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L’utilizzo dei sistemi di rinforzo per pavimentazioni bituminose

La Provincia Autonoma di Bolzano presenta gli esiti di dieci anni di esperienza

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L’evoluzione dei trasporti su strada, l’aumento del traffico e delle velocità raggiungibili, le condizioni precarie in cui molte arterie importanti attualmente si trovano, richiedono un continuo miglioramento delle sovrastrutture stradali.

Nella maggioranza dei casi un risanamento completo o una manutenzione straordinaria che comprende anche gli strati portanti del corpo stradale non è realizzabile. L’unica soluzione praticabile rimane spesso l’adeguamento degli spessori delle pavimentazioni alle sollecitazioni prodotte dai carichi e alla natura e alla portanza dei sottofondi realizzati molto spesso decenni fa.

La strada moderna deve quindi possedere pavimentazioni capaci di resistere alle sollecitazioni di un traffico sempre più veloce, più pesante e con frequenze che spesso sono elevatissime.

  • Provincia autonoma di Bolzano
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    1. Il campo prova sulla S.P. 54 (anno 2009)

Per la manutenzione, ma anche per la costruzione di nuove strade, si rende necessario puntare su una progettazione mirata per salvaguardare ambiente, economia e società. Il continuo aumento dei volumi e dei carichi di traffico rendono spesso inadeguate le comuni tecniche di progettazione e/o manutenzione delle pavimentazioni stradali e mai come in questo periodo vige un imperativo: sostenibilità!

Da una ventina di anni, il mercato offre dei materiali che, se impiegati correttamente, aiutano ad aumentare, e anche di molto, la vita utile di una pavimentazione stradale: i sistemi di rinforzo per le pavimentazioni stradali.

L’utilizzo dei sistemi di rinforzo per le pavimentazioni stradali nell’ambito di interventi di manutenzione e ripristino delle sovrastrutture flessibili sta assumendo una rilevanza sempre più importante.

Con l’utilizzo di sistemi di rinforzo con adeguate caratteristiche, si riesce a rispondere all’esigenza di ottimizzare i costi di intervento e di risolvere le difficoltà che di norma si riscontrano nella rimozione completa della sovrastruttura, nel rispetto del vincolo delle quote esistenti del piano viabile.

L’aumento di vita utile della sovrastruttura stradale, generato dall’uso dei sistemi di rinforzo, estende notevolmente gli intervalli di manutenzione con enormi benefici: aumenta la sicurezza e diminuiscono gli impatti sulla viabilità, sull’ambiente (risparmio di energia e minori emissioni), nonché i costi di manutenzione a lungo termine.

Verrà di seguito riportata l’esperienza fatta in Provincia Autonoma di Bolzano in dieci anni di studi e di utilizzo di questi materiali.

  • Pavimentazioni
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    2. L’impiego di geocompositi (anno 2015)

Le tipologie dei prodotti di rinforzo

La Normativa UNI EN 15381 – Geotessili e prodotti affini – Caratteristiche richieste per l’impiego nelle pavimentazioni e nelle coperture di asfalto – descrive le principali funzioni che competono agli inserti per strati bituminosi e definisce i requisiti che devono essere soddisfatti dai produttori per quanto riguarda l’idoneità del prodotto.

Nella pratica, qualsiasi inserto nel pacchetto bituminoso va considerato parte di un sistema, i cui benefici e caratteristiche vanno visti nel loro insieme. Per quanto riguarda le tipologie dei sistemi di rinforzo, va fatta una distinzione tra reti di armatura (geogriglie) in fibre sintetiche, fibra di vetro o fibra di carbonio, geocompositi (intesi come accoppiamento di due o più geosintetici con materiali bituminosi) e geomembrane (realizzate in genere con materiali bituminosi a formare dei fogli flessibili continui).

Per ciò che riguarda le caratteristiche di questi materiali, verrà di seguito approfondita la tematica degli inserti costituiti da reti di armatura (geogriglie).

Va fatta dunque una fondamentale distinzione tra:

  • reti di armatura “strutturali”: incrementano la capacità portante e sono costituite da reti in fibra di carbonio;
  • reti di armatura “conservative”: accorgimento in grado di prolungare la vita utile della pavimentazione ritardando determinati processi di degrado quali l’accumulo di deformazioni plastiche e la propagazione di fessure con relativa infiltrazione di acqua all’interno della sovrastruttura stradale, costituite da materiali tipo fibra di vetro, ecc..

Il campo prova 2009/2010

Le prime sperimentazioni eseguite dalla Provincia Autonoma di Bolzano negli anni 2009 e 2010 lungo la S.P. 54 Pillhof/Andriano sono state fatte con l’intento di confrontare differenti prodotti per il rinforzo di pavimentazioni stradali bituminose, applicati con differenti modalità e differenti condizioni di posa.

  • Geocompositi
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    3. L’applicazione di una rete di armatura in una rotatoria di nuova costruzione (anno 2016)

Qui di seguito sono riportate in breve le conclusioni emerse nel corso della prima sperimentazione:

  • l’interposizione di un qualsiasi inserto continuo e planare all’interfaccia fra strati bituminosi comporta inevitabilmente una riduzione della resistenza al taglio che, se troppo marcata, genera problemi principalmente correlati a fenomeni di scorrimento (de-bonding) fra gli strati interessati;
  • qualsiasi beneficio ottenibile grazie all’utilizzo di sistemi di rinforzo è assolutamente subordinato ad una corretta posa in opera del prodotto stesso durante tutte le fasi di posa dei materiali. Tale operazione risulta tutt’altro che banale a causa della necessità di mantenere il sistema di rinforzo aderente alla superficie di posa, quindi nella corretta posizione di progetto;
  • l’apertura delle maglie e le caratteristiche fisiche del rinforzo devono essere tali da garantire un’ottimale ripartizione dei carichi ed un adeguato grado di ingranamento fra gli strati che lo racchiudono. Solo così è garantita l’ottimale connessione tra gli strati e l’attrito per attivare la tensione necessaria al funzionamento del pacchetto armato;
  • geocompositi, tessuti, guaine e reti a maglia troppo fitta oppure con telo interstiziale, sono da considerare nocivi per la connessione tra gli strati;
  • sistemi di rinforzo con una scarsa resistenza alla trazione, troppo elastici (in genere le fibre sintetiche) oppure prodotti con una superficie troppo liscia non sono adeguati.

Ulteriori sperimentazioni per il monitoraggio dei cantieri

Sono seguite diverse applicazioni sul campo, che hanno riguardato sia l’impiego di geogriglie che di geocompositi. Ogni applicazione è stata monitorata periodicamente nel corso degli anni seguenti in collaborazione con il Servizio strade della Provincia.

In vari siti scelti sono state inoltre eseguite campionature dell’intero pacchetto armato (carote). Dal 2016 è stata costituita una banca dati, dedicata alla raccolta dei valori di connessione tra gli strati.

L’obiettivo è quello di individuare, grazie a prove normate (metodo Leutner), quei sistemi di armatura/rinforzo che garantiscono la connessione migliore tra gli strati, senza la quale la prestazione offerta dal sistema risulta vana.

  • sistemi di rinforzo
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    4. Esempio di rinforzo strutturale di una pavimentazione stradale (anno 2017)

Le applicazioni sul campo e il loro monitoraggio negli anni hanno confermato che i geocompositi possono essere utilizzati solo limitatamente su superfici localizzate, in presenza di risalita di acqua dagli strati sottostanti.

Spesso sono stati infatti osservati fenomeni di scorrimento tra gli strati di asfalto. Pertanto, dall’esperienza fatta, i geocompositi non sono da considerarsi sistemi di rinforzo, ma più che altro sistemi di impermeabilizzazione.

La ricerca sullo stato dell’arte relativa all’uso dei sistemi di rinforzo

È stata eseguita un’ampia raccolta delle ricerche fatte sull’argomento, eseguite in vari stati (Germania, Svizzera e Italia), che testimoniano con studi scientifici in laboratorio e su campi prova, il funzionamento dei sistemi di armatura/rinforzo.

Da questi studi scientifici si evince inoltre che i risultati migliori si ottengono con l’impiego di reti di armatura con moduli elastici più elevati, come la fibra di carbonio e la fibra di vetro. Con questi materiali gli intervalli di manutenzione possono essere ampiamente estesi.

Dagli stessi studi emerge che l’utilizzo dei geocompositi non ha mostrato risultati significativi, sia come connessione tra gli strati, sia per ciò che riguarda il comportamento a flesso-trazione. 

Fresabilità e riciclabilità

Ai fini della sostenibilità ambientale, la scelta può e deve cadere solo su materiali per i quali sia accertata la fresabilità e la riciclabilità (fibra di vetro e carbonio). Prodotti costituiti da fibre sintetiche (poliestere, polipropilene, ecc.) hanno allungamenti elevati e per di più durante la fresatura si attorcigliano, tendono a fondersi e ad aderire ai denti di fresatura.

Per questo motivo, la fresabilità e la riciclabilità è difficoltosa, se non impossibile. Non vi sono invece attualmente ancora molti riscontri per ciò che riguarda la riciclabilità delle geogriglie con rivestimenti polimerici. 

  • corpo stradale
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    5. L’osservazione della superficie di taglio dopo la verifica della connessione tra gli strati
  • sottofondi
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    6A. L’osservazione della superficie di taglio dopo la verifica della connessione tra gli strati, anche di vecchi progetti
  • progettazione
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    6B. L’osservazione della superficie di taglio dopo la verifica della connessione tra gli strati, anche di vecchi progetti

Il campo prova 2018/2019

La scelta del sistema di rinforzo adeguato è un compito delicato, vista la quantità di materiali disponibili sul mercato e visto che ogni dettaglio può influire sulla riuscita di un lavoro.

Come detto, l’apertura delle maglie, le caratteristiche fisiche e il materiale da cui è costituito il rinforzo devono essere tali da garantire un’ottimale ripartizione dei carichi, un adeguato grado di ingranamento fra gli strati che lo racchiudono, per garantire la maggior connessione possibile tra gli strati.

Con le conoscenze raccolte in quasi dieci anni di studi teorici e pratici con i sistemi di rinforzo, a primavera 2018 sulla S.P. 14 (Strada del Vino), è stato realizzato un nuovo campo prova dove sono stati posti in opera diversi sistemi di rinforzo di nuova generazione, per verificarne la loro idoneità.

L’Amministrazione Provinciale ha deciso infatti di valutare i singoli prodotti unicamente dai risultati che si ottengono all’interno del sistema (pavimentazione stradale). Per questo, dai risultati ottenuti in questo secondo campo prova, è stato costituito un elenco di quei sistemi di rinforzo che all’interno della pavimentazione stradale rispondono alle prescrizioni prestazionali minime.

L’elenco dei sistemi di rinforzo ammessi in provincia di Bolzano

A seguito di tutte le esperienze fatte in oltre dieci anni di studi teorico/pratici e verificati sul campo, in Provincia Autonoma di Bolzano devono essere utilizzati unicamente sistemi di rinforzo a struttura reticolare, dichiarati idonei e inseriti nell’elenco dei sistemi di rinforzo ammessi dall’Amministrazione Provinciale, che è a cura dell’Ufficio Geologia e Prove materiali.

Nel caso di nuovi prodotti va prevista la realizzazione di un campo prova e l’esecuzione delle relative verifiche sempre da parte dell’Ufficio Geologia e Prove Materiali. Solo dopo la qualificazione può avvenire l’iscrizione del prodotto nell’elenco dei sistemi di armatura ammessi.

In base alle suddette esperienze, non sono ammessi sistemi di rinforzo a struttura reticolare composti da fibre che presentano una scarsa resistenza alla trazione (< 100 kN/m) o troppo elastiche (E < 70 GPa). Non sono ammessi inoltre geocompositi, tessuti, guaine e reti a maglia fitta, con superficie liscia oppure con telo interstiziale. I sistemi di rinforzo devono avere la marcatura CE ed essere fresabili e riciclabili. 

  • Progetto pilota
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    7. Il progetto pilota del 2018

La progettazione e l’utilizzo

In Provincia di Bolzano, l’uso di sistemi di rinforzo a struttura reticolare è prescritto nelle nuove costruzioni in caso di allargamenti stradali e ovunque ci sia la presenza di carichi molto pesanti e/o forze tangenziali elevate (rotatorie, ecc.).

Nella manutenzione stradale sono prescritti in presenza di fessure di riflessione e nei ripristini stradali dopo interventi di scavo. In questo modo è possibile contrastare sia le fessure dovute alle variazioni di carico sia quelle conseguenti all’escursione termica.

Come già detto a più riprese, la rete di rinforzo va considerata parte di un sistema che deve essere progettata con cura, conoscenza e consapevolezza a seconda della problematica.

L’analisi economica

È stata eseguita, inoltre, da parte dei tecnici dell’Amministrazione Provinciale, la verifica del vantaggio economico dell’utilizzo di una rete di rinforzo, nella manutenzione di una pavimentazione bituminosa ammalorata.

L’analisi è stata eseguita con le reti di rinforzo presenti nell’elenco dei sistemi di rinforzo ammessi. I prezzi dell’analisi sono stati estratti dalla lista dei prezzi per i lavori di manutenzione su strade provinciali e statali 2019 della Ripartizione Servizio Strade.

Sono stati analizzati sia i costi di investimento iniziali che quelli a lungo termine, ipotizzando un ciclo di vita di 40 anni, per il quale sono state studiate diverse ipotesi di tipi di intervento e diversi programmi di manutenzione. Da queste analisi risulta che l’intervento con il rifacimento con solo conglomerato bituminoso in termini di investimento iniziale è il meno costoso.

Considerato però l’intero ciclo di vita della pavimentazione stradale (40 anni), le varianti che prevedono l’utilizzo di reti di armatura in fibra di carbonio sotto il tappeto d’usura e fibra di vetro sotto tappeto d’usura e binder sono economicamente più vantaggiose al termine del ciclo di vita definito. La rete di armatura in fibra di carbonio rispetto alla fibra di vetro consente inoltre di risparmiare preziosa materia prima.

  • Sistemi di armatura
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    8. L’elenco dei sistemi di rinforzo ammessi in Provincia di Bolzano Atesina presso la Provincia Autonoma di Bolzano

Conclusioni

Con l’utilizzo di adeguate reti di armatura si riesce dunque a rispondere all’esigenza di ottimizzare i costi di intervento a lungo termine e a risolvere le difficoltà che di norma si riscontrano nella rimozione completa della sovrastruttura, nel rispetto del vincolo delle quote esistenti del piano viabile.

L’aumento della vita utile della sovrastruttura stradale generato dall’uso delle reti di armatura estende gli intervalli di manutenzione risparmiando energia ed emissioni, con enormi benefici sui costi, sull’ambiente e garantendo la sicurezza sulle strade.

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