Impiego stradale dei bitumi

5.2.1.La pavimentazione

I bitumi di petrolio sono utilizzati principalmente in campo stradale a formare i cosiddetti conglomerati bituminosi, che opportunamente stesi in strati di diverso spessore e diversa composizione costituiscono la pavimentazione (Fig. 5.2).

______________________________________________________________________________ Fig. 5.2 - Pavimentazione stradale tipo

L ossatura del conglomerato è il materiale lapideo, per il quale il bitume funge da legante. I vari strati sono costituiti da materiali inerti di granulometria via via più fine e più regolare man mano che ci si avvicina alla superficie; in genere fra quelli superficiali è posta una patina sottile di emulsione bituminosa che aumenta l adesione(mani d attacco).

Lo strato di usura può richiedere un trattamento superficiale che ne aumenta la ruvidità, per migliorare il coefficiente d attrito con i pneumatici.

Lo stato di sollecitazione è piuttosto complesso e comprende effetti di trazione e compressione in tutte le direzioni. Lo strato superficiale è naturalmente quello più sottoposto a deterioramento, non solo a causa del traffico, ma anche delle condizioni ambientali. La radiazione solare, la pioggia, l ossidazione atmosferica, sono tutti fenomeni che contribuiscono in maniera determinante all usura della pavimentazione.

I problemi più frequenti di deterioramento sono:

Deformazioni permanenti con formazione di ormaie (rutting)

Rottura a fatica (fatigue cracking) con fessurazioni in direzione prevalentemente longitudinale. Uno stadio avanzato di questo tipo di deterioramento porta alla formazione di crepe in tutte le direzioni (alligator cracking) che danno luogo al distacco di pezzi di conglomerato, generando buche (pothole).

Fessurazioni a basse temperature (low temperature cracking) in direzione trasversale alla direzione del traffico, dovute a ritiro termico.

5.2.2.

Caratteristiche del legante

Il legante costituisce mediamente solo il 5% della mescola; nonostante ciò, dal bitume dipendono praticamente tutte le proprietà meccaniche di un conglomerato.

Le caratteristiche fondamentali di un buon legante sono:

Sufficiente rigidità alle elevate temperature di esercizio, accompagnata da una non eccessiva fragilità nel periodo invernale, o nei climi particolarmente freddi. La suscettività termica di questo materiale è uno dei maggiori pregi e anche dei maggiori problemi del bitume.

Buona adesività al minerale inerte. E forse il fattore principale per contrastare il deterioramento: conferisce resistenza meccanica allesollecitazioni, in quanto le caratteristiche viscoelastiche del bitume si trasmettono al conglomerato, e rende la pavimentazione impermeabile, impedendo all umidità di penetrare. L acqua, se presente nel conglomerato, entra in competizione con il bitume nel legarsi all aggregato lapideo e causa ulteriore perdita di adesione.

Facilità di miscelazione al materiale inerte. Il legante non deve presentare eccessiva viscosità alle alte temperature altrimenti ci sarà una miscelazione incompleta, con conseguenze facilmente immaginabili.

Le caratteristiche chimiche e fisiche del bitume possono variare notevolmente nel tempo, specialmente nei primi due/tre anni dalla messa in opera; dopo questo periodo l invecchiamento del materiale procede molto più lentamente.

L invecchiamento è dovuto ad una modifica delle caratteristiche morfologiche della struttura colloidale, che si riflette principalmente sulle proprietà del materiale alle alte temperature, con peggioramento delle proprietà meccaniche. L entità del fenomeno dipende molto dalle modalità di preparazione del conglomerato. Nella camera di miscelazione infatti il bitume, posto su strato sottile, è esposto ad un flusso di aria calda (150-160°C) e successivamente miscelato con gli aggregati. In questo processo iniziano fenomeni di volatilizzazione e ossidazione dei componenti che continuano anche dopo la messa in opera, modificando le proprietà reologiche in maniera praticamente continua, anche se con velocità ridotta. L entità della variazione dipende molto dalla temperatura operativa, in relazione alla composizione del bitume.

Esistono diverse prove per lo studio dell invecchiamento a breve e lungo termine; le più diffuse sono il Thin-Film Oven Test (TFOT) e il Rolling Thin-Film Oven Test (RTFOT) per le prove a breve termine. L invecchiamento sul lungo periodo è effettuato in pressione in un apparecchiatura denominata PAV (Pressure aging vessel) che permette di valutare l invecchiamento a 5-7 anni dalla messa in opera.

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5.2.3.

Metodi tradizionali di caratterizzazione fisica

L analisi dinamica e la viscometria completano le informazioni fornite dai metodi tradizionali di caratterizzazione reologica dei bitumi. Tali metodi, standardizzati e riportati nella normativa CNR vigente in Italia riguardante i bitumi ad uso stradale, comprendono la valutazione di diverse proprietà:

Penetrazione

Temperatura di rammollimento Punto di rottura Fraas

Duttilità Densità

Saggio di infiammabilità

La penetrazione è la profondità alla quale un ago di dimensioni standard affonda in un bitume sotto determinate condizioni di carico, tempo e temperatura (le norme indicano rispettivamente 100g, 5 secondi e 25°C). E una prova che serve a determinare la consistenza e la durezza di un bitume (i bitumi più duri possiedono penetrazioni più basse).

Il metodo denominato "Palla & Anello" consente di specificare la temperatura di rammollimento di un bitume, parametro importante per valutare la qualità di un prodotto in funzione della destinazione. I bitumi destinati alle mescole per pavimentazione stradale hanno una temperatura di rammollimento fra 45 e 55°C.

L'indice di penetrazione (IP) fornisce un'indicazione circa la suscettibilità di un bitume alla temperatura e si ottiene dalla combinazione dei risultati delle prove precedenti. I bitumi con un più alto punto di rammollimento possiedono un valore di IP maggiore, ovvero una minore sensibilità alla temperatura.

Il punto di rottura Fraas è una prova che serve a stabilire la fragilità a freddo di un bitume. Il test consiste nel flettere a intervalli regolari una lamina sulla quale è stato applicato uno strato di prodotto da analizzare (~0,4 g), abbassando contemporaneamente la temperatura.

La duttilità è misurata dalla lunghezza alla quale è possibile allungare il bitume prima di arrivare alla rottura.

La misura della densità, effettuata con un picnometro, è utile soprattutto per la classificazione fiscale: il bitume deve possedere una densità a 70° C pari o superiore a 0,942.

Il saggio di infiammabilità indica se un bitume è stato inquinato con prodotti leggeri, aggiunti per migliorarne la stabilità. Si determina riscaldando il bitume in condizioni standard ed osservando a quale temperatura si accendono i vapori.