Sommario La tecnica del riciclaggio in sito

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1 Applicazione della tecnica del riciclaggio in sito nella manutenzione di una strada appartenente alla rete provinciale di Ancona A. Grilli*, G. Dolciotti** *Ricercatore e Docente di Infrastrutture Viarie, Dipartimento di Economia e Tecnologia, Università degli Studi di San Marino, via Salita alla Rocca 44, 47890, San Marino, Repubblica di San Marino address: andrea.grilli@unirsm.sm (A. Grilli) ** Ing. Dirigente, Provincia di Ancona, Dipartimento III - governo del territorio servizio II - Gestione Viabilità, via Ruggeri 5 - via Menicucci 1, 60131, Ancona Sommario Il riciclaggio in sito nell ambito delle costruzioni e della manutenzione stradale rappresenta una delle più valide alternative alle tecniche tradizionali. Tra tutti i metodi di riciclaggio, quello che prevede la simultanea fresatura e miscelazione dei materiali recuperati direttamente in sito di certo offre numerosi vantaggi tecnico-logistici, economici ed ambientali. Le migliorie apportate in campo tecnologico e le numerose esperienze raccolte a livello nazionale ed internazionale hanno permesso di raggiungere ottimi risultati anche dal punto di vista prestazionale. Specifici studi sperimentali ed importanti realizzazioni in ambito autostradale hanno conferito alla lavorazione in sito notevole affidabilità, favorendone quindi la diffusione, l ulteriore sviluppo e l accrescimento dei consensi. Una nuova coscienza volta ad opere ecosostenibili ha spinto le amministrazioni e gli enti più attenti a svolgere un ruolo da protagonisti nell adottare appieno la tecnica del riciclaggio in sito. Negli ultimi anni si assiste infatti ad applicazioni di questa tecnica sempre più ramificate che ne fanno apprezzare i benefici anche nelle reti viarie secondarie. Il presente articolo riporta l esperienza tratta dai lavori di manutenzione eseguiti su un tronco della viabilità provinciale di Ancona. Il progetto prevedeva la fresatura dello strato superiore di conglomerato bituminoso, la stabilizzazione in sito, con cemento ed emulsione di bitume modificato con polimeri SBS, del conglomerato bituminoso residuo e della fondazione. A termine delle operazioni di riciclaggio è stato steso il nuovo strato di binder e usura in conglomerato bituminoso tradizionale. Dopo nove mesi dall apertura al traffico è stata prevista una campagna di carotaggio per valutare l evoluzione delle proprietà meccaniche della miscela riciclata a paragone con quelle di progetto. Attualmente sono già in fase di pianificazione nuove campagne di monitoraggio del tratto anche con strumentazione ad alto rendimento. Nell ottica di una manutenzione previdente, durevole ed economicamente efficiente, i risultati ottenuti offrono ottime prospettive per l applicazione della tecnica del riciclaggio a freddo in sito per le strade locali. La tecnica del riciclaggio in sito La delicata situazione economica ed ambientale che sta attraversando il mondo industrializzato ha richiesto lo sviluppo di tecniche di costruzione e manutenzione che permettessero il progresso delle attività ingegneristiche pur preservando al meglio le risorse naturali. In aggiunta, la crescente sensibilità pubblica verso temi ambientali ha senza dubbio stimolato enti ed aziende ad investimenti tecnologici rivolti all esecuzione di opere a basso impatto ambientale. In campo stradale, le tecniche di produzione a freddo di miscele per la sovrastruttura stradale, ed a maggior ragione, il riciclaggio a freddo, sembrano aver colto integralmente le richieste che vengono dalle esigenze economico-sociali [1]. Le miscele prodotte a freddo fanno uso di una combinazione di legati, tipicamente del cemento e del bitume introdotto sotto forma di emulsione o di schiuma. Proprio il diverso modo di inserimento del bitume nella miscela fa si che non sia necessario il preriscaldamento degli inerti [2]. In particolare la produzione di conglomerato bituminoso a freddo si contraddistingue dal processo tradizionale a caldo per le seguenti fondamentali differenze [3]: la completa rimozione della fase di riscaldamento degli inerti comportando un ambiente di lavoro più sicuro, un notevole abbattimento dell energia di processo e la quasi totale 1

2 eliminazione delle emissioni in atmosfera. A differenza del processo tradizionale, il quale opera a temperature elevate per rendere fluido il bitume e quindi lavorabile l impasto, il processo a freddo prevede l impiego del bitume sotto forma di emulsione o di schiuma permettendo pertanto di operare a temperatura ambiente. l impasto di miscele con materiali di recupero fino al 100%, a fronte di un livello massimo del 30% per i processi di riciclaggio a caldo. Ciò implica un duplice vantaggio: recuperare grandi quantità di materiale di risulta altrimenti utilizzato in modo estemporaneo ed improprio o destinato a discarica e preservare i preziosi aggregati di cava; la possibilità di eseguire tutte le fasi della lavorazione direttamente in sito con evidenti vantaggi in termini di velocità di esecuzione degli interventi e di riduzione dei trasporti da e verso il cantiere. La riduzione del trasporto materiali giova non solo all economia dell opera ma permette anche un inserimento del cantiere nel contesto circostante meno traumatico e di ridurre al minimo il tempo che intercorre tra la miscelazione ed il costipamento del materiale. Sulla base di tali presupposti, la tecnica del riciclaggio a freddo in sito, ovvero quando la miscelazione degli aggregati con i leganti avviene in sito e senza alcun tipo di riscaldamento, consente notevoli vantaggi sia dal punto di vista ambientale che economico e tecnico [4]. La lavorazione in sito fa uso del cosiddetto treno di riciclaggio che è usualmente composto da una macchina spandicemento, un autobotte per l acqua, un autobotte per il bitume (o emulsione), una macchina riciclatrice (pulvimixer), una livellatrice, un rullo monotamburo vibrante e un rullo gommato. Il treno di riciclaggio permette di eseguire simultaneamente e direttamente in cantiere le operazioni di fresatura, miscelazione, compattazione e finitura dello strato. La struttura granulare della miscela può essere costituita da fresato di conglomerato bituminoso, aggregati di riciclo o aggregati di primo impiego. A causa della possibile variabilità degli spessori e dei materiali presenti nella vecchia pavimentazione, potrebbe essere necessario apportare opportune integrazioni granulari stendendo una selezionata pezzatura prima del passaggio del pulvimixer. Occorre precisare che seppur la superficie finale dello strato, spianato con la livellatrice, difficilmente potrà avere una precisione di quote, pendenze e regolarità pari a quella realizzata con la vibrofinitrice, tale aspetto risulta meno rilevante per strati di sottobase o di base. D altra parte con il pulvimixer, potendo sovrapporre di cm la fascia di trattamento a quella realizzata in precedenza, di fatto si eliminano i giunti sia longitudinali che trasversali a favore della continuità strutturale. La lavorazione in sito può prevedere diverse profondità di azione da tarare a seconda della funzione che avrà il nuovo strato e delle proprietà residue della pavimentazione stessa. Quando la capacità portate degli strati di fondazione e sottofondo è ancora buona allora si punta alla formazione di uno strato di base flessibile e resistente a fatica. In questo caso vengono usualmente impiegati cemento 32,5 N (1,5 2,0%) ed emulsione sovrastabilizzata di bitume modificato (3,5 4,5%), in modo da ottenere un materiale con un comportamento reologico paragonabile ad un conglomerato bituminoso tradizionale. L impiego di un emulsione ad alte prestazioni spesso permette di compensare ad eventuali eterogeneità o carenze strutturali dei materiali granulari coinvolti. Per tale motivo è importante che l emulsione venga prodotta in un sistema controllato e certificato sulla base di specifiche direttive dipendenti dalle caratteristiche fisico-chimiche del bitume di origine e dell agente modificante. Occorre precisare che, seppure tale lavorazione si presta bene per strati di base della viabilità secondaria, per opere autostradali la produzione in impianto è ancora preferibile. Se invece occorre migliorare e rinforzare la pavimentazione partendo dagli strati sottostanti allora la fresatura e miscelazione vanno ad interessare gli strati profondi. In questo caso a seconda dei dosaggi di cemento e bitume si possono creare miscele ibride tanto più vicine al misto cementato o al conglomerato bituminoso in funzione del legante dominante. Il rapporto bitume/cemento decresce e tipicamente si impiegano 2,0 2,5% di cemento 32,5 N e 3,0 3,5% di emulsione 2

3 sovrastabilizzata di bitume distillato. Qualora si impieghi il bitume schiumato, per via della diversa modalità di dispersione (piccoli frammenti) nella miscela, il dosaggio varia tra il 3,0 ed il 3,5% [5]. In definitiva, il riciclaggio a freddo in sito si inquadra particolarmente bene all interno dei piani di manutenzione degli enti gestori delle reti stradali volti al recupero permanente dell infrastruttura massimizzandone l efficacia economica e la sostenibilità ambientale [6, 7, 8]. Specialmente in questo particolare momento critico segnato da scarsità di risorse da parte delle amministrazioni pubbliche, una produzione veloce che permetta di evitare spese di smaltimento, trasporto, stoccaggio del fresato (Cer ) e di ridurre al minimo l acquisto di aggregati vergini, rappresenta senza dubbio una scelta di primario interesse [9]. Occorre inoltre aggiungere che grazie ad opportuni studi di mix design e alle migliorie apportate dai leganti di ultima generazione, i benefici sopraesposti sono raggiungibili senza sacrificare le prestazioni meccaniche, ma anzi mantenendo estrema versatilità nella produzione di miscele. Indagine preliminare della zona di intervento La S.P. 18 Jesi-Monterado, per le sue condizioni geometriche, di traffico e costruttive, rappresenta e riporta problematiche comuni alla maggior parte delle strade facenti parte della viabilità secondaria italiana. Prima di decidere il tipo di intervento di manutenzione è stata eseguita una stima di traffico e la valutazione dei dissesti tenendo in considerazione vari fattori tra cui l integrità strutturale, la capacità portante e la tessitura superficiale. Le indagini di traffico hanno mostrato picchi di circa 250 veicoli/ora tra le 8.00 e le 9.00 e tra le e le Il flusso veicolare consiste principalmente in traffico pendolare con volume di circa veicoli/giorno con il 5% di veicoli commerciali. La condizione strutturale e funzionale della pavimentazione è stata stimata con il rilievo e l analisi dei dissesti tramite la determinazione del pavement condition index (PCI) [10]. Il PCI risultate dalle unità campione è stato al massimo 30 decretando una condizione povera o molto povera della sovrastruttura. Il degrado era omogeneo con predominanza di deterioramento da traffico con danni associati al ripetersi dei carichi come fessurazioni a fatica e levigatura degli aggregati. Tuttavia la presenza di fessurazioni di bordo ed alcuni avvallamenti indicavano anche un indebolimento dovuto all azione deleteria dell acqua sugli strati portanti. L analisi del tipo e della severità dei degradi hanno suggerito una strategia di manutenzione che permettesse il ripristino strutturale e superficiale della pavimentazione con prospettiva di vita utile di 20 anni. Con il fine di operare una soluzione permanente che garantisse un esecuzione rapida, a basso impatto socio-ambientale ed economicamente vantaggiosa, la scelta più opportuna è risultata il riciclaggio a freddo in sito con cemento ed emulsione di bitume modificato SBS tipo RIGEVAL. Operazioni di ricostruzione La pavimentazione originale era caratterizzata da 8 cm di conglomerate bituminoso e da 30 cm di misto granulare di fondazione. Il nuovo dimensionamento prevedeva una sovrastruttura costituita da 8 cm di conglomerato bituminoso a caldo, 15 cm di conglomerato bituminoso riciclato a freddo in sito e dalla restante fondazione granulare (figura 1). Vecchia pavientazione Conglomerato bituminoso: 8 cm Fondazione granulare: 30 cm Nuova pavimentazione Usura: 3 cm Binder: 5 cm Conglomerato bituminoso riciclato a freddo: 15 cm Fondazione granulare: 18 cm Figura 1. Paragone tra vecchia e nuova pavimentazione I lavori di ricostruzione sono stati i seguenti: 3

4 fresatura di 5 cm del vecchio conglomerato bituminoso; stesa del cemento (2% sul peso aggregati) con equipaggiamento volumetrico. A seguire fresatura e miscelazione in sito con emulsione di bitume modificato (4% sul peso aggregati). Il riciclaggio coinvolgeva materiale fino alla profondità di 20 cm della quota di origine includendo pertanto 3 cm di rimanente conglomerato bituminoso e 12 cm di vecchia fondazione (figura 2). compattazione subito dopo il passaggio del pulvimixer con rullo ferro gomma da 20 ton e rullo gommato da 25 ton. A seguire livellatura con motorgrader e ancora compattazione di finitura con rullo gommato da 25 ton. stesa e compattazione dello strato di binder di 5 cm e uno strato di usura d 3 cm, entrambe in conglomerato bituminoso tradizionale. Figura 2. Operazioni di riciclaggio a freddo in sito sulla S.P. 18 I materiali Gli aggregati di riciclo sono stati campionati durante le operazioni di riciclaggio. In particolare la procedura di fresatura forniva una miscela con circa il 20% di conglomerato bituminoso di recupero e il restante 80% di materiale granulare sciolto (vecchia fondazione). La granulometria finale della miscela riciclata è risultata idonea alle operazioni di riciclaggio a freddo in sito con emulsione (P 0,063mm =2,5%; P 2mm =35%; D max =20 mm). Per ottenere una miscela riciclata con buone proprietà elastiche, è stata selezionata una emulsione sovrastabilizzata di bitume modificato con polimeri SBS tipo RIGEVAL classificata C 60 BP 6 (tabella 1). L emulsione agisce come lubrificante durante il processo di compattazione favorendo l addesamento dei grani e raggiunge la propria rottura, ovvero la separazione del bitume dall acqua, solo ad operazioni concluse. La speciale formula con cui l emulsione era progettata permetteva l impasto di fini calcarei e del cemento senza pregiudicare la stabilità della miscela. Le alte prestazioni garantite dalla modifica polimerica consento inoltre di ovviare ad eventuali eterogeneità o carenze strutturali dovute al materiali granulare riciclato. Il cemento usato era di tipo II/B-LL 32,5 R (EN 197-1) con funzione principale di accelerare il processo di maturazione e controllare la rottura dell emulsione. Caratteristiche dell emulsione Parametro tecnico Norma di riferimento Valore riscontrato Contenuto di bitume [%] UNI EN Omogeneità [%] UNI EN ,1 Sedimentazione a 7 giorni [%] UNI EN ph UNI EN Indice di rottura [%] UNI EN Stabilità al cemento [g] UNI EN ,2 Caratteristiche del bitume estratto Parametro tecnico Norma di riferimento Valore riscontrato Penetrazione [dmm] UNI EN

5 Punto di rammollimento [ C] UNI EN Punto di rottura Fraass [ C] UNI EN Ritorno elastico [%] UNI EN Tabella 1: Emulsione di bitume modificato RIGEVAL per il riciclaggio in sito Valutazione meccanica delle carote estratte dopo nove mesi di traffico La figura 3 riassume le caratteristiche meccaniche medie delle carote estratte dopo nove mesi di traffico a confronto con le prestazioni dei provini della miscela di progetto. In analogia ad un conglomerato bituminoso tradizionale, dalla figura 3a) è possibile notare il comportamento termodipendente delle miscele riciclate. Dalla stessa figura si deduce che dopo nove mesi di traffico le carote estratte soddisfano pienamente i requisiti di progetto mostrando valori di modulo di rigidezza addirittura superiori a quelli di progetto a tutte le temperature di prova. La figura 3b) mostra invece le prestazioni a fatica offerte dalle carote estratte a paragone con i riferimenti di progetto. Le curve di fatica delle due miscele sembrano sovrapporsi decretando un comportamento delle carote attinente alle prerogative di progetto. ITSM [MPa] ITSM = -81,17T R² = 0,976 ITSM = -80,65T R² = 0,977 Deformazione [microstrain] ε = N R 2 = ε = N R² = Carote estratte Provini di progetto Carote estratte Provini di progetto a) Temperatura [ C] b) Cicli di carico Figura 3: Carote estratte a confronto con miscela di progetto: a) modulo di rigidezza; b) curva di fatica Conclusioni Lo scenario della rete viaria secondaria italiana non si presenta di certo in un ottimo stato e le scarse risorse economiche a disposizione degli enti gestori e delle pubbliche amministrazioni richiedono sempre più interventi mirati ed economicamente efficaci. In questi momenti delicati dal punto di vista ambientale e di crisi economica-finanziaria sia il settore della ricerca che quello tecnico devono convergere su soluzioni ingegneristiche a basso impatto ambientale e a costi sostenibili. Il riciclaggio a freddo in sito risulta una tecnica estremamente utile per opere di ripristino permanente di strade seriamente ammalorate. Tale tecnica, a paragone con quella tradizionale, offre numerosi vantaggi ambientali, tecnico-logistici ed economici. Notevoli benefici ambientali sono da ricondurre al metodo di produzione a freddo. Eliminando la fase di riscaldamento degli inerti, si abbatte nettamente il consumo energetico di processo e le emissioni in atmosfera. Inoltre concentrando le fase di fresatura, miscelazione, stesa, compattazione e finitura in un unico atto in sito, questa tecnica permette di ottimizzare le tempistiche di cantiere, ridurre al minimo il trasporto di movimentazione materiali, recuperare grandi quantità di materiale di risulta preservando gli aggregati naturali e moderare il disagio all utenza per le cantierizzazioni. Dal punto di vista meccanico la tecnica è estremamente versatile in quanto lo studio della combinazione dei leganti, tipicamente cemento e bitume, permette la produzione di una vasta gamma di materiali che, a seconda del legante dominante, possono assolvere a funzioni portanti o di resistenza a fatica. Occorre precisare che ricerca e migliorie tecnologiche nel campo dei leganti hanno permesso la progettazione di leganti ad alte prestazioni capaci di sopperire ad eventuali carenze della struttura granulare. 5

6 L esperienza riportata da un applicazione del riciclaggio a freddo in sito su una strada provinciale che rappresenta la gran parte della viabilità secondaria italiana offre ottime prospettive al fine di interventi di manutenzioni durevoli, economicamente sostenibili e a basso impatto ambientale. Ringraziamenti Gli autori desiderano ringraziare la Valli Zabban S.p.A. per il supporto tecnico del Laboratorio Mobile Stradale durante la fase esecutiva. Bibliografia [1] Asphalt Recycling & Reclaiming Association. Basic Asphalt Recycling Manual. PUB:NHIO1-022, ARRA; [2] Asphalt Academy. Technical guideline: bitumen stabilised materials. Technical Guide TG2, second edition; [3] Bocci M., Grilli A., Riciclaggio degli strati superiori della pavimentazione stradale Recycling the top layers of road pavement, Brenner Congress VIATEC, Bolzano, marzo, [4] Bocci M, Canestrari F, Grilli A, Pasquini E, Lioi D. Environmental Issues related to the Widening of an High Traffic Volume Highway. International Journal of Pavement Research and Technology, vol. 4, pp , [5] Santagata FA, Bocci M, Grilli A, Cardone F. Rehabilitation of an Italian Highway by Cold In-Place Recycling Techniques. In Proceedings of 7th International RILEM Symposium on Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials, Rhodes, Greece; [6] Lewis AJN, Collings DC. Cold in Place Recycling: A Relevant Process for Road Rehabilitation and Upgrading. In Proceedings of 7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa, CAPSA, Victoria Falls, Zimbabwe; [7] Mallick RB, Kandhal PS, Brown ER, Teto MR, Bradbury RL, Kearney EJ. Development of a rational mix design system for full depth reclamation. In: Proceedings of the annual meeting of Asphalt Paving Technologists; [8] Bocci M., Grilli A., Cardone F., Graziani A. A study on the mechanical behaviour of cement-bitumen stabilised materials. Construction and Building Materials, Volume 25, Issue 2, February 2011, Pages [9] Bocci M., Grilli A., Il riciclaggio a freddo sulla viabilità provinciale di Ancona, Strade & Autostrade, fascicolo n 6, Novembre/Dicembre, [10] Pavement maintenance management. Technical manual No , Department of the army, Washington, DC