MATERIALI BITUMINOSI INNOVATIVI

Transcript

1 4 Corso di Alta Formazione alla Ricerca Olbia settembre 2006 MATERIALI BITUMINOSI INNOVATIVI Prof. Maurizio Bocci Università Politecnica delle Marche 1 SOMMARIO Bitume espanso (schiumato) Conglomerato bituminosi semi caldi Conglomerati bituminosi percolati Riciclaggio del conglomerato fresato 2

2 Il Il bitume espanso T=100 La Trasferimento schiuma bolla, C ostacolata il si vapore dissolve calore dalla generato in dal tensione meno causa di un un immediata superficiale minuto bitume e all acqua il legante esercitata ed esplosiva (Triacquista H2O dal bitume, Tespansione B le sue ) si espande proprietà con originali pressione sempre minore BITUME( C) ARIA ACQUA T amb RISULTATO: la schiuma incrementa la superficie specifica del bitume, che in una condizione di bassa viscosità, diventa più adatto ad essere mescolato con gli aggregati freddi e umidi. 3 Produzione rotore di fresatura - miscelazione BITUME ESPANSO ACQUA In Mediante fase fresatura appositi ugelli, l acqua il viene bitume spruzzata espanso all interno viene iniettato della camera all interno di della miscelazione camera e di miscelata espansione con per il fresato essere al fine di ottenere successivamente il contenuto mescolato di umidità ottimo con il fresato. per la compattazione e per l idratazione del cemento. 4

3 stabilizzatrice impianto mobile 5 macchina da laboratorio 6

4 Il processo di schiumatura Rapporto di espansione (ER m ): misura l espansione rapporto tra il massimo volume raggiunto allo stato schiumoso e il volume finale del legante, esaurito il processo di schiumatura. Tempo di semitrasformazione (τ 1/2 ): misura la stabilità cioè il tempo, espresso in secondi, intercorso tra Vmax e Vmax/2. Funzione di schiuma: descrive il collasso della schiuma curva di decadimento nel tempo Rapporto di espansione ER m ER m /2 τ 1/2 7 Tempo Il processo di schiumatura Rapporto di espansione ER m ER m /2 τ 1/2 Tempo 8

5 Il processo di schiumatura La schiuma migliore è quella che riesce ad ottimizzare sia l espansione (ERm ) che il tempo di semitrasformazione (τ 1/2 ) ER m, τ 1/2 = f (viscosità, T B, % W ) 9 miscele con bitume espanso AGGREGATI grande varietà, vergini o riciclati, di buona o mediocre qualità (A 5 A 7 ) freddi e umidi 10

6 miscele con bitume espanso LEGANTE IDRAULICO cemento, calce o altri materiali fini favoriscono la dispersione del bitume quantità minori del 2% per evitare effetti negativi da fatica il cemento viene introdotto nella miscela: sotto forma di slurry (acqua + cemento) a secco 11 miscele con bitume espanso Mastice Malta Miscela le particelle più grosse dell aggregato non vengono completamente rivestite 12

7 posa in opera delle miscele con bitume espanso Direzione Avanzamento Spandicalce Autocisterna contenente acqua Autocisterna contenente bitume caldo Fresatrice - Riciclatrice Rullo vibrante 13 Studio in laboratorio con il NAT (Nottingham Asphalt Tester) Unità di acquisizione e controllo Cella climatica dati Unità pneumatica Struttura test 14

8 Analisi dei risultati: il cemento Modulo (MP Con bitume scarso (2%) 0 bitume 2% 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 cemento (%) Il bitume è insufficiente a ricoprire i granuli (macchie) Il cemento può far presa con gli aggregati Il cemento instaura legami rigidi 15 Analisi dei risultati: il cemento Modulo (MP Con bitume in % ottimale (3%) 0 bitume 2% bitume 3% 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 cemento (%) Il bitume ricopre i granuli in maniera ottimale Il cemento può non agire La quantità di cemento non influenza il modulo 16

9 Analisi dei risultati: il cemento Con bitume in eccesso (4%) Modulo (MP bitume 2% bitume 3% bitume 4% 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 cemento (%) Ricoprimento con spessori consistenti di bitume La rigidezza è influenzata dalla coesione del mastice (Moduli minori) Il cemento non instaura legami propri con gli aggregati Il cemento ha funzione di filler 17 Analisi dei risultati: il bitume cemento 1% cemento 2% cemento3% (MPa) Modulo ,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 bitume (%) I legami instaurati dal cemento irrigidiscono la miscela 18

10 Analisi dei risultati Influenza Si può della ipotizzare quantità che: di bitume Il cemento bitume instaura vita a legami faticarigidi ma FRAGILI Il bitume bitume meno deformazioni rigidi DUTTILI ultime Deformazione verticale(mm) Bitume 2% numero di cicli c1-4 c1-5 c2-3 c2-5 c3-4 c Bitume 3% 0.30 Bitume 4% Deformazione verticale(mm) c1-4 c1-5 c2-3 c2-4 c3-5 c3-4 Deformazione verticale(mm) c1-3 c1-4 c2-3 c2-4 c3-3 c numero di cicli numero di cicli 19 Applicazione sperimentale 20

11 Controlli con piastra dinamica leggera Evd (MN/m2) SP 76 - Piastra dinamica leggera prove eseguite dopo ore 220,00 200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 24 ore 3 ore 1 ora 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 Km 21 Cantiere SS 73 bis - ANAS Ancona Sezione 1 Sezione 2 22

12 Frammenti di carote dopo la rottura 23 Prove di fatica a trazione indiretta kpa numero di cilci a rottura kpa 260 kpa 250 kpa 350 kpa kpa 400 kpa 280 kpa bs_sez.1 bs_sez.2 mc_lab cb_lab 24

13 deformazione verticale (%) Prove di fatica a trazione indiretta bit_schiumato 300 kpa misto_cem 280 kpa cicli di carico 25 Prove di fatica a trazione indiretta 10 bit_schiumato 300 kpa misto_cem 280 kpa sma 250 kpa sma 350 kpa hm 350 kpa 9 8 deformazione verticale (%) cicli di carico 26

14 Conglomerati bituminosi semi-caldi (tiepidi) Sono conglomerati caldi prodotti a temperature più basse di circa 30 C Riduzione del consumo di energia (combustibile) del 30% Riduzione dei fumi e vapori emessi del 75% 27 Le tecnologie semi semi-calde WAM - FOAM (Warm Asphalt Mix) Shell International Petrolium - Kolo Veidekke SASOBIT della Sasol Wax GmbH (Germania) utilizza cere paraffiniche ASPHALTAN B della Romonta Gmbh (Germania) utilizza cera di Montan estratta dal carbone ASPHA - MIN di Hubbard Construction ed Eurovia utilizza zeolite sintetica 28

15 zeolite sintetica Quantità impiegata: 0,3% sul peso della miscela Incidenza sul costo: 2,5 per tonnellata di c.b. Silicato di alluminio idrocristallizzato termicamente Reticolo cristallino aperto, attraversato da canaletti vuoti in cui si insediano molecole di acqua (acqua zeolitica) La zeolite aggiunta in fase di miscelazione rilascia acqua che produce una leggera schiuma con espansione volumetrica del bitume 29 zeolite sintetica INDAGINE SPERIMENTALE IN CORSO Conglomerato per tappeto di usura Bitume 50/70 ALTEZZA ALTEZZA PROV CONFRONTO PROVINI CON E SENZA ZEOLITE A GIRI 102, ,5 100,25 102, , ,95 101,8 99,65 101, ,5 101,35 101,2 99, ,25 101, ,95 GIRI 101,95 101,8 98,5 100,898,55 101,35 100,65 98,5 100, ,2 101,05100,8 100, ,1 97,5 99,5 97,35 GIRI 99 99,5 99, , , C 100 C 110 C 120 C 130 C 140 C 150 C TEMPERATURE 95, C 100 C 110 C 120 C 130 C 140 C 150 C TEMPERATURE PROVINI SENZA ZEOLITE PROVINI A 100 GIRI SENZA PROVINI PROVINI SENZA ZEOLITE ZEOLITE CON A ZEOLITE GIRI A 100 GIRI LINEA DI TENDENZA PROVINI PROVINI CON CON ZEOLITE PROVINI ZEOLITE A CON 100 A GIRI LINEA ZEOLITE DI TENDENZA 180 GIRI A 100 PROVINI SENZA ZEOLITE A 100 GIRI 30

16 Conglomerati bituminosi percolati Sono conglomerati drenanti intasati con malta cementizia 31 Conglomerati bituminosi percolati 32

17 Malte fotocatalitiche Fotocatalisi: al contatto con l aria che ci circonda grazie alla luce solare o artificiale consente l ossidazione o la decomposizione delle sostanze inquinanti organiche e inorganiche in sali minerali innocui. (nitrati di sodio NaNo 3 o carbonati di calcio CaCo 3 ) 33 Malte fotocatalitiche il fotocatalizzatore piu usato per la sua (foto)stabilita atossicita e basso costo e il TiO 2 policristallino nella fase allotropica anatasio. 34

18 Applicazioni precedenti (2004) 35 Conglomerati bituminosi percolati con malta fotocatalitica SS242 Val Gardena Ortisei (BZ) 28 luglio

19 Conglomerati bituminosi percolati con malta fotocatalitica Penetrazione di circa 2 cm 37 Conglomerati bituminosi percolati con malta fotocatalitica dopo 1 giorno dopo 1 mese 38

20 Conglomerati bituminosi percolati con malta fotocatalitica dopo 3 mesi dopo 1 anno 39 Primi risultati Media di rilevamento ( 2 giorni) 100 ppb Parte non trattata FotoFluid 0 Nox Parte non trattata 58 FotoFluid % 40

21 Prove luglio 2006 ppb 41 PAUSA 42

22 riciclaggio del conglomerato bituminoso fresato Il riciclaggio RICICLAGGIO fresatura 43 Smaltimento e riciclaggio del fresato Paese Produzione annuale di conglomerati bituminosi [t * 10 6 ] Produzione annuale di fresato [t * 10 6 ] Percentuale di impiego di fresato [% ] Italia 39,8 14,0 15 Francia 40,5 7,0 35 Germania 63,0 16,0 80 Svizzera 5,1 1,8 30 Paesi Bassi 7,7 3,0 100 Regno Unito 26,5 8,0 90 U.S.A. 572,0 50,0 80 Giappone 69,4 22,0 80 Elaborazioni SITEB - Rassegna del bitume n. 44/03 44

23 Il riciclaggio del fresato Tecnica a caldo: aggregati riscaldati (T> 110 C) riciclaggio fresato: 10-40% Tecnica a freddo: aggregati freddi e umidi con o senza cemento riciclaggio fresato: % EMULSIONE BITUMINOSA BITUME SCHIUMATO 45 Impianto per il riciclo a caldo del fresato 46

24 impianti dotati di sistema di preriscaldamento del fresato 47 Impianto con doppio tamburo 48

25 Il riciclaggio a freddo con emulsione bituminosa fresato derivante dalla scarifica o fresatura della pavimentazione emulsione bituminosa con la funzione di legante cemento aggiunto con diverse finalità acqua di aggiunta per migliorare la lavorabilità della miscela aggregato d integrazione per migliorare la curva granulometrica 49 I vantaggi del riciclaggio a freddo 1. Riduzione delle emissioni in ambiente 2. Salvaguardia della salute dei lavoratori 3. Minore impatto ambientale 4. Riduzione dei costi 50

26 Il riciclaggio in impianto il fresato, trasportato all impianto viene mescolato con il legante e qualche volta con nuovo materiale (integrazione) per poi essere nuovamente trasportato in sito dove viene steso. Il riciclaggio in sito tutto il processo avviene sulla strada Due tipologie di treni: treno ad unità multipla treno ad unità singola 51 treno ad unità multipla 52

27 treno ad unità multipla 53 treno ad unità singola 54

28 treno ad unità singola 55 56

29 Impianti fissi 57 stesa e compattazione 58

30 Intervento sulla SS76 Stato della pavimentazione 59 Intervento sulla SS76 - Fasi di lavorazione Pavimentazione esistente Pavimentazione esistente 1 fresatura cm 4 1 fresatura cm 4 2 fresatura cm 12 2 fresatura cm 12 Riciclaggio cm 12 Stabilizzazione a cemento cm 30 Nuovo Binder cm 4 Riciclaggio cm 12 Nuovo Tappeto cm 3 Nuovo Binder spessore var. 60

31 Prova di trazione indiretta Resistenza (kg/cm 2 ) C 20 C Emulsione 3% Emulsione 3,5% Emulsione 4% Emulsione 3% Emulsione 3,5% Emulsione 4% Stagionatura (giorni) 61 Modulo dinamico su carote 8000 riciclato 25 C base calda 25 C riciclato 40 C base calda 40 C Modulo (MPa) frequenza (Hz) 62

32 Creep statico 3% 2% Deformazione 2% 1% 1% Def. reversibile Def. irreversibile Def. totale tempo di carico 1000s tempo di scarico 3000s 0% Emulsione 3% Emulsione 3,5% Emulsione 4% Carote Base calda 63 Prova Duriez 7 Resistenza a secco (MPa) T=0 T=1/2 ora T=1 ora T=2 ora E=3.5% ; A=2.5% 64

33 I Parametri che incidono sulla buona riuscita di un riciclaggio a freddo sono: IL LEGANTE AGGIUNTO (NUOVO) 65 IL LEGANTE AGGIUNTO Parametro Normativa Unità di misura Valori Contenuto di acqua EN 1428 % 40 +/- 2% Contenuto di legante bituminoso EN 1431 % 60 +/- 2% Omogeneità EN 1429 % < 0,2% Sedimentazione a 7 gg. EN % < 10% Residuo bituminoso EMULSIONE DI BITUME MODIFICATO Penetrazione a 25 C EN 1426 dmm Punto di rammollimento EN 1427 C > 60 Punto di rottura (Fraass) EN C < -15 Ritorno elastico a 25 C EN % > 50 66

34 I Parametri che incidono sulla buona riuscita di un riciclaggio a freddo sono: IL LEGANTE AGGIUNTO (NUOVO) IL FRESATO (granulometria e bitume) LA TEMPERATURA LA QUANTITA D ACQUA I TEMPI DI LAVORAZIONE 67????? Questions -? 68