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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

Infine si è affrontato il tema del gradiente di invecchiamento nelle sezioni vecchie di 19 anni.

In conformità alla metodologia Superpave, si sono fatti test sull’invecchiamento dei leganti per simulare ciò che accade agli asfalti durante la produzione, la stesa ed anche in opera per molto tempo.

Sebbene diversi studi possano dimostrare, per i bitumi normali, una soddisfacente correlazione dei metodi di invecchiamento in laboratorio con quello effettivo subito in opera, sui bitumi modificati sono stati condotti solo pochi studi, in quanto hanno un comportamento più complesso e di varietà chimica ancor più ampia.

L’invecchiamento dei bitumi è stato realizzato per mezzo di test di laboratorio, come il “Rolling Thin Film Oven Test” (RTFOT) in accordo alla EN 12607-1 e il “Pressure Aging Vessel” (PAV) come da EN 14769.

Si è assunto che il test RTFOT simula l’invecchiamento a breve termine del bitume derivante dalla miscelazione, trasporto e stesa, mentre la combinazione del RTFOT e del PAV simulano quello a lungo termine subito in opera dopo un periodo di servizio tra i cinque e i dieci anni.

Sebbene questa procedura di invecchiamento sia stata sviluppata e confermata per leganti normali, si hanno solo poche informazioni per i bitumi modificati.

I leganti sono stati presi dall’impianto e poi soggetti a un invecchiamento accelerato in laboratorio.

A complemento dei normali dati sul legante originario (vale a dire bitume “fresco”, dopo RTFOT e dopo PAV), si è analizzato anche un campione dello stesso legante conservato per 19 anni, a 20 °C, conservato in una latta sigillata; questo ultimo si ritiene simuli l’invecchiamento del legante non esposto a ossidazione.

La campagna sperimentale
Il metodo di caratterizzazione

I campioni del legante presenti in opera sono stati dapprima estratti e ricondizionati. Questa importante fase è stata condotta in accordo alle Norme svizzere SN 670 403a e EN 12697-3:2005 da LAVOC (questo laboratorio ha maturato negli anni un’ampia esperienza sull’estrazione ed il recupero dei bitumi tradizionali e modificati).

I campioni di pavimentazione sono stati scaldati a mezzo di microonde e poi divisi in porzioni da 3.500 g, soggetti poi ad estrazione con toluene e doppia centrifugazione per separare il legante dagli aggregati come da Norma SN 670 401a e EN 12697-3:2005. Da questi si è ricavato un massa di bitume residuo tra 120 e 150 g. Nella prima fase di evaporazione nel evaporatore rotazionale, il toluene in ebollizione è evaporato mantenendo il bagno alla temperatura di 145 ± 1°C e ad una pressione di 40-50 kPa e con una velocità di rotazione di 65 ± 5 rpm. L’evaporazione del solvente residuo è stata ottenuta abbassando la pressione a 1,9 ± 0,1 kPa. Queste condizioni sono state tenute per un tempo di 20 minuti ± 30 secondi.

Dopo la completa rimozione del solvente, sono state determinate le differenti proprietà dei leganti.

Sono stati quindi determinati i parametri di consistenza come la penetrazione a 25 °C (EN 1426), il rammollimento (EN 1427) ed anche la viscosità dinamica a 130 °C. Per i bitumi modificati si è analizzato anche il ritorno elastico (secondo la Norma EN 13398) che caratterizza la capacità dei bitumi a tornare alle forma originale dopo una deformazione subita a 20 °C. L’invecchiamento è un processo chimico e fisico molto complesso. La principale causa dell’invecchiamento dei bitumi è generalmente l’ossidazione dovuta all’ossigeno contenuto nell’aria da alcune molecole con formazioni molto polari e che interagiscono con l’ossigeno contenuto in gruppi funzionali.

La trasformazione chimica del legante durante l’invecchiamento può essere determinata tramite tecniche analitiche come lo spettrografo a infrarossi che informa su natura e concentrazione dei gruppi funzionali e strutturali. Il grado di ossidazione è determinato da un algoritmo (Fourier Transform Infrared – FTIR) che, dall’analisi spettrografica, calcola l’indice di carbonile e di sulfossido.

È stata anche usata l’analisi “Gel Permeation Chromatography” (GPC), eluendo le molecole in funzione del loro gruppo funzionale, per determinarne la distribuzione dei pesi molecolari. Così, un campione di 100 μl, diluito al 0,5% in THF, è stato iniettato in una colonna “Waters® Styragel” (HR4 + HR2 + HR0,5) a 40 °C sotto una pressione di 5.068 kN/m². Le molecole, nel passaggio attraverso la colonna, sono state rilevate da un rilevatore dell’indice di rifrazione in funzione del tempo. Il cromatogramma stampato rappresenta la distribuzione dei pesi molecolari. Lavori più recenti mostrano la capacità del GPC di studiare gli effetti delle modifiche e dell’invecchiamento dei bitumi.

L’evoluzione dei leganti durante l’invecchiamento

La curva del bitume convenzionale dimostra una continua crescita nel rammollimento e una costante decrescita della penetrazione nel periodo di servizio in opera. Al contrario, l’evoluzione del bitume modificato (Styrelf) si stabilizza dopo otto anni di servizio, sia per la penetrazione che per il rammollimento.

Gli effetti dell’invecchiamento sembrano quindi essere molto più attenuati per il modificato rispetto al bitume normale.

Per legare le proprietà meccaniche con i cambiamenti chimici, è stato determinato il grado di ossidazione misurando gli spettrogrammi ATR-FTIR. I gradi di ossidazione sono stati calcolati in accordo ai più recenti studi. L’indice di carbonile è il rapporto tra il valore di assorbimento di picco di C = O (1.700 cm-1) diviso la somma dei valori di picco delle lunghezze d’onda nel range da 722 a 2.953 cm-1.

L’indice di sulfossido è poi calcolato dal picco di riferimento del S = O (1.030 cm-1). Il tenore carbonile e sulfossido decresce dopo quattro anni per poi stabilizzarsi dopo otto.

Gli indici di ossidazione sono più alti per il bitume puro che per il bitume modificato. Ciò è quindi in linea con le variazioni delle proprietà convenzionali.

Per i bitumi modificati con processo di “cross-linked” (tale infatti è il processo di produzione dello Styrelf della Total e della TotalErg in Italia), l’eventuale degradazione del polimero è stata analizzata misurando le caratteristiche bande IR a 700 e 965 cm-1 rispettivamente delle unità di stirene e butadiene. Come già detto, la più importante degradazione avviene nei primi due anni che includono anche la produzione dell’asfalto. Ma complessivamente, il contenuto di polimero è piuttosto stabile, come recenti studi mostrano e in considerazione che il legante analizzato è stato estratto: ciò implica la possibile omissione di molecole di polimero invecchiato non solubili. Relativamente alle misurazioni di GPC, il cromatografo mostra un aumento delle molecole di dimensioni più grosse per le letture dei bitumi tradizionali invecchiati in opera. Ciò è correlato all’incremento del contenuto degli asfalteni e alla conseguente associazione molecolare.

Inoltre, la distribuzione molecolare non è abbastanza accurata da permettere una interpretazione definitiva, a causa della bassa risposta del polimero. Complessivamente, il processo d’invecchiamento porta ad una più larga estensione di pesi molecolari del bitume. Il bitume modificato di 19 anni si distingue per una generale traslazione nei pesi molecolari verso valori alti, che significa una maggiore interazione molecolari come ci si aspetterebbe dal materiale in opera.

Conclusioni

Il presente articolo è tratto da una memoria di P.K. Jain, S. Dreessen, T. Gallet, M. Pittet, A.G. Dumont dal titolo “Comparison of conventional and polymer modifies bitumen: durability in laboratory and field experience”, 1st Conference of Transportation Research Group of India (CTRG), Bangalore (India), 2011