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Influenza del filler sulle proprietà meccaniche e reologiche del mastice

Studio del comportamento reologico del mastice in relazione alle proprietà del filler di cui è composto

Un aspetto fondamentale dello studio delle pavimentazioni in conglomerato bituminoso risulta essere la determinazione e il miglioramento delle prestazioni a rottura del materiale impiegato. 

Immagini

  • Un esempio di pavimentazione flessibile fessurata
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    Un esempio di pavimentazione flessibile fessurata
  • I risultati del test Rigden Voids
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    I risultati del test Rigden Voids
  • Il difrattogramma del filler argilloso e relativi mastici naturali
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    Il difrattogramma del filler argilloso e relativi mastici naturali
  • La relazione tra RV e risultati del test DSR a 60 °C e 25 °C
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    La relazione tra RV e risultati del test DSR a 60 °C e 25 °C
  • La relazione tra RV e risultati del test DSR a 60 °C e 25 °C
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    La relazione tra RV e risultati del test DSR a 60 °C e 25 °C
  • La relazione tra RV e risultati del test BBR a –12 °C e –25 °C
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    La relazione tra RV e risultati del test BBR a –12 °C e –25 °C
  • La relazione tra RV e risultati del test BBR a –12 °C e –25 °C
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    La relazione tra RV e risultati del test BBR a –12 °C e –25 °C
  • La configurazione di prova del test MDTT
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    La configurazione di prova del test MDTT
  • La relazione tra RV e resistenza a trazione ed FE dei mastici
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    La relazione tra RV e resistenza a trazione ed FE dei mastici
  • La relazione tra RV e resistenza a trazione ed FE dei mastici
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    La relazione tra RV e resistenza a trazione ed FE dei mastici

Come noto, le prestazioni a rottura del conglomerato bituminoso sono strettamente legate alle proprietà del mastice di cui è composto, e di conseguenza alle caratteristiche del filler e del bitume. Il filler è infatti la componente irrigidente del mastice, che concorre all’aumento della resistenza alle deformazioni permanenti della miscela ad alte temperature, ed all’aumento della resistenza a fatica a medie e basse temperature. 

L’influenza del filler dipende dall’effetto volumetrico e/o chimico-fisico dell’interazione che si instaura con il legante. 

Un ruolo fondamentale nell’aumento della rigidezza del mastice è giocato dal valore dei vuoti frazionari del filler; tale parametro è stato impiegato come indicatore del potere irrigidente del filler a partire dal 1947, anno in cui Rigden introdusse il relativo test, “Rigden Voids”. A determinare la rigidezza finale del mastice è poi l’interazione che si instaura con il legante, il quale può essere naturale oppure modificato con polimeri di modifica. Tuttavia, i meccanismi che regolano tale interazione sono di natura complessa, e non ancora del tutto noti. Risulta quindi di interesse rilevante svolgere un’accurata analisi delle proprietà reologiche del mastice, studiandone la correlazione con le proprietà fisiche e meccaniche del filler che lo compone.

Scopo principale del presente studio è quindi quello di valutare l’effetto del filler e dei relativi vuoti frazionari sulle proprietà reologiche e meccaniche del mastice. A tal fine, si è deciso di analizzare quattro tipi di filler aventi differenti proprietà fisiche (di cui uno argilloso ed uno calcareo). I quattro filler sono quindi stati combinati con quattro diversi leganti bituminosi, di cui due naturali e due modificati SBS, ottenendo così 16 differenti tipi di mastice. Il valore dei vuoti frazionari dei filler è stato determinato mediante Rigden Voids; a supporto dell’indagine delle proprietà fisiche dei filler si è inoltre deciso di impiegare un difrattometro a raggi X. 

Le proprietà reologiche dei mastici sono state valutate tramite procedura di prova Superpave, utilizzando i reometri Dynamic Shear Rehometer (DSR) e Bending Beam Rehometer (BBR). Il comportamento a rottura dei mastici è stato valutato utilizzando il test a trazione diretta Modified Direct Tension Test (MDTT) sviluppato presso l’Università di Parma, congiuntamente ad un sistema di correlazione digitale delle immagini che ha consentito il calcolo delle deformazioni all’interno del campione di mastice.

Le proprietà dei filler

Per la determinazione dei vuoti frazionari dei filler, denominati anche Rigden Voids, è stato seguito l’approccio procedurale contenuto nella Norma europea UNI EN 1097-4. Mediante tale procedura è stato possibile definire la porosità intergranulare del filler secco compattato. Per indagare la composizione mineralogica dei filler è stata utilizzata la tecnica difrattometrica a raggi X.

Le proprietà reologiche dei mastici

Per determinare le proprietà reologiche dei mastici sono stati impiegati il Dynamic Shear Rheometer (DSR) ed il Bending Beam Rheometer (BBR). 

Il DSR è stato utilizzato per la misura del modulo complesso dinamico (G*) a 25 °C e 60 °C, mentre il BBR per determinare la rigidezza dei mastici, calcolata a 60 s, a –25 °C, –12 °C e –5 °C.

Dai risultati dei test effettuati con DSR, si deduce che alle alte temperature all’aumentare del valore di RV si ha un incremento del parametro G*/sin δ; il filler che risulta irrigidire maggiormente la miscela è quello argilloso con aggiunta di calce idrata. Diversamente, i risultati dei test effettuati a temperature intermedie non evidenziano un trend di comportamento ben definito, pur denotando un comportamento migliore del mastice contenente N2 rispetto a quello contenente NV. 

La relazione tra i risultati ottenuti mediante test BBR e i valori di RV dei relativi filler evidenzia come, all’aumentare del valore percentuale di RV, il valore di rigidezza S aumenti con gradiente relativamente elevato nel caso di mastici contenenti bitumi naturali, mentre per quanto riguarda i bitumi modificati si nota comportamento analogo, ma con un tasso di crescita inferiore; lo stesso trend di comportamento si è osservato per tutte e tre le temperature di prova.

Il comportamento a rottura dei mastici

Il comportamento a rottura del mastice è stato investigato utilizzando il Modified Direct Tension Test (MDTT) sviluppato presso l’Università di Parma sulla base del test di trazione diretta Superpave per l’analisi del comportamento dei bitumi a basse temperature. 

L’ottimizzazione della geometria è stata ottenuta con uno studio agli elementi finiti in cui le proprietà del materiale sono state assunte viscoelastiche. La prova viene svolta utilizzando un’apparecchiatura di prova elettroidraulica in controllo di spostamento applicando una velocità di abbassamento della traversa pari 1,68 mm/s. Per confezionare i provini di mastice è stata seguita impiegando la concentrazione di filler stabilita del 60% in peso per tutte le formulazioni di mastice.

La preparazione delle miscele di mastice ha previsto il riscaldamento dei materiali alle temperature opportune, la miscelazione meccanica e la colata del composto nell’apposito stampo; il campione è stato poi lasciato raffreddare e riposto nella cella climatica per un’ora alla temperatura di prova (10 °C) prima di eseguire il test.

La valutazione dell’entità delle deformazioni all’interno del mastice è stata possibile grazie all’utilizzo di una tecnica fotogrammetrica basata sull’applicazione di un algoritmo ai minimi quadrati (Least Squares Matching) che stabilisce corrispondenze fra i valori di grigio delle immagini digitali acquisiste durante l’esecuzione della prova, restituendo mappe di deformazione con precisioni comparabili a quelli degli estensimetri.

L’hardware consiste in una fotocamera digitale Basler piA 1.600-35 gm, collegata al sistema di controllo di prova e dotata di un adeguato sistema di illuminazione. Le prove sono state eseguite su tre repliche per ciascun tipo di mastice. 

Grazie al sistema di correlazione digitale delle immagini è stato possibile elaborare i dati ottenuti, con cui sono stati calcolati e confrontati i valori di resistenza a trazione e quelli di energia di frattura (FE), calcolata come l’area sottesa dalla curva sforzi-deformazioni al punto di rottura.