Corso base. Relatori: Dott. Zecchini Andrea Dott. De Grandis Ugo

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1 Corso base Relatori: Dott. Zecchini Andrea Dott. De Grandis Ugo

2 La strada giusta Come arterie d'un ciclope febbricitante queste strade cavalco in sella al mio ronzino, la bussola trema nel fitto gomitolo d'incroci. "Ecco, mi dico, questa è giusta!" Era bella, attraente... ma come le sirene omeriche ammaliava soltanto. Guido con gli occhi bendati fidandomi solo dell'istinto. Galarico 1

3 INDICE 1. La pavimentazione stradale: Definizione e tipologie.. pag La fondazione stradale.pag. 6 Stabilizzazione meccanica pag. 6 Stabilizzazione con calce..pag. 6 Stabilizzazione con cemento...pag. 7 Misti cementati...pag Il conglomerato bituminoso: Definizione e caratteristiche..pag Il conglomerato bituminoso e i suoi costituenti Gli aggregati...pag. 11 Caratterizzazione geometrica. pag. 13 Influenza della forma dei grani sulle miscele di aggregati e sulle miscele bituminose....pag. 18 Caratterizzazione fisica.pag Il conglomerato bituminoso e i suoi costituenti Il bitume.. pag. 25 Caratterizzazione fisica del bitume.. pag. 27 Classificazione dei bitumi...pag. 29 Il bitume modificato....pag I requisiti del conglomerato bituminoso....pag. 31 Il conglomerato bituminoso Progettazione di una miscela bituminosa (Mix-Design) Metodo Marshall.....pag. 33 Il conglomerato bituminoso Progettazione di una miscela bituminosa (Mix-Design) Metodo con la Pressa Giratoria....pag. 36 Il conglomerato bituminoso Metodi di prova per il controllo dei requisiti di accettazione delle miscele bituminose....pag Prove in situ per le pavimentazioni stradali... pag I principali ammaloramenti e degradi nelle pavimentazioni stradali...pag La marcatura CE del conglomerato bituminoso..pag. 61 2

4 10. Le prove dinamiche sul conglomerato bituminoso...pag Cenni sui conglomerati bituminosi speciali. pag Bibliografia...pag Allegati.....pag. 72 3

5 Le pavimentazioni stradali Corso base 1. La pavimentazione stradale: Definizione e tipologie La pavimentazione stradale è quella struttura idonea a garantire la transitabilità del traffico veicolare e deve assolvere a tre funzioni fondamentali: Garantire una superficie di rotolamento regolare e poco deformabile per i veicoli stradali Ripartire sul terreno le azioni statiche (peso del veicolo, aderenza) e dinamiche (urti causati da discontinuità) dei veicoli in misura tale da non determinare deformazioni del piano viabile, decisamente dannose al comfort di viaggio, alla struttura del veicolo ed in taluni casi alla sicurezza stessa del trasporto (si ricorda che il requisito di sicurezza è uno dei punti base su cui si articola la definizione di sistema di trasporto) Proteggere il terreno dagli agenti atmosferici in modo che le azioni di dilavamento, gelo e disgelo etc... non determinino condizioni di inutilità del piano stradale. Gli sforzi a cui è sottoposta la pavimentazione stradale sono tipicamente di due tipi: Sforzi Normali (azioni verticali) Gli sforzi normali sono connessi al peso stesso della struttura e al carico del veicolo che transita sulla superficie. I carichi a cui è sottoposta la pavimentazione si distribuiscono in profondità su aree sempre maggiori per cui le sollecitazioni dovute alla pressione б tendono a diminuire negli strati più profondi. Sforzi Tangenziali (azioni orizzontali) Gli sforzi tangenziali sono la conseguenza diretta del moto dei veicoli e sono trasmessi al piano di rotolamento attraverso l aderenza; hanno direzione del moto nel caso di accelerazioni e decelerazioni mentre sono trasversali, all asse longitudinale della strada, nel caso di moto in curva (forza centrifuga). Gli sforzi tangenziali sono molto forti negli strati superficiali e si esauriscono negli strati più profondi. 4

6 Figura 1 Schema delle azioni trasmesse dalle ruote alla pavimentazione stradale Nelle pavimentazioni stradali è necessario porre attenzione agli strati superficiali gravati in particolar modo da tensioni tangenziali indotte dal fenomeno dell aderenza che viene smorzato rapidamente al variare della profondità e agli strati profondi in genere gravati da sollecitazioni di flessione dovuta ai carichi verticali. In particolare per i carichi orizzontali è indispensabile porre cura ai trattamenti superficiali, mentre per i carichi verticali è indispensabile disporre di sottofondi, su cui si disporrà la fondazione, dotati di buona portanza che non subiscano sensibili cedimenti. Una distinzione tradizionale suddivide le tipologie di strutture viarie in: Pavimentazioni Flessibili Pavimentazioni Semirigide Pavimentazioni Rigide La differenza essenziale tra le tre tipologie consiste nel modo in cui esse distribuiscono il carico sul piano di posa. In particolare nelle pavimentazioni rigide la maggior parte delle sollecitazioni sono sopportate dalla piastra stessa realizzata in calcestruzzo; essa è dotata di una forte resistenza al taglio e di discreta resistenza flessionale. Questo tipo di pavimentazione svolge contemporaneamente le funzioni della fondazione e degli strati superficiali. Al disotto di questa lastra è uso disporre una fondazione in materiale lapideo non legato o di misto cementato, mediante la quale si può garantire alla lastra un buon funzionamento nei confronti dell acqua che può, quindi, raggiungere agevolmente la fondazione attraverso i giunti. 5

7 Figura 2 Schema della pavimentazione rigida Al contrario una pavimentazione flessibile costituita in genere da una serie di strati di qualità via via crescente verso la superficie, assicura la distribuzione del carico al piano di posa attraverso il sistema stratificato piuttosto che assorbire gli sforzi mediante lavoro di flessione. L introduzione, fra gli strati di una pavimentazione flessibile, di uno strato di base in misto cementato, che ha una rigidezza abbastanza elevata, può determinare un comportamento globale che, in un certo senso, si avvicina a quello della piastra rigida; la sovrastruttura, in tal caso, si definirà come semirigida. Figura 3 Schema degli strati tipici di una pavimentazione flessibile e semirigida 6

8 2. La fondazione stradale Nella moderna tecnica stradale, in special modo dove la natura dei terreni di sottofondo fa temere possibili plastificazioni e cedimenti, per le fondazioni della sovrastruttura si preferisce l adozione di strati granulari di opportune caratteristiche. Infatti su sottofondi argillosi, o comunque sensibili all infiltrazione dell acqua, le massicciate di pietrame determinavano grossi cedimenti di alcuni elementi con conseguente formazione di avvallamenti e deformazioni in tutta la sovrastruttura stradale. Per ovviare a questo inconveniente per le strade a grande traffico si procede alla stabilizzazione dello strato di fondazione. Per stabilizzazione dei terreni o più particolarmente la costruzione di fondazioni in terre stabilizzate si intende ogni procedimento che tende a migliorarne le proprietà meccaniche, sia al fine di aumentarne la portanza o conferire ad esso opportune caratteristiche inesistenti prima della stabilizzazione (maggiore coesione ed attrito interno, insensibilità all acqua e al gelo,.) che comunque si ripercuotono sulla portanza. Si ricordi che esistono dei materiali che posseggono già i requisiti accennati precedentemente e se costipati con opportuna quantità d acqua e con particolari accorgimenti possono fornire una buona portanza; in questo caso si parla di stabilizzazione non corretta. Riepilogando, quindi, la stabilizzazione di una fondazione può avvenire nei seguenti modi: Stabilizzazione di un terreno per il quale non occorre nessuna correzione; Stabilizzazione di un terreno per il quale si richiede la correzione, quest ultima può essere : Stabilizzazione meccanica Stabilizzazione granulometrica Viene effettuata attraverso l aggiunta di altro materiale oppure attraverso anche l eliminazione parziale di alcune frazioni. Stabilizzazione con calce L aggiunta di calce, sottoforma di calce viva o di idrossido di calcio, in un terreno limoso-argilloso produce un immediata riduzione del contenuto in acqua insieme ad una modificazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche. Nel tempo da luogo a reazioni chimiche complesse con formazione di cristalli di silicati ed alluminati di calcio idrati, che costituiscono un cemento tra i granuli di terra. Di solito le percentuali di calce che si aggiungono ad un terreno variano tra il 3% e il 6% in ragione del contenuto d acqua al quale si opera la miscelazione. Le resistenze meccaniche che si 7

9 raggiungono sono dell ordine di circa 25 dan/cm² con l aggiunta del 5% di calce in un terreno con argilla molto plastica (IP 37). Per il trattamento terra-calce occorre tener presente la variabilità dei fattori che possono influire sul risultato finale del prodotto sui quali uno studio preliminare da svolgere in laboratorio, può fornire indicazioni: 1. Dosaggio in calce 2. Tenore in acqua 3. Costipamento 4. Finezza di miscelazione 5. Natura del terreno Figura 4 Stabilizzazione a calce 8

10 Stabilizzazione con cemento Non tutti i terreni sono idonei per la stabilizzazione a cemento, sarebbero preferibili i terreni sabbiosi a granulometria continua con una percentuale di passante al setaccio 0,075 mm non superiore al 10-15%. Per sabbie troppo uniformi in genere i risultati sono poco soddisfacenti in quanto vengono utilizzate grosse quantità di cemento. I limiti granulometrici per l utilizzo della stabilizzazione a cemeno sono i seguenti: Setacci Passante in % 3 pollici 100% Setaccio n. 4 ASTM % Setaccio n. 40 ASTM % Setaccio n. 200 ASTM 0-50% IP 15 Per quanto riguarda il dosaggio di cemento e la quantità di acqua é sempre necessario fare le valutazione ed eseguire i controlli di laboratorio per non eccedere mai con le resistenze che possono provocare nel tempo grossi ritiri. Figura 5 Stabilizzazione con cemento 9

11 Misto cementato L aumento del traffico, soprattutto quello pesante, ha creato grosse problematiche sulla duratura della pavimentazione stradale di tipo flessibile fu quindi inserito nel pacchetto stradale uno strato di fondazione in miscela stabilizzata con leganti idraulici. Il misto cementato è una miscela costituita da aggregati provenienti da formazioni naturali o da frantumazione con requisiti ben classificati con l aggiunta di modeste quantità di cemento (dal 3% al 5%) ed acqua (dal 5% al 7%). Lo strato in misto cementato introdotto nelle pavimentazioni flessibili produce un netto miglioramento di tutta la struttura dal punto di vista della resistenza alla fatica; nelle pavimentazioni rigide viene inserito per evitare il brusco salto di rigidezza tra la piastra di calcestruzzo e il sottofondo e per dare uno strato uniforme su cui stendere la piastra. Nel confezionamento del misto cementato bisogna avere molta cura soprattutto nell evitare che vengano confezionati strati troppo rigidi, questa eccessiva rigidezza potrebbe dar luogo in primo luogo ad un eccessiva concentrazione di carichi verticali negli strati superiori e successivamente a fenomeni di ritiro. Pertanto nell utilizzo dei misti cementati occorre valutare bene la composizione della miscela e la più idonea percentuale di cemento confezionando vari provini e dosaggi di cemento e il contenuto d acqua in laboratorio; questi verranno rotti a compressione dopo 7 giorni di stagionatura valutando il risultato che deve risultare maggiore di 2,5 N/mm² e inferiore a 4,5 N/mm² per evitare che il misto cementato sia troppo rigido. Figura 6 Provini di misto cementato 10

12 Il conglomerato bituminoso: Definizione e caratteristiche Il conglomerato bituminoso è costituito da miscele accuratamente proporzionate di aggregati grossi aggregati fini e filler minerali impastati con bitume. Gli aggregati sono graduati con cura dalla dimensione massima fino al filler allo scopo di ottenere una miscela con una percentuale di vuoti controllata, la quantità di bitume immessa successivamente è in rapporto al contenuto di vuoti. Quando questi componenti sono progettati accuratamente forniscono una pavimentazione con un elevata durabilità e in grado di sopportare i carichi del traffico pesante sempre più diffuso sulle strade; il conglomerato bituminoso viene utilizzato, con le dovute cautele, per la pavimentazione di strade a traffico pesante, autostrade e piste aeroportuali. Le principali caratteristiche che deve soddisfare un conglomerato bituminoso sono le seguenti: Elevata Stabilità La miscela deve essere in grado di sopportare i carichi derivanti dal traffico senza dislocarsi o ammalorarsi. Durabilità e assenza di fessurazioni (bassa deformabilità) Le elevate temperature nei mesi estivi (45-60 C) esaltano le deformazioni viscose dei manti di usura pertanto se la miscela non è stata studiata in modo opportuno (eccesso e difetto di bitume oppure tipologia di bitume errata) possono verificarsi, dopo il passaggio di carichi pesanti, rifluimenti e ormaie. Permeabilità (bassa nel caso di conglomerati tradizionali oppure alta nel caso di manti drenanti) Rappresenta la capacità di un conglomerato bituminoso di essere attraversato dall acqua; oggi per scopi particolari, manti di usura drenanti, si adottano elevate percentuali di vuoti con l uso di bitumi addittivati con polimeri (bitumi modificati) Elevata aderenza (Antisdrucciolevole) Il coefficiente di aderenza che offre la pavimentazione deve essere elevata. Questa dipende dallo stato e dalla natura delle superfici a contatto con il pneumatico, essa è in funzione del numero di asperità per unità di superficie. Economica Senza tralasciare i quattro punti precedenti di fondamentale importanza la progettazione deve tenere conto anche degli aspetti economici. 11

13 Il conglomerato bituminoso e i suoi costituenti: Gli aggregati Gli aggregati costituiscono lo scheletro di tutti gli strati che compongono la sovrastruttura stradale; questi sono divisibili in categorie differenti tra di loro soprattutto per l origine: Materiali litici da frantumazione Questi aggregati sono ottenuti da rocce con particolari caratteristiche di resistenza mediante un processo di frantumazione artificiale, per mezzo di frantoi, ed una successiva vagliatura. Il materiale risultante dalla vagliatura è un prodotto con un prestabilito assortimento granulometrico e spigoli vivi. Gli aggregati di questo tipo vengono impiegati soprattutto negli strati più superficiali e quindi più sollecitati della sovrastruttura. Figura 7 Impianto di frantumazione Sottoprodotti dell industria Questi aggregati sono costituiti da scorie di altoforno (loppe granulari e frantumate) ceneri volanti, etc il cui utilizzo risolve, in parte, il problema dello smaltimento. Aggregati artificiali prodotti industrialmente Questi aggregati sono prodotti, per esempio, mediante fusione ad alte temperature di determinati minerali o rocce (ad es. la bauxite o alcune argille). Le proprietà di tali aggregati sono elevate ed è per questo motivo che sono impiegati solo localmente cioè dove le caratteristiche richieste non sono possedute dagli aggregati naturali. 12

14 Dal gennaio 2004 in sostituzione delle precedenti norme sugli aggregati è in vigore la norma UNI EN Aggregati per miscele bituminose e trattamenti superficiali per strade, aeroporti e altre aree soggette a traffico. Nella suddetta norma si fa riferimento alle caratteristiche prestazionali a prescindere dalla sua origine. Per ogni caratteristica (geometrica, fisica o chimica) è possibile classificare l aggregato in varie categorie qualitative, in funzione delle sue proprietà. Il progettista, di conseguenza, può precisare nel Capitolato Speciale di Appalto quali sono le categorie minime alle quali devono appartenere gli aggregati che costituiscono lo strato di fondazione, lo strato di base, etc. Figura 8 Caratteristiche geometriche per aggregato grosso (Estratto Capitolato) Dal 1 giugno 2004 è indispensabile e obbligatoria la marcature CE per la commercializzazione di ogni prodotto relativo alla suddetta norma. Questo significa che il produttore deve effettuare specifiche dichiarazioni per l identificazione dell aggregato nonché garantire la categoria di appartenenza alle varie caratteristiche geometriche, fisiche e chimiche. Per esempio vengono definite le seguenti categorie: MDE 15 Resistenza all usura, con coefficiente Micro Deval 15 FI35 Forma dei granuli con indice di appiattimento 35 LA30 Resistenza alla frammentazione (Los Angeles) 30 Nella norma UNI EN vengono definiti i metodi di prova per la caratterizzazione geometrica, fisica e chimica dell aggregato grosso e fine 13

15 Gli aggregati Caratterizzazione geometrica L analisi granulometrica (UNI EN 933-1) In un conglomerato bituminoso si cerca di ottenere la massima densità impiegando la maggior quantità possibile di aggregati: tale obiettivo si ottiene quando i granuli hanno dimensioni assortite, in modo che i più piccoli possano penetrare nei vuoti lasciati dai più grandi. Punto di partenza è l analisi granulometrica ossia il procedimento che consente di determinare, mediante vagliatura, la distribuzione dimensionale degli aggregati. Per effettuare l analisi granulometrica si utilizzano dei vagli con dimensioni standardizzate (UNI EN al punto ). Figura 9 Dimensioni dei setacci per le analisi granulometriche (estratto da UNI EN 13043) Per ottenere dati attendibili il campione deve avere una massa minima che è funzione del suo diametro massimo: Dimensione massima mm Massa minima kg ,6 8 0,6 4 0,2 14

16 I setacci vanno sistemati uno sull altro, in ordine crescente di apertura dal basso verso l alto. Si introduce il campione sulla batteria di setacci e la si agita per far sì che il materiale passi attraverso di essa. Il periodo di agitazione va prolungato fino a che, attraverso ogni setaccio, non passi più dello 0,1% della massa trattenuta nel tempo di 1 minuto. Terminata l operazione si pesa ciascuna frazione trattenuta nei setacci successivi e si calcola per ciascun setaccio la percentuale trattenuta e, per differenza a 100, quella passante. Si costruisce così la curva granulometrica dell aggregato: P assant e (% ) Apertura stacci (mm) Figura 10 Esempio curva granulometrica 15

17 Il contenuto e la qualità dei fini Se richiesto deve essere determinato il contenuto di fini di un aggregato in conformità alla UNI EN e deve essere espresso mediante la categoria f ; questa indica la percentuale di passante al setaccio mm e può essere effettuata sia su aggregati grossi che fini (es: categoria f4, indica un aggregato con passante al setaccio 0.063mm inferiore o uguale a 4%). Quando il contenuto di fini è maggiore del 3% occorre determinare il valore di blu di metilene (UNI EN 933-9). Questo è un parametro che serve a definire il carattere più o meno argilloso della frazione finissima. Una porzione del campione passante a 2 mm, di massa M1, viene mescolata con 500 ml di acqua distillata. La soluzione viene miscelata con un agitatore e addizionata con volumi progressivi di una soluzione colorante a base di blu di metilene. Dopo ogni aggiunta si preleva una goccia di soluzione con una bacchetta e si verifica la colorazione assunta dalla goccia su una carta filtro. Quando la macchia assume un alone persistente di colore blu chiaro, la prova è terminata e si registra il volume corrispondente di soluzione colorante introdotta (V1). Il valore di blu è: MB = 10 * V1 M1 Se la percentuale di fini è superiore al 10% occorre effettuare tutta una serie di prove previste dalla UNI EN punto 5 per valutare le proprietà geometriche e fisiche del filler. Figura 11 Attrezzatura per determinazione del valore di blu di metilene 16

18 Forma e appiattimento aggregato grosso (UNI EN e 4) L aggregato ideale è quello la cui forma è prossima alla sfera (detto anche isodiametrico), perché consente di ottenere il maggior grado di compattezza con il minimo indice dei vuoti. I granuli vengono classificati in base al rapporto tra il diametro massimo (lunghezza L) e quello medio (spessore E) tramite un calibro speciale: Figura 12 Attrezzatura per determinazione forma aggregati Tutti i granuli (con massa M1) vengono fatti passare attraverso le ganasce del calibro, separando quelli con rapporto L/E > 3 che sono classificati come non cubici. Successivamente occorre pesare la massa dei granuli non cubici (M2). L indice di forma SI è dato dal rapporto: SI = M2 *100 M1 Per quanto concerne il campione con massa M1 viene separato in determinate classi granulometriche mediante setacciatura con la serie di setacci normali. Ciascuna classe viene poi setacciata attraverso setacci a barre con apposite aperture corrispondenti alle rispettive classi granulometriche. 17

19 Figura 13 Attrezzatura per la determinazione dell indice di appiattimento degli aggregati Si pesa poi il materiale di ciascuna classe passato attraverso lo staccio a barre (M2). Il coefficiente di appiattimento FI del campione è calcolato dal rapporto tra la somma dei passanti agli stacci a barre e la massa totale del campione: FI = M2 *100 M1 18

20 Influenza della forma dei grani sulle miscele di aggregati e sulle miscele bituminose Allo scopo di evidenziare l enorme importanza che ricopre la forma degli aggregati lapidei che poi costituirà il conglomerato bituminoso futuro sono qui di seguito riportati alcuni risultati ottenuti con una ricerca sperimentale e pubblicati sulla rivista Le strade n Massa volumica È stato assestato con una tavola a scosse una graniglia (diametro max pari a 10 mm) con vari indici di forma ed è stata calcolata la massa volumica in gr/cm³ di ogni campione. SI Mv (g/cm³) Indice di f orma (If ) Dall andamento del grafico si evince che al diminuire del valore di SI (indice di forma) il valore di massa volumica aumenta, questo dipende dal fatto che, come già accennato, l aggregato isodiametrico è quello che raggiunge il maggiore valore di compattabilità quindi un valore di massa volumica maggiore. 19

21 Stesso approccio sperimentale è stato utilizzato per valutare l influenza della forma degli aggregati sulle miscele di conglomerato bituminoso. Sono stati confezionati dei provini attraverso il metodo di compattazione Marshall, tutti corrispondenti alla medesima curva granulometrica degli inerti, con la stessa percentuale di legante, variando esclusivamente l indice di forma (SI); qui di seguito sono stati rappresentati i risultati di questo studio. 2.6 SI SI Mv (g/cm³) Stabilità (dan) Indice di forma (If) Indice di forma (If) Anche in questi due casi si può osservare come le caratteristiche volumetriche (Massa Volumica) e le caratteristiche meccaniche (Stabilità) della miscela di conglomerato bituminoso sono influenzate dalla forma degli aggregati costituenti la miscela; in particolare, come nello studio precedente, i valori più alti sono rintracciabili a bassi valori di indice di forma quindi ad alte percentuali di aggregati cubici. 20

22 Per la caratterizzazione geometrica dell aggregato si possono citare anche: Determinazione della percentuale delle superfici frantumate negli aggregati grossi (UNI EN 933-5) La prova consiste nella determinazione visiva, per ogni frazione granulometrica esaminata, della massa dei granuli frantumati/spezzati (anche parzialmente) o arrotondati (anche parzialmente). Determinazione della spigolosità degli aggregati (UNI EN 933-6) La prova consiste nel far passare un prestabilito quantitativo di aggregato grosso, inserito in un cilindro, attraverso una bocca calibrata laterale, fornita di otturatore e misurare il tempo di efflusso. Per gli aggregati fini il principio rimane lo stesso ma vengono utilizzati degli imbuti con fori di 12 o 16 mm rispettivamente per aggregati con dimensioni 0/2 e 0/4. Entrambe queste prove, come quelle precedentemente descritte, indicano categorie di appartenenza in accordo con la UNI EN

23 Gli aggregati Caratterizzazione fisica Prova Los Angeles (UNI EN ) La resistenza all abrasione e alla frammentazione degli aggregati grossi viene misurata con la prova Los Angeles. Una frazione granulometrica con massa M1 di circa 5000 g dell aggregato viene introdotta nella macchina Los Angeles assieme ad un determinato numero di sfere d acciaio. Figura 14 Attrezzatura per prova di frammentazione Los Angeles Il tamburo viene fatto ruotare per 500 giri: i granuli di aggregato sono così sottoposti alle azioni di urto e rotolamento tra di loro e con le sfere di acciaio. Al termine delle rotazioni il campione viene setacciato al setaccio 1,6 mm ed il trattenuto viene pesato. La perdita di massa percentuale rispetto alla massa iniziale è il coefficiente Los Angeles: M1 M2 LA = *100 M1 22

24 Coefficiente di levigabilità accelerata (UNI EN ) Il C.L.A. è una misura dell'attitudine di alcuni materiali a consumarsi superficialmente (perdendo la microrugosità) e a diventare scivolosi sotto l'azione del traffico stradale. Una serie di elementi in esame (pietrischetto graniglia) viene incollata in un unico strato su lamelle ricurve che vengono poi applicate sulla superficie di rotolamento di una ruota. Figura 15 Provini per prova C.L.A. Questa viene fatta girare mentre è premuta energicamente (725 N) contro una ruota munita di pneumatico con interposizione d acqua e di polvere abrasiva "corindone" (Al2O3) con due diverse granulometrie. Dopo sei ore di rotazione le lamelle vengono smontate e si misura lo stato di levigatezza della superficie dell'aggregato così trattato, sottoponendola ad una serie di prove di attrito radente con apposito apparecchio a pendolo "Skid Tester Resistence", normalizzato per le prove di scivolosità sulla superficie delle pavimentazioni stradali. Maggiore è il valore C.L.A., migliore è la resistenza all'usura riferita alla microtessitura degli aggregati. Figura 16 Provini per prova C.L.A inseriti nell attrezzatura. 23

25 Resistenza all usura dell aggregato grosso Micro Deval (UNI EN ) Il coefficiente Micro-Deval è definito come la percentuale di materiale fino prodotto dall'azione esercitata da sfere di acciaio standardizzate entro l'apparecchio Micro-Deval. Gli aggregati, 500 g di materiale (frazioni tra 4 e 14 mm), vengono immessi in un cilindro di acciaio insieme a sferette metalliche di 10 mm di diametro, in quantità dipendente dalla pezzatura della graniglia. Il cilindro verrà poi disposto orizzontalmente e sottoposto a giri. Figura 17 Cilindri di acciaio e inserimento nell apparecchiatura In questo caso, il coefficiente è dato dal rapporto percentuale in massa del fino passante al setaccio da 1,6 mm così ottenuto, e la massa iniziale del provino: M: massa in g del provino prima della prova; m: massa in g del trattenuto al setaccio da 1,6 mm dopo la prova. La prova può essere eseguita sia su un aggregato asciutto, sia su un aggregato bagnato (aggiungendo in tal caso nel cilindro 2,5 litri d'acqua), la Micro-Deval umida intende simulare l'effettiva condizione di stato umido delle graniglie nelle pavimentazioni stradali. Minore è il valore Micro-Deval, migliore è la resistenza all'usura riferita alla macrotessitura degli aggregati. 24

26 Per la caratterizzazione fisica dell aggregato si possono citare anche: Massa Volumica dei granuli e assorbimento d acqua (UNI EN ) A seconda delle situazioni si utilizzano i seguenti parametri: 1. massa volumica reale: è la massa per unità di volume della materia che costituisce l aggregato, senza vuoti né porosità. Si determina sul prodotto di macinazione finissima dell aggregato asciutto; 2. massa volumica del granulo saturo a superficie asciutta: è la massa dei granuli con i pori superficiali imbibiti di acqua. 3. massa volumica in mucchio: è la massa per unità di volume degli aggregati, compresa la porosità superficiale e i vuoti intergranulari. E utile nella conversione peso/volume. L assorbimento è la quantità d acqua che un aggregato assorbe nei pori superficiali per portarsi dalla condizione essiccato (M1) a quella saturo a superficie asciutta (M2). Viene calcolato come percentuale dell acqua assorbita sulla massa dell aggregato essiccato: a% = M2 M1 M1 L assorbimento è in funzione della natura petrografica, del grado di alterazione, della forma e delle dimensioni. Valori tipici sono da 1,0 a 2,0% per le sabbie e da 0,5 a 1,5% per gli aggregati grossi. Resistenza al gelo e disgelo (UNI EN ) E una prova che fornisce una caratteristica di durabilità del materiale. L aggregato di una classe granulometrica prestabilita viene esposta a cicli di gelo e disgelo da 20 C a -17 C per 10 giorni e poi successivamente vagliato al setaccio d/2 e pesato il trattenuto. Nel caso ideale, il valore della resistenza al gelo e disgelo è dello 0 %. 25

27 Il conglomerato bituminoso e i suoi costituenti: Il Bitume I bitumi sono materiali principalmente utilizzati per la realizzazione delle pavimentazioni stradali, ma hanno un ampia varietà di applicazioni dove siano richieste caratteristiche di adesione e di resistenza all acqua. Sono materiali solidi o semisolidi a temperatura ambiente ma termoplastici. La definizione viene riportata nella norma UNI EN Bitumen and bituminous binders: Materiale virtualmente non volatile adesivo e impermeabile derivato dal petrolio greggio oppure presente nell asfalto nativo completamente o quasi completamente solubile in toluene molto viscoso o quasi solido a temperatura ambiente Il bitume viene ricavato dalla lavorazione del petrolio grezzo; il processo di produzione più comune è quello della distillazione frazionata mediante il quale si ottiene il frazionamento del grezzo sfruttando le differenze esistenti fra le temperature di ebollizione dei suoi vari componenti. Gas GPL T o p p i n g Benzina Kerosene Gasolio Leggero Gasolio Medio Gasolio Pesante Residuo atmosferico Bitume atmosferico Gasolio vacuum V A C U U M 550 +Residuo vacuum o bitume 26

28 Dal punto di vista fisico, il bitume da luogo ad un sistema multifasico caratterizzato da una fase oleosa (malteni) contenente una fase dispersa; questa è rappresentata da molecole adsorbite (resine) che circondano molecole ad alto peso molecolare con struttura chimica complessa (asfalteni). Le resine fanno da zona di transizione tra gli asfalteni e la fase oleosa nella quale gli asfalteni sono insolubili. Gli asfalteni Le resine I malteni Figura 58 Schema del sistema multifasico Ciascuna classe ha una propria funzione nel quadro totalitario del comportamento fisico del bitume. Gli Asfalteni sono, in gran parte, responsabili del comportamento del bitume come corpo viscoso dotato di plasticità ed elasticità. Le Resine svolgono un azione disperdente degli asfalteni, esse conferiscono flessibilità consentendo al bitume di comportarsi come un corpo elastico quando viene sottoposto a rapide sollecitazioni e contribuiscono a rendere il bitume duttile. I Malteni sono il componente bituminoso più fluido e perciò rendono il bitume scorrevole a caldo conferendogli la capacità di bagnare o ricoprire estese superfici di altro materiale 27

29 Caratterizzazione fisica del bitume Le determinazioni che qui seguiranno vengono effettuate per permettere una classificazione e il controllo qualitativo del bitume. Penetrazione a 25 C (EN 1426) Con questa prova si determina la durezza del bitume a temperatura ambiente (convenzionalmente a 25 C) misurando di quanto penetra un ago standardizzato sotto un carico fissato (100 gr) entro 5 s dal momento dell inizio della penetrazione. Quanto più il bitume è molle tanta più la penetrazione sarà elevata; attraverso questa prova si può operare una classificazione tecnico commerciale dei bitumi in base al loro grado di durezza come intervallo di valori. Per esempio un bitume classificato 50/70 ha una penetrazione compresa tra 50 e 70 dmm Figura 19 Penetrometro per bitumi Punto di rammollimento (EN 1427) Il bitume viene versato in uno speciale anello di ottone e caricato al centro con una sfera di acciaio di determinate dimensioni e peso, il tutto inserito in un bagno riscaldato; con l aumento della temperatura il bitume, sotto il peso della sfera, si deforma e si abbassa fino a toccare un traguardo posto a 2.54 cm sotto il piano di partenza. La temperatura del bagno corrisponde al punto di rammollimento, il quale rappresenta la temperatura alla quale il bitume passa dallo stato semisolido allo stato liquido; questo varia in funzione della struttura chimico fisica del bitume in esame. Figura 20 attrezzatura per punto di rammollimento 28

30 Punto di rottura Fraass (EN 12593) Il bitume, al diminuire della temperatura, diventa fragile; il metodo di prova determina la temperatura alla quale un provino di bitume sottoposto a flessione presenta fenomeni di rottura (fessure o screpolature). Il punto di rottura Fraass, cioè la temperatura alla quale si presenta la rottura, evidenzia la resistenza meccanica del bitume alle basse temperature. L intervallo di temperatura compreso tra il punto di rottura Fraas e il punto di rammollimento viene definito come intervallo di elastoplasticità nel quale il bitume varia il suo comportamento. Figura 21 attrezzatura per Punto di rottura Fraass Perdita per riscaldamento in strato sottile (Rolling Thin Oven Test) (EN ) La prova consiste nel riscaldare un sottile film di bitume in una stufa rotante a 163 C per 85 minuti; il risultato si esprime come percentuale in relazione al peso originario prima del riscaldamento, e misura la quantità di sostanze volatili che, nelle condizioni di prova, lasciano il bitume. Si possono eseguire, inoltre, le prove precedentemente descritte sul residuo della prova. Il confronto con i valori determinati sul campione prima del riscaldamento rende possibile una valutazione sugli effetti subiti dal bitume durante la prova (invecchiamento). Generalmente si riscontrano aumenti per quanto riguarda la durezza del bitume, quindi un aumento del punto di rammollimento e una diminuzione della penetrazione. Questa prova simula la tendenza del bitume ad indurire nelle varie fasi di lavorazione del conglomerato bituminoso condotte ad elevate temperature (la miscelazione con gli aggregati e la posa in opera). Figura 22 Forno rotante per RTFOT 29

31 Classificazione dei bitumi I bitumi, come già descritto precedentemente, possono essere classificati attraverso il valore d penetrazione a 25 C. Figura 23 La classificazione del bitume (estratto UNI EN 12591) 30

32 Il bitume modificato Con l espressione bitume modificato si indica un bitume che, tramite lavorazione in impianto, viene modificato con idonei polimeri al fine di incrementare le prestazioni e il comportamento. Per la preparazione e l uso del bitume modificato gli aspetti fondamentali sono l omogeneizzazione del polimero e la stabilità del bitume finale. Modificare un bitume significa modificare le caratteristiche fisiche e reologiche del bitume tramite l aggiunta di componenti quindi modificare la struttura del bitume fino ad ottenere un bitume che abbia caratteristiche reologiche e prestazionali assimilabili a quelle del polimero modificante utilizzato senza, peraltro, modificare le proprietà intrinseche del bitume base utilizzato. I bitumi modificati, a parità di valore di penetrazione, hanno, rispetto ad un bitume tradizionale, un intervallo di elastoplasticità mediamente più elevato (tra C). Il polimero conferisce al bitume ottime resistenze all invecchiamento, alla deformazione e ne riduce la fragilità alle basse temperature. In un conglomerato la presenza del polimero consente un miglior assorbimento delle sollecitazioni cicliche indotte dal traffico veicolare e questo si traduce in una maggiore resistenza alla fatica. La componente elastica del bitume modificato determina una spiccata reversibilità alle deformazioni sotto l azione del traffico e quindi limita la formazioni di deformazioni residue (ormaie). Bitume % di modificante (polimero) Temperatura di Grandezza delle miscelazione particelle dei Velocità di polimeri miscelazione Impianto di produzione Polimeri Bitume Modificato Più ampio intervallo di plasticità Aumenta la resistenza all invecchiamento Aumenta la resistenza alla deformazione ad alte temperature Riduce la fragilità alle basse temperature 31

33 I requisiti del conglomerato bituminoso I requisiti cui debbono soddisfare i conglomerati bituminosi sono i seguenti: A) Resistere alle sollecitazioni, verticali e tangenziali, trasmesse dalle ruote dei veicoli Elevate qualità meccaniche Elevata stabilità e compattezza B) Costituire un manto impermeabile che protegga gli strati inferiori della sovrastruttura ed il terreno di sottofondo dall azione dell acqua e delle intemperie Bassa Permeabilità Ridotta percentuale di vuoti residui C) Costituire un piano viabile che possegga una ruvidità tale da consentire lo svolgersi del traffico in condizioni di elevate velocità, anche durante il maltempo, presentando cioè una superficie non scivolosa, in grado di assicurare un buon coefficiente d aderenza. Elevata qualità degli aggregati Prove per la caratterizzazione fisica degli aggregati Stabilità e compattezza Si può definire stabilità l attitudine di un conglomerato a resistere alle azioni del traffico senza fessurarsi nè deformarsi eccessivamente. Occorre però fare una distinzione tra la stabilità intrinseca della miscela, che può essere studiata e determinata in laboratorio, dalla stabilità dello strato cioè la stabilità degli strati sottostanti; sarebbe illusorio disporre di un conglomerato avente alta stabilità poggiato su strati di fondazione o di base cedevoli. La stabilità dipende in primo luogo dall attrito interno della miscela e dalla coesione della miscela. La prova di laboratorio di più largo impiego, al momento attuale, è la prova di stabilità Marshall sia per la sua versatilità sia perché viene ancora utilizzata per le prove preliminari di studio delle miscele in laboratorio. Ridotta percentuale di vuoti residui Affinché un manto sia impermeabile, occorre che il conglomerato di cui esso è costituito possegga, una bassa percentuale di vuoti. Per ottenere questo si ricorre a miscele con alti gradi di compattazione ma soprattutto con composizioni granulomeriche ben proporzionate. Per conglomerati chiusi, strati di usura, si richiedono percentuali di vuoti comprese 32

34 tra il 3% e il 6%. Si osservi bene che al di sotto del 3% si otterrebbero conglomerati bituminosi troppo chiusi, nei quali il bitume, per effetto dell ulteriore costipamento prodotto dal traffico, non trovando vuoti da occupare, produrrebbe fenomeni di instabilità e tenderebbe a rifluire in superficie, rendendo il manto scivoloso; in inverno, inoltre, il conglomerato bituminoso acquisterebbe troppa rigidezza generando fenomeni di rottura a fatica. Scivolosità (Microtessitura e macrotessitura) Per garantire, sulla superficie dello strato di usura, un idoneo coefficiente d aderenza, occorre prescrivere valori minimi di microrugosità e di macrorugosità: perciò, oltre all impiego di aggregati non facilmente levigabili (Prova di coefficiente di levigazione accelerata C.L.A.) deve essere impostato anche un minimo di scabrosità della superficie dello strato di conglomerato bituminoso realizzato in opera (questo viene verificato con le prove di altezza in sabbia e con il pendolo (Skid-Tester) ). 33

35 Il conglomerato bituminoso Progettazione di una miscela bituminosa (Mix-Design) Metodo Marshall Le prestazioni delle pavimentazioni flessibili in termini di sicurezza stradale sono strettamente condizionate dal comportamento in opera dei conglomerati bituminosi. Questi infatti, sono soggetti ad una progressiva variazione delle proprie caratteristiche meccaniche e funzionali a causa dell azione degradante indotta sia dal traffico che dagli agenti atmosferici. Conseguenza di ciò sono i numerosi ammaloramenti quali fessurazione, ormaie, avvallamenti e sgranamenti superficiali, levigazione degli aggregati, risalita di bitume per lo strato di usura. Al verificarsi di tali fenomeni di degrado contribuiscono anche le caratteristiche degli aggregati lapidei poiché essi sono coinvolti nei fenomeni di frammentazione, abrasione e levigazione in funzione delle loro caratteristiche intrinseche e, in funzione della curva granulometrica, nelle caratteristiche meccaniche della miscela. Il primo passo per la progettazione della miscela bituminosa è il proporzionamento degli inerti a disposizione, questo viene effettuato per progettare una curva granulometrica che varii gradualmente dalle parti più grosse sino ai fini così da avere una miscela chiusa con una percentuale di vuoti controllata in modo quindi da ottenere una pavimentazione stabile e durevole. PROPORZIONAMENTO DEGLI AGGREGATI Setacci Crivelli Filler Aggregati Filler Somma Fuso di riferimento Media Crivelli Setacci Tappeto FUSO GRANULOMETRICO % passante CURVA GRANULOMETRICA Diametro (mm)

36 Il controllo della percentuale dei vuoti nella miscela è essenziale per produrre miscele durevoli e che non diano luogo a fenomeni di rifluimento del bitume sotto l azione del traffico moderno, veloce e pesante. La scelta del contenuto di bitume ottimo è uno dei problemi principali della progettazione di un conglomerato bituminoso, viene risolto utilizzando la prova Mashall e misurata la stabilità della miscela e lo scorrimento dei campioni compattati con diverse percentuali di bitume entro i valori prescritti dal Capitolato. Si opera nella seguente maniera: stabilita la composizione granulometrica attraverso il proporzionamento degli aggregati, si confezionano più serie di provini con contenuti di bitume crescenti, differenti tra loro dello 0.5%, determinandone sia i parametri della prova Marshall (stabilità e scorrimento), sia la massa volumica, sia la percentuale dei vuoti residui cioè quei vuoti presenti nella miscela dopo la compattazione. Si riportano tutti i risultati in un diagramma dove in ascisse la percentuale di bitume e sulle ordinarie i parametri calcolati precedentemente. % Bitume % Vuoti Stabilità (kg) Rigidezza Densità Massa volum. max conglom. Bituminoso Massa vol. aggregati Scorrimento VIM VMA SGMA CDMA VFB Stabilità Stabilità - % Bitume % Bitum e Scorrimento Scorrimento - % Bitume Rigidezza Rigidezza - % Bitume % Bitum e % Bitum e 2.77 Densità - % Bitume 8.00 % Vuoti - % Bitume Densità % Vuoti % Bitum e % Bitum e 35

37 Dai grafici esposti si possono fare alcune considerazioni: Grafico Stabilità - % di bitume Si osserva come la miscela acquista stabilità all aumentare del bitume fino ad un punto dove la stabilita (che dipende dalla coesione e dall attrito interno) decade perché il bitume immesso a reso il film attorno agli aggregati troppo spesso e la miscela non risente più dell attrito interno tra i granuli che scivolano gli uni sugli altri. Scorrimento - % di bitume Come gia anticipato nel grafico precedente la miscela all aumentare del bitume si deforma di più quando le viene applicato un carico Rigidezza - % di bitume La rigidezza è il rapporto tra la stabilità e lo scorrimento della miscela Densità - % di bitume All aumentare della percentuale di bitume all interno della miscela questa acquista una maggiore densità perché il bitume va ad occupare i vuoti presenti nella miscela degli aggregati. % dei vuoti - % di bitume Con l aumentare della densità, di conseguenza del bitume, la miscela si compatta e diminuiscono i vuoti residui presenti dopo la compattazione. Esiste un contenuto di bitume denominato ottimo a cui corrisponde un massimo di stabilità compatibile con la rigidezza e la % di vuoti prescritte dal Capitolato; nel caso sovraesposto i parametri soddisfacevano tutte le prescrizioni del Capitolato quindi abbiamo valutato la percentuale di bitume ottima concentrandoci più che altro sulla % di vuoti. 36

38 Il conglomerato bituminoso Progettazione di una miscela bituminosa (Mix-Design) Metodo con la Pressa Giratoria La pressa giratoria o compattatore giratorio è lo strumento utilizzato per la progettazione volumetrica delle miscele bituminose. Questo metodo si propone di raggiungere in laboratorio caratteristiche del materiali commisurate alla reali condizioni di impiego ed alla risposta della pavimentazione in relazione al traffico ed al clima. Il compattatore è in grado di applicare simultaneamente ai provini di conglomerato bituminoso, leggermente inclinati rispetto all orizzontale, sia una pressione verticale, sia un moto rotatorio. Questo moto, grazie all inclinazione, mescola il conglomerato durante la fase di rotazione aumentando così la possibilità di incastro tra gli aggregati e fornendo una costipazione più simile a quella che si riscontra in situ mediante un rullo. Questa tecnica prevede di ottenere campioni con gradi di addensamento e proprietà volumetriche analoghe a quelle riscontrabili in sito, è possibile raggiungere vari livelli di addensamento che rappresentano le varie fasi di vita di un conglomerato bituminoso in opera e di valutare l attitudine alla compattazione della miscela. Nella progettazione del mix-design per una miscela con pressa giratoria l operazione di proporzionamento degli aggregati è assolutamente necessaria, successivamente, al variare del contenuto di bitume, si addensano i provini con la pressa giratoria e si valutano i risultati sia come variazione dei vuoti nella miscela sia, successivamente, come resistenza alla trazione indiretta, parametro meccanico della miscela. CCPL - BINDER Conglomerato bituminoso strato di binder 4,5% 5,0% 5,5% Densità % Vuoti Densità % Vuoti Densità % Vuoti 10 giri , , , , , , , , , , , , giri , , , , , , , , , , , , giri , , , , , , , , , , , ,35 Gmm= 2517 Gmm= 2500 Gmm= 2483 PS miscela di aggregati= 2693 kg/m3 PS bitume= 1026 kg/m3 37

39 16,00 14,00 12,00 % Vuoti Resid 10,00 8,00 6,00 CCPL BINDER 10 giri 100 giri 180 giri Limiti da capitolato per 10 giri Limiti da capitolato per 100 giri Limiti da capitolato per 180 giri 4,00 2,00 0,00 4,3% 4,8% 5,3% 5,8% % Bitume La percentuale di bitume ottimo viene scelta in base alla percentuale di vuoti nella miscela al variare del numero di giri; il Capitolato in questione era quello Autostrade che imponeva valori di vuoti a 10 giri, 100 giri e 180 giri. Scelta la percentuale di bitume ottimo la miscela viene sottoposta a trazione indiretta. Determinazione della trazione indiretta (Norma interna Società Autostrade) campione diametro altezza h PDc PDt CTI carico kn Rt N/mm2 Dc mm Dc/D Dt mm Dt/D D mm mm N/mm2 N/mm2 N/mm ,56 0,99 2,84 0,0189 0,54 0, ,71 3,56 82, ,24 0,91 2,95 0,0197 0,65 0, ,93 3,94 72, ,05 0,99 3,04 0,0203 0,52 0, ,1 3,43 76, ,25 0,95 2,84 0,0189 0,56 0, ,96 3,55 78, ,53 0,92 2,85 0,0190 0,68 0, ,48 4,17 76, ,40 0,98 2,94 0,0196 0,60 0, ,21 3,92 78,54 Media 26,2 0,96 2,91 0,0194 0,59 0, ,57 3,76 77,5 Rt: Dc/D: Dt/D: PDc: PDt: CTI: resistenza a trazione indiretta deformazione unitaria di compressione a rottura deformazione unitaria di trazione indiretta a rottura deformabilità di compressione a rottura deformabilità di trazione a rottura coefficiente di trazione indiretta Temperatura di prova: 25 C 38

40 Il conglomerato bituminoso Metodi di prova per il controllo dei requisiti di accettazione delle miscele bituminose. Qui di seguito saranno elencate i metodi di prova per i conglomerati bituminosi per il controllo dei requisiti di accettazione Metodi di prova per conglomerati bituminosi a caldo Misurazione della temperatura (UNI EN ) La norma descrive un metodo per la misurazione della temperatura di miscele bituminose a caldo dopo la miscelazione e durante lo stoccaggio, il trasporto e la stesa. Misurazioni della temperatura in un autocarro Inserire la sonda in un autocarro, carico di materiale, fino ad una profondità minima di 100 mm. Effettuare almeno quattro misurazioni ad intervalli regolarmente distanziati lungo ogni lato dell'autocarro e ad una distanza minima di 500 mm dai bordi dell'autocarro. Calcolare il risultato come media di tutte le letture. Misurazioni della temperatura di materiali stesi Effettuare almeno quattro misurazioni del materiale con l'elemento sensibile alla temperatura il più vicino possibile alla profondità media dello strato. Calcolare il risultato come media di tutte le letture. Figura 24 Termometro per la determinazione della temperatura Misurazioni della temperatura in un cumulo Inserire la sonda nel materiale ad una profondità minima di 100 mm. Effettuare almeno quattro misurazioni ad intervalli attorno al perimetro accessibile e ad almeno 300 mm dalla base. Calcolare il risultato come media di tutte le letture 39