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Alcune di queste sezioni hanno più di trent'anni di servizio e hanno consentito, nel corso di questo tempo, di raccogliere dati come l'evoluzione dello stato di fessurazione, di formazione di ormaie, i costi di manutenzione e le caratteristiche superficiali. Dal confronto emerge come l'inibizione della propagazione della fessurazione da parte dei leganti AR sia un’evidenza che costituisce la chiave del successo di questi pacchetti stradali.
Nel 1999, la RPA ha organizzato un simposio Internazionale a Tempe, Arizona, al quale hanno partecipato rappresentanti di enti pubblici e privati di 17 paesi. L'interesse di questo simposio ha portato all'organizzazione del primo convegno mondiale "Asphalt Rubber 2000 Conference", tenutosi presso Vilamoura, in Portogallo. Questa conferenza ha riunito più di 200 tecnici e scienziati, in rappresentanza di oltre 30 paesi. Lo scopo di questa conferenza è stato quello di chiarire una serie di dubbi legati al suo utilizzo, in particolare per quanto riguarda le performance comparate fra conglomerati convenzionali e CRM, le questioni ambientali legate alla fabbricazione dell’AR e la relazione performance/costo.
Gli atti di questo convegno hanno riassunto più di 30 anni di investigazioni e esperienza nell’utilizzo, performance e proprietà dei bitumi Asphalt Rubber e provveduto informazioni essenziali per quanto riguarda questo prodotto, la sua storia e il suo interesse ingegneristico. Queste informazioni hanno consentito a diversi ingegneri di sfruttare questo materiale, la sua elevata durabilità, i suoi benefici ambientali e la sua efficienza economica. Come conseguenza di questa conferenza e del lavoro sviluppato dalla RPA, l'utilizzo dell’AR in nuove zone è cresciuto esponenzialmente.
Il mercato stradale ha capito che l’implementazione dell'utilizzo di AR può produrre un livello migliore di performance rispetto alla maggior parte delle pavimentazioni. Il bitume modificato con polverino di gomma riciclata è una soluzione ingegneristica più economica, che consente di realizzare pavimentazioni caratterizzate da maggior durata, miglior performance, minor rumore e maggior sicurezza, oltre a permettere lo smaltimento di una considerevole quantità di pneumatici.
A tre anni di distanza è stato organizzato il secondo convegno "Asphalt Rubber 2003 Conference", in Brasilia, Brasile, durante il quale sono stati presentati oltre 40 studi, tra i quali si dà particolare rilievo ai lavori presentati da Alex Visser e Jack Van Kirk, i quali hanno illustrato le ricerche che il California Department of Transportation ha effettuato in Sud Africa con l’Heavy Vehicle Simulator APT, al fine di simulare in breve tempo l’avanzamento dello stato di degrado delle pavimentazioni. Nei loro articoli vengono comparate la resistenza alla propagazione della fessurazione di un conglomerato convenzionale di 75 mm con due conglomerati gap-graded in AR da 37 mm e 25 mm. I risultati ottenuti vengono illustrati più avanti (vedi §3.3.2).
Secondo Mark Belshe (FNF Construction, Arizona) "… dopo la conclusione dei diversi progetti dove è stato utilizzato AR ed è stata misurata la regolarità finale della pavimentazione, varie aziende di costruzione sono riuscite a ricevere il premio che i dipartimenti dei trasporti riconoscono per i progetti caratterizzati da una minor irregolarità. I dati finali consentono di concludere che quanto maggiore è il numero di strati in AR in un pacchetto stradale, maggiore è la regolarità finale delle pavimentazioni”.
George Way [3-3] ha presentato a questo convegno i risultati di una comparazione dei valori di IRI in sezioni realizzate con diversi conglomerati, caratterizzate dai medesimi livelli di traffico e ubicate nella stessa zona. La superficie con bitume CRM ha dimostrato la migliore performance.
Attualmente, la crescita delle attese per l’impiego di Asphalt Rubber si concentra sui conglomerati bituminosi drenanti, che contengono un'elevata percentuale di legante come formulato per la prima volta dall’ADOT. Fino al 2003 la stessa ADOT ha realizzato più di 28˙000 km di corsie di questo tipo di conglomerati.
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L'applicazione di strati di spessore inferiore utilizzando AR come legante non porta soltanto a una superficie più liscia e durevole, ma permette anche una riduzione significativa del rumore, al punto che il governatore dell’Arizona, Jane Dee Hull, ha prescritto il suo utilizzo in tutta l'area metropolitana della città di Phoenix, lungo oltre 200 km di corsie. Una risposta positiva nei confronti di questo materiale è rappresentata anche dal programma pilota della FHWA, finalizzato allo studio della produzione di rumore e all’analisi economica comparativa di riabilitazioni delle superfici stradali e realizzazione di barriere sonore.
Il contributo della RPA nel promuovere l'utilizzo dell’Asphalt Rubber, così come definito della ASTM D6114-97 (2002), ha fatto sì che tale materiale iniziasse ad essere introdotto in diversi nuovi paesi. Tuttavia, non tutti possiedono la capacità tecnica di produrlo, a causa della necessità di un impianto specializzato.
L’implementazione del "Quiet Pavement Program" della ADOT ha portato in Arizona i rappresentanti di diversi paesi, interessati ad approfondire l’argomento. Attualmente il Giappone sta sviluppando un piano per ridurre il rumore del traffico utilizzando AR e la Cina sta per realizzare il suo primo progetto con tali leganti nei pressi di Hong Kong.
Alcuni paesi si stanno anche muovendo verso l’utilizzo di AR in strati drenanti. La Corea ha concordato un programma con la Thailandia nell’ambito del quale è stata costruita una sezione sperimentale mediante un impianto messo a punto dallo stesso Taiwan Construction Research Institute. Nel frattempo nuovi sviluppi nell’area della fabbricazione di apparecchiature per la produzione di AR sono stati portati avanti in Texas, dove Andy Cox, dell'azienda D&H ha presentato una nuova unità computerizzata per la produzione continua di AR in piccoli impianti bituminosi.
Recentemente negli Stati Uniti, lo stato del Nebraska ha sviluppato un programma di riabilitazione di pavimentazioni rigide in cemento, utilizzando una combinazione di conglomerati aperti AR e conglomerati gap-graded AR, mentre la Rocky Moutain State of Colorado ha utilizzato AR chip seals nella riabilitazione di piste aeroportuali con piccolo volume di traffico.
George Way riferisce che l’ADOT sta costruendo nuove strade ad alta capacità di traffico per una spesa totale di costruzione di oltre $ 400˙000˙000.00 e per le quali è stato imposto l’utilizzo di bitume modificato con polverino di gomma per la realizzazione degli strati di usura.
In Alberta, Canada, è stato implementato un programma di pavimentazione con Asphalt Rubber in una zona caratterizzata da temperature estremamente fredde. Nella Columbia Britannica, sempre in Canada, è stato sviluppato un apposito piano per dimostrare l’applicabilità di questo bitume agli ingegneri più scettici.
Il Messico ha utilizzato ARCS e HMRA in centinaia di chilometri di pavimentazione e l'utilizzo di Asphalt Rubber in trattamenti superficiali è una strategia utilizzata anche per ridurre l'emissione di polvere nelle strade non asfaltate che confinano con gli Stati Uniti.
In Puerto Rico, in seguito alla recente inaugurazione di un nuovo impianto per il riciclaggio di pneumatici, è stato messo a punto un progetto di dimostrazione e monitoraggio dell'utilizzo di AR.
In Europa, il Portogallo continua a guidare l'aumento dell'utilizzo di Asphalt Rubber, che rientra ora nei capitolati della seconda maggior concessionaria di autostrade, la Auto-Estradas do Atlantico S.A., mentre Spagna, Germania, e Austria hanno recentemente adottato progetti sperimentali di riabilitazione di pavimentazioni autostradali rigide e flessibili utilizzando Asphalt Rubber. Tutti questi progetti dimostrativi hanno sinora mostrato performance al di sopra delle aspettative, anche sotto le condizioni più estreme.
Come risultato del rinnovato interesse per l’Asphalt Rubber e dei risultati raggiunti, la FHWA ha posizionato una sezione test con il 50% di riduzione dello spessore di un conglomerato gap graded in Virginia, monitorato dal Turner Fairbanks Research Center, ed ha testato le pavimentazioni in Asphalt Rubber con l'utilizzo dell'apparecchiatura ALF (Accelerated Loading Facility). Tutti gli altri materiali testati in questo studio comparativo hanno fallito, mentre la sezione con Asphalt Rubber non ha presentato fessurazione.
Il California Department of Transportation sta correntemente comparando in situ pavimentazioni in Asphalt Rubber e conglomerati da bitumi modificati SBS, utilizzando il veicolo HVS dell’Università di Berkeley, California.
Un altro progetto di investigazioni della performance dell’AR è attualmente condotto presso l’Arizona State University dai professori Matt Witzcak e Kamil Kaloush, finanziato da Ford Motor Company, ADOT e RPA.
Il Dr. Serji Amirkhanian, della Asphalt Rubber Technology Service presso l’Università di Clemson sta conducendo un studio sperimentale si alcune sezioni dimostrative in South California.
Ci sono anche tante altre università, quali l'Università Politecnica di Madrid e l'Università degli Studi di Parma, per citarne alcune, che stanno analizzando la performance di pavimentazione in AR, approfondendone lo studio.
Nell'ottobre del 2006 si terrà il convegno internazionale “Asphalt Rubber 2006 Conference”, e avendo osservato gli enormi sviluppi avvenuti tra i precedenti AR2000 e AR2003, ci si aspetta che questa conferenza porti a conoscenza di innovativi casi dimostrativi e risultati di ricerca nell'utilizzo di questo materiale.
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3.3 Attributi delle Pavimentazioni in Asphalt Rubber
3.3.1 Principali aspetti caratterizzanti la superficie di una pavimentazione
In generale, le principali caratteristiche richieste ad una pavimentazione stradale sono la massima durabilità, la minima necessità di manutenzione ed il mantenimento nel tempo di buoni livelli di sicurezza, garantita essenzialmente da buone caratteristiche superficiali.
Inoltre assumono oggi un ruolo molto importante gli aspetti ambientali e finanche gli aspetti estetici, sulla base dell’idea che il contesto stradale debba concorrere alla costruzione di un paesaggio in armonia con gli spazi urbani e con gli insediamenti umani.
La strada deve soddisfare anche requisiti visivi, ed elementi quali patches (o altri segni di manutenzioni evidenti) ed altre irregolarità sulla strada non risultano graditi all’utente, oltre a comportare spesso problemi di sicurezza. Altri aspetti che non devono essere trascurati sono la regolarità percepita dagli utenti e le emissioni di rumore legate direttamente alla rugosità superficiale. Dal momento che tutti gli aspetti citati dipendono dalle caratteristiche superficiali di una pavimentazione, ossia dalle sue proprietà funzionali, si è ritenuto opportuno approfondire questo aspetto.
Un parametro particolarmente importante per la descrizione delle caratteristiche superficiali di una pavimentazione è la tessitura superficiale o rugosità, intesa come lo scostamento della superficie stradale dal piano medio di interpolazione della stessa.
Questa caratteristica della superficie stradale dipende principalmente, nel caso di conglomerati bituminosi, dal tipo di aggregati lapidei impiegati e dalla modalità di realizzazione dello strato superficiale [3-4].
Le principali distinzioni nel tipo e tessitura di una pavimentazione possono essere fatti:
- rispetto ad un piano orizzontale, distinguendo tra tessitura casuale, quando non è rilevabile in nessuna direzione predominante, e tessitura trasversale, tipica delle pavimentazioni in calcestruzzo è caratterizzata da striature perpendicolari alla direzione principale del traffico;
- rispetto ad un piano verticale, dividendo in tessitura positiva, formata da asperità che si ergono al di sopra del piano di inviluppo che media la superficie stradale, e tessitura negativa, nel caso sia possibile identificare vuoti tra le particelle che compongono la superficie stradale stessa.
Considerando il caso di pavimentazioni stradali in conglomerato bituminoso, assume particolare importanza la macrotessitura, ossia la componente della tessitura superficiale legata alle dimensioni dei singoli aggregati lapidei, alla relativa distribuzione granulometrica (mix design), nonché alla quantità di legante e alle modalità di confezionamento e posa in opera dell'intero conglomerato.
Le rugosità legate a questo tipo di tessitura consentono al battistrada del pneumatico, mediante forze di pressione, di vincolarsi alla superficie stradale generando un processo deformativo nel pneumatico stesso. L'energia assorbita da quest'ultimo, dovuta alla forza di reazione orizzontale durante il passaggio sulla sede stradale, non viene interamente restituita ma viene in parte trasformate in calore, generando localmente temperature che possono risultare così elevate da produrre una parziale liquefazione della gomma.
Un altro aspetto importante legato alla macrotessitura è il sistema di micro canali di scorrimento che questa definisce per l'immagazzinamento delle acque meteoriche, riducendo in tal modo lo spessore del velo idrico responsabile dei fenomeni di aquaplaning.
Ai fini della valutazione in sito di tale componente della tessitura, alle metodologie classiche di misura si affiancano tecniche che non necessitano di un diretto contatto con la superficie stradale e ricorrono, ad esempio, all'impiego di laser.
Tra le metodologie classiche, si riportano le misure volumetriche, basate sull'utilizzo di un volume noto di materiale facilmente modellabile che viene steso manualmente ed in forma circolare sulla pavimentazione. Il diametro medio ottenuto consente il calcolo dell'area occupata, la quale rapportata al volume iniziale permette di valutare la tessitura superficiale. In Italia, ad esempio, il CNR stabilisce che il materiale da impiegare sia sabbia e il corrispondente metodo viene, quindi, definito come metodo di misura dell'altezza di sabbia.
Figura 3-6: Metodo di misura dell’altezza di sabbia
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Un altro sistema di misura della macrotessitura ricorre alla misura del flusso d'acqua riversato da un cilindro di volume noto appoggiato sulla superficie stradale. L'inverso del tempo impiegato per lo svuotamento del cilindro stesso fornisce una misura dell'effetto drenante della pavimentazione, e costituisce quindi una misura indiretta della tessitura superficiale: all'aumentare del tempo impiegato corrisponderà una superficie più liscia e levigata.
I metodi di misura più impiegati attualmente ricorrono, come anticipato, a tecniche che non implicano il diretto contatto con la superficie stradale, tramite l'utilizzo di profilometri o tessurimetri. Attualmente esistono tre tipologie di tali strumenti in grado di valutare con precisione la macrotessitura di una pavimentazione, che si distinguono in profilometri a luce laser, a luce radente e a punta meccanica, il primo dei quali risulta essere il più impiegato.
Figura 3-7: Esempio di profilometro laser
Sempre con riferimento alle pavimentazioni realizzate in conglomerato bituminoso, un’ulteriore proprietà intrinseca è rappresentata dalla microtessitura, legata alle irregolarità superficiali presenti sulle facce dei singoli aggregati lapidei affioranti sul piano stradale. Tale proprietà, detta anche microrugosità, dipende quindi dal tipo di aggregati utilizzati, le cui irregolarità, penetrando nella gomma del battistrada, forniscono un contributo fondamentale all'aderenza sviluppando una significativa pressione di contatto che dà luogo ad un insieme di legami molecolari che consentono l'adesione tra pneumatico e strato di usura. In caso di superficie bagnata, tale legame risulta possibile solo se la pressione di contatto è sufficientemente elevata da consentire di rompere il velo idrico.
All’aumentare della velocità tale rottura risulta più difficile, portando ad una riduzione del valore di aderenza. La microtessitura, quindi, consente lo sviluppo di forze di attrito principalmente alle basse velocità e per pavimentazioni asciutte.
La misura di tale grandezza presenta problemi pratici legati alle ridotte dimensioni (anche pochi micron) delle grandezze coinvolte, costringendo a ricondursi ad una valutazione indiretta degli effetti prodotti tramite la misura della resistenza di attrito radente (skid resistance) per basse velocità di prova, utilizzando uno strumento denominato British Pendulum Skid Tester. Questo consiste in un particolare pendolo dotato sull'estremità libera di un pattino rivestito in gomma, al quale viene fatta compiere un'oscillazione che porta la gomma a strisciare sulla superficie da testare. Attraverso tale prova viene valutata una grandezza, denominata British Pendulum Number (BPN), che consente di stabilire una misura indiretta della microtessitura.
Un ulteriore parametro, detto coefficiente di levigatura accelerata (CLA), fornisce una misura della resistenza all'usura delle graniglie costituenti lo scheletro litico dello strato superficiale in conglomerato bituminoso, e costituisce un coefficiente di valutazione della capacità di tali materiali di contribuire al rallentamento del processo di degradazione della rugosità superficiale. La misura di questo parametro viene effettuata tramite una specifica apparecchiatura descritta dal B.U. 140/1992 del CNR.
Esistono, altresì, metodi specifici per la misura dell'aderenza, distinguibili in quattro principali modalità operative:
- misura a ruota bloccata (Locked Wheel Tester);
- misura della forza di aderenza laterale (Side Force Measurement);
- misura con scorrimento fisso (Fixed Force Devices);
- misura con scorrimento variabile (Variable Slip Devices).
In particolare, la Side Force Measurement permette la determinazione del coefficiente di aderenza trasversale (CAT), corrispondente al Sideway Force Coefficient (SFC).
La determinazione di questo coefficiente di attrito ha come scopo valutare le condizioni di sicurezza relativamente alla aderenza in condizione di superficie bagnata.
Figura 3-8: Esempio di veicolo per la misura del coefficiente di aderenza trasversale (CAT)
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Il rilievo della tessitura superficiale risulta molto più semplice rispetto alla misura diretta di aderenza, ed è quindi da preferirsi per la gestione della rete stradale, nonostante sia comunque possibile applicare leggi sperimentali che consentono di correlare tra loro le diverse metodologie di misura citate. Esiste, infatti, un forte legame tra tessitura ed aderenza, provata dal fatto che pavimentazioni con micro e macro tessitura diverse sviluppino diversi valori di aderenza.
La resistenza di attrito radente determinata mediante lo Skid Tester (CNR 105/85) deve fornire valori di BPN maggiori o uguali a 65 o, in alternativa, il coefficiente di aderenza trasversale (CAT) determinato mediante un'apparecchiatura SCRIM (CNR 147/92), deve risultare maggiore o uguale a 0.65. L'altezza di sabbia determinata mediante la metodologia CNR 94/83 deve, infine, risultare superiore a 0.7 mm.
3.3.2 Performance
Le foto riportate nella Figura 3-9, ormai divenute un classico esempio, sono state scattate in Arizona sulla Intestate 40, nei pressi di Flagstaff, dopo 8 anni di servizio della pavimentazione, soggetta ad un intenso traffico pesante. In questo tratto il clima è condizionato dall’altitudine di circa 2100 m e da una precipitazione nevosa pari a 255 cm/anno; le temperature sono comprese tra i –6 e 38°C. La foto a sinistra mostra una struttura di 10 cm di spessore di conglomerato convenzionale, mentre a destra è illustrato un tratto di pavimentazione di 5 cm di HMRA chiuso.
Figura 3-9: Confronto tra due tratti di pavimentazione della I-40, a sinistra in conglomerato tradizionale e a destra in AR, dopo 8 anni di servizio
Queste foto permettono un’immediata percezione dell’elevata performance dei conglomerati AR, sia per quanto riguarda la capacità strutturale che, soprattutto, per la loro resistenza alla fessurazione.
La fessurazione delle pavimentazioni è in genere causata da eccessivi sforzi di tensione all'interno dello strato di conglomerato bituminoso, la cui origine è probabilmente legata ad una deformazione dello strato superficiale dovuta all’azione del traffico, al restringimento causato dalle basse temperature (congelamento), o alla riflessione delle fessure che, nel caso di riabilitazione di pavimentazioni esistenti, dal vecchio strato fessurato si propagano verso il nuovo strato di usura. La fessurazione dovuta alle basse temperature inizia, invece, dallo strato di usura e progredisce verso lo strato di fondo, dal momento che le basse temperature raffreddano in primo luogo la superficie. L’Asphalt Rubber ha dimostrato in diverse utilizzazioni e studi di possedere una resistenza eccezionale ad entrambi i tipi di fessurazione.
Ai materiali che costituiscono una pavimentazione stradale viene, quindi, richiesta una sufficiente resistenza ai più importanti fenomeni di deterioramento quali l’ormaiamento, la fessurazione da fatica e, nei climi più freddi, la fessurazione termica. Le azioni agenti su di una pavimentazione stradale possono essere sia orizzontali che verticali: le prime derivano soprattutto dal peso del veicolo, mentre le seconde sono conseguenti al moto o alle variazioni di velocità del veicolo stesso.
Le azioni orizzontali tangenti al piano stradale possiedono componenti sia in direzione del moto, ovvero dell’asse della strada, sia ad esso ortogonali per effetto della forza centrifuga agente sul veicolo in curva. A causa di tali azioni gli sforzi di trazione sono presenti sia sulla superficie del manto stradale che negli strati più profondi e maggiormente soggetti a flessione. Inoltre, a causa del collegamento tra gli strati, il ritiro del conglomerato dovuto al proprio raffreddamento successivamente alla stesa, genera sollecitazioni di trazione.
Le prove di adesione sull’Asphalt Rubber, prevalentemente condotte nella penisola iberica mediante la prova Cantabro (NLT 362), evidenziano un’ottima resistenza all’azione dell’acqua (<15%) che consente l’applicazione dei leganti AR a conglomerati particolarmente porosi e sollecitati in corrispondenza del contatto legante/aggregato.
Le elevate percentuali di gomma utilizzate nel processo wet permettono di ottenere conglomerati bituminosi drenanti particolarmente resistenti all’ormaiamento, con valori di velocità di deformazione di 12·10-3 mm/min nelle aree con temperature più elevate e per le classi di traffico più severo (T100), secondo la recente normativa spagnola (PG-3 OC5/2001) [3-5].
CAPITOLO 3. ASPHALT RUBBER 111
Sulla base delle rilevazioni effettuate da programmi di valutazione delle prestazioni a lungo termine, l’Arizona Department of Transportation, notoriamente coinvolta nei test stradali più severi per le particolari condizioni climatiche nelle quali opera, prescrive dal 1980 conglomerati bituminosi con Asphalt Rubber (AR-Concrete, AR-Hot Mix, AR-Friction Course). Le prestazioni in opera, valutate sulla base di 10 anni di osservazioni, hanno evidenziato risultati notevoli [3-6 e 3-7].
Prove di carico accellerate - Risultati dei test con ALF Gennaio 2005
0 20 40 60 80 100
25000 50000 75000 100000 125000 150000 175000 200000 225000 250000 275000 300000 Numero di Passaggi di Carico
Fessurazione Cumulata (m)
Pavimentazione Rigida Usura Bitume non modif Usura Hard SBS Asphalt Rubber semiaperto Figura 3-10: Andamento della fessurazione durante le prove di carico accelerate [3-6]
Nel 1992, il California Department of Transportation (CALTRAN) e il South African Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) hanno effettuato prove mediante un Heavy Vehicle Simulator (HVS, Figura 3-11) [3-8]. Tale apparecchiatura, piuttosto simile ad un ALF, sposta rapidamente un pneumatico caricato con un peso predeterminato sino a raggiungere la fessurazione o rottura meccanica. Sono stati testati tre tipi di pavimentazione, caratterizzate da strati di usura differenti: 80 mm di bitume modificato con SBS, 25 mm di Asphalt Rubber e 38 mm di AR. Dopo un determinato numero di passaggi, le fessure sono state misurate e contate (vedi Figura 3-12).
Figura 3-11: Heavy Vehicle Simulator impiegato per lo studio del Caltrans e del CSIR.
Figura 3-12: Stato fessurativo nelle diverse pavimentazioni sottoposte alle prove con HVS
I primi passaggi con HVS sono stati effettuati a temperatura ambiente (25°C) e con il carico standard previsto dalla U.S. Highway (40 KN). Al termine di 175˙000 passaggi il conglomerato tradizionale, al contrario dell’AR, presentava già fessure. Il test mostra che la sezione in conglomerato convenzionale ha fallito dopo 200˙000 ripetizioni. A 175˙000 ripetizioni la sezione di 38 mm di conglomerato AR non mostrava ancore fessurazione; a partire dai passaggi successivi il carico è stato aumentato a 80 kN, e tale pavimentazione non ha mostrato fessure fino a 237˙000 passaggi.