Stabilizzazione IL RICICLAGGIO A FREDDO. Nella presente memoria vengono illustrate le varie fasi della sperimentazione

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1 Nel tratto Ancona Sud-Porto Sant Elpidio, le fasi della sperimentazione per la messa a punto della miscela, del tipo e della quantità di legante, nonché dell idoneità delle varie macchine di cantiere e delle modalità operative più appropriate Figura 1 IL RICICLAGGIO A FREDDO PER L AMPLIAMENTO ALLA TERZA CORSIA DELL AUTOSTRADA A14 Maurizio Bocci* Andrea Grilli** Pierpaolo Riviera*** Franco Tolentino**** Sergio Paglione***** Asfalti & Bitumi Nella presente memoria vengono illustrate le varie fasi della sperimentazione in vera grandezza (campi prova) che hanno consentito di mettere a punto la miscela, individuare tipo e quantità di legante, ma anche di verificare l idoneità delle varie macchine di cantiere e di definire le modalità operative più appropriate. La stabilizzazione con il bitume schiumato La tecnica del bitume schiumato (Jenkins et al.; 1999, Smith, 1999; Raffaelli, 2004; Loizos, 2007) si basa su processi fisico-chimici legati alla natura e allo stato fisico del bitume e dell acqua. Quando l acqua a temperatura ambiente entra in contatto con il bitume caldo (T = C), per effetto della conduzione del calore, si scalda fino a diventare vapore e quindi passa dallo stato liquido allo stato gassoso. Le bolle di vapore coperte da una pellicola di bitume generano lo stato schiumoso che, per materiali idonei a questa tecnica, porta a un incremento del volume iniziale del bitume di oltre 20 volte. Quando le bolle scoppiano, a causa dell instabilità della massa schiumosa, i frammenti di bitume si disperdono tra gli aggregati lapidei e aderiscono alla frazione fina creando una malta che lega gli elementi più grossi. Nell ambito dei lavori di Ampliamento alla terza corsia tra Rimini Nord e Pedaso - tratto Ancona Sud-Porto Sant Elpidio, attualmente in fase avanzata di realizzazione, vengono adottate varie tecniche di riciclaggio che consentono il pressoché totale reimpiego dei materiali provenienti dagli scavi e dalle demolizioni. Per gli allargamenti del corpo stradale in rilevato sono utilizzate le terre provenienti dagli scavi, opportunamente trattate con calce (in alcuni casi con calce e cemento), per lo più fuori opera, ovvero direttamente in sito. I materiali residui delle demolizioni di opere in calcestruzzo (muri di sostegno, piccoli manufatti, ecc.), sono impiegati, dopo la frantumazione e la vagliatura, per la confezione di misti cementati. Parte del fresato della pavimentazione esistente viene inserito nella confezione dei nuovi conglomerati bituminosi a caldo. Oltre questi, l intervento di riciclaggio più consistente e tecnicamente più innovativo è rappresentato dalla realizzazione dello strato di sottobase con una miscela totalmente riciclata, stabilizzata con cemento e bitume schiumato. Attualmente questa metodologia è ampiamente diffusa anche grazie all introduzione di una macchina (stabilizzatrice/riciclatrice) che permette il confezionamento e la miscelazione del bitume schiumato con gli aggregati in un unico processo produttivo direttamente in cantiere. La lavorazione in sito prevede l impiego di un treno di riciclaggio composto da una spanditrice di cemento, una autobotte per l acqua, una autobotte per il bitume e una macchina riciclatrice che genera la schiuma di bitume e la miscela con gli aggregati. L impiego del bitume, rispetto allo stesso materiale trattato con il solo cemento, consente di ottenere uno strato relativamente flessibile e una minore sensibilità all azione deleteria dell acqua. Inoltre la miscela stabilizzata con il bitume schiumato e una piccola percentuale di cemento (1,5 2,0%) non è soggetta al fenomeno della fessurazione da ritiro tipica dei materiali trattati con solo cemento. La superficie realizzata può essere immediatamente aperta al traffico, tuttavia, considerato che durante la fase di maturazione continua ad aumentare la resistenza del materiale, è buona norma non parcheggiare veicoli pesanti, in particolare i rulli, sullo strato appena completato. 1

2 In alternativa al bitume schiumato, il legante bituminoso può essere inserito nella stessa miscela sotto forma di emulsione bituminosa. Le operazioni sono del tutto analoghe con la sola accortezza di valutare attentamente il contenuto totale di liquido (umidità degli aggregati lapidei + emulsione bituminosa + acqua aggiunta) che non deve superare l umidità ottima di costipamento o più esattamente il contenuto ottimale di liquido. Qualora il materiale da trattare risultasse eccessivamente umido, si deve escludere la possibilità di diminuire la quantità di emulsione (per evitare la conseguente carenza di legante bituminoso nella miscela), oppure di aumentare il dosaggio del cemento che comporterebbe un incremento della rigidezza. Eventualmente, per accelerare l evaporazione dell acqua in eccesso, è consigliabile procedere mediante una preventiva passata del pulvimixer in modo da far aerare meglio il materiale scoperto fino al raggiungimento dell umidità ottima. E importante che l emulsione sia tagliata su misura cioè adeguata ai materiali e alle modalità operative. Infatti quando l emulsione si rompe, il bitume si separa dalla sospensione acquosa e la viscosità del liquido aumenta in modo significativo. Le singole particelle del materiale riciclato vengono ricoperte da una sottile pellicola di bitume freddo e viscoso che rende più difficile il costipamento del materiale da stabilizzare. Perciò, per una buona riuscita del trattamento, sono necessarie emulsioni sovrastabilizzate cioè a rottura molta lenta (oltre un ora dalla miscelazione) che dovrebbe avvenire solo dopo o durante la fase di costipamento. Rispetto alla tecnica del bitume schiumato, l impiego di emulsione bituminosa sovrastabilizzata offre alcuni vantaggi sia dal punto di vista tecnico che della sicurezza di cantiere. Intanto non richiede il riscaldamento del legante, oltre i 160 C, evitando rischi per gli addetti. L emulsione sovrastabilizzata, grazie ai tempi di rottura molto lunghi, consente di gestire con maggiore margine temporale le fasi di livellamento e compattazione senza pregiudicare la buona riuscita del trattamento. Con il bitume schiumato la temperatura troppo bassa del bitume, qualunque sia la causa, comporta il rifiuto del legante e quindi il ritorno dell autobotte (anche parzialmente utilizzata) al luogo di carico. Nella stabilizzazione con bitume schiumato, o con emulsione bituminosa, il legante bituminoso non ricopre tutti i granuli come nel caso dei conglomerati bituminosi, ma si disperde fra le particelle fini andando a Figura 2 - Lo schema del comportamento dei materiali impiegati nelle pavimentazioni stradali formare un mastice che lega i granuli più grandi. Da questo deriva anche la colorazione chiara della miscela, completamente diversa dal colore nero tipico dei conglomerati bituminosi caldi o freddi. Va ancora evidenziato che la tecnica di stabilizzazione con bitume schiumato (o emulsione bituminosa) consente l utilizzo di un ampia gamma di aggregati lapidei (naturali o di riciclo) senza rigide prescrizioni granulometriche. In tal senso si possono impiegare notevoli quantità di fresato di conglomerato bituminoso (fino al 75% della massa degli aggregati lapidei), l eventuale materiale granulare delle vecchie fondazioni stradali (da minime quantità fino al 100%), materiali di riciclo del settore edile, ovvero materiali di primo impiego fino al 100%. Sulla base di un ampia ricerca sperimentale e di applicazioni reali si possono dedurre delle linee guida per identificare e comprendere meglio il comportamento del materiale in funzione del quantitativo e del dosaggio di legante impiegato, così come mostrato in Figura 2. A parità di contenuto di bitume, all aumentare del dosaggio di cemento cresce la rigidezza della miscela, mentre, a parità di contenuto di cemento, incrementando il dosaggio di bitume si tende verso una miscela sempre più flessibile. La terza corsia dell Autostrada A14 Il progetto della terza corsia dell Autostrada A14 prevede la totale fresatura dei conglomerati bituminosi della attuale corsia di emergenza e la successiva nuova pavimentazione delle corsie di marcia (coincidente con la vecchia emergenza) ed emergenza (nuova corsia sul corpo stradale allargato) con 30 cm di miscela stabilizzata a cemento e bitume schiumato (sottobase), 20 cm di base in conglomerato bituminoso, 5 cm di binder e 4 cm di tappeto di usura drenante, per uno spessore complessivo di 59 cm. Dovendo demolire (fresare) circa 30 cm di conglomerati bituminosi della attuale corsia di emergenza e realizzare un uguale spessore di 30 cm di sottobase con bitume schiumato, sulla nuova corsia di emergenza, la soluzione più semplice sarebbe stata quella di allocare tutto il fresato sulla nuova corsia. Scelta che avrebbe garantito anche di raggiungere quasi perfettamente le quote di progetto di entrambe le corsie. Successivamente si sarebbe potuto procedere con la stabilizzazione mediante cemento e bitume schiumato su tutta la larghezza (due corsie affiancate). Adottare questa procedura avrebbe però portato ad avere miscele di aggregati completamente diverse sulle due corsie: tutto conglomerato bituminoso fresato sulla nuova emergenza, tutto materiale bianco (non bitumato) sulla nuova marcia lenta, costituito dal misto cementato e dalla fondazione in misto granulare presenti sotto quota 30 cm (sotto i conglomerati fresati della attuale corsia di emergenza). La tecnica di stabilizzazione con bitume schiumato non pone limiti molto rigidi alla natura e alla granulometria della miscela di inerti, ma sulla base delle esperienze maturate viene sconsigliato l impiego di fresato oltre il 75% della massa degli aggregati. Nel caso specifico ci si è orientati verso il 50% di fresato e il 50% di materiali bianchi non bitumati, da ottenere distribuendo il fresato su entrambe le corsie e integrandolo con parte del misto cementato e del misto granulare della vecchia corsia di emergenza in evidente eccesso di quota. Per realizzare tale tipo di miscelazione è stato necessario organizzare fresature articolate in modo da poter prelevare i materiali bianchi sotto i conglomerati bituminosi della vecchia emergenza, distribuirli sulla nuova emergenza insieme a una equivalente quota di fresato, allocare al posto dei bianchi (sulla vecchia emergenza) un corrispondente volume di fresato (accantonato su un lato e successivamente riportato con la stessa fresa sulla corsia di prelievo). 2

3 Prima del trattamento con bitume schiumato la miscela di aggregati viene livellata con il grader fino a ottenere un piano regolare, con la giusta pendenza verso la scarpata esterna, e compattata con rullo vibrante per agevolare il passaggio del treno di stabilizzazione. Vengono quindi verificate le quote tenendo conto sia dell aumento di volume conseguente all aggiunta dei leganti, sia degli effetti della compattazione finale. Nonostante la procedura possa sembrare assai complicata, la soluzione adottata consente di realizzare, in un unica fase, l intero strato di sottobase delle due corsie (marcia lenta e emergenza), evitando la formazione del giunto longitudinale e senza alcuna movimentazione di materiale, ma solo con lo spostamento laterale. Va evidenziato che l allontanamento del fresato e la sua sostituzione con materiale di cava, in questa particolare situazione (cantiere stretto e molto lungo con accessi limitati), avrebbe comportato una consistente circolazione di mezzi pesanti dentro e fuori il cantiere. L avere trovato una soluzione che consente di riciclare totalmente il conglomerato della vecchia corsia di emergenza porta evidenti benefici ambientali: minori materiali da conferire in discarica, riduzione del prelievo da cave, minore consumo di carburante per il trasporto dei materiali, minore inquinamento acustico e atmosferico, riduzione del rischio di incidenti stradali. A questo deve essere aggiunta la maggiore sicurezza per i lavoratori all interno del cantiere e la riduzione dei tempi di lavorazione. I campi prova Al fine di individuare la sequenza delle fasi operative, di ottimizzare i dosaggi dei leganti e di verificare l idoneità delle varie macchine di cantiere, necessarie per questo tipo di lavorazione, è stata realizzata una sperimentazione in vera grandezza (campo prova). In realtà sono stati approntati due diversi campi prova in modo da mettere a confronto la tecnica di stabilizzazione con bitume schiumato e quella con emulsione bituminosa sovrastabilizzata, sia in termini prestazionali, che per le modalità operative e gestionali del cantiere. Figura 3 - La fresatura della vecchia corsia di emergenza Il campo prova n 1: stabilizzazione con cemento ed emulsione bituminosa Il primo campo prova è stato realizzato nei giorni 21 e 22 Novembre 2007, in un tratto di 200 m, tra le sezioni 274 e 268 su una larghezza di circa 7 m, comprendente le future corsie di marcia lenta e di emergenza. La prima fase dei lavori è stata dedicata alla preparazione della miscela di aggregati da trattare. Attraverso fresature sulla vecchia corsia di emergenza, articolate per posizione, larghezza e profondità (Figura 3), è stato possibile creare uno strato uniforme di 30 cm, su tutta la larghezza (7 m), costituito per circa il 50% da fresato nero e per il resto da fresato bianco. La miscela è stata quindi livellata e compattata per consentire il passaggio del treno di riciclaggio. La superficie così ottenuta è stata suddivisa in quattro zone in modo da poter combinare due dosaggi di cemento tipo II/B-LL 32,5 R (2,0% e 2,5%) e due dosaggi di emulsione cationica sovrastabilizzata (2,5% e 3,0%). Per evitare di dover demolire parte del campo prova, i minori dosaggi di cemento (2,0%) sono stati applicati sulla futura corsia di emergenza considerando che sarà certamente quella meno sollecitata dal traffico. Le caratteristiche dell emulsione impiegata sono riportate in Tabella 1. I quantitativi di cemento ed emulsione da applicare per ogni metro quadrato di stesa sono stati calcolati sulla base della densità dopo costipamento (stimata, con riferimento a esperienze precedenti, in 2,25 t/m 3 ), dello spessore dello strato da trattare (30 cm) e delle rispettive percentuali di impiego. Sulla base dei dosaggi previsti per le zone in cui è stato suddiviso il campo prova si è proceduto alla stesa del cemento mediante apposito automezzo attrezzato con dosatori volumetrici. Valutata l umidità del materiale da trattare (dietro la macchina stabilizzatrice, dopo i primi 10 m di miscelazione) è stata esclusa la necessità di impiegare la botte dell acqua non risultando necessaria l integrazione della fase fluida (umidità del materiale + emulsione aggiunta). Il treno di riciclaggio è stato pertanto formato solo dalla botte dell emulsione e dalla macchina stabilizzatrice (pulvimixer). La temperatura rilevata dell emulsione è stata di 50 C. Dopo un solo passaggio di pulvimixer il materiale è risultato ben miscelato con i due leganti. I grumi di fresato, anche quelli più grandi sono apparsi perfettamente disgregati, mentre gli aggregati lapidei non sono stati frantumati se non in minima parte e solo parzialmente. Il treno di riciclaggio ha effettuato il suo primo passaggio su una fascia di circa 2,00 m (Figura 4) con affiancamento sul lato destro (verso il centro della strada) per tutta la lunghezza (circa 200 m) del campo prova, per poi ritornare al punto di partenza in retromarcia. Caratteristiche Metodo di prova Range valori Valori tipici Contenuto di acqua EN ±2% 40% Contenuto di legante EN ±2% 60% Omogeneità EN 1429 max 0,2% 0,10% Sedimentazione a 7gg EN max 10% 8% ph (grado di acidità) EN Cement mix EN < 2 < 2 Bitume estratto EN 1431 Penetrazione a 25 C EN dmm 70 dmm Punto di rammollimento EN C 50 C Punto di rottura (Fraass) EN C 10 C Temperatura di impiego 5 80 C - Tabella 1 - Le caratteristiche dell emulsione sovrastabilizzata 3

4 Anche in questo caso, per evitare di dover demolire parte del campo prova, i minori dosaggi di cemento (1,5% e 1,75%) sono stati applicati sulla futura corsia di emergenza considerando che sarà certamente quella meno sollecitata dal traffico. Il bitume impiegato è un bitume distillato additivato con prodotti chimici per aumentare le caratteristiche di schiumosità: rapporto di espansione, tempo di semitrasformazione (Tabella 2). Il cemento, sempre del tipo II/B-LL 32,5 R, è stato steso mediante apposito automezzo a dosaggio volumetrico. Figura 4 - La miscelazione con macchina stabilizzatrice/riciclatrice Questo perché il tipo di cantiere non consente l inversione di marcia della botte con l emulsione (o con il bitume da schiumare); pertanto si deve entrare in cantiere nella direzione di marcia della adiacente carreggiata autostradale e operare solo in quella direzione. Subito dietro alla macchina stabilizzatrice, per ogni fascia trattata, è stato operato un primo costipamento mediante quattro passate (due di andata e due di ritorno) di rullo liscio, monotamburo, vibrante. Questo per omogeneizzare l addensamento della miscela rispetto a quello prodotto dalle ruote della macchina stabilizzatrice. Dopo la miscelazione e il primo costipamento su entrambe le corsie si è proceduto allo spianamento e alla formazione della pendenza trasversale mediante livellatrice equipaggiata con sistema laser. E seguita la fase di compattazione con impiego di un rullo vibrante liscio monotamburo del peso di 20 t e di un rullo gommato con sette pneumatici del peso complessivo (zavorrato) di 25 t. Il rullo vibrante ha eseguito su ogni fascia sei passate (tra andata e ritorno) con sovrapposizione di circa 25 cm, mentre il rullo gommato ha effettuato 12 passate (tra andata e ritorno). Al termine del costipamento, non essendo prevista a breve la stesa del sovrastante strato di conglomerato bituminoso (base), per proteggere il materiale trattato dagli eventi atmosferici, sul piano finito è stata spruzzata emulsione bituminosa in quantità pari a 1,5 kg/ m², saturata con graniglia 7/12. Il campo prova n 2: stabilizzazione con cemento e bitume schiumato Il secondo campo prova è stato realizzato nei giorni 28 e 29 Novembre 2007, sempre in un tratto di circa 200 m, per una larghezza di circa 7 m, comprendente le future corsie di marcia lenta e di emergenza, tra le sezioni 244 e 236. Per la preparazione dello strato da trattare si è proceduto con le stesse modalità operative del primo campo prova. Dopo la rullatura, la superficie è stata suddivisa in sei zone (due sulla corsia di marcia, quattro sulla corsia di emergenza), in modo da poter combinare tre dosaggi di cemento (1,5%, 1,75% e 2,0%) e due dosaggi di bitume schiumato (2,5% e 3,0%). Caratteristiche Metodo di prova Range valori Valori tipici Penetrazione a 25 C EN dmm 90 dmm Punto di rammollimento EN 1427 > 35 C 45 C Viscosità dinamica a 160 C EN < 0,20 Pa s 0,13 Parametri prestazionali medi Volume di schiumatura con % di acqua = 3 Volume Tempo di semitrasformazione Secondi Condizioni operative Intervallo della Temperatura di impiego C Temperatura ottimale di impiego 175 C Tabella 2 - Le caratteristiche del bitume ad alta schiumosità A prescindere dall umidità del materiale da trattare, nel secondo campo prova il treno di riciclaggio è stato formato dalla macchina stabilizzatrice, dalla botte del bitume e dalla botte dell acqua indispensabile per schiumare il bitume. La temperatura del bitume è risultata essere di 165 C. Le operazioni di spianamento e compattazione sono state le stesse già descritte per il primo campo prova. I risultati delle prove eseguite Durante la realizzazione dei due campi prova, grazie alla presenza in cantiere di un laboratorio mobile e, successivamente in laboratorio fisso, sono state eseguite prove per valutare l accettabilità delle lavorazioni, definire i dosaggi ottimali dei leganti ed esprimere anche un giudizio sulla possibilità di impiegare emulsione bituminosa sovrastabilizzata in alternativa al bitume schiumato. Innanzitutto è stata verificata la granulometria della miscela da stabilizzare prelevando campioni sulle due corsie (futura marcia lenta e futura emergenza) dopo un passaggio del pulvimixer senza l immissione dei leganti. Le curve granulometriche sono risultate diverse tra loro (per le difficoltà di realizzare una miscelazione costante dei due componenti, ma anche per le disomogeneità dei materiali da riciclare) ma sempre all interno del fuso previsto dal Capitolato. Sono stati quindi confezionati in cantiere provini con la pressa giratoria che hanno consentito di ricavare importanti indicazioni sui livelli di addensamento e sull umidità ottima di costipamento. Sia con il trattamento a emulsione che con il bitume schiumato sono stati raggiunti i risultati migliori in corrispondenza di valori di umidità del 5 6%. 4

5 Considerato il diverso apporto di acqua legato ai due diversi metodi di lavorazione, per non pregiudicare la buona resa del trattamento, si è ritenuto che il materiale da stabilizzare non dovesse avere umidità superiore al 4 5%. In tale senso i lavori sono stati organizzati in modo da evitare che gli aggregati potessero essere bagnati da pioggia o, nell eventualità, si è convenuto di aspettare un tempo adeguato per farli asciugare, prima dell inizio dei lavori, fino a livelli di umidità accettabili. Tabella 3 - I valori di medi del modulo elastico (campo prova n 1) Il modulo elastico per trazione indiretta I provini compattati in cantiere con la pressa giratoria del laboratorio mobile sono stati conservati in ambiente saturo di umidità e temperatura costante di 25 C. Successivamente, a differenti tempi di maturazione, sono state eseguite prove di modulo, in configurazione di trazione indiretta con il NAT (Nottingham Asphalt Tester), presso il Laboratorio di Strade e Trasporti dell Università Politecnica delle Marche (Ancona). Le prove di modulo sono state eseguite sugli stessi provini, essendo la procedura di tipo non distruttivo, con sollecitazioni che restano all interno del proprio campo elastico, e quindi che non provocano al materiale cambiamenti di tipo strutturale o deformativo. I risultati ottenuti dalle prove di modulo a trazione indiretta sono riportati nella Tabella 3 per le miscele con l emulsione (campo prova n 1) e nella Tabella 4 per le miscele con bitume schiumato (campo prova n 2). Dall analisi dei risultati si può rilevare come, già dopo sette giorni di stagionatura, tutti i provini siano caratterizzati da valori di modulo elevati (da circa a MPa) dovuti non solo al buon assortimento granulometrico ma, soprattutto, all azione (in relazione al dosaggio) del cemento. L evoluzione del modulo in funzione della stagionatura evidenzia per quasi tutti i provini un significativo incremento del modulo di circa il 40% (con punte del 60%) da 7 a 28 giorni. Come spiegato in precedenza, valori del modulo elastico molto elevati non devono essere considerati positivamente, visto che l uso del legante bituminoso in aggiunta al cemento dovrebbe ridurre la fragilità e quindi la rigidità tipica dei misti cementati per conferire una certa duttilità e flessibilità. In tal senso i risultati e quindi i dosaggi ritenuti migliori sono quelli evidenziati in verde nelle tabelle 3 e 4. Le prove di fatica Le prove di fatica sono state eseguite in configurazione di trazione indiretta, con il NAT, sugli stessi provini sottoposti in precedenza alle prove di modulo. Considerato che i materiali in studio, indipendentemente dai dosaggi dei leganti impiegati, hanno caratteristiche meccaniche che evolvono in relazione al tempo di maturazione, visto che le prove di fatica sono state necessariamente differenziate nel tempo per problemi tecnici e organizzativi, al fine di conoscere esattamente le caratteristiche meccaniche del singolo provino al momento dell esecuzione della prova di fatica, si è ritenuto opportuno rimisurare i valori di modulo elastico rigorosamente prima di sottoporre il provino stesso a carichi ripetuti. Come già evidenziato sopra, i provini oggetto di studio presentano un ampio range di valori di modulo di rigidezza. Inserendo tali valori in un calcolo strutturale, nel rispetto della teoria del multistrato elastico, appare evidente che, a parità di carico applicato e di condizioni esterne (spessori e moduli degli altri strati componenti la pavimentazione), uno strato di sottobase molto rigido risulta sottoposto a una tensione di trazione elevata, mentre un corrispondente strato meno rigido è soggetto a una tensione di trazione più bassa. Sulla base di questa considerazione si è ritenuto opportuno applicare ai vari provini carichi diversi che inducessero la stessa deformazione iniziale, corrispondente (dopo apposite operazioni di taratura) a 50 µstrain ovvero a un valore paragonabile a quello a cui è soggetto uno strato di fondazione di un pacchetto autostradale. Ovviamente, eseguendo prove a carico imposto, tale valore di deformazione orizzontale (ε t ) è stato adottato per ricavare il carico da applicare al provino durante la prova, tramite la relazione che lega la deformazione, la tensione e il modulo derivanti dalla teoria elastica applicata alla configurazione di trazione indiretta: Tabella 4 - I valori medi del modulo elastico (campo prova n 2) dove: σ t = tensione di trazione lungo il diametro orizzontale espressa in kpa; υ = coefficiente di Poisson; S = il modulo di rigidezza del provino stesso. 5

6 Dalle prove emerge che, per tutti i campioni del primo campo prova (trattamento a cemento ed emulsione), con il suddetto livello tensionale (ε t = 50 µstrain), non è stato possibile raggiungere la completa rottura in un tempo ragionevole (un milione di cicli). Questo primo risultato indica che le miscele trattate con emulsione, almeno per i materiali utilizzati in questo cantiere, hanno un comportamento a fatica migliore rispetto a quelle legate con bitume schiumato. Poiché questa prima serie di prove non ha permesso di stabilire, per le miscele stabilizzate con emulsione e cemento, una scala di valori in funzione dei dosaggi, è stato necessario aumentare il livello di sollecitazione da applicare nelle prove a fatica fino a ottenere una deformazione iniziale di 57 µstrain. Passando quindi a un livello deformativo più elevato è stato possibile apprezzare gli effetti delle differenti combinazioni dei leganti. La Figura 5 riassume graficamente i valori dei cicli di carico medi a rottura per ogni serie di provini in relazione ai rispettivi dosaggi dei leganti. Nel confrontare i risultati occorre tenere presente che i provini trattati con bitume schiumato sono stati sottoposti a una deformazione iniziale di Figura 5 - Il riepilogo prove a carico ripetuto Figura 6 - L influenza della temperatura sul modulo di miscele legate con bitume e cemento L influenza della temperatura A distanza di circa tre mesi, sui provini prelevati dal primo campo prova (trattamento con cemento ed emulsione sovrastabilizzata) sono stati determinati i moduli con apparecchiatura NAT a tre differenti temperature: 5, 20, 35 C. Dai risultati ottenuti (Figura 6) è evidente come il valore del modulo decresca con l incremento della temperatura, comportamento tipico dei materiali legati a bitume. Per evidenziare meglio la termo-dipendenza delle miscele trattate con cemento ed emulsione, i valori di modulo sono stati rappresentati in funzione della temperatura e confrontati con un comune conglomerato bituminoso. Già a prima vista si può facilmente notare che la regressione relativa al conglomerato bituminoso (retta nera) risulta la più pendente a significare la maggiore sensibilità alle variazioni termiche. Tuttavia, anche se in maniera meno accentuata, tutte le miscele trattate con cemento ed emulsione mostrano una diminuzione del valore del modulo con l incremento della temperatura. Per confrontare il comportamento delle miscele in funzione dei dosaggi dei due leganti è stata scelta la pendenza della regressione lineare ricavata dai valori sperimentali (Figura 7). 50 µstrain, mentre quelli trattati con emulsione sovrastabilizzata a 57 µstrain. Dall analisi dei risultati emerge che, a parità di dosaggio di cemento, una miscela più ricca di legante bituminoso (schiumato o emulsione) determina una maggiore resistenza a fatica. La miscela che offre le migliori prestazioni a fatica è la miscela legata con il 3% di emulsione e il 2% di cemento, nonostante sia stata sottoposta ad un livello di sollecitazione più elevato. Figura 7 - La valutazione delle linee di tendenza modulo/temperatura 6

7 A parità di cemento, un più elevato dosaggio di emulsione implica una maggiore sensibilità termica, a parità di emulsione, la maggiore quantità di cemento determina una minore sensibilità termica. Figura 8 - Le misure di modulo tramite FWD Le prove di Falling Weight Deflectometer In corrispondenza dei due campi prova sono state realizzate due campagne di misure con il FWD (Falling Weight Deflectometer), intervallate di circa tre mesi (Figura 8). I risultati, riassunti nei diagrammi successivi consentono di apprezzare l incremento dei valori in relazione al processo di maturazione. Le miscele trattate con emulsione bituminosa (Figura 9) hanno evidenziato valori del modulo prossimi al limite di Capitolato (3.000 MPa) già dopo 21 giorni dal trattamento, con incrementi nei successivi 82 giorni anche superiori al 100%. Il maggiore dosaggio di emulsione (3%), a parità di cemento, incrementa il modulo dopo la maturazione (103 giorni), ma non nel breve periodo. Evidentemente, nei primi giorni, con meno emulsione, è più consistente il contributo legante del cemento (che viene parzialmente inibito dalla presenza dell emulsione). Nel lungo periodo è più marcato il contributo del dosaggio dell emulsione. Le miscele trattate con bitume schiumato (Figura 10), pur mostrando incrementi del modulo del 40%, non raggiungono dopo 90 giorni il valore minimo richiesto di MPa. Considerato che la stessa miscela costipata con pressa giratoria, per tutti i dosaggi indagati, ha sempre fornito nelle prove di laboratorio (eseguite con il NAT) moduli di oltre MPa, è evidente che si sono verificate carenze nel processo di compattazione in cantiere. Figura 9 - I valori medi del modulo rilevati con FWD (campo prova n 1) Figura 10 - I valori medi del modulo rilevati con FWD (campo prova n 2) Conclusioni Nei lavori di ampliamento alla terza corsia dell Autostrada A14, già avviati da oltre un anno nel tratto compreso tra Ancona Sud e Porto Sant Elpidio, è stata prevista la realizzazione di uno strato di sottobase con materiali di riciclo stabilizzati a cemento e bitume schiumato. Tale scelta ha consentito di riutilizzare completamente il conglomerato bituminoso della vecchia corsia di emergenza con evidenti vantaggi in termini ambientali, di sicurezza all interno del cantiere di riduzione dei tempi di esecuzione. Per organizzare al meglio la sequenza delle fasi operative, ottimizzare i dosaggi dei leganti e verificare l idoneità delle varie macchine di cantiere è stata realizzata una sperimentazione in vera grandezza che ha consentito anche di mettere a confronto la tecnica di stabilizzazione con bitume schiumato e quella con emulsione bituminosa sovrastabilizzata. 7

8 Figura 11 Dalle indagini eseguite viene confermato che il legante cemento produce miscele via via più rigide all aumentare del dosaggio (moduli elastici molto elevati) ma fragili (poco durature nelle prove a carico ripetuto). Il legante bituminoso sia sotto forma di schiuma sia di emulsione migliora le prestazioni a fatica all aumentare del dosaggio. Ne deriva che le miscele stabilizzate con cemento e bitume schiumato/emulsione garantiscono prestazioni nettamente superiori al tradizionale misto cementato come già documentato da altri studi scientifici. La significativa riduzione dei moduli elastici all aumentare della temperatura, evidenzia per le miscele legate con cemento e bitume, un comportamento più vicino ai conglomerati bituminosi che ai misti cementati, tendenza che cresce con i dosaggi più alti del legante bituminoso. Dal confronto tra le due tecniche di inserimento del legante nella miscela (schiuma o emulsione) emerge che le migliori prestazioni a fatica sono state ottenute con l emulsione sovrastabilizzata (3% di emulsione e 2% di cemento). Con specifico riferimento alle operazioni di cantiere e alla sicurezza degli addetti si può inoltre aggiungere che la tecnica con emulsione è da preferire in quanto non richiede il riscaldamento del legante come avviene invece per il bitume da schiumare (temperatura minima di 160 C). La possibilità di eseguire il trattamento con emulsione anche a temperatura ambiente consente di superare eventuali ritardi nelle lavorazioni senza dover sostituire l autobotte a causa del suo raffreddamento come accade invece per il bitume da schiumare. Infine, l impiego di emulsione rallenta la presa del cemento consentendo tempi di lavorazione più lunghi (livellamento e compattazione) tra il momento della miscelazione con la riciclatrice e l ultimazione del costipamento con il rullo vibrante e il rullo gommato. * Professore Ordinario dell Istituto di Idraulica e Infrastrutture Viarie dell Università Politecnica delle Marche (Ancona) BIBLIOGRAFIA [1]. Autostrade per l Italia SpA - Norme Tecniche d Appalto Prestazionali, Manutenzione e Costruzione delle Pavimentazioni, [2]. K.J. Jenkins, M.F.C. Van de Ven, J.L.A. de Groot - Characterisation of foamed bitumen, 7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa, [3]. K.J. Jenkins, F. Long, L.J. Ebels - Foamed bitumen mixes = shear performance?, International Journal of Pavement Engineering, June [4]. K.J. Jenkins - Mix design considerations for cold and half-warm bituminous mixes with emphasis on foamed bitumen, PhD Dissertation, University of Stellenbosch, [5]. A.J.N. Lewis, D.C. Collings, Cold in place-recycling: a relevant process for road rehabilitation and upgrading, 7 th Conference of asphalt pavements for Southern Africa, [6]. A. Loizos, D. Collings, K. Jenkins - Rehabilitation of a major Greek highway by recycling/ stabilising with foamed bitumen, 8 th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa, [7]. A. Loizos - In-situ characterization of foamed bitumen treated layer mixes for heavy-duty pavements, International Journal of Pavement Engineering, June [8]. D. Raffaelli - Foamed asphalt base stabilization, Institute of Trasportation Studies, University of California Berkeley, [9]. M.F. Saleh - Experimental investigation of bitumen physical properties on foamability and mechanical properties of foam bitumen stabilized mixes, Third Gulf Conference on Roads, [10]. W. Smith - Foamed bitumen stabilisation project - Warwick, QLD, Joint Transport South Australia/AustStab Seminar on 15 th April ** Ingegnere e Dottore di Ricerca dell Istituto di Idraulica e Infrastrutture Viarie dell Università Politecnica delle Marche (Ancona) *** Ingegnere e Dottore di Ricerca del Politecnico di Torino **** Ingegnere e Amministratore Delegato di Spea Ingegneria Europea SpA ***** Ingegnere e Project Manager di Autostrade per l Italia SpA 8