Confronto economico-energetico tra i diversi tipi di pavimentazioni stradali

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1 Confronto economico-energetico tra i diversi tipi di pavimentazioni stradali M.Coni,.Pinna,.Annunziata 1. Premessa La memoria nasce dall esigenza di meglio valutare il costo economico ed energetico delle sovrastrutture stradali rigide e flessibili, e di estendere il confronto anche alle pavimentazioni semirigide. Le pavimentazioni considerate sono strutturalmente equivalenti, cioè in grado di sopportare lo stesso numero di passaggi di assi standard da 12 t. Le stesse caratteristiche di rigidità equivalente della sovrastruttura, possono essere ottenute con diverse combinazioni di spessori o di caratteristiche meccaniche dei materiali che compongono i vari strati. A ciascuna soluzione corrisponde un determinato costo energetico o prezzo di mercato. Non tutte le soluzioni strutturalmente equivalenti hanno dunque il medesimo costo; per tenere conto di questo aspetto si sono calcolate una serie di possibili soluzioni mediando i risultati. 2. Le sovrastrutture poste a confronto. Come noto le tipologie comunemente adottate per le sovrastrutture stradali sono essenzialmente 3: rigide o in c.l.s.; flessibili o tuttasfalto; semirigide o miste. Anche in Italia, come in gran parte dell Europa, le sovrastrutture rigide stentano a diffondersi nel loro impiego, principalmente a causa dei costi elevati di realizzazione e 1 nella difficoltà incontrate nel realizzare un sistema efficiente di giunti che impedisca le fessurazioni o le rotture. D altro canto la ripresa dei costi dei prodotti petroliferi e la loro scarsa disponibilità inducono a studiare soluzioni alternative alle sovrastrutture flessibili. La sovrastruttura semirigida è costituita dalla sovrapposizione di più strati che le conferiscono doti di rigidezza, resistenza a fatica e praticità di esecuzione. La sequenza degli strati è generalmente la seguente: strato di fondazione; strato di base; strato di collegamento; strato di usura. Ciò che rende le sovrastrutture semirigide differenti da quelle flessibili è lo strato di base, che viene realizzato in misto cementato. Questo oltre a svolgere funzione portante ed a favorire un elevato valore del modulo elastico di tutta la sovrastruttura, evita grazie alla sua naturale elasticità, la formazione della cosiddetta rete di pollaio, cioè di quelle particolari fratture della superficie stradale che si intrecciano fra loro, formando maglie più o meno fitte. Gli strati di collegamento e di usura vengono realizzati con caratteristiche del tutto analoghe alle sovrastrutture flessibili. 3. Caratteristiche delle sovrastrutture poste a confronto. Per poter confrontare tra di loro le diverse sovrastrutture è, ovviamente, necessario che, qualunque siano le caratteristiche strutturali, esse siano in grado di sopportare le medesime sollecitazioni. In primo luogo tutti i calcoli vanno riferiti al passaggio di assi standard da 12 t, dato che differenti sono gli effetti di assi di peso diverso. Il secondo problema che si pone è quello di scegliere tra molteplici metodi di calcolo quello che consenta di confrontare sovrastrutture costituite da un diverso numero di strati, ciascuno dei quali avente proprie caratteristiche. 2

2 Il metodo utilizzato è quello di Ivanov che consente il dimensionamento di sovrastrutture tipologicamente differenti, con algoritmi facilmente automatizzabili. Il processo di calcolo definito da Ivanov permette di verificare una pavimentazione fornendo come dati di progetto: p = pressione di gonfiaggio dei pneumatici; ni = numero degli strati; Ei = modulo di deformazione dello strato -iesimo; si = spessore dello strato; a = raggio di impronta supposto circolare. L espressione proposta da Ivanov consente di trasformare il modulo di deformazione di un strato di spessore s e modulo E poggiato su uno strato seminfinito di modulo Eo, con quello Eeq di un strato seminfinito: E E = E 0 con n = 2.5 eq 2 1 sn E arc tan 35. π n 2a Il cedimento massimo sotto l asse del carico può essere allora facilmente stimato dalla relazione: pa f = 2 Il metodo viene iterato per ciascuno strato pervenendo infine alla determinazione di un modulo equivalente dell intera struttura (Ee). La verifica consiste nel porre a confronto il valore così ottenuto con un modulo di progetto Ep; la verifica è positiva se Ee > Ep. Il modulo di elasticità di progetto viene generalmente viene fatto dipendere, sulla base di indagini sperimentali, dal numero si assi che la sovrastruttura dovrà sopportare in un giorno al termine della vita utile. L espressione utilizzata nella memoria, che lega il modulo di progetto al numero di assi N, è la seguente: 2pa E p = logn 3 E eq Occorre precisare che il metodo è iterativo e le iterazioni vengono ripetute sino a che il valore calcolato per Ee raggiunge il prefissato valore minimo. Per considerare il maggior numero di casi possibile sono stati esaminati 4 diversi tipi di terreno caratterizzati, ciascuno, da un diverso modulo di deformazione e, quindi, con caratteristiche portanti ben precise: terreno tipo A Eo = Kg/cm² terreno tipo B Eo = 1000 Kg/cm² terreno tipo C Eo = 600 Kg/cm² terreno tipo D Eo = 250 Kg/cm² I moduli di deformazione dei materiali impiegati nei diversi strati sono stati: misto granulare E = 2000 Kg/cm²; misto bitumato E = Kg/cm²; misto cementato E = Kg/cm²; binder E = Kg/cm²; usura E = Kg/cm². ulla base di quanto brevemente riassunto sinora e in relazione ai dati progettuali predetti, sono state calcolate, per ciascun tipo di terreno, 800 diverse combinazioni di spessori degli strati, realizzati con i materiali suddetti, calcolando per ciascuna i costi energetici e il prezzo di mercato. Lo stesso valore di Ee può essere ottenuto con una diversa combinazione di spessori ma di costo energetico e prezzo di mercato diversi. L insieme dei punti (assi, costi energetici), o (assi, prezzi di mercati) sono stati interpolati con polinomi di 5 grado, in termini di minimi quadrati. sottofondo E= 250/ 600/ 1000/ Kg/cm² PAVIMENTAZIONE LEIBILE usura E= Kg/cm² binder E= Kg/cm² base in misto bitumato E= Kg/cm² fondazione in misto granulare non legato E=2.000 Kg/cm² 4

3 sottofondo E= 250/ 600/ 1000/ Kg/cm² sottofondo E= 250/ 600/ 1000/ Kg/cm² PAVIMENTAZIONE EMIIGIDA usura E= Kg/cm² binder E= Kg/cm² base in misto cementato E= Kg/cm² fondazione in misto granulare non legato E=2.000 Kg/cm² PAVIMENTAZIONE EMIIGIDA lastra in cls base in misto cementato E= Kg/cm² E= Kg/cm² fondazione in misto granulare non legato E=2.000 Kg/cm² 4. Parametri energetici Il confronto tra le diverse sovrastrutture è stato effettuato evidenziando la componente costo energetico dell elemento strutturale esaminato. Per Entità Energetiche si intendono quelle relative all estrazione, alla frantumazione degli aggregati, alla loro miscelazione, al trasporto e alla posa in opera, e tali entità vengono espresse in Unità Equivalenti (Kg di gasolio necessari per la produzione di un metro cubo di materiale in oggetto). Il contenuto energetico di una pavimentazione è dato dalla somma di tutte le singole entità che concorrono nella sua realizzazione. 4.1 Gasolio. Per il potere calorifero del gasolio è stato considerato quello inferiore, pari a cal/kg. 4.2 Bitume. Per il calcolo del contenuto di energia del bitume, occorre tener presente che esso viene generalmente prodotto nelle raffinerie, solo in seguito ad una richiesta di mercato, avendo come alternativa la produzione di olio pesante combustibile. Perciò come contenuto energetico del bitume, si potrebbe considerare il valore del potere calorifico inferiore pari a 9 cal/kg, energia che si sottrae al mercato dei prodotti petroliferi. Tale valore può essere ritoccato per tenere conto di particolari greggi, come ad esempio quelli venezuelani, che hanno un contenuto relativamente alto di sostanze bituminose e che quindi risulterebbe oneroso o difficile mantenere nella frazione dell olio combustibile pesante. Al posto del valore indicato in via prudenziale si è considerato un potere calorifico di 8 cal/kg, tenendo conto così delle perdite di energia subite a causa del processo chimico che mette tali frazioni in condizioni di bruciare. 4.3 Estrazione, frantumazione, trasporto. Per ciò che riguarda l estrazione dei materiali, è stato valutato il consumo di 1 Kg di gasolio a tonnellata; per la frantumazione degli stessi si è previsto un equivalente di energia pari a 3 Kg di gasolio a tonnellata, mentre per il trasporto dei materiali, assumendo una distanza media di trasporto pari a 50 Km, è stato assunto un consumo di 1.5 Kg di gasolio a tonnellata. 4.4 Mescola Per la mescola delle miscele bituminose sono necessari 2.5 Kwh per tonn., oltre a 12 Kg di gasolio per tonn. per le macchine operanti nella centrale e per il caricamento dei materiali; analoghi valori sono considerabili nelle miscele cementizie. Tenendo conto che per produrre 1 Kwh sono necessari 2.3 Kh di gasolio per tonn., è immediato il calcolo del contenuto energetico della miscela. 5 6

4 4.5 tesa La stesa delle miscele, sia esse bituminose o cementizie, è pressochè identica sotto il profilo energetico a condizione che vengano utilizzati macchinari specifici per ciascuna operazione. 4.6 Essiccamento Per l essiccamento degli aggregati delle miscele bituminose si sono valutati 9 Kg di gasolio/tonn. Per confronto la produzione del cemento necessita di 90 Kg di gasolio, 100 Kwh di energia elettrica, per una somma equivalente di 109 Kg di gasolio, per la produzione di 1 tonn. di legante. 4.7 La procedura seguita. In base ai contenuti energetici delle varie miscele utilizzate, sono state determinate le quantità energetiche, espresse in U.E. (1 Unità Equivalente = 1 Kg di gasolio), relative alle sovrastrutture stradali di tipo rigido, flessibile e semirigido, tenendo conto della portanza del sottofondo, della durata e del livello di traffico, riferendosi cioè alle sovrastrutture precedentemente calcolate. Quindi è stato calcolato il contenuto energetico di 1 m² di sovrastruttura delle sezioni stradali considerate. uccessivamente è stato determinato in lire il costo energetico calcolato in Kg di gasolio equivalenti /m² di sovrastruttura, avendo considerato il costo unitario del gasolio moltiplicato per il numero di Kg impiegati in ogni sezione di riferimento. Dall esame di lavori di recente appalto è stato possibile risalire ai prezzi applicati dalle imprese nell esecuzione si sovrastrutture stradali. Tali prezzi sono naturalmente indicativi in quanto non tengono conto, ad esempio, delle quantità messe in opera. Utilizzando i prezzi elementari è stato possibile calcolare il costo delle sovrastrutture per unità di superficie e per ciascuna delle pavimentazioni prese in esame. Il calcolo è stato effettuato per ogni soluzione (flessibile, semirigida, rigida) al variare della portanza del terreno e delle condizioni di traffico. 5. I risultati Tra i vari risultati ottenuti si ritiene opportuno richiamare all attenzione i diagrammi di ig.1-8, ove è rappresentato l andamento dei costi energetici e dei prezzi di mercato al mutare delle condizioni di traffico. L analisi dei singoli diagrammi evidenzia la superiorità che le sovrastrutture semirigide possiedono nei confronti delle alternative analizzate. I particolare i prezzi di mercato delle pavimentazione semirigide sono sempre inferiori quelli delle altre soluzioni, ad eccezione del caso di una sovrastruttura flessibile poggiante su un sottofondo di buona qualità ( Kg/cm²). Come era lecito attendersi, la pavimentazione flessibile ha un costo estremamente sensibile al variare del modulo del sottofondo, variando il modulo del sottofondo da Kg/m² a 250 Kg/cm² il loro prezzo passa da /m² a /m², mentre le pavimentazioni semirigide hanno una variabilità inferiore passando da /m² a /m². Un altro particolare degno di nota è quello che è emerso dal confronto tra le 2 serie di grafici. Mentre il costo energetico delle sovrastrutture rigide si mantiene inferiore a quello delle corrispondenti soluzioni tradizionali flessibili, la situazione si ribalta quando si vanno ad esaminare i prezzi di marcato. erma restando la convenienza della soluzione mista, si può osservare come le sovrastrutture in c.l.s. siano decisamente più costose di quelle in bitume nella stragrande maggioranza delle soluzioni. Un ulteriore osservazione, riguarda le pavimentazioni realizzate in presenza di traffico elevato (> assi eq/gg) 7 8

5 ig.1 Modulo del sottofondo 250 Kg/cm² numero di assi 12 t ig.2 Modulo del sottofondo 600 Kg/cm² ig.3 Modulo del sottofondo 1000 Kg/cm² prezzo di mercato LIE/m² prezzo di mercato LIE/m² prezzo di mercato LIE/m² 00 ig.4 Modulo del sottofondo Kg/cm² prezzo di mercato LIE/m²

6 ig.5 Modulo del sottofondo 250 Kg/cm² 00 ig.7 Modulo del sottofondo 1000 Kg/cm² ig.6 Modulo del sottofondo 600 Kg/cm² costo energetico LIE/m² costo energetico LIE/m² costo energetico LIE/m² ig.8 Modulo del sottofondo Kg/cm² costo energetico LIE/m²

7 e su terreno con scarsa portanza; in questa circostanza anche la sovrastruttura in c.l.s. è da preferirsi alla sovrastruttura flessibile. Circostanza analoga si verifica quando il numero di assi eq/gg risulta inferiore a 400. i osserva inoltre che, in area urbana, in presenza di grandi flussi veicolari, le pavimentazioni tradizionali sono da considerasi tutt altro che convenienti, sia sotto il profilo energetico che economico. Vi è un altro aspetto del problema che dovrà essere affrontato in futuro ed è legato agli interventi di manutenzione sulle strade, settore nel quale va opportunamente considerato l aspetto relativo al riciclaggio del bitume proveniente dal disfacimento della sovrastruttura esistente. Questa tecnica già ampiamente sperimentata potrebbe essere applicata con particolare profitto nelle strade urbane. Infatti è evidente che gli spessori sono limitati da precise condizioni al contorno, e perciò potrebbe essere necessario provvedere al loro disfacimento con il ripristino delle quote. Tale intervento manutentorio potrebbe avvenire sostituendo lo strato di base utilizzando uno strato in misto cementato. Valutare la convenienza energetica di questo riutilizzo, potrebbe rappresentare un interessante estensione della presente memoria. [1]. TIMOHENKO, Theorie de l Elasticitè, Librarie Polytechnique Ch Beranger [2].QUAANTA, Considerazioni teoriche e pratiche sul calcolo delle pavimentazioni rigide di strade 13 e aeroporti, Giornale del Genio Civile, n 5, pag Maggio [3] K. UEHITA, G.G. Meyerhof, urface displacement of an elastic layered under uniformly distribution load, pag. 1-10, H n 228, [4] M.K.CHAYULU, J.B. HEELE, Theoretical stress distribution in an elastic multilayered system, pag , H n 228, [5] G.BOLOGNA, Confronto di costi economici ed energetici tra pavimentazioni stradali cementizie e bituminose, assegna di Lavori Pubblici, n 3, Marzo 1976, pp [6] AA.VV, Contenu ènergètique des matèriaux et des structures de chaussèes, evue Gènerale des outes e des Aèrodromes, n 577, Luglio/Agosto 1981, pp [7] G.TEOIEE, trade, errovie, Aeroporti, vol.2, ed UTET. [8] P.EAI,.GIANNINI, Corpo stradale e pavimentazioni, Ed. IEDI. [9] L. DOMENICHINI, Pavimentazioni stradali in calcestruzzo, Progettazione Esecuzione Manutenzione, Quaderno dell Associazione Tecnico Economica del Cemento AITEC 14