Bitume schiumato 46

Il bitume schiumato è un legante bituminoso prodotto miscelando del bitume caldo con piccole quantità di acqua, e a volte di aria. In un apposita camera di espansione il bitume, riscaldato a una temperatura compresa tra i 160 e i 180 °C, viene investito da un getto di acqua ad alta pressione, in percentuli variabili tra il 2 e il 3 % sul peso della miscela. Quando l’acqua viene a contatto con il bitume caldo evapora immediatamente e crea delle bolle di vapore ricoperte da una pellicola di bitume, in modo che il legante assuma una consistenza schiumosa e provocando un aumento di volume del bitume stesso compreso tra le 15 e le 20 volte [46].

Il processo di espansione, che può essere eventualmente favorito tramite l’insufflazione di aria, si traduce in una riduzione della viscosità del bitume, che adesso può essere miscelato efficacemente con gli aggregati da trattare.

Il bitume che può essere utilizzato per la produzione di schiumato tipicamente presenta un grado di penetrazione compreso tra i 60 e i 200 dmm. Tuttavia il solo grado di penetrazione non è sufficiente per stabilire l’idoneità per il processo di schiumaggio di un bitume. Sono due le caratteristiche che devono essere tenute in conto per poter verficare che il bitume possa produrre uno schiumato di buona qualità e determinare il quantitativo ottimale di acqua da iniettare [21]:

 Fattore di espansione ER (expansion ratio)

È correlato con la viscosità del bitume schiumato e indica l’efficienza nella dispersione tra gli aggregati. Viene misurato come il rapporto tra il volume massimo raggiunto dalla schiuma ed il volume del bitume di partenza.

 Tempo di semivita τ1/2 (half-life)

È un indicatore della stabilità della schiuma di bitume e della sua tendenza al collasso. Viene misurato come il tempo in secondi necessario alla schiuma per sgonfiarsi fino alla metà del volume massimo raggiunto.

Maggiori sono questi due fattori migliore sarà la schiuma di bitume. Le variabili che principalmente influenzano tali fattori sono la temperatura del bitume e la percentuale di acqua aggiunta. Saranno quindi necessari degli studi di laboratorio per definire il mix ottimale in termini di fattore di espansione e tempo di semivita. Per quanto riguarda le temperature, maggiori sono queste e migliore sarà la schiuma prodotta. Tuttavia si deve tener conto di una temperatura limite per evitare l’ossidazione del bitume. Rispetto il quantitativo di acqua invece possiamo dire che il fattore di espansione presenta un comportamento direttamente proporzionale, viceversa il tempo di semivita inversamente proporzionale. La percentuale ottima di acqua andrà ricercata fissando dei valori minimi per ER e τ1/2 e ricercando la percentuale media tra le percentuali individuate per i valori minimi fissati. Questa ricerca si traduce in una serie di prove di laboratorio in cui vengono misurate le caratteristiche di schiume prodotte a diverse temperature e con diverse percentuali di acqua. I valori minimi del fattore di espansione e del tempo di semivita in genere si fanno dipendere dalla temperatura dell’aggregato che deve essere trattato.

Come esempio, nella tabella seguente si riportano i valori minimi consigliati dalla Wirtgen:

Temperatura inerti 10 ÷ 25 °C > 25 °C

Rapporto di espansione ER 10 8

Tempo di semivita τ1/2 6 6

Tabella 3.3 Valori minimi delle caratteristiche del bitume schiumato in funzione della temperatura degli inerti secondo il TG 2

Figura 3.30 Variazione del rapporto di espansione e del tempo di dimezzamento della schiuma di bitume in funzione del contenuto di acqua

Oltre al rapporto di espansione e al tempo di semivita, per quantificare la capacità di una schiuma di bitume ad essere miscelata con gli aggregati è stato introdotto un ulteriore parametro chiamato Foam Index o indice di schiuma [21]. Il Foam Index è definito come l’area sottesa al di sotto di specifici limiti della curva di decadimento, ovvero della curva che descrive l’andamento del rapporto di espansione nel tempo. L’area totale viene suddivisa in due aree distinte. Entrambe le aree presentano come limite inferiore il valore minimo del rapporto di espansione ERmin affinchè la schiuma possa essere miscelata efficacemente con gli aggregati. Tale parametro risulta correlato con la viscosità. Secondo uno studio effettuato dalla Shell Bitumen, affinchè un bitume risulti efficacemente miscelabile questo deve presentare una viscosità compresa tra 0.2 e 0.55 PI. Considerando la relazione tra viscosità e rapporto di espansione il valore di ERmin risulta uguale a 4.

Figura 3.31 Relazione tra la viscosità ed il rapporto di espansione

Gli altri valori del rapporto di espansione che definiscono l’area corrispondente al Foam Index sono il rapporto di espansione massimo misurato Em ed il rapporto di espansione massimo effettivo ERa. ERa risulta maggiore di Em in quanto durante la fase di spruzzatura e prima che il volume venga misurato la schiuma subisce un certo decadimento. Il valore di ERa non può essere misurato direttamente, ma deve essere calcolato tramite un processo di backcalculation utilizzando la curva di decadimento. Al crescere del tempo di semivita il rapporto tra ERa ed ERm tende all’unità, mentre per bassi valori del tempo di semivita tale rapporto può anche arrivare a 4.

Definendo il fattore di correzione c come il rapporto tra ERm ed ERa la formula matematica del Foam Index è la seguente:

𝐹𝐼 = 𝐴₁+ 𝐴₂ = −𝜏1/2 ln⁡(2) ∗ [4 − 𝐸𝑅𝑚− 4 ∗ ( 4 𝐸𝑅𝑚)] + ( 1+𝑐 2𝑐) ∗ 𝐸𝑅𝑚∗ 𝑡𝑠 (Eq.3.1)

Figura 3.33 Curva di decadimento e limiti utilizzati per calcolare il Foam Index

Gli strati stabilizzati con bitume schiumato non riescono a resistere a grandi sforzi tangenziali e di trazione, per cui non risultano adatti per la costruzione degli strati più superficiali del pacchetto stradale. Al contrario risultano particolarmente adeguati per formare strati di base di una pavimentazione, confezionati con materiale vergine o attraverso dei processi di riciclaggio che possono essere sviluppati sia in impianto che in situ.