Struttura e comportamento del bitume

Le particolari proprietà del bitume nei confronti delle sollecitazioni meccaniche hanno portato ad attribuire al bitume una struttura colloidale (Nellensteyn, 1923), una struttura che risponde alle deformazioni in funzione delle modalità e del tempo di applicazione della sollecitazione meccanica.

Tale comportamento è opposto a quello tipico dei fluidi newtoniani, ed è presente solo nei bitumi che contengono Asfalteni; si è quindi associata la natura colloidale dei bitumi alla presenza di Asfalteni, o più dettagliatamente alla presenza di nuclei Asfaltenici circondati da componenti aromatici ad alto peso molecolare, le resine. Si può immaginare che ogni Asfaltene sia al centro di una struttura, definita “micella”, circondato dalle resine (il cui carattere polare diminuisce tanto più sono lontane dall’Asfaltene); le resine interagiscono con gli aromatici che costituiscono il confine della struttura, e possono interfacciarsi con i saturi, la fase non polare in cui si trova immersa la micella.

In presenza di sufficienti quantità di resine, gli Asfalteni sono totalmente solvatati o peptizzati, quindi le micelle hanno buona mobilità nel bitume e a ciò corrisponde un comportamento di tipo liquido newtoniano alle alte temperature e di fluido molto viscoso ma non elastico alle basse temperature. Un bitume avente tali caratteristiche viene definito di tipo sol (Fig. 1.22-sx).

Nel caso opposto, in carenza di resine, gli Asfalteni si aggregano tra loro fino a formare una rete continua dove i componenti più leggeri si limitano a riempire i vuoti intermicellari. Si ha un comportamento di tipo fluido non newtoniano alle alte temperature e di un solido elastico alle basse temperature, tale bitume viene definito di tipo gel (Fig. 1.22-dx).

Fig. 1.22 – Il modello colloidale: struttura Sol (sx) and Gel (dx) del bitume

Nella pratica la maggior parte dei bitumi hanno caratteristiche intermedie tra queste due strutture estreme. Il comportamento del bitume, che sia viscoelastico, newtoniano o intermedio, è funzione della temperatura, ma è anche direttamente dipendente dallo stato di aggregazione delle micelle, cioè dal rapporto tra asfalteni, resine, aromatici e saturi. La tabella 1.2 associa la struttura alla costituzione del bitume. I bitumi di tipo intermedio hanno elasticità e proprietà meccaniche migliori dei sol, mentre i bitumi di tipo gel hanno la migliore resistenza meccanica ma non hanno proprietà elastiche.

Struttura Asfalteni [%] Resine [%] Malteni [%] Gel >25 <24 >50 Sol <18 >36 <48 Intermedio 21 ÷ 23 30 ÷ 34 45 ÷ 49

Tab. 1.2 – Differenti percentuali delle frazioni in base al modello Sol/Gel.

Il carattere di un bitume dipende anche dalla frazione degli oli saturi perché questi fanno calare il potere solvente dei malteni nei confronti degli asfalteni, quindi alti contenuti di saturi possono portare ad una flocculazione degli asfalteni, con conseguente crescita del carattere gel. Se gli asfalteni sono molto ramificati, la loro interazione con le resine è maggiore, e quindi risentono meno dell’effetto destabilizzante dei saturi.

Dal punto di vista qualitativo le proprietà reologiche dei bitumi dipendono in un certo qual modo dal contenuto di asfalteni. Si può quindi considerare che a temperatura costante la viscosità di un bitume tende a crescere al crescere della concentrazione di asfalteni. Ma se gli asfalteni fossero entità sferiche insolute, l’aumento di viscosità sarebbe più grande di ciò che ci si aspetterebbe e ciò suggerisce che ci sia una interazione degli asfalteni tra di loro e con il mezzo solvente. Questi legami si rompono ad alta temperatura e la viscosità di

associazione degli agglomerati asfaltenici e dalla relativa presenza nel sistema di altre specie che favoriscono tali associazioni.

Si assume poi che, a parità di asfalteni, aumentando il contenuto di aromatici e mantenendo costante il rapporto saturi/resine si ha uno scarso effetto sulla reologia e solo una minima riduzione della deformabilità. Al contrario mantenendo costante il rapporto resine/aromatici e aumentando i saturi il bitume diventa più morbido. In generale si assume che aumentando il contenuto di resine aumenti la durezza del bitume, ovvero si riducano indice di penetrazione e deformabilità a taglio e aumenti la viscosità. Siccome il comportamento globale del bitume è determinato dalla compatibilità e dalle interazioni tra i diversi componenti nella miscela piuttosto che dalla quantità relativa di questo o di quel componente, sono stati proposti diversi parametri sintetici di composizione da correlare con il comportamento reologico.

È il caso del cosiddetto indice di instabilità colloidale Ic, proposto da Gaestel (1971) e definito come:

 = + _{ +} [1.1]

E dal rapporto di compatibilità Rc espresso dalla formula:

= _{  } [1.2]

Al numeratore dell’equazione [1.1] compare la percentuale di quell’insieme di molecole che danno corpo al bitume (asfalteni) e degli agenti flocculanti (oli saturi), mentre al denominatore viene riportata la somma delle percentuali di solventi (oli aromatici) e degli agenti peptizzanti (resine): al crescere di tale rapporto viene cosi seguita la transizione da un sistema disperso di tipo sol a uno flocculato di tipo gel. Nell’equazione [1.2] del rapporto di compatibilità vengono invece messi in relazione i componenti più reattivi e i meno reattivi; valori superiori a 0,5 vengono in genere considerati accettabili. 1.3.5.1 Il modello DPF – “Dispersed Polar Fluid”

Molti ricercatori, tra cui alcuni dei quali facenti parte del programma SHRP, sono giunti alla conclusione che il bitume sia un fluido omogeneo (Petersen et al., 1994). Tale modellazione prende il nome di: “Dispersed Polar Fluid – DPF”, (Christensen & Anderson, 1991). I motivi per cui il sistema colloidale è stato scartato si basano su una serie di argomentazioni, alcune valide come l’inesistenza del plateau elastico per i bitumi gel ed altre meramente filosofiche che si rimandano alle ricerche condotte da Petersen e Christensen. Tuttavia, molte recenti ricerche hanno affermato che il bitume sia una sostanza eterogenea mediante l’analisi della microstruttura ai raggi x (Storm, 1985; Bodan, 1993).