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Prestazioni del conglomerato con bitumi ipermodificati

Gli effetti dell’impiego di bitumi ad altissimo livello di modifica in conglomerati per strati di usura

Le metodologie di prova

Il comportamento a rottura dei conglomerati bituminosi – HMA Fracture Mechanics Il comportamento fessurativo dei conglomerati bituminosi è stato valutato secondo il modello visco-elastico “HMA Fracture Mechanics” sviluppato presso l’Università della Florida che introduce il concetto dell’esistenza di una soglia energetica come parametro chiave per l’interpretazione del meccanismo di fessurazione nei conglomerati bituminosi. Tale concetto si basa sull’osservazione che il micro-danno, ovvero il danno non associato all’innesco e propagazione della frattura, risulta totalmente autoriparabile, mentre il macro-danno, ovvero la formazione di una vera e propria frattura, è a tutti gli effetti irreversibile. Sulla base di questo modello si è individuato che sono sufficienti cinque proprietà del materiale per definirne le prestazioni in termini di resistenza alla rottura e all’accumulo di deformazioni permanenti. Questi parametri si ottengono da tre test in configurazione di trazione indiretta secondo la procedura Superpave IDT e vengono di seguito illustrati.

Il Modulo Resiliente (MR)

Il Modulo Resiliente è definito come il rapporto tra la tensione applicata e la deformazione recuperabile sotto carico ciclico. La prova è effettuata in controllo di carico applicando un’onda haversine che prevede un’applicazione di un carico per 0,1 secondi, seguita da un periodo di riposo di 0,9 secondi per un totale di 5 secondi mantenendo le deformazioni orizzontali tra 150 e 350 micro-strain. Il Modulo Resiliente e il coefficiente di Poisson vengono calcolati utilizzando le equazioni sviluppate sulla base di un’analisi agli elementi finiti tridimensionale.

La prova di creep statico

La curva di creep statico rappresenta la dipendenza del conglomerato bituminoso dal tempo; è quindi solitamente utilizzata per valutare il tasso di accumulazione del danno. Dal test di creep statico si ottengono tre diversi parametri: D0, D1 e m-value. Anche se D1 e m-value sono tra loro correlati, D1 è più descrittivo della porzione iniziale della curva, mentre l’m-value descrive la porzione finale (dipendenza dal tempo). Il parametro m-value è quindi indicativo della tendenza del conglomerato ad accumulare deformazioni permanenti: minore è questo parametro, minore è il danno permanente. Il test di creep statico viene effettuato applicando un carico costante per 1.000 secondi.

Il test a rottura

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), FE e DCSE. Il test viene effettuato imponendo una velocità di abbassamento traversa pari a 0,084 mm/s.

Il comportamento a rottura dei mastici – Modified Direct Tension Test

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. 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. Le deformazioni durante la prova sono state calcolate utilizzando un sistema basato sulla correlazione di immagini digitali, sviluppato presso l’Università di Parma, che ha permesso l’ottenimento di mappe di deformazione bi-dimensionali. Per confezionare i provini di mastice è stata seguita la procedura suggerita da Ho e Zanzotto. La ricetta del mastice per le due tipologie di conglomerato è stata ricavata considerando la percentuale di filler espressa dalla curva granulometrica e la percentuale di bitume sugli aggregati. Le prove sono state eseguite a su tre repliche per ciascun tipo di mastice. Lo sforzo di rottura è stato calcolato secondo le specifiche SuperPave.

La resistenza all’ormaiamento – Wheel Tracker

È stata utilizzata un’ apparecchiatura costituita da una ruota dotata di uno pneumatico di gomma dura, di diametro esterno 200 mm, che imprime un carico di 700±10 N su una lastra di conglomerato bituminoso di dimensioni 300×400 mm e spessore 30 mm posta su un piano mobile. Tale piano si muove in orizzontale di 230±5 mm con una frequenza di 53 passaggi (±1%) al minuto, il tutto contenuto in una camera a temperatura controllata da 60±1,0 °C. Inoltre, è presente un traduttore LVDT per monitorare la profondità dell’ormaia che si crea al centro della lastra (deformazione superiore a 0,1 mm). L’acquisizione dei dati, deformazioni e temperatura, viene ottenuta tramite un software compatibile con Windows. Le lastre per l’ormaiamento sono state confezionate secondo la Normativa UNI EN 12697-33 attraverso l’apparecchiatura Roller Compactor.

I risultati

Il Modulo Resiliente è un indicatore della rigidezza elastica del materiale. Osservando i risultati, è evidente come questo parametro non sia influenzato dalla tipologia del bitume ma piuttosto dalla natura degli aggregati: infatti, la presenza delle scorie di acciaieria nel conglomerato “microtappeto B” incrementa di circa il 18% tale valore. I risultati delle prove a rottura inerenti sia il conglomerato bituminoso sia il mastice mostrano come conglomerato e mastice costituiti dal bitume K offrano limiti superiori di resistenza a trazione ed energia di frattura rispetto agli stessi costituiti dal bitume S.

Bisogna però sottolineare che nel caso del conglomerato SMA, anche le scorie di acciaieria contribuiscono in maniera significativa all’incremento delle prestazioni. I risultati delle prove di creep e ormaiamento, ottenute sul microtappeto hanno dimostrato come la combinazione tra bitume K e scorie di acciaieria permetta di limitare l’accumulo delle deformazioni permanenti; infatti, a un creep più elevato corrisponde una deformazione sulla lastra più evidente. I risultati ottenuti con conglomerato SMA hanno invece evidenziato come non sia solo il bitume K a diminuire la tendenza all’accumulo delle deformazioni permanenti, ma anche la presenza delle scorie di acciaieria. In entrambi i casi, l’analisi delle lastre ormaiate ha evidenziato che l’apparecchiatura di prova non ha provocato danni evidenti ai conglomerati, né sulla integrità strutturale (fenomeno di stripping) né sullo spogliamento del bitume dall’aggregato.

Conclusioni

Il presente studio ha permesso di mettere in luce come due bitumi ipermodificati possano influenzare in maniera diversa le prestazioni meccaniche di un conglomerato bituminoso. Il bitume K (polimero SBS innovativo al 7,5%) ha dimostrato di garantire prestazioni in termini di resistenza a trazione e fatica nettamente superiori rispetto al bitume S (polimero SBS tradizionale al 6%) se utilizzato per un microtappeto. I risultati ottenuti per conglomerato di tipo SMA hanno invece evidenziato che la presenza del bitume di tipo K non apporta benefici tali da poter giustificare l’utilizzo di un bitume piuttosto che l’altro. Inoltre, si è dimostrato che, in entrambe le tipologie di conglomerato, l’utilizzo delle scorie fornisce un incremento delle prestazioni a rottura della miscela permettendo contemporaneamente una diminuzione della percentuale di bitume nella miscela. Questo apporta benefici sia da un punto di vista economico, sia da un punto di vista ambientale in quanto riciclando gli inerti sintetici provenienti dalle acciaierie si evita di sfruttare le risorse naturali.