VALUTAZIONE DEL RUOLO DEL LEGANTE SULLA RESISTENZA A FATICA DEI MISTI CEMENTATI.

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1 VALUTAZIONE DEL RUOLO DEL LEGANTE SULLA RESISTENZA A FATICA DEI MISTI CEMENTATI. Convenzione di Ricerca fra l Università degli Studi di Parma - DICAteA e la Società Valli-Zabban di Sesto Fiorentino (FI) OBIETTIVI DELLA RICERCA La crescente attenzione alle problematiche ambientali ha negli ultimi anni ampliato, nel campo dell infrastrutture stradali, l interesse per l'impiego di prodotti provenienti dal riciclaggio di materiale di risulta dalla demolizione delle pavimentazioni preesistenti. Questi, infatti, rappresentano una risorsa di grandissimo valore in quanto consentono il risparmio di materie prime e la riduzione delle problematiche ambientali legate alla loro messa a discarica. Sebbene soggetto a specifico inquadramento normativo nell ambito della tutela e della salvaguardia ambientale, il prodotto della demolizione di vecchie pavimentazioni stradali è oggi ritenuto un materiale da costruzione dalle enormi potenzialità. Quantità e qualità di fresato, materia prima-seconda nel processo di demolizione e rifacimento di sovrastrutture stradali flessibili, consentono di spingere la ricerca verso il perfezionamento delle formulazioni di conglomerati bituminosi a caldo ed a freddo, in situ ed in impianto, con caratteristiche del tutto simili a miscele costituite da aggregati lapidei di primo impiego. Specificatamente nell ambito del cosiddetto riciclaggio a freddo delle pavimentazioni stradali, lo stato della pratica ha evidenziato alcune criticità operative e concettuali che risultano di estremo interesse scientifico, la cui risoluzione può costituire un valido aiuto per tutti i soggetti coinvolti nel processo decisionale di progettazione, realizzazione e controllo delle pavimentazioni stradali. In tale contesto si inserisce la presente indagine che ha l obiettivo di studiare la possibilità di utilizzare conglomerati bituminosi di riciclo (fresato) nella confezione di misti cementati per sovrastrutture stradali. Sono state esaminate tre diverse miscele ottenute dalla combinazione dello stesso tipo di fresato e diversi tipi di legante: cemento, cemento ed emulsione bituminosa, cemento e bitume schiumato. I risultati ottenuti hanno consentito di valutare l influenza dei diversi leganti sulle prestazioni meccaniche di tali materiali per costruzioni stradali e Pagina 1 di 17

2 quindi di definire le condizioni migliori di impiego dei materiali di riciclo nella realizzazione dei misti cementati. 1. ASPETTI GENERALI ED INQUADRAMENTO DELLA RICERCA Nell ambito dei materiali per pavimentazioni stradali, la tecnica del riciclaggio a freddo consiste nel miscelare fresato, proveniente dalla demolizione di vecchie pavimentazioni, con un agente riciclante ad una temperatura di lavorazione e posa in opera prossima a quella ambientale, tipicamente estiva con esposizione diretta alla luce solare. Esistono diversi agenti riciclanti, tra cui emulsione bituminosa, bitume flussato, bitume schiumato e cemento Portland. Di recente, l utilizzo di materiale riciclato con aggiunta di cemento ed emulsione bituminosa o bitume schiumato è diventato sempre più diffuso nei paesi Europei grazie alla velocità e facilità di realizzazione ed impiego e al vantaggio economico fornito. Nell ambito delle tecniche di riciclaggio a freddo, questi due additivi vengono tradizionalmente combinati con una piccola quantità di cemento (1-2% in peso) per accelerare il processo di rottura degli additivi stessi. Il cemento ha infatti la capacità di accelerare il processo di maturazione delle miscele consumando parte dell acqua negli additivi. I misti cementati rappresentano un alternativa ai tradizionali materiali riciclati a freddo per sovrastrutture stradali. Tali miscele sono ottenute combinando, durante il processo di riciclaggio, una più elevata percentuale di cemento (tipicamente dal 2% al 6% in peso) con gli additivi tradizionali. Studi precedenti hanno dimostrato che la combinazione di particelle di bitume con una matrice cementizia rigida permette di ottenere un materiale con elevate prestazioni meccaniche. Tuttavia, questi materiali risultano apparentemente più rigidi e quindi maggiormente soggetti a fessurazione e contrazione termica. Risulta quindi fondamentale individuare quale combinazione fresato-additivo sia in grado di fornire le migliori prestazioni meccaniche. Per tali motivazioni è stato effettuato uno studio sperimentale di caratterizzazione meccanica su tre diversi tipi di misti cementati composti interamente dallo stesso tipo di fresato (stessa curva granulometrica) ma diversi tipi di legante, in particolare cemento, cemento ed emulsione bituminosa, cemento e bitume schiumato. Lo studio ha previsto l esecuzione di tre diversi tipi di prove sperimentali: trazione indiretta, compressione assiale e modulo resiliente. E stata inoltre valutata la resistenza a fatica di tali materiali tramite l esecuzione di una prova di trazione indiretta, denominata ITFT (Indirect Tensile Pagina 2 di 17

3 Fatigue Test), utilizzata normalmente per valutare la vita utile di un pavimentazione in conglomerato bituminoso. 2. MATERIALI 2.2 Fresato L aggregato riciclato impiegato per il confezionamento delle miscele di prova proviene da cumulo di materiale stoccato dopo la fresatura di strati legati a bitume di pavimentazione autostradale a sua volta prevagliato e pervenuto in laboratorio in sacchi con materiale di pezzatura 0/8 mm (tabella 1) e 8/30 mm (tabella 2). Le analisi granulometriche sono state condotte rappresentando la cosiddetta curva nera unitamente alla cosiddetta curva bianca, rispettivamente relative alla distribuzione granulometrica del fresato tal quale e del residuo dell estrazione del bitume residuo nello stesso fresato. Le caratteristiche del bitume estratto dal fresato sono riportate in tabella 3. Pagina 3 di 17

4 Tabella 1. Analisi granulometrica del fresato (pezzatura 0-8mm). Campione Luogo di prelievo Fresato 0/8 mm cumulo di stoccaggio fresatura a tutto spessore Data prelievo Bitume sul peso degli inerti (UNI EN B.1.5) 5,11 % Analisi Granulometrica (UNI EN ) Crivelli e Setacci UNI Ø mm Passante Passante % nero % bianco Crivello ,0 100,0 Crivello ,0 100,0 Crivello ,0 100,0 Crivello ,0 100,0 Crivello ,0 100,0 Crivello ,7 99,8 Crivello ,7 73,9 Setaccio ,4 48,6 Setaccio 0,42 0,42 1,1 18,3 Setaccio 0,18 0,18 0,3 11,9 Setaccio 0,075 0,075 0,2 8,7 Analisi granulometrica 100 % p as s a nt e al s eta cc i o ,075 0,18 0, Fresato nero Fresato bianco Tabella 2. Analisi granulometrica del fresato (pezzatura 8-30mm). Pagina 4 di 17

5 Campione Luogo di prelievo Fresato 8/30 mm cumulo di stoccaggio fresatura a tutto spessore Data prelievo Bitume sul peso degli inerti (UNI EN B.1.5) 3,88 % Analisi Granulometrica (UNI EN ) Crivelli e Setacci UNI Ø mm Passante Passante % nero % bianco Crivello ,0 100,0 Crivello ,0 100,0 Crivello ,7 99,0 Crivello ,9 96,4 Crivello ,1 93,6 Crivello ,3 63,4 Crivello 5 5 4,7 32,8 Setaccio 2 2 1,5 22,0 Setaccio 0,42 0,42 0,5 11,3 Setaccio 0,18 0,18 0,1 7,2 Setaccio 0,075 0,075 0,0 4,9 Analisi granulometrica 100 % passante al setaccio ,075 0,18 0, Fresato nero Fresato bianco Tabella 3: Risultati dell analisi del bitume estratto dal fresato. Pagina 5 di 17

6 Prove Saggio n. 1 Saggio n C (dmm) Punto di rammollimento ( C) C (Pa s) C (Pa s) C (Pa s) C (Pa s) C (Pa s) Punto di rottura Fraass ( C) -1-1 Contenuto di insolubili n-eptano 27.1% 30.3% 2.1 Additivi Per il confezionamento delle miscele di conglomerato riciclato a freddo sono stati utilizzati due diversi tipi di additivi: un emulsione bituminosa sovrastabilizzata e un bitume schiumato, specifici per il riciclaggio a freddo del fresato stradale, in accordo con le prescrizioni del Capitolato Speciale d Appalto A.N.A.S. del 2004: Manutenzione e costruzione delle pavimentazioni Norme tecniche d appalto prestazionali. In particolare sono stati impiegati un emulsione Rigeval MC prodotta con bitume distillato 50/70 e un bitume schiumato prodotto con bitume 70/100. Entrambi gli additivi sono stati realizzati dalla Valli Zabban. 2.3 Cemento e filler Il cemento impiegato nelle miscele è cemento pozzolanico di classe di resistenza 325 conforme alle prescrizioni del Capitolato Speciale d Appalto A.N.A.S. 2004: Manutenzione e costruzione delle pavimentazioni Norme tecniche d appalto prestazionali. Il filler d integrazione è costituito da polvere di carbonato di calcio passante interamente al setaccio 200 della serie ASTM. L aggiunta di filler all impasto è stata fatta allo scopo di correggere la parte fine della curva granulometrica del fresato tal quale e renderla così idonea per le caratteristiche di addensamento richieste al conglomerato. 3. PROGETTO DELLE MISCELE Sono state confezionate 3 differenti miscele, tutte costituite esclusivamente da fresato, caratterizzate dalla stessa curva granulometrica nera e ciascuna legata con i seguenti leganti: Pagina 6 di 17

7 - MISCELA CM: 3.5% cemento sul peso degli aggregati asciutti; - MISCELA CME: 3.5% cemento + 3% emulsione Rigeval MC misto cementato sul peso degli aggregati asciutti; - MISCELA CMF: 3.5% cemento + 3% bitume schiumato sul peso di fresato asciutto. La curva granulometrica dell aggregato, costituita interamente da 70% di aggregati naturali, 30% di fresato ed integrata da filler e cemento, è riportata in Figura1. Figura 1: Curva granulometrica misto cementato I provini delle tre differenti miscele, nel quantitativo iniziale di 4500 grammi di conglomerato, sono stati compattati per mezzo della pressa a taglio giratoria imponendo una pressione di 600 kpa, angolo di rotazione di 1.25 e un numero di giri pari a 180, con velocità di rotazione pari a 30 giri al minuto. I provini hanno diametro pari a 150 mm e altezze comprese tra 110 mm e 118 mm, in accordo con il Capitolato Speciale d Appalto A.N.A.S Per ogni miscela sono stati utilizzati due provini cilindrici per le prove di compressione assiale, mentre altri cinque provini cilindrici sono stati tagliati, ottenendo 10 provini circolari di 50 mm di spessore, per l esecuzione dei test di trazione indiretta, modulo resiliente e fatica. Pagina 7 di 17

8 4. DESCRIZIONE DEI TEST EFFETTUATI Sono state effettuate quattro diverse prove sperimentali per valutare le caratteristiche meccaniche e prestazionali dei tre misti cementati: trazione indiretta, compressione assiale, modulo resiliente e resistenza a fatica. Per la determinazione dello stato deformativo dei provini soggetti a carico ciclico è stato utilizzato un metodo di misura basato su tecniche di Correlazione di Immagini Digitali, appositamente creato per la valutazione delle mappe di deformazione di provini di conglomerato bituminoso soggetti a carichi statici o ciclici senza l utilizzo dei tradizionali estensimetri. 4.1 Prove di Compressione Assiale Questa prova consiste nell applicazione di un carico di compressione verticale su un provino cilindrico non confinato lateralmente. Le tre miscele sono state testate ad una temperatura di 25 C applicando una abbassamento costante della traversa ad una velocità di 1.00mm/min. La resistenza a compressione assiale viene calcolata come tensione di compressione massima che il provino riesce a sostenere prima della rottura secondo la seguente equazione: σ = P A (Eq. 1) v / dove: σ v = sollecitazione di compressione non confinata, P = carico applicato, A = area della sezione trasversale del provino. 4.2 Prove di Modulo Resiliente Il Modulo Resiliente è definito come il rapporto tra tensione applicata e deformazione recuperabile durante una sollecitazione di tipo ciclico. Questa prova è stata effettuata a una temperature di 20 C in controllo di carico applicando un onda di carico sinusoidale a un provino cilindrico di 50 mm di spessore per 0.1 secondi, seguita da un rest-period di 0.9 secondi per un totale di 5 secondi, mantenendo le deformazioni orizzontali tra 150 e 350 micro-strain. Il Modulo Resiliente è stato calcolato utilizzando la procedura ASTM D4123: Pagina 8 di 17

9 P (0.27 +ν ) M R = ( ΔH)t (Eq.3) dove: M R = Modulo Resilente, P = Carico Ciclico, ν = Coefficiente di Poisson, t = spessore del provino, ΔH = deformazione orizzontale recuperabile. Le deformazioni orizzontali sono state facilmente misurate utilizzando un metodo basato su tecniche di Correlazione di Immaginii Digitali recentementee sviluppato presso l Università di Parma per l analisi delle mappe di deformazione dei materiali compositi a livello micro strutturale. La tecnica di correlazione d immagine consiste nella misura dei valori della scala di grigii ottenuti su ciascun pixel dell area ripresa con una camera digitale. I valori di grigio del provino deformato vengonoo confrontate con l immagine iniziale indeformata, determinando il movimentoo del provino stesso e di conseguenza lo spostamento di ciascun pixel. Una sequenza di immagini del provino viene registrata durante la prova sperimentale; una serie di puntini artificialmente generate sulla superficie del provino viene infine seguita da un algoritmo lungo tutta la sequenza. La configurazione di prova è mostrata in Figura 2. Dalle coordinate immagine si ottengono spostamenti e deformazioni nello spazio immagine e, tramite un appropriata trasformazione, nello spazio oggetto. Paginaa 9 di 17

10 Figura 2: Configurazione del sistema di misura basato sulla correlazione d immagine Prima che venga eseguita la prova, il provino richiede un trattamento preliminare per garantire il corretto funzionamento della tecnica alla base della correlazione d immagine. Questo trattamento consiste nella realizzazione di un pattern omogeneo tramite l utilizzo di vernici ad acqua. 4.3 Prove di Trazione Indiretta Tale test è stato eseguito a 25 C caricando staticamente un provino circolare di 50 mm di diametro fino a rottura, applicando una velocità di abbassamento traversa costante pari a 50mm/min. La configurazione della prova è mostrata in Figura 3. I piatti superiore e inferiore misurano 25.4x50.8 mm. Le resistenze a trazione sono state calcolate secondo la procedura sviluppata da Roque and Buttlar: σ = 2P / πdt (Eq.2) h dove: σ h = sollecitazione a trazione al centro del provino, P = carico applicato, D = diametro del provino, t = spessore del provino. Pagina 10 di 17

11 Figura 3. Configurazione della prova a Trazione Indiretta 4.4 Prove di Fatica La resistenza a fatica dei diversi materiali è stata determinata attraverso una prova di trazione indiretta, denominata ITFT (Indirect Tensile Fatigue Test), tradizionalmente utilizzata normalmente per valutare la vita utile di un pavimentazione in conglomerato bituminoso. La prova è stata eseguita ad una temperatura di 20 C su provini circolari di circa 50 mm di spessore applicando una sollecitazione ciclica lungo il piano diametrale verticale, tale da generare uno sforzo di trazione lungo il diametro orizzontale. La configurazione di prova di tale test è mostrata in Figura 4. Figura 4. Configurazione della prova a fatica Idirect Tensile Fatigue Test Pagina 11 di 17

12 Come mostrato in Figura 5, la sollecitazione di tipo ciclica applicata al provino produce lo sviluppo di tensioni di entità variabile lungo i diametri, in termini sia di compressione verticale sia di trazione orizzontale che risultano massime in corrispondenza del centro del provino. Applicazioni ripetute della sollecitazione verticale generano una rottura al centro del provino che rapidamente si propaga radialmente verso l esterno finché non sopravviene il collasso. Figura 5. Distribuzione delle tensioni generate nel provino durante la prova a fatica Su questo tipo di test sono stati condotti molti studi, in particolare dall Università di Nottingham, ed è emerso che, se la temperatura a cui viene condotta la prova non supera i 30 C, è possibile applicare la teoria elastica lineare per calcolare le condizioni di tensione e deformazione nel provino. Il punto di inizio rottura (N r ) è definito come il punto di massimo della curva rappresentata in un grafico con numero di cicli N in ascissa e rapporto tra numero del ciclo e relativa deformazione verticale (N/Δ p ) in ordinata (Figura 6). Questa definizione, basata sul concetto di energia dissipata, considera che la rigidezza sia inversamente proporzionale alla deformazione verticale. Pagina 12 di 17

13 Figura 6. Definizione del punto di inizio rottura del provino Le curve di fatica realizzate seguendo questo approccio, si ottengono mettendo in relazione la deformazione iniziale, ovvero la deformazione registrata all inizio del test di fatica (deformazione che può essere assunta come la deformazione indotta nel materiale dal carico veicolare ad inizio vita utile, ovvero a materiale sostanzialmente integro), ed il numero di cicli a cui avviene la rottura del campione. 5. RISULTATI DELLE PROVE SPERIMENTALI Di seguito sono descritti i risultati delle prove di caratterizzazione meccanica e prestazionale delle tre miscele. Le prove di compressione assiale e trazione indiretta sono state effettuate su provini maturati sia a 7 che a 28 giorni, mentre per le prove di modulo resiliente e di fatica si sono utilizzati provini maturati solo a 28 giorni. 5.1 Risultati delle prove di compressione assiale I risultati delle prove di compressione assiale sono mostrati in Figura 7. Confrontando le resistenze a compressione ottenute dalla miscela composta solo da cemento come legante da quella composta da cemento e bitume schiumato si nota che la differenza è inferiore al 5% per entrambi i tempi di maturazione. Il misto cementato composto da emulsione e cemento invece mostra una resistenza a compressione inferiore del 30% dopo 7 giorni di maturazione e inferiore dell 11% dopo 28 giorni di maturazione. Questi risultati indicano che l aggiunta di un legante bituminoso sotto la forma di emulsione a un fresato legato a cemento può interferire con i legami cementizi diminuendo Pagina 13 di 17

14 la resistenza del materiale. I risultati inoltre mostrano che l aggiunta del bitume schiumato a un misto cementato composta da fresato non ne migliora la resistenza a compressione. Infine i risultati confermano che maggiore è il tempo di maturazione della miscela, migliore è la sua resistenza RESISTENZA A COMPRESSIONE (Mpa) GIORNI MATURAZIONE 28 GIORNI MATURAZIONE CM (cemento) CME (cemento+emulsione) CMF (cemento+schiumato) Figura 7. Risultati delle prove si compressione assiale 5.2 Risultati delle prove di trazione indiretta Dai risultati delle prove di trazione indiretta, mostrati in Figura 8, si può osservare che la resistenza a trazione è fortemente ridotta dall aggiunta dell emulsione bituminosa. La miscela composta da bitume schiumato invece mostra una resistenza a trazione pressoché doppia rispetto agli altri due tipi di misti cementati. Una possibile spiegazione a tale fenomeno può essere attribuita alla tendenza più pronunciata dell emulsione bituminosa a racchiudere il materiale fine (incluso il cemento) rispetto al bitume schiumato. In tal modo, l emulsione ricopre il cemento e impedisce la formazione di un legame cementizio, riducendo così la resistenza a trazione del materiale complessivo. Pagina 14 di 17

15 RESISTENZA A TRAZIONE INDIRETTA (Mpa) GIORNI MATURAZIONE 28 GIORNI MATURAZIONE CM (cemento) CME (cemento+emulsione) CMF (cemento+schiumato) Figura 8. Risultati delle prove di trazione indiretta 5.3 Risultati delle prove di modulo resiliente I risultati delle prove di modulo resiliente sono mostrati in Figura 9. Come ci si aspettava, il misto cementato, composto interamente da cemento come legante, mostra il più basso valore di elasticità risultando un materiale non idoneo per l impiego in costruzioni stradali. Significativo risulta invece il valore ottenuto per il misto cementato legato con emulsione bituminosa. Tale risultato conferma ciò che è stato osservato precedentemente: il materiale esibisce un eccessiva rigidezza, risultando un materiale fragile e quindi facilmente soggetto a frattura. La miglior miscela dal punto di vista delle caratteristiche meccaniche e prestazionali risulta quindi il misto cementato legato con bitume schiumato che mostra un valore di modulo resiliente sufficientemente alto per garantire un adeguata elasticità, ma allo stesso tempo non tale da irrigidire eccessivamente il materiale. Pagina 15 di 17

16 MODULO RESILIENTE (GPa) MODULO RESILIENTE CM (cemento) 2.13 CME (cemento+emulsione) 5.02 CMF (cement+schiumato) 4.52 Figura 9. Risultati delle prove di modulo resiliente 5.4 Risultati delle prove fatica I risultati delle prove di fatica sono mostrati in figura 10. La prima considerazione che si evince è un a sostanziale analogia nel comportamento a fatica del misto cementato tal quale e del misto cementato addizionato con bitume schiumato: questo comportamento si può attribuire al fatto che il bitume schiumato tende a disporsi prevalentemente sulla frazione di maggiori dimensioni della curva granulometrica, lasciando che il cemento continui a giocare il ruolo principale nel determinare il comportamento del materiale, e quindi non creando un una reale differenziazione dalle miscele legate con solo cemento. Per quanto riguarda il misto cementato con aggiunta di emulsione si osserva un migliore comportamento rispetto alle altre (la curva di fatica posta al di sopra delle altre indica che a parità di deformazione iniziale e necessario un maggior numero di cicli per causare la rottura del materiale), in questo caso la ragione di tale comportamento è attribuibile alla tendenza dell emulsione di distribuirsi sulla parte fine della curva granulometrica, influenzando quindi in modo significativo il comportamento de formativo del materiale, in particolare incrementandone la componente viscosa, il che permette al materiale di dissipare più facilmente l energia di deformazione generata dall applicazione del carico. Pagina 16 di 17

17 6. CONCLUSIONI La campagna di test eseguita sui misti cementati tal quale e con aggiunta di bitume schiumato ed emulsione di bitume naturale (Rigeval MC) evidenziano come l aggiunta di bitume, che sia sotto forma di bitume schiumato oppure che sia sotto forma di emulsione, induce un miglioramento delle caratteristiche prestazionali delle miscele: questo è messo in evidenza dal maggior valore del modulo resiliente che queste miscele hanno in confronto con il modulo del misto cementato tradizionale. Questo significa innanzi tutto una maggior resistenza alla fessurazione delle miscele. Particolare non trascurabile se consideriamo che la problematica principale dei misti cementati è la eccessiva tendenza alla fessurazione, tanto che in alcuni casi di pavimentazioni con strato di fondazione in misto cementato, si rende necessario ricorrere all impiego di reti contro la propagazione delle fessure (le cosiddette reti anti - reflective cracking). Dal punto di vista della resistenza a fatica però la differenza sostanziale è fatta dall impiego dell emulsione bituminosa: in questo caso infatti si osserva come le miscele contenenti bitume schiumato non riescono ad avere prestazioni sostanzialmente diverse dai misti cementati tradizionali, mentre i misti cementati con emulsione bituminosa hanno una resistenza a fatica superiore ad entrambi. Il Responsabile Scientifico della Convenzione di Ricerca Prof. Ing. Antonio Montepara Pagina 17 di 17