MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI

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1 UNIVERITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE CORSO DI PROGETTO DELLE SOVRSTRUTURE VIARIE MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI Prof. Ing. Vittorio Nicolosi

2 MIX DESIGN CONGLOMERATI BITUMINOSI VUOTI LEGANTE BITUMINOSO AGGREGATI LAPIDEI DEFORMAZIONI PERMANENTI Suscettibilità termica della miscela Consistenza e Suscettibilità termica del legante Angolarità degli inerti Frazione di aggregato grosso COMPORTAMENTO DELLE SOVRASTRUTTURE FESSURAZION E PER FATICA Quantità mastice Qualità mastice % dei vuoti FESSURAZIONE DOVUTA A FENOMENI TERMICI % legante Caratteristiche legante CARATTERISTICHE DELLE MISCELE USURA SUPERFICIALE Caratteristiche e natura inerti grossi Dimensioni inerti DISTACCO DI INERTI IN SUPERFICIE Adesione inerti legante % di legante MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI SUSCETTIBILITA ACQUA SUSCETTIBILITA INVECCHIAMENTO Slide 2

3 MIX DESIGN MIX DESIGN DELLE MISCELE DI CONGLOMERATO BITUMINOSO SCELTA DEI COMPONENTI STUDIO DELLE MISCELE LEGANTE AGGREGATI STUDIO DELLE CARATTERISTICHE VOLUMETRICHE PROVE SULLE MISCELE Modelli di degrado CARATTERISTICH E INTRINSECHE DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA Previsione del comportamento nella sovrastruttura Slide 3

4 MIX DESIGN CRR METODI PER IL MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI PRESCRITTIVI Code de bonne pratiqe pour la formulation des enrobés bitumineux ASTM 1560 e 1561 PRESTAZIONALI METODO MARSHALL METODO HVEEM METODO SHRP SUPERPAVE Superior Performing Asphalt Pavements Slide 4

5 MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI IL LEGANTE PENETRAZIONE CRITERI TRADIZIONALI TEMP. DI RAMMOLLIMENTO VISCOSITA SUSCETTIBILITA TERMICAINDICE DI PENETRAZIONE IP Modulo Complesso S ROTTURA FRAAS Duttilità (allungamento a rottura) Svantaggi: La viscosità fornisce informazioni solo sul comportamento ad altissime temperature; La Consistenza fornisce informazioni solo ad una temperatura intermedia 25 C; Le proprietà dei leganti a bassa temperatura non vengono direttamente misurate; Le prestazioni ed il comportamento elastico e viscoso non viene adeguatamente rappresentato; Non evidenzia in maniera adeguata i vantaggi derivanti dalla modifica dei leganti attraverso polimeri; Prove di caratterizzazione effettuate sul bitume talquale senza considerare gli effetti dell invecchiamento CRITERIO SHRP SPECIFICHE PER IL LEGANTE FUNZIONE DELLE TEMPERATURE DI ESERCIZIO LE CARATTERISTICHE FISICO-MECCANICHE RICHIESTE SONO SEMPRE LE MEDESIME MA CAMBIANO LE TEMPERATURE ALLE QUALI DEVONO ESSERE ASSICURATE NUOVE PROVE DI CARATTERIZZAZIONE CLASSI DI LEGANTE PG XX YY (p.e. PG58 34) XX massima temperatura di esercizio di progetto YY minima temperatura di esercizio di progetto DEFINIZIONE DELLE TEMPERATURE DI ESERCIZIO IN FUNZIONE DELL AFFIDABILITA RICHIESTA Temp. Max. Pavimentazione a 20mm di profondità Correzione delle max temperature effetti dei tempi di carico (velocità del traffico); Volumi di traffico. Temp. Min. a) T min ambiente b) T min pavimentazione INDIVIDUAZIONE DELLA CLASSE DI LEGANTE PXX-YY Intervallo di temperatura stabilito in funzione dell affidabilità Aumento di Tmax di due gradi per Velocità < 90 km/h Slide 5

6 MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI IL LEGANTE LE CARATTERISTICHE DEL LEGANTE SONO MISURATE SUL LEGANTE CHE E STATO SOTTOPOSTO A PROCESSI DI INVECCHHIAMENTO APPARECCHIATURA DI PROVA REOMETRO A TAGLIO (dynamic shear rheometer) RTFO (Rolling Thin Film Oven) miscelazione PAV (Pressare Pressure Aging Vessel) lungo termine PARAMETRI PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI LEGANTI BITUMINOSI E RELATIVE PROVE VISCOSIMETRO ROTAZIONALE (rotational viscometer) REOMETRO A FLESSIONE (bending beam rheometer) PROVE A TRAZIONE DIRETTA (direct tension tester) PARAMETRI MISURATI GRANDEZZE IMPIEGATE SIGNIFICATO DELLA PRESCRIZIONE G* = max / max Modulo Complesso a Taglio Angolo di fase Viscosità [Pa sec] Modulo di Creep S (Creep Stiffness) Tasso di Deformazione logaritmico m (Logarithmic creep rate) Deformazione a rottura max G* / sen Assicurare un comportamento in campo elastico ( T>46 C) alle alte temperature ed il contributo alla rigidezza globale della miscela (ormaie) G* sen (7 C<T<34 C) Limitare l energia dissipata alle temperature intermedie (fessurazione per fatica) Viscosità a 135 C Assicurare le necessarie caratteristiche di viscosità durante le fasi di confezionamento, messa in opera e costipamento delle miscele S alla min. temperature di esercizio m alla min. temperature di esercizio max Bassi valori di S assicurano maggiore resistenza alla fessurazione alle basse temperature (per sollecitazioni di elevata frequenza) Alti valori di m assicurano maggiore resistenza alla fessurazione dovuta alle variazioni termiche Alti valori di assicurano un migliore comportamento nei confronti della fessurazione alle basse temperature (viene impiegato per tener conto del comportamento dei leganti modificati che benché caratterizzati da valori elevati della rigidezza presentano un comportamento adeguato nei confronti dei fenomeni descritti) Slide 6

7 MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI IL LEGANTE PARAMETRI PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI LEGANTI BITUMINOSI E RELATIVE PROVE APPARECCHIATURA DI PROVA REOMETRO A TAGLIO (dynamic shear rheometer) VISCOSIMETRO ROTAZIONALE (rotational viscometer) REOMETRO A FLESSIONE (bending beam rheometer) PROVE A TRAZIONE DIRETTA (direct tension tester) PARAMETRI MISURATI G* = max / max Modulo Complesso a Taglio Angolo di fase Viscosità [Pa sec] Modulo di Creep S (Creep Stiffness) Tasso di Deformazione logaritmico m (Logarithmic creep rate) Deformazione a rottura max GRANDEZZE IMPIEGATE G* / sen ( T>46 C) G* sen (7 C<T<34 C) Viscosità a 135 C S alla min. temperature di esercizio m alla min. temperature di esercizio max Reometro flessionale Deflessione P Tempo Prova di Trazione Diretta Tensione Deformazione Slide 7

8 MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI IL LEGANTE Slide 8

9 MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI GLI AGGREGATI I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI CARATTERISTICHE INTRINSECHE ANGOLARITA FORMA INERTI (>3 CNR,>5 ASTM D479) CONTENUTO DELLA FRAZ. LIMO- ARGILLOSA VALORI PRESCRITTI FUNZ. TGM TIPO DI STRATO / PROFONDITA - VOLUMI DI TRAFFICO RESISTENZA ALL ABRASIONE Los Angeles SENSIBILITA AL GELO (CNR 80/80 AASHTO T104) QUANTITATIVO DI MATERIALE FINO (CNR 75/80 AASHTO T112) DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA FUSI GRANULOMETRICI CURVA DI MAX DENSITA Passante=d^0.45 PUNTI VINCOLATI ZONA RISTRETTA Aumentare resistenza ormaie VALORI PRESCRITTI FUNZ. PROND. Slide 9

10 MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI GLI AGGREGATI I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI CARATTERISTICHE INTRINSECHE ANGOLARITA FORMA INERTI (>3 CNR,>5 ASTM D479) CONTENUTO DELLA FRAZ. LIMO- ARGILLOSA VALORI PRESCRITTI FUNZ. TGM TIPO DI STRATO / PROFONDITA - VOLUMI DI TRAFFICO RESISTENZA ALL ABRASIONE Los Angeles SENSIBILITA AL GELO (CNR 80/80 AASHTO T104) QUANTITATIVO DI MATERIALE FINO (CNR 75/80 AASHTO T112) DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA ULTERIORI PROVE NEI METODI PRESCRITTIVI Filler Vuoti Ridgen (CNR 123/88) Influenza sul legante (CNR 122/88) Suscettibilità all acqua (spogliamento) % acqua Sabbie Resistenza al consumo (CLA 140/92) Composizione chimica (p.e. FeO) Inerti Grossi Resistenza al consumo CLA (CNR 140/92) Resistenza all Usura Micro Deval (CNR 109/85) Indice dei vuoti endogranulari (CNR 65/78) VALORI PRESCRITTI FUNZ. PROND. Massa volumica reale Massa volumica effettiva Massa volumica apparente Slide 10

11 MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI GLI AGGREGATI I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI Passante [%] CARATTERISTICHE INTRINSECHE TIPO DI STRATO / PROFONDITA - VOLUMI DI TRAFFICO d^045 [mm] DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA FUSI GRANULOMETRICI Classi SHARP Dimensione massima nominale dell aggregato [mm] CURVA DI MAX DENSITA Passante=d^0.45 PUNTI VINCOLATI ZONA RISTRETTA Aumentare resistenza ormaie Dimensione massima dell aggregato [mm] Slide 11

12 STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA METODI TRADIZIONALI COMPATTATORE MARSHALL Difetti: Non riproduce adeguatamente il processo di costipamento realmente subito dalle miscele Pregi Basso costo Portatile STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELA DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE METODI PRESTAZIONALI - SHRP NUOVO METODO DI ADDENSAMENTO DEI CAMPIONI Superpave Gyratory Compactor Lo SHARP fissa VMA (vuoti nell aggregato) e VFA (vuoti occupati dal legante) nonché un valore di progetto dei vuoti nella miscela pari al 4% Texas gyratory compactor Pressa giratoria Francese Slide 12

13 STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA METODI PRESTAZIONALI - SHRP STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELA NUOVO METODO DI ADDENSAMENTO DEI CAMPIONI Superpave Gyratory Compactor DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE 600 kpa Texas gyratory compactor Pressa giratoria Francese Slide 13

14 STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA METODI PRESTAZIONALI - SHRP STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELA NUOVO METODO DI ADDENSAMENTO DEI CAMPIONI Superpave Gyratory Compactor DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE Texas gyratory compactor Pressa giratoria Francese Slide 14

15 STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA METODI PRESTAZIONALI - SHRP STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELA NUOVO METODO DI ADDENSAMENTO DEI CAMPIONI Superpave Gyratory Compactor DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE Texas gyratory compactor Pressa giratoria Francese Slide 15

16 STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA COMPATTAZIONE Numero di passaggi di assi equivalenti in 20 anni (in milioni) Numero di giri N initial N design N max < to < to < 10* 8 (7) 100 (75) 160 (115) 10 to < Numero di passaggi di assi equivalenti in 20 anni (in milioni) < to < to < to < > 30 Densità espressa in % del G mm N initial N design N max N GIRI FUNZIONE DELLA TEMPERATURA E DEL TRAFFICO G mm W Ps G se misc P G b b

17 STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE VOLUME DEI VUOTI V ba Specifiche capitolato sui fusi granulometrici Incremento Tpa nel mastice Specifiche di capitolato per Pb e Vv CRITERIO CRR (Tradizionale) Scelta del tipo di miscela (strato, impiego) Scelta dei costituenti la miscela, Scelta della distribuzione granulometrica, Determinazione del volume disponibile per il mastice bituminoso (bitume+filler) Vq, Determinazione delle composizione del mastice (rapporto filler/bitume), Ps 1Va 1 1 P G b P s sb Gse Gb Gse Determinazione della percentuale di legante Pb V be CRITERIO SHRP Definizione del volume di traffico e delle temperature Max. e min. e della massima dimensione degli aggregati, Determinazione della classe di legante bituminoso, Definizioneditremiscelediaggregati(rispetto delle specifiche), Determinazione del contenuto di bitume iniziale (Vb=Vba +Vbe). G G 0.8 G G se sb sa sb GbVbe Vba Pbi ln S n G V V W b be ba s 100 Slide 17

18 STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE VOLUME DEI VUOTI Numero di passaggi di assi equivalent in 20 anni (in milioni) < mm (0.375 inch) 12.5 mm (0.5 inch) Minimo VMA (%) 19.0 mm (0.75 inch) 25.0 mm (1 inch) 37.5 mm (1.5 inch) Intervalli VFA (%) to < to < to < VOLUME DEI VUOTI 4% + RAPPORTO 0.6 P / P bit 1.2 P = percentuale in peso del filler CRITERIO SHRP Definizione del volume di traffico e delle temperature Max. e min. e della massima dimensione degli aggregati, Determinazione della classe di legante bituminoso, Definizione di tre miscele di aggregati (rispetto delle specifiche), Determinazione del contenuto di bitume iniziale (Vb=Vba +Vbe). P bit = percentuale in peso del legante Slide 18

19 CRITERIO CRR (Tradizionale) Costipamento con il metodo marshall Controllo dei vuoti residui Controllo della percentuale di bitume Controllo della stabilità Marshall Controllo della Rigidezza Marshall MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI VOLUMETRIA VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE CRITERIO SHRP Determinazione delle temperature di miscelazione (viscosità= Pa*sec) e di compattazione (viscosità= Pa*sec) Determinazione del N. di giri max., di progetto e iniziale in funzione delle temperatura max e del volume di traffico, Miscelazione, Invecchiamento a breve termine (135 C 4 ore), Costipamento (pressa giratoria N=Nmax.), Determinazione della densità (geometrica e corretta) al grado di compattazione corrispondente a Nmax. e Nprogetto, Calcolo delle seguenti grandezze in corrispondenza della densità raggiunta a Nprogetto: Volume vuoti, Volume dei vuoti nella miscela di aggregati, Volume riempito dal legante, Verifica che la densità a Nin <89% della Densità max assoluta e che la densità a Nmax < 98% Densità max assoluta. Confronto delle grandezze sopra calcolate con le specifiche, Controllo 0.6 < Filler / bitume < 1.2 Scelta della miscela di aggregati più idonea e stima della percentuale di bitume che nella miscela scelta realizza il volume dei vuoti del 4% Confezionamento di 4 serie di campioni impiegando la miscela di inerti individuata e la % di bitume: stimata, stimata 0.5%, stimata+1%: costipamento, e calcolo delle grandezze per la miscela individuata. Vengono determinate le proprietà volumetriche dei campioni confezionati con le percentuali di legante prima individuate e viene scelta quella che realizza la % dei vuoti del 4% Controllo della sensibilità all acqua AASHTO T 283 (riduzione della Slide resistenza 19 a trazione indiretta <20% su provini confezionati al 7% dei vuoti ).

20 STUDIO DELLE MISCELE PROVE SULLE MISCELE METODI TRADIZIONALI CRR % DEI VUOTI MARSHALL % VUOTI OCCUPATI DA BITUME (MARSHALL) MISCELE CON GRANULOMETRIA CONTINUA STABILITÀ MARSHALL SCORRIMENTO RIGIDEZZA MARSHALL PROVA DI ORMAIAMENTO MISCELE CON GRANULOMETRIA DISCONTINUA (SMA; DRENANTI ECC.) PROVA CANTABRO PROVA SCHELLENBERG (segregazione) Slide 20

21 STUDIO DELLE MISCELE PROVE SULLE MISCELE SHRP 2 LIVELLI DI ANALISI IN FUNZIONE DEL TRAFFICO SUPERPAVE SHEAR TESTER 2 APPARECCHIATURE 6 TIPI DI PROVA (con la stessa app.) PROVA VOLUMETRICA PROVA DI DEFORMAZIONE MONOASSIALE PROVA A TAGLIO CICLICA A TENSIONE COSTANTE PROVA A TAGLIO CICLICA AD ALTEZZA COSTANTE PROVA A TAGLIO SEMPLICE AD ALTEZZA COSTANTE PROVA A TAGLIO CICLICO A VARIE FREQUENZE PROVA A TRAZIONE INDIRETTA 3 TIPI DI PROVA (con la stessa app.) CREEP COMPLIANCE A BASSA TEMPERATURA RESISTENZAAROTTURAABASSA TEMPERATURA RESISTENZA A ROTTURA A TEMPERATURA INTERMEDIA CAMPIONE CARICO Slide 21

22 SUPERPAVE SHEAR TESTER STUDIO DELLE MISCELE PROVE SULLE MISCELE Slide 22

23 STUDIO DELLE MISCELE PROVE SULLE MISCELE LIVELLO DEGRADO FESSURAZIONE DI ORIGINE DI DEFORMAZIONI PERMANENTI FESSURAZIONE PER FATICA TERMICA ANALISI PROVA TEMPERATURA PROVA TEMPERATURA PROVA TEMPERATURA INTERMEDIO COMPLETO Prova ataglio semplice ad altezza costante Prove dinamiche Teff(DP) a taglio (sinusoidale) a varie frequenze di carico e ad altezza costante Prove sinusoidali 4, 20 e a taglio a varie 40 C ad altezza costantee(varie frequenze di carico) Prove a 4, 20 e deformazione 40 C uniassiale Prove 4, 20 e volumetriche 40 C Prove a taglio 4, 20 e semplice ad 40 C altezza costante Teff(DP) Prova a taglio semplice ad altezza costante Teff(FF) Prova di Creep Compliance a trazione indiretta Prove dinamiche a Teff(FF) Resistenza a taglio (sinusoidale) rottura a trazione a varie frequenze di indiretta carico e ad altezza costante Resistenza a rottura Teff(FF) a trazione indiretta Prove sinusoidali a taglio a varie ad altezza costante e (varie frequenze di carico) Resistenza alla trazione indiretta 4, 20 e 40 C -10, 4 e 20 C Prova di Creep Compliance a trazione indiretta Resistenza a rottura a trazione indiretta 0-10, -20 C -10 C 0-10, -20 C -10 C Slide 23

24 STUDIO DELLE MISCELE PROVE SULLE MISCELE Slide 24

25 STUDIO DELLE MISCELE PROVE SULLE MISCELE PROVA DI CREEP COMPLIANCE Si applica un carico che produce una deformazione orizzontale compresa tra 50 e 750 Si misurano le deformazioni orizzontali e verticali durante la prova RESISTENZA ALLA TRAZIONE INDIRETTA MISURATA DURANTE LE PROVE DI CREEP Al termine della prova di Creep il campione viene caricato fino alla rottura. Il carico corrisponde alla velocità di spostamento verticale di 12.5 mm/minuto Slide 25

26 STUDIO DELLE MISCELE PROVE SULLE MISCELE RESISTENZA ALLA TRAZIONE INDIRETTA Il campione viene sottoposto ad una deformazione controllata corrispondente ad una velocità di spostamento verticale di 50 mm/minuto. Si misura il carico e la deformazione individuando il max carico applicato Slide 26

27 STUDIO DELLE MISCELE PROVE SULLE MISCELE DALLO STUDIO DELLE MISCELE ALLA PREVISIONE DEL COMPORTAMENTO COME COSTITUENTI DELLE SOVRASTRUTTURE MODELLI RELATIVI AGLI EFFETTI CLIMATICI DATI DI PROGETTO: Strato, Traffico, Clima MODELLI DI RISPOSTA DELLE SOVRASTRUTTURE CARATTERISTICHE DEI MATERIALI MODELLI DI DEGRADO RISULTATI DELLE PROVE PRESTAZIONALI PREVISIONE DEL COMPORTAMENTO Deformazioni permanenti (ormaie) Fessurazione a fatica Fessurazione termica Slide 27