Condividi, , Google Plus, LinkedIn,

Stampa

Pubblicato in:

Effetto sul comportamento a rottura del conglomerato bituminoso con CRM

Uno studio relativo all'impiego di polverino di gomma per il confezionamento di miscele di conglomerato bituminoso

L’impiego di polverino di gomma (Crumb Rubber Modifier, CRM) derivante dalla macinazione di pneumatici fuori uso (PFU) è oggigiorno ampiamente diffuso come additivo per la produzione di conglomerato bituminoso. L’utilizzo di tale materiale è diventato di rilevante interesse per le sue proprietà, che conferiscono maggiore durabilità alle miscele di conglomerato bituminoso e incrementano l’attrito tra pavimentazione e pneumatico, oltre che per il grosso vantaggio di ridurre i problemi ambientali derivanti dallo smaltimento di pneumatici di scarto, che verrebbero altrimenti conferiti in discarica.

Immagini

  • L’impiego di polverino di gomma elaborato dallo sgretolamento di pneumatici fuori uso (PFU) è ampiamente diffuso come additivo per la produzione di conglomerato bituminoso
    article_8544-img_7279
    L’impiego di polverino di gomma elaborato dallo sgretolamento di pneumatici fuori uso (PFU) è ampiamente diffuso come additivo per la produzione di conglomerato bituminoso
  • Le proprietà dei filler testati
    article_8544-img_7280
    Le proprietà dei filler testati
  • I risultati ottenuti mediante test BBR
    article_8544-img_7281
    I risultati ottenuti mediante test BBR
  • I risultati ottenuti mediante test BBR
    article_8544-img_7282
    I risultati ottenuti mediante test BBR
  • I risultati ottenuti mediante test BBR
    article_8544-img_7283
    I risultati ottenuti mediante test BBR
  • I risultati ottenuti mediante test BBR
    article_8544-img_7284
    I risultati ottenuti mediante test BBR
  • I risultati IDT
    article_8544-img_7285
    I risultati IDT
  • L’influenza del CRM sul Creep Compliance
    article_8544-img_7286
    L’influenza del CRM sul Creep Compliance
  • L’effetto del CRM sulle prestazioni energetiche dei conglomerati
    article_8544-img_7287
    L’effetto del CRM sulle prestazioni energetiche dei conglomerati
  • L’effetto del CRM sulle prestazioni energetiche dei conglomerati
    article_8544-img_7288
    L’effetto del CRM sulle prestazioni energetiche dei conglomerati
  • L’effetto del CRM sulla deformazione ultima dei conglomerati
    article_8544-img_7289
    L’effetto del CRM sulla deformazione ultima dei conglomerati
  • Le mappe di deformazione orizzontale
    article_8544-img_7290
    Le mappe di deformazione orizzontale
  • Le mappe di deformazione orizzontale
    article_8544-img_7291
    Le mappe di deformazione orizzontale
  • I campioni di filler e mastice/bitume per analisi XRD
    article_8544-img_7292
    I campioni di filler e mastice/bitume per analisi XRD
  • I campioni di filler e mastice/bitume per analisi XRD
    article_8544-img_7293
    I campioni di filler e mastice/bitume per analisi XRD
  • Il riassunto dei pattern di diffrazione
    article_8544-img_7294
    Il riassunto dei pattern di diffrazione
  • Il pattern di diffrazione relativo al filler L e relativi mastici
    article_8544-img_7295
    Il pattern di diffrazione relativo al filler L e relativi mastici

Attualmente sono in uso due diversi processi per addizionare il CRM ai componenti della miscela, comunemente classificati come “wet process” e “dry process”.

Il processo “wet” comporta la dispersione delle particelle di CRM nel legante bituminoso per realizzare un legante modificato, chiamato “asphalt rubber” (AR). Il processo “dry” prevede invece l’aggiunta di CRM direttamente nel processo di produzione del conglomerato bituminoso a caldo, pre-miscelando il CRM con gli aggregati riscaldati, prima che avvenga la miscelazione con il legante bituminoso.

Allo stato attuale non si hanno procedure specifiche e consolidate che regolino miscelazione e produzione di conglomerato modificato mediante CRM. Un importante riferimento consiste nei numerosi studi svolti su miscele di conglomerato modificato con CRM mediante processo dry che hanno dimostrato la capacità di tale additivo di incrementare la viscosità del bitume così come di migliorarne la risposta in termini di deformazione permanente a temperature elevate. Poche sono state invece le ricerche effettuate sugli effetti in termini di resistenza a frattura.

Scopo principale del presente studio è quindi quello di valutare il comportamento reologico e a frattura di conglomerati e mastici modificati con CRM a basse e intermedie temperature. Le proprietà reologiche dei mastici sono state valutate tramite procedura di prova Superpave, utilizzando il reometro Bending Beam Rehometer (BBR).

Il comportamento a frattura dei conglomerati è stato valutato utilizzando un modello visco-elastico denominato “HMA Fracture Mechanics” sviluppato presso l’Università della Florida secondo il quale sono sufficienti cinque parametri, facilmente ottenibili effettuando il test Superpave IDT in configurazione di trazione indiretta, per definire le proprietà fondamentali del materiale.

Si è inoltre valutato l’effetto della presenza del polverino di gomma sulla localizzazione delle deformazioni tramite l’utilizzo di un metodo basato sulla correlazione di immagini sviluppato presso l’Università di Parma in grado di restituire mappe di deformazione con precisioni comparabili a quelli dei più comuni estensimetri. Infine, l’interazione tra filler e bitume, oltre che quella tra filler, bitume e polverino di gomma, sono state studiate utilizzando un diffrattometro a raggi X per l’analisi cristallografica.

I materiali

Sono stati impiegati sei diversi tipi di mastice e conglomerato bituminoso, ottenuti associando un legante bituminoso ad alta lavorabilità a tre differenti tipologie di filler. Di queste sei miscele, tre contengono polverino di gomma (CRM), mentre le altre sono di riferimento. Il legante bituminoso impiegato,  denominato H, è un bitume modificato contenente il 5% di polimero SBS, mentre i tre filler impiegati hanno origine calcarea (L 100% calcareo, B ed R contengono piccole quantità di quarzo, dolomite, lizzardite).

Le denominazioni delle varie miscele sono composte in sequenza da: sigla di denominazione del bitume, sigla indicante il polverino di gomma (R) quando presente, e sigla indicante il filler. I conglomerati bituminosi, costituiti dallo stesso tipo di aggregati e dalla stessa curva granulometrica, sono stati progettati secondo metodologia Superpave stimando una percentuale ottima di bitume pari al 6% per le miscele non modificate e all’8% per le miscele contenenti CRM. Il polverino di gomma è stato aggiunto al conglomerato bituminoso tramite procedura “dry” in percentuale pari al 1% in peso sul totale degli aggregati.

I provini IDT sono stati ottenuti compattando le miscele tramite pressa giratoria (150 mm di diametro), mantenendo una percentuale di vuoti pari a 6 (±0,5)%. Ogni campione cilindrico è stato poi sezionato orizzontalmente per ottenere due provini ciascuno di 30 mm di spessore.

L’analisi reologica dei mastici a basse temperature

L’influenza del polverino di gomma sulle proprietà reologiche alle basse temperature è stata valutata tramite Bending Beam Rheometer (BBR) determinando rigidezza, dei mastici a 60 s, alle temperature di –30 °C, –24 °C, –18 °C, –12 °C e –6 °C.

I risultati mostrano chiaramente come il polverino di gomma influenzi considerevolmente la rigidezza; soprattutto alle basse temperature, con conseguente incremento della resistenza a fessurazione termica. Si osserva invece come tutti i filler presentino valori di rigidezza comparabili, indicando la minor influenza della tipologia di filler rispetto alla presenza di polverino di gomma.

Il comportamento a frattura delle miscele di conglomerate bituminoso

Il test in configurazione di trazione indiretta Superpave IDT è stato effettuato in tre repliche per ciascuna miscela alla temperatura di 10 °C utilizzando un’apparecchiatura di prova elettroidraulica gestita real time tramite specifico sistema di controllo digitale. Il Modulo Resiliente è un indicatore della rigidezza elastica del materiale. Osservando i risultati, è evidente come la presenza di polverino di gomma si traduce in una diminuzione del valore di circa il 30%, mentre la tipologia filler risulta del tutto trascurabile.

La curva di creep statico invece è indicativa della tendenza del materiale ad accumulare le deformazioni. In particolare, il valore di creep registrato a 1.000 secondi è una misura del tasso di deformazione permanente. Essendo il processo di crescita della frattura manifestato da elevate deformazioni accumulate, le miscele con elevato m-value o elevato valore di creep statico mostrano elevati tassi di crescita della frattura. È evidente come l’andamento di tale curva sia influenzato dalla presenza di polverino di gomma che riduce fortemente il tasso di deformazione permanente portando a tassi inferiori di accumulazione del micro-danno, mentre la tipologia di filler, anche per questo parametro, mostra un’influenza nettamente trascurabile. Il test di trazione indiretta a frattura viene effettuato per determinare i limiti di rottura del conglomerato: resistenza a trazione indiretta (St), deformazione ultima (εf), Energia di Frattura FE (Energia necessaria a provocare una frattura irreversibile con un singolo carico di rottura) e Dissipated Creep Strain Energy DCSE (Energia necessaria a provocare una frattura irreversibile applicando un carico ciclico).

Si osserva che la resistenza a trazione indiretta dei conglomerati contenenti polverino di gomma è leggermente inferiore rispetto ai conglomerati non modificati, ma non in maniera significativa (nell’ordine del 6-10%). Diversamente, sia le due soglie energetiche (DCSE e FE), sia la deformazione ultima (εf), risultano fortemente potenziate dall’aggiunta dell’additivo, il che significa che il CRM è in grado di migliorare le prestazioni del conglomerato bituminoso in termini di resistenza a rottura poiché il danno irreversibile si manifesta a valori di deformazione ultima nettamente superiori.

Entrambi i conglomerati mostrano una modalità di rottura molto simile, ovvero il danno risulta concentrato nella zona di innesco. Di norma, le mappe di deformazione di conglomerati costituite da bitumi naturali mostrano una distribuzione del danno fortemente distribuita sia attorno all’area critica, sia attorno al punto di innesco. Questo significa che il ruolo più importante è attribuibile alla modifica SBS del bitume piuttosto che all’introduzione del polverino di gomma.

Misure in diffrazione dei mastici

La diffrazione a raggi X è una tecnica utilizzata per identificare la struttura atomica e molecolare di minerali e materiali cristallini tramite determinazione del rapporto tra la struttura del materiale e le sue proprietà fisico-chimiche. In questo studio è stata eseguita un’analisi in diffrazione a raggi X (XRD) su mastici e filler utilizzando un diffrattometro modello D2 PHASER.

Le analisi sono state eseguite su filler e bitumi tal quali e su tutti i mastici, al fine di individuare eventuali modifiche all’interno della struttura del materiale e per indagare fasi cristalline e amorfe. I campioni di filler sono stati preparati compattando la polvere di filler all’interno del supporto in acciaio per ottenere una superficie perfettamente liscia. I campioni di mastice sono stati preparati riscaldando filler e bitume alla temperatura di miscelazione (150-160 °C) e quindi aggiungendo lentamente il filler al bitume.