Attività ordinarie di un laboratorio d impresa con focus sul mix design del calcestruzzo per lastre destinate ad apron aeroportuali

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1 RELAZIONE TIROCINIO: Attività ordinarie di un laboratorio d impresa con focus sul mix design del calcestruzzo per lastre destinate ad apron aeroportuali Laboratorio centrale Pavimental S.p.A. di Magliano Sabina Studente: Alessandra Santini (mat ) Tutor universitario: Prof. Ing. Andrea Benedetto Tutor aziendale: Ing. Andrea Cosci Durata tirocinio: 07/11/ /05/2018 A.A. 2017/2018

2 Sommario 1. Ruolo del laboratorio centrale all interno dell impresa Sistema di controllo Prove sui bitumi modificati Stabilità allo stoccaggio Osservazione della dispersione del polimero Prove sugli aggregati Prove sui conglomerati bituminosi Estrazione del bitume da un conglomerato Prove sui conglomerati cementizi Mix Design di un calcestruzzo per pavimentazione rigida Test Vebè Esempio di studio di formulazione per lastre in calcestruzzo... 16

3 1. Ruolo del laboratorio centrale all interno dell impresa Pavimental S.p.A. è un impresa che si occupa di manutenzione e realizzazione di infrastrutture stradali ed aeroportuali. Al suo interno il laboratorio centrale di Magliano Sabina riveste un ruolo di primo piano. 1 Laboratorio Centrale di Magliano Sabina Infatti, nell ambito del settore manutenzione, che, fino ad oggi, operava soltanto sulla rete gestita da Autostrade per l Italia S.p.A., esso coordina ed esegue i controlli di conformità nel confezionamento del bitume modificato e del conglomerato bituminoso, sia per la produzione interna che nel caso di forniture esterne. Adiacente al laboratorio vi è, infatti, un impianto destinato alla modifica del bitume di base con polimeri, nonché un impianto di confezionamento di conglomerato bituminoso. Ad esso inoltre fanno riferimento diversi laboratori satellite presenti su tutto il territorio italiano, presso gli altri impianti di produzione del conglomerato bituminoso: Anagni, Andria, Arezzo, Bologna, Genova, Loreto, Marcianise, Ortona, Pontenure, Rimini, Trezzo e Uboldo. Quello di Magliano Sabina non è l unico impianto in cui viene prodotto bitume modificato, sono infatti attrezzati a questo scopo anche gli impianti di Loreto e Bologna. Esso inoltre, nell ambito delle nuove realizzazioni, si occupa del progetto di miscele conformi ai requisiti di capitolato, nonché del controllo della loro produzione in impianto. Per finire i suoi operatori partecipano ai collaudi svolti dal committente. 1

4 Le miscele progettate in laboratorio, sia che si tratti di conglomerato bituminoso che di calcestruzzo, nonché nel caso di una nuova formulazione per la modifica del bitume (nuova tipologia di polimero o nuovo fornitore di bitume di base), vengono trasmesse all ufficio acquisti di impresa, che si occupa di verificarne l adottabilità in termini di analisi benefici-costi. Tutte le attività dei laboratori Pavimental sono volte a verificare che la produzione si attenga al Manuale della Qualità aziendale e vengono supervisionate dall Ufficio Qualità, che svolge corsi di aggiornamento per gli operatori dei laboratori e audit interni. Esse sono inoltre controllate da un organismo esterno di certificazione, che periodicamente verifica che l impresa operi nel rispetto del Sistema Qualità. La certificazione di qualità, ossia la piena conformità alle norme UNI CEI ISO 9000, è infatti un requisito necessario per tutte le imprese che intendano partecipare a gare per l esecuzione di lavori pubblici di importo superiore a , Sistema di controllo Con sistema di controllo si intende l insieme dei controlli sui materiali e sui lavori che vengono svolti dalla rete dei laboratori Pavimental. Il sistema di controllo è conforme alla normativa CE e si avvale di un software, chiamato LCO, sviluppato internamente e in condivisione con i laboratori periferici, per la registrazione delle prove giornaliere e la verifica della conformità delle produzioni effettuate. Nel caso in cui venga registrata nel software la produzione di una miscela non conforme, è necessario che essa venga giustificata dall operatore, che quindi è tenuto a indagare la causa della non conformità, per porvi rimedio. Maggiore è il numero di non conformità registrate nelle 30 prove precedenti, maggiore sarà la frequenza con cui il laboratorio dovrà effettuare le prove sul materiale prodotto, al fine di verificare l efficacia dei provvedimenti messi in atto. Il laboratorio estende la sua attività anche sugli impianti esterni di produzione di bitume modificato, che possono essere chiamati a fornire materiale, destinato alla manutenzione della rete autostradale, qualora esso non possa essere prodotto a sufficienza dagli impianti interni. I produttori che intendono essere inseriti nella lista dei fornitori, devono qualificarsi all inizio dell anno ed essere approvati tramite prove 2

5 svolte sia dal laboratorio centrale che dal laboratorio del committente, cui spetta l approvazione definitiva. Oltre a testare il bitume, il laboratorio svolge la ricerca e la selezione delle cave di aggregati che saranno impiegati nei conglomerati, nonché lo studio delle miscele, testandoli prima della qualifica ufficiale da parte del laboratorio del committente. La società ha ottimizzato l impiego del fresato, presente in ragione del 30% nelle miscele di base e del 25% nel binder, mentre nello strato di usura scende al 15%. Viene anche messo in opera drenante contenente fresato, opportunamente selezionato. Anche per quanto riguarda i conglomerati cementizi, quando vengono impiegati gli impianti di proprietà, come i due presenti nell aeroporto Leonardo Da Vinci di Roma, oltre che dello studio della miscela e del controllo di conformità della produzione, il laboratorio si occupa anche della taratura di questi. 3. Prove sui bitumi modificati Pavimental impiega esclusivamente bitume modificato, il laboratorio è quindi costantemente impegnato nella ricerca delle migliori soluzioni per la sua produzione. 2 Polimero SBS Ciò comporta la verifica della idoneità del bitume di base e della sua compatibilità con il polimero, che viene verificata sottoponendo a test il bitume modificato. Quest ultimo proviene quasi sempre da produzioni industriali, interne o esterne, tuttavia il laboratorio è anche dotato di apparecchiature dotate di mulini in scala per effettuare la modifica. 3

6 3 Apparecchiatura per modifiche bitumi Le prove che vengono effettuate sui bitumi sono: Penetrazione (UNI EN 1426); Rammollimento (UNI EN 1427); Rottura Fraass (UNI EN 12593); Viscosità dinamica (UNI EN ); Ritorno elastico (INI EN 13398); Stabilità allo stoccaggio (UNI EN 13399); Resistenza all indurimento RTFOT (UNI EN ); Prova di duttilità (UNI EN e 13703); Osservazione della dispersione del polimero in bitumi modificati (UNI EN 13632). 4 Viscosimetro 5 Apparecchiatura per penetrazione 4

7 6 Duttilometro 7 Stufa termoventilata per RTFOT 3.1. Stabilità allo stoccaggio La prova di stabilità allo stoccaggio, anche detta tube test, viene svolta a conclusione del ciclo di validazione e rappresenta un test piuttosto severo, volto, come suggerito dal nome, a verificare che lo stoccaggio all interno delle cisterne non comporti una alterazione delle caratteristiche del legante. Infatti, se non vi è una buona compatibilità tra il polimero e il bitume, non è inusuale che in questa fase si verifichi una segregazione, con il polimero che solitamente tende a risalire verso l alto, in virtù della sua minore massa volumica. 5

8 8 Tubetto per tube test Per questo motivo il legante viene versato all interno di un tubetto in alluminio per un altezza di 12 cm e lasciato per tre giorni in forno in posizione verticale, alla temperatura di 180 C, in questo modo viene simulato lo stoccaggio all interno di una cisterna. La severità del test è data dal fatto che tali condizioni risultano più critiche rispetto a quelle cui viene solitamente sottoposto il legante, in quanto quasi tutte le cisterne sono dotate di miscelatori che mescolano costantemente il bitume. Trascorso questo periodo il tubetto viene raffreddato e rotto in tre parti uguali, lunghe 4 cm. La parte centrale viene scartata, mentre il contenuto delle due parti estreme, dette top e bottom, viene colato per essere sottoposto alla prova di rammollimento. 9 Suddivisione del tubetto in tre parti 6

9 La norma UNI EN prescrive un Δ massimo, fra il punto di rammollimento del top e quello del bottom, pari a 5 C. Il capitolato di Autostrade per l Italia è invece più restrittivo, richiedendo una differenza massima pari a 3 C. Quando, come detto, vi è segregazione fra le due componenti, con risalita del polimero verso l alto del tubetto, solitamente si osserva un punto di rammollimento maggiore nel top rispetto al bottom Osservazione della dispersione del polimero Un altra prova finalizzata a verificare la compatibilità tra il polimero e il bitume è l osservazione della dispersione del polimero tramite microscopio ottico. Migliore è la compatibilità tra il polimero e il bitume e più uniforme risulta la colorazione gialla assunta dal materiale quando osservato al microscopio. Spesso è possibile osservare una correlazione fra i risultati di questa prova e quella di stabilità allo stoccaggio, in quanto una cattiva dispersione del polimero è indicativa di una potenziale segregazione in fase di stoccaggio. 10 Microscopio ottico 11 Bitume modificato al microscopio ottico 7

10 4. Prove sugli aggregati Sugli aggregati destinati all impiego in manutenzione o nelle nuove realizzazioni, vengono svolte le prove consuete: Analisi Granulometriche (UNI EN e UNI EN ); Forma e appiattimento degli aggregati (UNI EN e 933-4); Percentuale delle superfici frantumate (UNI EN 933-5); Prova dell equivalente in sabbia (UNI EN 933-8); Resistenza alla frammentazione (UNI EN ); Massa volumica dei granuli (UNI EN ). 12 Setacci a barre e calibro 13 Apparecchiatura Los Angeles All inizio dell anno, ogni laboratorio periferico invia al laboratorio centrale gli inerti provenienti dalle cave che riforniscono l impianto di produzione di sua competenza. Il laboratorio centrale effettua le prove suddette per verificare che tali inerti soddisfino i requisiti richiesti dal capitolato speciale d appalto del committente e che, quindi, siano idonei all impiego per gli interventi di manutenzione. Gli inerti vengono poi trasferiti al laboratorio che svolgerà le prove per conto del committente. 8

11 14 Setacci per analisi granulometrica 5. Prove sui conglomerati bituminosi Sui conglomerati bituminosi vengono svolte le seguenti prove: Percentuale di bitume (UNI EN ); Granulometria (UNI EN ); Compattazione con pressa giratoria (UNI EN ); Massa volumica (UNI EN e UNI EN ); Percentuale dei vuoti residui (UNI EN ); Resistenza a trazione indiretta di provini bituminosi (UNI EN ). 9

12 I conglomerati bituminosi possono avere diverse origini. Ovviamente viene testata la produzione dell impianto di Magliano Sabina, ma le prove vengono svolte anche per le nuove formulazioni di studio, che vengono miscelate direttamente in laboratorio. Il laboratorio centrale inoltre, anche se con minor frequenza rispetto al laboratorio periferico competente, verifica la conformità anche dei conglomerati confezionati negli altri impianti. La qualifica dei bitumi modificati provenienti da fornitori esterni, di cui si è parlato in precedenza, in particolare se destinati all impiego sulla rete di Autostrade per l Italia, prevede il confezionamento in laboratorio di un conglomerato formato dal bitume in 15 Presse giratorie 16 Trazione indiretta qualifica e da inerti aventi una curva granulometrica molto restrittiva, ossia caratterizzata da pochi punti di contatto fra i granuli. Il conglomerato, dopo essere stato compattato con la pressa giratoria, viene sottoposto a prova di trazione indiretta. Questa prova è molto severa, in quanto la particolare curva granulometrica impiegata, 10

13 fa sì che il bitume sia sottoposto ad un notevole stress, dunque, in caso di superamento, è indicativa dell ottima qualità del prodotto Estrazione del bitume da un conglomerato Quando invece giunge in laboratorio un conglomerato prodotto in impianto, esso viene sottoposto a una particolare procedura. Se ne verifica la massa volumica a Ndes e a Nmax, compattando dei provini, solitamente 3, con la pressa giratoria, i provini vengono poi sottoposti a prova di trazione indiretta. Inoltre viene effettuata l estrazione del bitume dal conglomerato. 17 Apparecchiatura per l'estrazione del bitume Per questo scopo viene impiegato un macchinario che, impiegando tricloroetilene come solvente, va a dilavare il bitume dagli inerti, in modo che possa esserne determinata la percentuale presente nel conglomerato. Durante l operazione il filler si deposita all interno di un provettone. Pesando il provettone sia prima che dopo l operazione, si può determinare il contenuto di filler. Gli inerti possono poi essere sottoposti ad analisi granulometria, in modo da verificare che la curva granulometria rientri all interno del fuso di capitolato. 11

14 6. Prove sui conglomerati cementizi Quando l impresa deve realizzare un opera in calcestruzzo, il laboratorio si occupa di studiare una miscela idonea. Solitamente il c.s.a. è di tipo prestazionale, nel senso che, insieme ad alcune indicazioni di massima sulla miscela, si richiede che il materiale garantisca determinate performance di resistenza, senza specificare l esatta formulazione. Dunque in laboratorio viene effettuato uno studio della miscela, che richiede l esecuzione di molteplici prove per testare le diverse soluzioni. Gli addetti del laboratorio si occupano inoltre di far sì che, nel passaggio da una produzione limitata come quella di studio ad una produzione di tipo industriale in impianto, il materiale continui a mantenere buone caratteristiche. Per far questo è innanzitutto fondamentale assicurarsi che l impianto sia ben tarato per riprodurre la miscela di studio su grande scala. 18 Impastatrice automatica per cls Inoltre, durante tutta la produzione, analogamente a quanto accade per il conglomerato bituminoso, vengono prelevati in impianto dei provini da sottoporre a prova. Le prove che vengono effettuate sui calcestruzzi sono le seguenti: Abbassamento al cono di Abrams (UNI EN ); Determinazione del grado Vebè (UNI EN ); Resistenze meccaniche dei calcestruzzi (UNI EN e ); Resistenza a trazione per flessione su travetti in calcestruzzo (UNI EN ). 12

15 7. Mix Design di un calcestruzzo per pavimentazione rigida I capitolati speciali di appalto, relativi alle pavimentazioni rigide destinate a piazzali aeroportuali, solitamente indicano la resistenza a trazione per flessione minima dei travetti di calcestruzzo dopo 7 e 28 giorni di stagionatura. Vengono inoltre stabiliti dei valori indicativi per quanto riguarda il rapporto acqua/cemento e il contenuto di cemento per m 3 di materiale, nonché il fuso granulometrico della sabbia. Per esempio il c.s.a. di Aeroporti di Roma S.p.A. elaborato da Spea S.p.A e relativo alla realizzazione del progetto piazzali 800 presso l aeroporto di Roma Fiumicino, richiede che la resistenza a trazione dopo 7 giorni di maturazione sia pari ad almeno 3,5 MPa e, dopo 28 giorni, ad almeno 5,0 MPa. Inoltre il rapporto acqua/cemento deve essere compreso fra 0,34 e 0,42 e il contenuto di cemento deve essere pari a circa 375 kg/m 3 di calcestruzzo vibrato in opera. Viene impiegato generalmente cemento avente classe di resistenza 32,5 e la tipologia dipende solitamente dall offerta del mercato. Difficilmente vengono impiegati cementi diversi dal cemento Portland o dal cemento al calcare, se non espressamente richiesto dalla Direzione Lavori. Le cave che forniranno gli inerti vengono generalmente selezionate sulla base della loro vicinanza geografica all impianto di confezionamento. Gli inerti vengono sottoposti ad analisi granulometrica nonché alle altre prove consuete: equivalente in sabbia, massa volumica, assorbimento di acqua e prova Los Angeles. L assorbimento di acqua, in particolare, risulta molto importante. Infatti durante lo studio di formulazione gli inerti vengono dosati considerando la massa volumica dei granuli saturi a superficie asciutta, ossia il rapporto tra la massa dei granuli saturi d acqua e il loro volume, comprensivo sia dei vuoti non accessibili che di quelli accessibili all acqua. Questo per far sì che l acqua indicata nella ricetta rappresenti esclusivamente quella che partecipa all impasto, non venendo assorbita dai granuli. Inoltre, poiché al momento della miscelazione l inerte è quasi sempre umido (w), esso apporta un certo quantitativo di acqua alla miscela (w mix): quella in eccesso rispetto a quella assorbita dai granuli (w ass), w= w mix + w ass. Quindi, sottraendo l assorbimento all umidità, è possibile determinare il dosaggio dell acqua apportata dai granuli e, dunque, determinare l acqua che è necessario aggiungere per raggiungere il dosaggio previsto dallo studio. 13

16 Diversamente da quanto accade durante il confezionamento del conglomerato bituminoso, negli impianti di produzione di calcestruzzo gli inerti non vengono essiccati prima della miscelazione, per questo motivo, per quanto illustrato in precedenza, risulta molto importante che gli impianti siano dotati di sonde atte a rilevare l umidità degli inerti. Gli impianti di ultima generazione sono in grado di correggere automaticamente il dosaggio di acqua e di inerti in base all umidità degli inerti, negli impianti più vecchi è necessario invece correggere il dosaggio di volta in volta. Ricetta da studio kg/m 3 Cemento Acqua Additivo Agg. Fino Agg. Grosso , Mix s.s.a. w ass= 1,4% w ass= 0,5% Mix secco Umidità attuale w% = 6,0% Apporto acqua Mix umido Ricetta corretta kg/m 3 Cemento Acqua Additivo Agg. Fino Agg. Grosso , In laboratorio quindi, prevalentemente sulla base di precedenti esperienze, viene ipotizzata una miscela di primo tentativo per il calcestruzzo. La miscela comprende solitamente un additivo fluidificante o superfluidificante, con lo scopo di migliorare la lavorabilità senza però incrementare il rapporto acqua/cemento e quindi diminuire la resistenza. Accade spesso che vengano realizzate diverse miscele di primo tentativo, contenenti additivi prodotti da diversi fornitori. In questo modo l ufficio acquisti potrà poi selezionare la miscela migliore, non soltanto sotto il profilo prestazionale ma anche economico. Dopo la miscelazione viene immediatamente effettuato uno slump test, per verificare che il materiale rientri all interno della classe di S1, e la prova di Vebè, per verificare che il materiale rientri nella classe V4, secondo la norma UNI EN

17 Se il materiale supera le due prove precedenti, allora vengono confezionati 8 provini cubici (lato 150 mm) e 4 travetti (150x150x600 mm), che sono posti a maturare in acqua. E buona norma ripetere le prove sul calcestruzzo fresco (Slump test e Vebè) dopo diversi intervalli di tempo dalla miscelazione, ad esempio dopo 30 e 60 minuti. Tali intervalli di tempo devono essere selezionati sulla base della logistica del cantiere, infatti queste prove servono a verificare che il calcestruzzo mantenga caratteristiche idonee, in termini di consistenza e lavorabilità, per un tempo sufficientemente lungo da consentirne la messa in opera. Trascorso il tempo di maturazione i provini vengono portati a rottura per verificarne le prestazioni. 19 Rottura a compressione 20 Apparecchiatura per trazione per flessione 7.1. Test Vebè Il calcestruzzo viene versato in un cono di Abrams, e, dopo la rimozione di quest'ultimo, ricoperto con un disco trasparente e sottoposto a vibrazione su un tavolo vibrante standard. 15

18 La vibrazione viene arrestata quando si osserva che il disco trasparente è tutto a contatto con il calcestruzzo. Il tempo di Vebè è tanto maggiore quanto più difficile è la compattazione Esempio di studio di formulazione per lastre in calcestruzzo 16