere al bitume o per studiare l’invecchiamento dei bitumi, a breve e lungo termine, oltre che nell’ambito delle tecniche di riciclaggio del fresato.
Il test è eseguito in campo viscoelastico lineare e permette di caratterizzare rapidamente anche bitumi e leganti innovativi. Il BTSV è quindi ideale non solo per la classificazione del bitume ma può essere utilizzato anche in sostituzione delle tradizionali prove per il controllo di qualità del bitume nel campo delle temperature di esercizio più elevate (prova palla anello o di rammollimento).
Le crescenti esigenze di qualità delle pavimentazioni stradali in conglomerato bituminoso richiedono non solo miscele con caratteristiche compositive adeguate ma anche bitumi ad alte prestazioni.
Com’è noto, il bitume è costituito in gran parte da residui della distillazione del petrolio ma viene trasformato in prodotti di qualità superiore mediante un processo tecnicamente complesso con l’aggiunta di polimeri, fibre o altri additivi.
In Europa, il controllo del bitume viene effettuato ancora molto spesso solo con le prove di tipo tradizionale, quali la prova di penetrazione (EN 1426) e la prova palla anello (EN 1427).
Queste prove sono usate ad esempio:
- per il controllo delle merci in entrata, quando il bitume viene consegnato all’impianto di produzione di conglomerato bituminoso;
- per il mix design delle miscele, quando si utilizza il fresato;
- per il controllo della produzione in impianto.
Quando il bitume viene modificato con l’aggiunta di polimeri, l’intervallo di comportamento plastico viene ampliato (aumento della temperatura di rammollimento); ciò consente di utilizzare bitumi puri che tendono ad essere naturalmente più morbidi e che, grazie alla modifica ad opera del polimero, acquistano sufficiente resistenza alla deformazione permanente anche ad elevate temperature di utilizzo.
Tuttavia, man mano che i leganti diventano più complessi, utilizzando metodi di prova convenzionali la loro differenziazione fisica diventa più difficile.
Grazie alla modifica del legante ad opera del polimero, il comportamento alle basse temperature (punto di rottura fraaß, come misura della fragilità alle basse temperature di esercizio) e la consistenza alle temperature di esercizio medie (penetrazione dell’ago, come misura della durezza del bitume) non vengono sostanzialmente modificati, ma la temperatura di rammollimento (come misura della resistenza alla deformazione a temperature di esercizio più elevate) aumenta in modo significativo.
I bitumi modificati mostrano spesso risultati contraddittori e non plausibili nei test di tipo tradizionale, specialmente per quanto riguarda i test di palla anello [1, 2 e 3].
Per questo motivo, soprattutto a scopi di ricerca, per la caratterizzazione dei bitumi vengono sempre più impiegate prove di tipo reologico basate sull’utilizzo dei reometri. L’utilizzo di questi strumenti, purtroppo, non trova ancora ampio utilizzo nella pratica applicativa, soprattutto in ambito nazionale.
Per cercare di fornire una metodologia di prova più efficace ma allo stesso tempo di facile implementazione, in Germania è stata sviluppata questa nuova procedura – nota come BTSV – disponibile come bozza di Norma DIN [4].
La metodologia di prova
Il BTSV si basa sul trasferimento della procedura di prova utilizzata per determinare il punto di rammollimento palla anello, ad un test reologico eseguito con il DSR.
Lo stato di rammollimento è rappresentato da un modulo di taglio complesso |G*| pari a 15 kPa, al quale tutti i bitumi hanno proprietà reologiche equivalenti. Per la definizione di questo valore target si fa riferimento alle note [3] e [5].
Per eseguire il test, è stata selezionata una geometria piattopiatto, con diametro pari a 25 mm e gap pari a 1 mm. Il provino di legante viene sottoposto a sollecitazione oscillatoria, con una tensione di taglio e frequenza costanti, rispettivamente pari a 500 Pa e 1,59 Hz.
Il test viene quindi svolto in controllo di tensione e i parametri selezionati assicurano che la misura dell’ampiezza della rotazione avvenga sempre all’interno dell’intervallo viscoelastico lineare (LVE) [5]. Durante la prova, la temperatura nel DSR viene incrementata continuamente, partendo da 20 °C fino a un massimo di 90 °C, con una velocità di variazione di 1,2 °C/min.
La durata della prova è quindi pari a circa 6°’. Secondo le istruzioni operative [4], i valori del modulo di taglio complesso, dell’angolo di fase e della temperatura vengono registrati almeno ad intervalli di 2,5 s. La prova può essere terminata non appena il modulo di taglio complesso scende al di sotto del valore di G* = 14 kPa [4].
L’andamento di G* in funzione della temperatura e il relativo angolo di fase δ possono essere visualizzati dai dati di misurazione (Figura 1 sopra). Il test fornisce la temperatura alla quale il modulo di taglio complesso raggiunge il valore |G*| = 15 kPa. Questa temperatura è chiamata “temperatura di equi-modulo” (TBTSV) perché descrive uno stato reologicamente equivalente in termini di modulo di taglio complesso.
L’angolo di fase (δBTSV) corrispondente a questa temperatura è determinato come secondo parametro (Figura 1). Insieme, i due parametri offrono la possibilità di una chiara differenziazione reologica del bitume nell’intervallo delle temperature di esercizio più elevate.
In Figura 2, sono riportati i risultati di questa prova, ottenuti su 205 bitumi disponibili in commercio in Germania e che corrispondono alle specifiche della Normativa tedesca sui bitumi TL [6]. I rettangoli rappresentano l’intervallo di tutte le combinazioni determinate di TBTSV e δBTSV, per ciascun tipo e grado di bitume. La temperatura TBTSV è un indicatore della durezza del bitume e può essere utilizzata per differenziare il bitume.
Questo parametro, con buona approssimazione, può essere considerato un equivalente del punto di rammollimento della prova palla anello; l’angolo di fase δBTSV, per i bitumi di tipo tradizionale (non modificati), rimane approssimativamente sempre costante e pari a circa 80 °C invece, per il bitume modificato, il valore caratteristico è variabile. Il valore caratteristico δBTSV può essere utilizzato per descrivere l’effetto della modifica: maggiore è l’effetto di modifica, minore è l’angolo di fase δBTSV.
In base all’angolo di fase, è inoltre possibile operare una chiara distinzione tra bitumi di tipo tradizionale e bitumi modificati con polimeri. I bitumi possono quindi essere distinti tra loro con la TBTSV in termini di durezza e con il δBTSV in termini di effetto di modificazione. Il BTSV offre quindi una base per una varietà di possibili applicazioni.
Come si vede dalla Figura 2 sopra, si possono riscontrare alcune sovrapposizioni tra gamme di varietà di bitumi adiacenti, quindi la differenziazione è possibile solo in misura limitata. Queste sovrapposizioni risultano dai requisiti della classificazione TL del bitume [6], i quali si sovrappongono anche su ampie superfici.
Da un punto di vista reologico, nell’intervallo delle temperature di esercizio più elevate i bitumi che ricadono nella zona di sovrapposizione risultano equivalenti in termini di durezza ed effetto della modifica.
L’applicazione del BTSV nella classificazione dei bitumi
Sulla base dei parametri BTSV determinati sui 205 bitumi citati e raffigurati in Figura 2, è stato possibile creare un nuovo e chiaro sistema di classificazione secondo il quale, i bitumi classificati convenzionalmente secondo TL, possono essere raggruppati in modo significativo [6]. La Figura 3 mostra i possibili limiti della classificazione TL nel diagramma BTSV, insieme ai valori medi determinati empiricamente, per ogni tipo di bitume, dalla Figura 2.
Quindi una volta determinati tramite la prova BTSV i valori di TBTSV e δBTSV, questi ultimi si inseriscono nel diagramma di Figura 3 e si può determinare la classe di appartenenza del bitume testato.
L’applicazione del BTSV nella valutazione del bitume invecchiato
Il BTSV può essere utilizzato anche per valutare gli effetti dell’invecchiamento subito dal bitume a seguito di test di invecchiamento a breve termine (Rolling Thin Film Oven Test, RTFOT) (EN 12607-1) e a lungo termine (Pressure Aging Vessel, PAV) (EN 14769). In Figura 4, sono riportati alcuni esempi di invecchiamenti.
In particolare, in blu, sono evidenziati i parametri del BTSV dopo invecchiamenti multipli del bitume, sottoposto a vari cicli di RTFOT, mentre in rosso sono riportati gli invecchiamenti multipli con PAV. Entrambi gli invecchiamenti multipli, presentano un andamento lineare.
Inoltre, da una sezione di prova, prodotta 17 anni fa con lo stesso legante fresco 50/70, è stato estratto il bitume e sono stati determinati i parametri BTSV. La Figura 4 mostra che anche l’invecchiamento subito in sito porta a cambiamenti di tipo lineare dei parametri BTSV.
Le proprietà reologiche del bitume, nell’intervallo superiore della temperatura di esercizio, cambiano quindi sia durante l’invecchiamento in laboratorio che durante l’invecchiamento in sito, seguendo una funzione di invecchiamento specifica del bitume.
Con tale funzione di invecchiamento, è possibile valutare ogni bitume in relazione alla sua tendenza all’invecchiamento; oltre alla tendenza all’invecchiamento, è anche possibile valutare lo stato di invecchiamento del fresato.
L’applicazione del BTSV nella rigenerazione del bitume invecchiato
L’invecchiamento del bitume provoca un cambiamento nella struttura molecolare, che si riflette nell’infragilimento/indurimento del materiale. Quando si riutilizza il bitume invecchiato ottenuto dal fresato, è necessario contrastare questo indurimento; la rigenerazione del bitume può essere effettuata mediante legante fresco molto morbido o mediante ringiovanenti chimici, che verranno indicati collettivamente come agenti ringiovanenti.
La rigenerazione di un bitume modificato invecchiato, estratto dal fresato, può essere visualizzata utilizzando il BTSV nell’intervallo di temperature di esercizio più elevate (Figura 5). Il punto rosso in Figura 5 indica il materiale di partenza invecchiato, che deve essere rigenerato miscelandolo con materiali diversi, in quantità diverse.
A seconda della quantità di ringiovanente aggiunta, le proprietà reologiche (TBTSV e δBTSV) cambiano seguendo un andamento lineare; tuttavia, il tasso di variazione lineare dipende dall’agente ringiovanente utilizzato. L’aggiunta di bitume fresco 160/220 porta ad angoli di fase δBTSV significativamente più alti rispetto al ringiovanente.
Con il bitume fresco, è necessaria anche una quantità notevolmente maggiore per raggiungere uno stato reologico equivalente in base alla temperatura TBTSV.
Va ricordato che questo test fornisce indicazioni solo sul range delle alte temperature; quindi può fornire solo indicazioni di partenza sul contenuto di ringiovanente da utilizzare e sono infatti necessari test sia alle basse temperature che alle temperature intermedie per controllare se effettivamente il contenuto scelto possa essere quello ottimale.
Conclusioni
I due parametri del BTSV consentono di differenziare e quindi classificare il bitume secondo la durezza e il grado di modifica nell’intervallo delle temperature di esercizio più elevate.
Oltre alla differenziazione del bitume, il BTSV offre un’ampia gamma di possibili applicazioni, ad esempio per l’ispezione rapida delle merci in entrata, per valutare lo stato di invecchiamento del bitume estratto dal fresato o l’effetto dei processi di invecchiamento in laboratorio.
Nell’ambito del riciclaggio del fresato, il BTSV può essere utilizzato per valutare l’effetto degli agenti ringiovanenti e per supportare la selezione delle quantità ottimali di aggiunta di legante fresco e/o agenti ringiovanenti.
Bibliografia
[1]. R. Guericke – “100 Jahre Erweichungspunkt Ring und Kugel – Was kommt danach?” Straße und Autobahn, Heft 7, 481-491, Kirschbaum Verlag GmbH, Bonn, 2010.
[2]. M. Radenberg, N. Nytus, M. Gehrke – “Chemische und physikalische eigenschaften der in deutschland verwendeten straßenbaubitumen”, Straße und Autobahn, Heft 11, 851-860, Kirschbaum Verlag GmbH, Bonn, 2014.
[3]. A. Alisov – “Typisierung von bitumen mittels instationärer oszillationsrheometrie, dissertation”, Institut für Straßenwesen, Technische Universität Braunschweig, 2017.
[4]. E DIN 52050 – “Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel – BTSVPrüfung”, Norm-Entwurf, Erscheinungsdatum: 2018-05-25, Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin, 2018.
[5]. A. Alisov, C. Riccardi, J. Schrader, A. Cannone Falchetto, M.P. Wistuba – “A novel method to characterize asphalt binder at high temperature”, Road Materials and Pavement Design, 2018.
[6]. TL Bitumen-StB – “Technische lieferbedingungen für straßenbaubitumen und gebrauchsfertige polymermodifizierte bitumen”, Ausgabe 2007/Fassung 2013, Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen (FGSV), FGSV Verlag GmbH, Köln, 2013.
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