Due anni di prove per la pressa giratoria

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1 Macchine & Attrezzature Pietro Ferrari, Product Manager Asfalti, Controls S.r.L. 1. Pressa giratoria in laboratorio. 2. Scorrimento reciproco degli strati elementari dei campioni durante la prova. 3. La pendenza della curva di compattazione in relazione alle resistenze alle deformazioni permanenti. Due anni di prove per la pressa giratoria La macchina, strumento base nei laboratori, americani ed europei, dedicati alle pavimentazioni bituminose, sottopone i provini di conglomerato a due azioni concomitanti di compressione statica e giratoria. I valori di densità relativa e dello sforzo di taglio dopo due anni di prove di laboratorio. Pietro Ferrari L 1 e miscele di conglomerato bituminoso vengono sempre più largamente progettate e controllate con la pressa giratoria. Negli Stati Uniti il sistema Superpave, prodotto del Shrp (Strategic Highway Research Program) e in Europa, tramite la normativa comunitaria (pren ), è stata adottata la pressa giratoria come lo strumento di base nei laboratori dedicati alle pavimentazioni bituminose. Come è noto la prova giratoria definisce la miscela secondo l aspetto volumetrico. Una determinata massa di campione, portata alla temperatura ottimale corrispondente alla richiesta viscosità del bitume durante la stesa del manto stradale, è contenuta nella fustella cilindrica di acciaio e viene sottoposta dalla pressa a due azioni concomitanti: una verticale, costituita da una compressione statica, e una giratoria consistente in una rotazione con assetto geometrico tale da produrre una continua angolazione dell asse della massa cilindrica rispetto all asse verticale del pistone premente della macchina. Le angolazioni tipiche sono: 1 25 nel metodo Superpave; 1 secondo la normativa europea; la velocità di rotazione è comune, pari a 30 giri/min come anche la pressione verticale che è di 600 kpa (kg/cmq circa). Il campione viene in tal modo compattato e l addensamento é monitorato in continuo. Per un dato tipo di miscela il grado di addensamento dipende dal numero di rotazioni effettuate dalla macchina, tenendo fissi l angolo giratorio, la velocità di rotazione e la pressione verticale. LE PROVE DELLA PRESSA GIRATORIA Il programma della macchina acquisisce continuamente, da un trasduttore di spostamento installato, la diminuzione di spessore del provino e restituisce l elaborazione continua, in forma tabellare, in termini di numero di rotazioni, altezza del provino, densità, % dei vuoti, % dei vuoti della miscela aggregati (Vma), % dei vuoti riempiti con bitume (Vfb) e % della densità massima teorica (Gmm). I VALORI DI DENSITÀ RELATIVA In conclusione viene tracciata una curva di compattazione approssimativamente rettilinea che mette in relazione la % di densità massima teorica, in ordinata, con il numero di rotazioni, in ascissa in scala logaritmica. In questa curva di compattazione si individuano tre valori di densità relativa in corrispondenza di tre numeri caratterizzanti di rotazioni, rispettivamente N initial, N design e N max. Dato che il principio generale della prova è quello di spingere l addensamento fino a un valore massimo oltre il quale la curva di compattazione non ha più l andamento pressoché rettilineo, il numero di rotazioni finali, N max, sarà tale, per un determinato tipo di impasto, da conferi- 126 LE STRADE 3/2001

2 re un addensamento 98 % della densità massima teorica. La pendenza della curva viene così definita dai valori di addensamento corrispondenti ai numeri di rotazione iniziale ( N init ) e finale ( N max ). Lungo la curva si individua poi il numero di rotazioni, N design, corrispondente all addensamento di progetto, intorno al 96% della densità massima teorica, o 4% di vuoti di aria. Questi tre numeri di rotazioni sono legati tra loro da equazioni. Citiamo quelle del metodo Superpave: log Ninit = 0,45 log N design log N max = 1,10 log N design Il valore della densità a N init corrisponde all addensamento iniziale dell inizio della rullatura, mentre quello a N design corrisponde a quello di progetto, pertanto di fine rullatura. Dovrà essere consegnato un manto stradale con tale densità di progetto, quindi con determinata % di vuoti, in modo da garantire una data vita utile della pavimentazione fino al raggiungimento di un addensamento massimo, corrispondente alla densità a N max, oltre il quale, con una residua % di vuoti inferiore al 2%, si amplifica la diminuzione di resistenza alle deformazioni permanenti. Da questa impostazione concettuale discendono alcune considerazioni: le miscele che esibiscono una curva di compattazione con forte pendenza denotano una ottima compattabilità. La loro struttura, costituita dal legante bituminoso dosato in modo opportuno e dagli aggregati scelti con appropriato assortimento granulometrico e con elevato grado di angolarità, consente di ricevere una elevato lavoro di compattazione, o di rullatura in sito. Al contrario gli impasti che presentano curve di compattazione con poca pendenza, sono caratterizzati da non buona compattabilità. ad una buona compattabilità corrisponde una buona resistenza alle deformazioni permanenti. Infatti l elevata energia di compattazione ha potuto sistemare bene interbloccati gli elementi litoidi della struttura. Il conseguente attrito interno garantisce per la resistenza alla deformazione del conglomerato in opera. Di conseguenza, la progettazione e il controllo delle miscele con la macchina giratoria mette in relazione la vita della pavimentazione bituminosa, intesa come numero di passaggi di assi equivalenti a un dato peso ( per il metodo Superpave 80 KN ) che la pavimentazione può sopportare senza deformazioni permanenti, con l energia di compattazione. Nella macchina giratoria l energia è determinata dal numero delle rotazioni, in sito questa energia è determinata dall intensità di rullatura. Si avrà pertanto a disposizione una famiglia di curve di compattazione, i cui estremi, % di densità massima teorica all inizio della prova, a circa 10 rotazioni ( N init ), e % di densità massima alla fine della prova ( N max ) sono condizionati, rispettivamente, a 89 % e a 98 %. Da questo breve riassunto della prova giratoria, appare evidente che al metodo volumetrico è indubbiamente associato un aspetto reologico. Si può così osservare che è l attrito interno che condiziona la durata della prova, cioè il numero delle rotazioni per raggiungere la densità a N max. LO SFORZO DI TAGLIO Questo attrito è strettamente correlato allo sforzo di taglio che la macchina giratoria deve superare durante la prova. In effetti la compattazione giratoria consiste in due distinte componenti essenziali: la pressione verticale e il 2 movimento giratorio di taglio. Il movimento di taglio, combinato con la pressione, consente agli elementi lapidei di muoversi a distanza reciproca sempre più ravvicinata per risistemarsi continuamente nella configurazione più densa. Il movimento giratorio genera lo sforzo di taglio la cui entità dipende dalla struttura dell impasto. LA PRESSA GIRATORIA DI CONTROLS La pressa giratoria della Controls, cat. 77-B251, modello da ricerca, consente, a differenza dal modello standard, la misura dello sforzo di taglio. Infatti la pressa è dotata di una apposita cella di carico installata nel pistone pneumatico verticale premente. Il personal computer, mediante il programma installato restituisce il valore massimo dello sforzo di taglio che si acquisisce per ogni ciclo giratorio. Pertanto il certificato di prova stampato dal computer conterrà in forma tabellare i valori dello sforzo di taglio, in kn/m^2,unitamente agli altri parametri tipici della prova giratoria (altezza provino, densità, % vuoti, %Vma,%Vfb) alle varie rotazioni. La configurazione geometrica del campione durante 3 4 a. Distribuzione coppie dati:% del valore massimo dello sforzo di taglio rispetto alle % dei vuoti alle rotazioni N max, relativamente al conglomerato drenante. 4 b,c. Correlazioni fra le % del valore massimo dello sforzo % dei vuoti e dei vuoti riempiti con bitume (% VFB) alle rotazioni N init (binder modificato Hard ). 4 d,e. Correlazioni fra le % del valore massimo dello sforzo % dei vuoti e dei vuoti riempiti con bitume alle rotazioni N design e N max (binder modificato Hard ). 5. Andamento dello sforzo di taglio con l aumentare delle rotazioni e delle densità (dal programma di elaborazione). 6 a,b,c,d. Correlazioni fra le % dei valori massimi dello sforzo % dei vuoti (% V) e dei vuoti riempiti con bitume (% VFB) alle rotazioni N design e N max, relativamente ai 4 tipi di conglomerati. LE STRADE 3/

3 4a 4b 4c 4d la prova corrisponde a quella di un cilindro con l asse leggermente inclinato rispetto alla verticale del pistone premente, ad esempio di Questa angolazione ruota completamente attorno all asse verticale producendo un determinato movimento di taglio ad ogni rotazione della macchina. Questo movimento può essere schematizzato dalla figura 2 dove il campione è suddiviso in elementi finiti. Ogni elemento scorre rispetto ai suoi adiacenti con effetto di taglio. Essendo il provino completamente confinato dalla superficie cilindrica della fustella e dai piatti di base tramite la pressione costante del pistone pneumatico verticale, la forza di deformazione del provino viene misurata dal momento di reazione. La direzione del vettore momento, normale all asse di rotazione, ruota orizzontalmente insieme con il movimento giratorio, mentre la forza relativa agisce contro i due fondelli del cilindro. Poiché lo strumento di misura, sistemato nel pistone verticale premente, viene sollecitato dalla reazione che agisce sul piatto di pressione superiore (non da quella che agisce sul fondello inferiore), si calcola un valore medio dello sforzo di taglio che tiene conto della sezione e dell altezza del provino in continua diminuzione, ad ogni rotazione. Lo sforzo di taglio viene misurato in kn/ m^2. I massimi valori misurati nei risultati delle prove che abbiamo potuto considerare, variavano da 300 a 450 kn/m^2. Emerge ora l obiezione sul fatto che questa grandezza misurata è comprensiva dell attrito esercitato dal materiale lungo la parete cilindrica della fustella durante la compattazione. Se l osservazione è ineccepibile per una valutazione corretta del valore assoluto dello sforzo di taglio, è tuttavia trascurabile se si utilizza la misura in termini di valore normalizzato, cioè di rapporto percentuale rispetto a un dato valore, per esempio il valore massimo riscontrato durante la prova, come abbiamo fatto nelle analisi di numerose prove, come qui di seguito discusso. Si ha inoltre la possibilità, in questo modo, di confrontare il comportamento dello sforzo di taglio fra varie miscele bituminose dello stesso tipo. PROVE DI LABORATORIO PRESSO L IMPRESA BACCHI Questa macchina è stata installata, circa due anni fa, nel laboratorio presso l impianto di produzione di conglomerato bituminoso dell impresa Bacchi di San Donato Milanese. Questa impresa è particolarmente attrezzata per la produzione e messa in opera di pavimentazioni bituminose di qualità. Infatti gode della fiducia della più importante committenza italiana in quanto è regola imprescindibile per essa che ogni tipo di impasto debba essere progettato e controllato quotidianamente in corso d opera in conformità con i requisiti dei capitolati oppure con particolari esigenze di prestazione. Per questo motivo l impresa Bacchi si è dotata di una macchina di prova giratoria della Controls, preferendo inoltre optare per la versione di ricerca con la misura dello sforzo di taglio; decisione dettata dall impostazione aziendale di perseguimento attivo della qualità, quindi con disposizione alla valutazione di aspetti qualitativi del conglomerato anche oltre il rigoroso rispetto delle specifiche contrattuali. La Società Controls, durante questi ultimi due anni, ha avuto la possibilità, data la vicinanza della sede, di seguire con una certa frequenza l impiego della macchina di prova giratoria mod. 77 B251 da parte dell impresa Bacchi, motivata, oltre che dalla consuetudine di un interessamento post-vendita per una macchina importante, dall interesse alla ricerca e allo sviluppo applicativo delle nuove tecnologie e quindi intravedere delle indicazioni interessanti dalla misu- 128 LE STRADE 3/2001

4 ra dello sforzo di taglio (parametro non richiesto dalle attuali metodologie o specifiche contrattuali). Si era notato, fin dall inizio dell operatività della macchina, che il susseguirsi dei valori dello sforzo di taglio, nello svolgersi della prova, poteva attirare l interesse di un osservatore attento al comportamento prestazionale dei conglomerati bituminosi. In effetti il concetto di correlare concettualmente la pendenza della curva di compattazione, in sostanza la compattabilità, a una resistenza al taglio per il materiale compattato, è implicito nel Superpave e, se si considera l attenzione all energia di compattazione, anche nella normativa europea (Compactibility of bituminous mixes pren ). Avendo la possibilità di avere misure, comparabili fra di loro, dello sforzo di taglio durante le prove, ci siamo resi conto di avere a disposizione un utile strumento di ricerca che permette di indagare sul suo comportamento in correlazione con altri parametri allo scopo di arricchire le conoscenze che si acquisiscono con la macchina di prova giratoria, e affinare i requisiti dei conglomerati che sono caratterizzati da sempre maggiore specificità. La Società Controls ha così avuto l opportunità di esaminare i risultati di un considerevole numero di prove effettuate in questo periodo. Si sono presi in considerazione cinque tipi di conglomerato bituminoso. Una base confezionata con bitume naturale di penetrazione 60/70 con 20% di riciclato; una base con bitume 60/70 modificato hard con 20% di riciclato; un binder con bitume 60/70 modificato hard con 10% di riciclato; una usura con bitume 60/70 modificato soft con 10% di riciclato; una usura drenante con bitume 60/70 modificato hard. Abbiamo preso in esame, per ogni prova, i valori di due dei parametri elaborati dalla macro : la % dei vuoti (V%) e la % dei vuoti riempiti con bitume (Vfb). Questi due parametri sono poi stati messi in grafico con la % del valore dello sforzo di taglio, rilevato ai numeri di rotazione caratteristici che sono N init, N design e N max, rispetto al valore massimo rilevato durante la prova. Non consideriamo, per ora, i dati relativi all usura drenante, ma quelli relativi ai conglomerati di tipo, genericamente considerato, chiuso che sono i primi quattro presi in esame. Osservando le distribuzioni dei dati della % del valore in esame del taglio massimo rispetto alla % dei vuoti (V%) in corrispondenza di N design e di N max, si nota una evidente tendenza all aumento della % del taglio massimo con il crescere dei dati di V% riscontrati nelle varie prove. Questa tendenza presenta un andamento di tipo asintotico e può essere descritto da una relazione di tipo: 4e massimo dello sforzo di taglio registrato durante la prova è l effetto lubrificante del legante bituminoso. L andamento contrario, di tipo anch esso esponenziale, viene notato se si esaminano le distribuzioni dei dati nei grafici % taglio massimo / % vuoti e % taglio 5 y = 100 A/B^x. Il comportamento della % del valore dello sforzo massimo di taglio rispetto alla % dei vuoti riempiti con bitume (VFB) appare di tipo asintotico ma opposto, descrivibile da una relazione di tipo: y = 100 A/B^-x. Al contrario della % dei vuoti, con il decrescere di Vfb la % del valore del taglio massimo delle singole prove aumenta in modo asintotico tendendo al 100%. Queste tendenze opposte sono in realtà coerenti fra di loro. Infatti, per un data miscela e per una dato incremento di energia di compattazione, durante la prova giratoria l assestamento degli elementi lapidei viene continuamente riorganizzato con un risultante sforzo di taglio. Con il procedere dell addensamento il valore assoluto dello sforzo di taglio misurato tende a diminuire. Responsabile di questa diminuzione % del valore assoluto LE STRADE 3/

5 6a 6b 6c 6 e,f. Correlazioni fra le % dei valori massimi dello sforzo % dei vuoti (% V) e dei vuoti riempiti con bitume (% VFB) alle rotazioni N init relativamente ai 4 tipi di conglomerato. massimo / % Vfb in corrispondenza di N init. All aumentare della % dei vuoti si nota una diminuzione della % del taglio massimo e, di conseguenza, all aumentare della % Vfb si osserva un aumento della % del taglio massimo. In corrispondenza di Ninit, di solito 10 rotazioni, il conglomerato è poco addensato. Di conseguenza l effetto dell attrito fra gli elementi è preponderante rispetto a quello lubrificante. Abbiamo poi ritenuto interessante generalizzare queste tendenze presentando i grafici che raggruppano i dati relativi ai quattro conglomerati esaminati per N init, N design e N max con le correlazioni delle percentuali dei valori massimi del taglio con le % dei Vuoti e con le % Vfb. Per quanto riguarda l usura drenante, dall osservazione della distribuzione dei dati, non ci è apparsa deducibile una correlazione fra l andamento dello sforzo di taglio con l addensamento del materiale. Infatti dalla composizione stessa di questo tipo di impasto, dove il conglomerato in opera, in corrispondenza con N design della pressa giratoria, è caratterizzato da una % dei vuoti molto elevata, intorno al 18%, appare evidente che il valore dello sforzo di taglio viene determinato in prevalenza dall attrito relativo all angolarità 130 LE STRADE 3/2001

6 6d 6e 6f degli inerti piuttosto che dal procedere del grado di addensamento. Infatti si deve considerare che da Ndesign (50 rotazioni ) a Nmax (130 rotazioni ) si ottiene tipicamente una riduzione dei vuoti di circa tre punti percentuali solamente. CONCLUSIONI I dati riscontrati sono naturalmente affetti da discontinuità in quanto dedotti da una viva esperienza di cantiere nell arco di due anni, non certo da sperimentazioni predisposte ad hoc. 7 Tuttavia proprio per questo pensiamo che le correlazioni esposte acquistino interesse e che ne esca confermata la possibilità di indagine associata alla misura dello sforzo di taglio nella macchina giratoria. Le sopra accennate correlazioni mettono in evidenza solo un aspetto di questo potenziale di ricerca. Infatti può essere utile esaminare altre correlazioni, come quelle con la distribuzione granulometrica, l angolarità degli aggregati, i tipi di leganti e di modificanti, i relativi dosaggi, altri parametri della prova giratoria e diverse condizioni per un più completo utilizzo della prova giratoria nella progettazione e verifica dei conglomerati bituminosi nelle pavimentazioni stradali. 7. Stampa di un certificato di una prova (dal programma di elaborazione). LE STRADE 3/