POLITECNICO DI MILANO
Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
Laurea Specialistica in Ingegneria Civile
Orientamento Infrastrutture di Trasporto
Analisi reologiche su bitume schiumato e caratterizzazione prestazionale
di conglomerati bituminosi schiumati ad elevato contenuto di fresato
(RAP)
Relatore: Prof. Ing. Filippo GIUSTOZZI
Correlatore: Ing. Gilberto MARTINEZ
Tesi di Laurea di:
Riccardo SONVICO 784652
2
INDICE
ABSTRACT………….. ... 10
INTRODUZIONE ... 12
CAPITOLO 1 GENERALITA’ SUL BITUME SCHIUMATO ... 14
1.1 Analisi bibliografica sul bitume schiumato ... 21
CAPITOLO 2 PROGRAMMA SPERIMENTALE ... 30
2.1 Materiali ... 32
2.1.1 Bitumi ... 32
2.1.2 Additivo ... 32
2.2 Caratterizzazione del Bitume schiumato ... 32
2.2.1 Conservazione della schiuma ... 34
2.2.2 Evaporazione ... 34 2.2.3 Raffreddamento ... 35 2.2.4 Penetrazione ... 35 2.2.5 Palla Anello ... 36 2.2.6 IP – Indice di Penetrazione ... 37 2.2.7 Viscosità ... 38
2.3 Prove Reologiche: Dynamic Shear Rheometer ... 40
CAPITOLO 3 ANALISI DEI RISULTATI ... 43
3.1 Risultati sulla caratterizzazione del bitume schiumato ... 43
3.1.1 Bitume A: Livorno ... 44
3.1.2 Bitume B: Ravenna ... 47
3.1.3 Bitume B.1: Ravenna con Additivo ... 50
3.1.4 Bitume C: Mantova ... 54
3.1.5 Bitume C.1: Mantova con additivo ... 57
3.2 Evaporazione ... 63
3.3 Raffreddamento post spruzzatura ... 63
3.4 Effetto della schiumatura nei bitumi ... 64
3.4.1 Penetrazione ... 64
3.4.2 Punto di Rammollimento ... 76
3
3.4.4 Viscosità ... 82
3.5 Prove Reologiche: Dynamic shear rheometer ... 90
3.6 Ranking dei bitumi schiumati in funzione della schiumabilità ... 99
3.7 Conclusioni ... 100
CAPITOLO 4 ANALISI BIBLIOGRAFICA SUI CONGLOMERATI BITUMINOSI SCHIUMATI ... 101
4.1 Influenza del metodo di compattazione ... 101
4.2 Contenuto ottimo di bitume schiumato... 101
4.3 Influenza del quantitativo di bitume schiumato sulle prestazioni attese ... 103
4.4 Contenuto di fine e Granulometria ... 103
4.5 Umidità ... 107
4.6 Maturazione ... 107
4.7 Temperatura di miscelazione ... 107
4.8 Temperatura di schiumatura del bitume ... 108
CAPITOLO 5 INDAGINE SPERIMENTALE SUI CONGLOMERATI BITUMINOSI SCHIUMATI ... 109
5.1 Materiali ... 110
5.1.1 Bitume ... 110
5.1.2 Aggregato Vergine ... 111
5.1.3 Aggregato fresato (RAP) ... 116
5.1.4 Cemento ... 120
5.2 Miscelazione ... 120
5.3 Determinazione massima massa volumica ... 126
5.4 Compattazione con pressa a taglio giratoria ... 127
5.4.1 Lavorabilità e autoaddensamento ... 129
5.5 Determinazione della massa volumica apparente ... 130
5.6 Determinazione dell’indice dei vuoti ... 132
5.7 Determinazione del modulo di rigidezza ... 133
5.8 Prova di trazione indiretta (Brasiliana) ... 135
CAPITOLO 6 ANALISI DEI RISULTATI SU CONGLOMERATI BITUMINOSI SCHIUMATI ... 137
6.1 Massa Volumica Apparente ... 137
6.2 Modulo di rigidezza ... 138
6.3 Resistenza a trazione indiretta (ITS) ... 142
6.4 Conclusioni ... 148
4
APPENDICE – TABELLE E GRAFICI ... 151
BIBLIOGRAFIA……….. ... 182
INDICE DELLE FIGURE Figura 1.1- Schema della produzione di schiuma (Wirtgen, 2012) ... 14
Figura 1.2 - Schema di espansione e semivita (Wirtgen, 2012) ... 15
Figura 1.3 - Riciclatrice Wirtgen in cantiere a Malpensa ... 16
Figura 1.4 - Riciclatrice Wirtgen e autobotte a Malpensa ... 17
Figura 1.5 - Differenze tra HWA-WMA-CMA (http://international.fhwa.dot.gov/pubs/pl08007/ images/figure_4.jpg) ... 17
Figura 1.6 - Secchio e barra misuratrice (Wirtgen,2012) ... 18
Figura 1.7 - Schiumatrice da laboratorio Wirtgen (Wirtgen 2012) ... 19
Figura 1.8 - Dettaglio pannello di controllo macchina Wirtgen ... 19
Figura 1.9 - Miscelatore Wirtgen ... 20
Figura 1.10 - Dettaglio miscelatore (sinistra) Pannello di controllo, (destra) interno del miscelatore . 20 Figura 1.11 - FI (Jenkins, Characterisation of foamed bitumen, 1999) ... 22
Figura 1.12 - Viscosità in relazione al contenuto d'acqua (Yu,2013) ... 23
Figura 1.13 - Influenza dell'acqua sulla resistenza a fatica in un bitume non modificato (Yu,2013) .... 23
Figura 1.14 - Influenza dell'acqua sulla resistenza a fatica in un bitume modificato (Yu,2013) ... 24
Figura 1.15 - Classifica dei bitumi studiati (Saleh, 2007) ... 25
Figura 1.16 - IP (Saleh, 2007) ... 25
Figura 1.17 - PVN (Saleh, 2007) ... 26
Figura 1.18 - VTS (Saleh, 2007) ... 26
Figura 1.19 - Bitume con e senza additivo (Jenkins,2000) ... 28
Figura 1.20 - Espansione e Semivita in funzione del contenuto d'acqua (Jenkins, 2000) ... 29
Figura 2.1 - Piano sperimentale... 31
Figura 2.2 - Bitume schiumato nel secchio ... 33
Figura 2.3 - Immagini ravvicinati bitume schiumato ... 33
Figura 2.4 – Campionamento del bitume schiumato ... 34
Figura 2.5 - Climatizzazione dei campioni ... 35
Figura 2.6 - Dettaglio temperatura di prova ... 36
Figura 2.7 - Palla Anello ... 36
Figura 2.8 - Dettaglio Anelli durante (sinistra) e a fine prova (destra) ... 37
Figura 2.9 - Viscosimetro Brookfield ... 39
Figura 2.10 - Dettaglio spindle inserito (sinistra) e pannello di controllo (destra) ... 39
Figura 2.11 - DSR ... 40
Figura 3.1 - Espansione Livorno ... 44
Figura 3.2 - Semivita Livorno ... 45
Figura 3.3 - Livorno (Espansione/Semivita) ... 45
Figura 3.4 - Livorno (Espansione/Temperatura) ... 46
5
Figura 3.6 - Ravenna (Semivita/Contenuto d'acqua) ... 48
Figura 3.7 - Ravenna (Espansione/Semivita) ... 48
Figura 3.8 - Ravenna (Espansione/Temperatura) ... 49
Figura 3.9 - Ravenna + Add (Espansione/Contenuto d'Acqua) ... 51
Figura 3.10 - Ravenna + Add (Semivita/Contenuto d'Acqua) ... 51
Figura 3.11 - Ravenna + Add (Espansione/Semivita) ... 52
Figura 3.12 - Ravenna + Add (Espansione/Temperatura) ... 53
Figura 3.13 - Mantova (Espansione/Contenuto d'acqua) ... 55
Figura 3.14 - Mantova (semivita/contenuto d'acqua) ... 55
Figura 3.15 - Mantova (espansione/semivita)... 56
Figura 3.16 - Mantova (espansione/temperatura)... 57
Figura 3.17 - Mantova + Add (espansione/contenuto d'acqua) ... 58
Figura 3.18 - Mantova + Add (semivita/contenuto d'acqua) ... 58
Figura 3.19 - Mantova + Add (espansione/semivita) ... 59
Figura 3.20 - Mantova + Add (espansione/temperatura) ... 60
Figura 3.21 - Espansione/Semivita (Kim and Lee, 2006) ... 60
Figura 3.22 - Confronto bitumi a 160°C ... 62
Figura 3.23 - Mantova - Temperatura di Raffreddamento ... 63
Figura 3.24 - Mantova + Additivo - Temperatura di Raffreddamento ... 63
Figura 3.25 - Livorno Vergine e 150°C – Penetrazione ... 65
Figura 3.26 - Livorno 160°C - Penetrazione ... 65
Figura 3.27 - Livorno 170°C – Penetrazione ... 66
Figura 3.28 - Livorno 180°C - Penetrazione ... 66
Figura 3.29 - Ravenna - Penetrazione Vergine e 150°C ... 67
Figura 3.30 - Ravenna - Penetrazione 160°C ... 68
Figura 3.31 - Ravenna - Penetrazione 170°C ... 68
Figura 3.32 - Ravenna - Penetrazione 180°C ... 69
Figura 3.33 - Ravenna + Add - Penetrazione Vergine e 150°C ... 70
Figura 3.34 - Ravenna + Add - Penetrazione 160°C ... 70
Figura 3.35 - Ravenna + Add - Penetrazione 170°C ... 71
Figura 3.36 - Ravenna + Add - Penetrazione 180°C ... 71
Figura 3.37 - Mantova - Penetrazione Vergine e 150°C ... 72
Figura 3.38 - Mantova - Penetrazione 160°C ... 72
Figura 3.39 - Mantova - Penetrazione 170°C ... 73
Figura 3.40 - Mantova - Penetrazione 180°C ... 73
Figura 3.41 - Mantova + Add - Penetrazione Vergine e 150°C ... 74
Figura 3.42 - Mantova + Add - Penetrazione 160°C ... 74
Figura 3.43 - Mantova + Add - Penetrazione 170°C ... 75
Figura 3.44 - Mantova + Add - Penetrazione 180°C ... 75
Figura 3.45 - Palla Anello - Livorno ... 77
Figura 3.46 - Palla Anello - Ravenna ... 78
Figura 3.47 - Palla Anello - Mantova ... 79
6
Figura 3.49 - IP - Ravenna ... 80
Figura 3.50 - IP - Ravenna + Add... 81
Figura 3.51 - IP - Mantova ... 81
Figura 3.52 - IP - Mantova + Add ... 82
Figura 3.53 - Bitumi Vergini - Viscosità ... 83
Figura 3.54 - Bitumi 160°C 2% - Viscosità ... 84
Figura 3.55 - Bitumi 160°C 3% - Viscosità ... 84
Figura 3.56 - Bitumi 160°C 4% - Viscosità ... 85
Figura 3.57 - Livorno - Viscosità ... 86
Figura 3.58 - Ravenna - Viscosità ... 86
Figura 3.59 - Ravenna + Add - Viscosità ... 87
Figura 3.60 - Mantova – Viscosità ... 88
Figura 3.61 - Mantova + Add - Viscosità ... 88
Figura 3.62 - Livorno - Modulo complesso ... 91
Figura 3.63 - Livorno - Angolo di fase ... 91
Figura 3.64 - Ravenna - Modulo complesso ... 92
Figura 3.65 - Ravenna - Angolo di fase ... 92
Figura 3.66 - Ravenna + Add - Modulo complesso ... 93
Figura 3.67 - Ravenna + Add - Angolo di fase ... 93
Figura 3.68 - Mantova - Modulo complesso ... 94
Figura 3.69 - Mantova - Angolo di fase ... 95
Figura 3.70 - Mantova + Add - Modulo complesso ... 95
Figura 3.71 - Mantova + Add - Angolo di fase ... 96
Figura 3.72 - Ranking dei bitumi schiumati ... 99
Figura 4.1 - Valori ottimi di bitume (Bowering and Martin, 1976) ... 102
Figura 4.2 - Fuso granulometrico (Nataatmadja, 2001) ... 104
Figura 4.3 - Fuso granulometrico (Muthen, 2009) ... 104
Figura 4.4 - ITS - Diverse tipologie di Filler con (a) e senza (b) un 3% di bitume schiumato (Halles, 2009)... 105
Figura 4.5 - ITS - Aggregato fine (Kim and Lee, 2006) ... 106
Figura 4.6 - ITS - Aggregato grosso (Kim and Lee, 2006) ... 106
Figura 5.1 - Piano sperimentale per conglomerati schiumati ... 110
Figura 5.2 - Aggregato 0-3 ... 112
Figura 5.3 - Aggregato 0-15 ... 113
Figura 5.4 - Aggregato 3-6 ... 114
Figura 5.5 - Aggregato 15-30 ... 115
Figura 5.6 - Estrazione ... 116
Figura 5.7 - Curva granulometrica fresato pre-estrazione ... 117
Figura 5.8 - Curva granulometrica fresato post-estrazione ... 118
Figura 5.9 - Confronto curve granulometriche pre e post estrazione ... 119
Figura 5.10 - Confronto aggregato pre e post estrazione ... 119
Figura 5.11 - Fuso granulometrico ... 121
7
Figura 5.13 - Miscela 1... 123
Figura 5.14 - Miscele da 2 a 5 con fuso di accettazione ... 124
Figura 5.15 - Miscele da 2 a 5 ... 125
Figura 5.16 - Conglomerato schiumato miscelato ... 125
Figura 5.17 - Picnometro ... 126
Figura 5.18 - Pressa a taglio giratorio ... 127
Figura 5.19 - Schema operativo pressa giratoria ... 128
Figura 5.20 - Campioni in conglomerato bituminoso schiumato ... 129
Figura 5.21 - Campioni immersi in acqua per saturare ... 131
Figura 5.22 - Campione posizionato all’interno della macchina dinamica per il calcolo del modulo . 134 Figura 5.23 - Schema operativo prova brasiliana ... 135
Figura 5.24 - Apparecchio ITS per prova brasiliana ... 136
Figura 6.1 - Massa volumica apparente ... 137
Figura 6.2 - Modulo di Rigidezza - AV_160°_2% ... 138
Figura 6.3 - Modulo di Rigidezza - AR50_160°_2%... 139
Figura 6.4 - Modulo di Rigidezza - AR50_180°_2%... 140
Figura 6.5 - Modulo di Rigidezza - Confronto a 0°C... 140
Figura 6.6 - Modulo di Rigidezza - Confronto a 25°C ... 141
Figura 6.7 - Modulo di Rigidezza - Confronto a 40°C ... 141
Figura 6.8 - ITS - AV_160°_2% ... 142
Figura 6.9 - ITS - AR50_160°_2% ... 143
Figura 6.10 - ITS - AR50_180°_2% ... 143
Figura 6.11 - ITS - Confronto a 0°C ... 144
Figura 6.12 - ITS - Confronto a 25°C ... 144
Figura 6.13 - ITS - Confronto a 40°C ... 145
Figura 6.14 – Campioni G1; G4; G8 - AR50_180°_2% ... 146
Figura 6.15 - Dettaglio campione G1 - AR50_180°_2% ... 146
8 INDICE DELLE TABELLE
Tabella 2.1 - Proprietà bitumi vergini ... 32
Tabella 3.1 – Bitume Schiumato Livorno ... 44
Tabella 3.2 - Schiumatura accettabile Livorno ... 46
Tabella 3.3 - Bitume Schiumato Ravenna ... 47
Tabella 3.4 - Schiumatura accettabile Ravenna ... 49
Tabella 3.5 - Bitume Schiumato Ravenna + Additivo ... 50
Tabella 3.6 - Combinazioni accettabili Ravenna + Additivo ... 53
Tabella 3.7 - Bitume Schiumato Mantova ... 54
Tabella 3.8 - Combinazioni accettabili Mantova ... 56
Tabella 3.9 - Bitume Schiumato Mantova + Additivo ... 57
Tabella 3.10 - Combinazioni accettabili Mantova + Add ... 59
Tabella 3.11 - Confronto bitumi ½ ... 61
Tabella 3.12 – Confornto bitumi 2/2 ... 62
Tabella 3.13 - Livorno - Penetrazione ... 64
Tabella 3.14 - Ravenna - Penetrazione ... 67
Tabella 3.15 - Ravenna + Add - Penetrazione ... 69
Tabella 3.16 - Mantova – Penetrazione ... 72
Tabella 3.17 - Mantova + Add - Penetrazione ... 73
Tabella 3.18 - Confronto vergine e 4% - Modulo complesso ... 98
Tabella 5.1 - Aggregato 0-3 ... 112
Tabella 5.2 - Aggregato 0-15 ... 113
Tabella 5.3 - Aggregato 3-6 ... 114
Tabella 5.4 - Aggregato 15-30 ... 115
Tabella 5.5 - Fresato 0-20 pre-estrazione ... 117
Tabella 5.6 - Fresato 0-20 post-estrazione ... 118
Tabella 5.7 - Miscele realizzate ... 122
Tabella 5.8 - Miscela 1 con aggregato vergine ... 122
Tabella 5.9 - Miscele da 2 a 5 con 50% di RAP ... 124
Tabella 5.10 - Parametri di compattazione ... 128
Tabella 6.1 - Confronto dei moduli di campioni realizzati con tecniche differenti ... 139
APPENDICE A 1 - Evaporazione Mantova 150°C - 2% ... 151 A 2 - Evaporazione Mantova 150°C - 4% ... 152 A 3 - Evaporazione Mantova 160°C - 2% ... 153 A 4 - Evaporazione Mantova 160°C - 4% ... 154 A 5 - Evaporazione Mantova 180°C - 2% ... 155 A 6 - Evaporazione Mantova 180°C - 4% ... 156
A 7 - Evaporazione Mantova + Add 150°C - 2% ... 157
9
A 9 - Evaporazione Mantova + Add 180°C - 4% ... 159
A 10 - Palla anello ... 161
A 11 - IP ... 163
A 12 - Viscosità bitumi ... 165
A 13 - Analisi Complessiva Livorno (Zoom) ... 166
A 14 - Analisi Complessiva Ravenna (Zoom) ... 166
A 15 - Analisi Complessiva Ravenna + Add (Zoom) ... 167
A 16 - Analisi Complessiva Mantova (Zoom) ... 167
A 17 - Analisi Complessiva Mantova + Add (Zoom) ... 168
A 18 - Bitumi Vergini Viscosità in scala decimale ... 168
A 19 - Bitumi con 2% d'acqua Viscosità in scala decimale ... 169
A 20 - Bitumi con 3% d'acqua Viscosità in scala decimale ... 169
A 21 - Bitumi con 4% d'acqua Viscosità in scala decimale ... 170
A 22 - Analisi complessiva Livorno (scala decimale) ... 170
A 23 - Analisi complessiva Ravenna (scala decimale) ... 171
A 24 - Analisi complessiva Ravenna + Add (scala decimale) ... 171
A 25 - Analisi complessiva Mantova (scala decimale) ... 172
A 26 - Analisi complessiva Mantova + Add (scala decimale) ... 172
A 27 - Valori DSR - Livorno ... 173
A 28 - Valori DSR - Ravenna ... 174
A 29 - Valori DSR - Ravenna + Add ... 175
A 30 - Valori DSR - Mantova ... 176
A 31 - Valori DSR - Mantova + Add ... 177
A 32 - Estrazione fresato ... 178
A 33 - Massa volumica apparente - Miscela 1-2 ... 179
A 34 - Massa volumica apparente - Miscela 3-4 ... 180
10
ABSTRACT
Questa tesi ha l’obiettivo di analizzare le proprietà fisiche e reologiche del bitume schiumato al fine di utilizzarlo in conglomerati bituminosi con aggregati vergini oppure con una percentuale più o meno alta di materiale di riciclo. La realizzazione di miscele con tale legante è una tecnica non ancora molto conosciuta, e si vuole in questa sede cercare di giungere ad una conoscenza maggiore sia del bitume schiumato sia delle miscele realizzate con esso.
Il progetto si è articolato in due fasi. Nella prima fase si sono studiati tre bitumi 70/100 provenienti da tre diverse raffinerie, due dei quali sono stati studiati prima e dopo l’aggiunta di un apposito additivo schiumante. Con l’apposito macchinario Wirtgen WLB10 S si è schiumato il bitume a differenti condizioni: da 150° a 180°C con step da 10°C e, per ognuna di queste, si è fatto variare il contenuto d’acqua da 1 a 4% variando ogni volta di un punto percentuale. Studiando i parametri di espansione e semivita si è riscontrato che ad un contenuto d’acqua maggiore aumenta l‘espansione mentre decresce la semivita. Dopo l’additivazione la semivita aumenta notevolmente poichè la schiuma di bitume diventa molto più stabile
Sono state eseguite prove di penetrazione, palla anello, viscosità e dynamic shear rheometer (DSR). La penetrazione risulta essere una prova non adatta in questo caso poiché la presenza di bolle crea un’elevata aleatorietà dei risultati. La palla anello varia minimamente tra una condizione e l’altra portando alla conclusione che schiumare non influenza in modo consistente il bitume. Si è osservato che la viscosità diminuisce in seguito all’additivazione. Non è stato possibile identificare un trend analogo per tutti i bitumi in relazione alla variazione di temperatura e contenuto d’acqua. Da un confronto fra i bitumi analizzati si osserva che una viscosità inferiore e un modulo complesso basso coincidono con buone capacità del bitume di realizzare una schiuma espansa e stabile. In particolare si è individuato nel bitume di Mantova quello migliore anche senza l’uso di additivo. Chiaramente dopo l’additivazione le sue caratteristiche schiumanti migliorano. Si è quindi osservato un abbassamento della viscosità del bitume in seguito alla schiumatura e soprattutto che i bitumi con bassa viscosità hanno capacità schiumanti migliori.
Durante la seconda fase è stato scelto il bitume Ravenna con additivo, il quale presentava un comportamento simile al Mantova senza additivo e si sono realizzate cinque miscele avendo come fine ultimo quello di capire le caratteristiche meccaniche dei conglomerati con bitume schiumati. La prima miscela è stata realizzata con il 100% di aggregato vergine e un 4.5% di bitume schiumato a 160°C con 2% d’acqua. Si è proseguito con quattro miscele con 50% di aggregato fresato di riciclo aggiungendo quindi un 4.2% di bitume schiumato ritenendo il bitume rimasto sugli aggregati fresati come rinvenuto. Il tutto è stato confrontato con una miscela realizzata in modo tradizionale a caldo con un 4.5% di bitume tradizionale e un 100% di aggregato vergine.
Le miscele sono state studiate prevalentemente da un punto di vista meccanico con prove di modulo con la macchina dinamica e prove di trazione indiretta. Osservando i risultati si può affermare che la miscela ha un comportamento migliore con un contenuto di 50% di RAP rispetto al caso con 100% di aggregato vergine. Studiando le diverse temperature è chiara la loro influenza sul comportamento del conglomerato che infatti presenta valori, sia di modulo che di ITS, più alti a 0°C rispetto a 25°C e ovviamente a 40°C che presentano i valori più bassi. Analizzando l’influenza delle condizioni di schiumatura del bitume si individua un trend crescente per quanto riguarda il valore dell’ITS: infatti
11 con un bitume schiumato a 180°C e 2% d’acqua si riscontrano valori maggiori del 20% rispetto a quelli ottenuti con un bitume schiumato a 160° sempre con il 2% d’acqua.
12
INTRODUZIONE
Nell’ambito della progettazione di infrastrutture stradali ed aeroportuali è di fondamentale importanza la conoscenza dei materiali utilizzati e soprattutto delle loro caratteristiche meccaniche. Al fine di conoscere quella che sarà la risposta meccanica del materiale in condizioni di esercizio è necessario studiarne in laboratorio le caratteristiche meccaniche.
Negli ultimi anni si è presentata sempre più insistentemente la necessità di provvedere a nuovi criteri di progettazione di infrastrutture viarie, le quali richiedono sempre più alti livelli di prestazione e ottimizzazione delle risorse; ad esempio, in ambito aeroportuale, questa esigenza è dettata dalla necessità che esse devono resistere a sollecitazioni sempre maggiori a causa dell’aumento del traffico, delle dimensioni dei velivoli e degli standard di sicurezza più severi. Per garantire le elevate prestazioni richieste, l’ingegneria si muove alla ricerca di materiali innovativi di alta sicurezza e durabilità, oppure ipotizzando l’impiego associato di soluzioni già note.
In questo contesto va sottolineato che la società moderna e soprattutto l’economia mondiale necessitano di un utilizzo sempre maggiore di materiali riciclati e di tecniche di riciclo il più possibile all’avanguardia. Col passare del tempo la tecnica stradale si è evoluta ed ha subito una forte accelerazione soprattutto durante la ricostruzione del secondo dopoguerra; ai tradizionali metodi di stesura a caldo si sono affiancate nuove tecnologie a freddo adatte per il riciclaggio delle pavimentazioni e per i rifacimenti superficiali. Alfine di ottenere risposte ottimali da pavimentazioni riciclate, tanto da poterle sostituire a quelle nuove, sono stati sviluppati nel corso degli ultimi anni numerosi studi. Due sono state le principali tecniche di riciclo a freddo delle pavimentazioni: l’utilizzo di emulsione bituminosa e di bitume schiumato, a differenza del classico bitume usato nelle miscele a caldo. Con queste tecniche è stato possibile utilizzare aggregato non più vergine ma fresato o frantumato, cioè materiale di riciclo. In questa tesi ci si è concentrati su una di queste due tecniche ovvero quella che prevede l’utilizzo del bitume schiumato all’interno del conglomerato.
La tecnologia in analisi sviluppata da Csanyi nel 1960, consiste nello spruzzare vapore all’interno del bitume. Questa tecnica fu modificata in Australia nel 1968, dove fu proposto di iniettare una lieve quantità di acqua fredda nel bitume caldo sotto forma sostanzialmente di vapore acqueo (Sunarojo, 2008). Nel corso degli ultimi decenni diversi paesi nel mondo hanno studiato e sperimentato questa tecnica come Sud Africa e Stati Uniti in aggiunta alla già citata Australia (Sunarojo, 2008).
Per giustificare questa tecnica e gli studi al riguardo si descrivono in modo sintetico i vantaggi conseguibili (Wirtgen, 2012):
• Flessibilità: la stabilizzazione con bitume schiumato crea un tipo di materiale visco-elastico che aumenta le proprietà legate al taglio (coesione e resistenza alla deformazione);
• Facilità di applicazione: si utilizza un’autobotte collegata a una riciclatrice;
• Capacità di raggiungere rapidamente una buona resistenza: il nuovo strato può essere velocemente aperto al traffico dopo le operazioni stesura e compattazione;
• La schiuma tende a rinchiudere le particelle fini: questo impedisce che reagiscano con acqua o partecipino ad un fenomeno di “pumping”.
13 Al di la di questo si ripete che si tratta di una tecnica di riciclo e, in quanto tale, gode di tutti i vantaggi generici del riciclaggio come il risparmio energetico, di materiale e di conseguenza un risparmio economico.
A livello pratico è importante soffermarsi brevemente su quello che è il campo applicativo del bitume schiumato in sito al fine di comprendere l’obiettivo finale di questi studi. Il bitume schiumato può venir impiegato per consolidare gli strati di sottofondo e per i lavori di riciclaggio a freddo.
Una particolarità di tale tecnica è che la miscela con il bitume schiumato può essere realizzata o in situ con riciclatrici o con impianto semi-mobile in area di stoccaggio. Con le riciclatrici mobili si fresa e si frantuma in un'unica passata la struttura stradale esistente, contemporaneamente si aggiungono bitume schiumato, cemento e acqua, mediante accoppiamento in autobotti. Il materiale è poi profilato con grader e rullato con apposite macchine di peso idoneo. Con l’impianto semi-mobile posto nella corretta area di recupero, si mescola una miscela in curva granulometrica di fresato, bitume schiumato, correzione e cemento, si carica il tutto su camion, si stende come un normale conglomerato a caldo con vibro finitrice e si compatta con il rullo gomma gomma.
Si sottolinea che la ricerca in questo campo è ben avviata ma non ancora ultimata, sono presenti diversi aspetti ancora poco chiari, che necessitano di ulteriori studi al fine di chiarire con precisioni l’influenza del quantitativo d’acqua sulle proprietà del bitume e l’influenza del bitume schiumato sulle miscele utilizzate. Ovvero non è ancora chiaro quali siano la temperatura e il contenuto d’acqua migliore per un buon bitume schiumato, non si conosce ancora bene che influenza abbia l’acqua sulla viscosità e sul modulo complesso del bitume. Inoltre non si hanno ancora molti risultati sulle caratteristiche meccaniche di conglomerati realizzati con questa tipologia di legante e se moduli più elevati siano legati ad una determinata condizione del bitume schiumato presente nella miscela. Ci si è posti l’obiettivo di studiare sotto aspetti fisici e reologici le proprietà del legante in seguito all’operazione di schiumatura, sia con tecniche più tradizionali sia con altre di più moderna concezione, al fine di osservare l’influenza di tale operazione sulle sue proprietà.
Essendo l’obiettivo finale di questa tecnica quello di realizzare conglomerati bituminosi con buone caratteristiche meccaniche ci si è concentrati, una volta individuate le condizioni migliori in cui realizzare un bitume schiumato, sulla realizzazione di miscele schiumate da studiare in diverse condizioni climatiche e soprattutto con bitumi schiumati diversamente in modo da valutare l’eventuale correlazione diretta tra le caratteristiche meccaniche del conglomerato e le condizioni del bitume schiumato utilizzato.
14
CAPITOLO 1
GENERALITA’ SUL BITUME SCHIUMATO
Un bitume schiumato è un legante ricavabile in seguito all’iniezione di una piccola percentuale di acqua nebulizzata nel bitume caldo, in un’apposita camera ad espansione. In Figura 1.1 è rappresentato uno schema relativo.
Figura 1.1- Schema della produzione di schiuma (Wirtgen, 2012)
Subito dopo la spruzzatura del bitume in un apposito contenitore questo si presenta come una schiuma, con bolle, e si espande rapidamente aumentando di volume fino a raggiungere il culmine per poi rapidamente collassare, così da riportarsi asintoticamente al volume originario.
La differenza tra il massimo volume raggiunto dalla schiuma e quello di partenza è chiamata “Espansione”, il cui massimo valore di questa dipende dal “Contenuto d’acqua” aggiunto, in altre parole dalla percentuale iniettata sotto forma di vapore nel bitume. Un altro parametro importante per la descrizione di questo legante è la “Semivita” ovvero il tempo che intercorre tra quando il volume è al culmine e il momento in cui collassando raggiunge la metà del volume stesso. Dopo un breve periodo, che può variare da 20 secondi fino ad un massimo di qualche minuto, il bitume torna ad avere il suo volume iniziale, tuttavia, durante questa fase, alcune bolle rimangono all’interno del legante. Si suppone che il bitume schiumato includa al suo interno aria, vapore ed un piccolo quantitativo d’acqua.
Solitamente il bitume è spruzzato in un secchio, all’interno del quale è possibile osservare come il vapore forma queste bolle che rimangono poi intrappolate all’interno del legante liquido. Queste bolle alla vista si comportano come quelle dell’acqua calda, ovvero tendono a portarsi verso l’alto mentre il bitume decresce di volume durante la dissipazione della schiuma dovuta alla forza di gravità. Va sottolineato che l’iniezione di acqua porta ad un notevole abbassamento della temperatura del bitume che viene spruzzato. Sulla base di quanto descritto è chiaro che aspetti come contenuto d’acqua, temperatura del bitume, viscosità e proprietà del legante allo stato vergine abbiano notevole influenza sulle caratteristiche della schiuma.
Di seguito si riporta un’immagine tratta dal manuale Wirtgen ritenuta utile per una rapida comprensione in fase preliminare del tema trattato. Infatti, è rappresentato un grafico espansione/tempo il comportamento della schiuma che aumenta di volume fino a un picco per poi
15 decrescere asintoticamente. Strettamente legate alle fasi del processo sono collegati al grafico tre contenitori stilizzati rappresentanti il volume occupato dal bitume (Figura 1.2).
Figura 1.2 - Schema di espansione e semivita (Wirtgen, 2012)
Il bitume schiumato è quindi un legante con apposite proprietà tali da poter realizzare miscele a temperatura ambiente, che gli permettono, durante la fase espansa, di avvolgere gli aggregati nelle condizioni di umidità del sito in cui si realizza la pavimentazione. Trattasi in questo caso di un CMA (cold-mix asphalt) ovvero di un conglomerato realizzato completamente a freddo, in alternativa al classico HMA (hot-mix asphalt) ovvero un mix realizzato a caldo, dove sia il bitume che gli aggregati sono ad alta temperatura. I conglomerati freddi sono realizzabili sia in impianto sia in sito e in nessuno dei casi è necessario scaldare gli aggregati prima di realizzare la miscela. La differenza sta nel fatto che in impianto è possibile controllare più precisamente dosaggi, temperatura e la qualità del mix che inoltre può essere immagazzinato per un uso successivo, mentre in sito la velocità e il costo sono ottimali a discapito tuttavia di una qualità inferiore rispetto alla miscela realizzata in impianto. L’impianto consiste in tramogge di aggregati con un nastro trasportatore che convoglia il tutto in un miscelatore. Quando il materiale è fatto cadere dai nastri avvengono la spruzzatura del bitume e in
16 seguito la miscelazione complessiva all’interno del miscelatore finché il mix non è omogeneo. A questo punto il mix è incanalato con un altro nastro trasportatore verso un’area di stoccaggio oppure verso gli appositi autocarri destinati all’immediato trasporto in cantiere. La tecnologia attuale ha permesso la realizzazione di impianti mobili, posizionabili vicino al cantiere al fine di ridurre al minimo i costi di trasporto. L’aggregato può essere sia vergine sia fresato oppure una combinazione di essi, eventualmente con aggiunta di una piccolissima percentuale di cemento.
Il processo in sito consiste nel riciclaggio fresando uno strato usurato di pavimentazione di profondità variabile tra 100mm e 300mm. La pavimentazione frantumata viene spruzzata con bitume schiumato realizzato nella camera d’espansione della riciclatrice. Nell’immagine sottostante (Figura 1.3) è visibile una riciclatrice da cantiere in opera presso l’aeroporto di Milano Malpensa nel mese di Aprile 2013 in occasione dei lavori di ampliamento dell’area cargo.
Figura 1.3 - Riciclatrice Wirtgen in cantiere a Malpensa
Il bitume è portato da un’apposita autobotte che fa parte nel treno di mezzi necessari per il riciclo. Infatti riciclatrice e autobotte si muovono in tandem lungo la pavimentazione. Nell’immagine seguente è visibile tale accoppiamento (l’immagine è relativa al medesimo cantiere, Figura 1.4).
Figura
Il materiale può essere poi livellato e compattato con un rullo per ottenere una pavimentazione flessibile consona con le richieste di capitolato.
In occasione della settima conferenza sulle pavimentazioni ampio spazio alla descrizione d
differenti approcci (Lewis e Collings,1999).
Si sottolinea che a livello intermedio tra HMA e CMA si inserisce la tecnica WMA ( conglomerato tiepido, dove gli aggregati sono a 95°C anzi che 165°C (tipico dell’HMA).
Nella seguente immagine (Figura 1.5) si riporta in modo schematico la differenza esistente tra le tre differenti tecniche sopra citate.
Figura 1.5 - Differenze tra HWA-WMA
Figura 1.4 - Riciclatrice Wirtgen e autobotte a Malpensa
Il materiale può essere poi livellato e compattato con un rullo per ottenere una pavimentazione flessibile consona con le richieste di capitolato.
conferenza sulle pavimentazioni tenutasi in Sudafrica nel
di queste tecniche di riciclo in sito delineando pro e contro dei differenti approcci (Lewis e Collings,1999).
Si sottolinea che a livello intermedio tra HMA e CMA si inserisce la tecnica WMA ( conglomerato tiepido, dove gli aggregati sono a 95°C anzi che 165°C (tipico dell’HMA).
Nella seguente immagine (Figura 1.5) si riporta in modo schematico la differenza esistente tra le tre
WMA-CMA (http://international.fhwa.dot.gov/pubs/pl08007/images/figure_4.jpg
17 Il materiale può essere poi livellato e compattato con un rullo per ottenere una pavimentazione
rica nel 1999 venne dato i queste tecniche di riciclo in sito delineando pro e contro dei
Si sottolinea che a livello intermedio tra HMA e CMA si inserisce la tecnica WMA (warm-mix asphalt), conglomerato tiepido, dove gli aggregati sono a 95°C anzi che 165°C (tipico dell’HMA).
Nella seguente immagine (Figura 1.5) si riporta in modo schematico la differenza esistente tra le tre
18 È visibile come all’aumentare della temperatura di miscelazione del conglomerato aumenti anche il quantitativo di energia necessaria.
In laboratorio il bitume schiumato può essere realizzato con un piccolo impianto schiumante (Wirtgen WLB) realizzato al fine di studiare le caratteristiche dello schiumato e valutare le proprietà in relazione ai parametri variabili che lo caratterizzano. Tale macchina riproduce in modo fedele l’impianto montato sulle riciclatrici da cantiere.
Nel seguito si descrive (Figure 1.7-1.8-1.9-1.10) rapidamente l’impianto da laboratorio appena citato e utilizzato nella seguente ricerca: trattasi di un blocco unico e compatto in cui viene inserito il bitume caldo e liquido (1) e successivamente spruzzato (2) in un apposito secchio. Attraverso il pannello di controllo (3) è possibile impostare la temperatura di tutti i vari componenti della macchina. È infatti opportuno sottolineare che tutte le parti percorse dal bitume siano alla medesima temperatura dello stesso al fine di evitare dispersioni termiche. Nel momento in cui l’operatore imposta la temperatura si illuminano delle spie luminose per informare che la macchina non è pronta; tali spie si spegneranno non appena verrà raggiunto il livello termico richiesto. Attraverso il pannello si può inoltre impostare la percentuale d’acqua richiesta e il
quantitativo di bitume che si vuole spruzzare, oltre che ovviamente accendere la macchina e dare l’avvio all’operazione di schiumatura. Dall’ugello (2) il bitume viene spruzzato in un secchio (a fianco Figura 1.6) dove, con un’asta metallica si valuta il livello dell’espansione raggiunto dal bitume. È possibile collegare un miscelatore Wirtgen (4) alla macchina dove, anzi che studiare semplicemente il comportamento del bitume, si realizza una vera e propria miscela. Questo presenta un ulteriore piccolo pannello di controllo (5) dove è
possibile, oltre che azionare il miscelatore, variare tempo di miscela e velocità. Si osserva che ogni bitume presenta le proprie caratteristiche, dovute alla provenienza e alla composizione chimica, di conseguenza è opportuno tarare la macchina ogni volta che si cambia il bitume da analizzare. Infatti, affinché la macchina spruzzi il quantitativo di bitume richiesto dall’operatore è necessario regolare la velocità della pompa. Chiaramente, variando la temperatura, si modifica la viscosità del bitume e di conseguenza leggermente anche il quantitativo spruzzato. In accordo con i tecnici specializzati i laboratori individuano nel 4% (20g su uno spruzzo di 500g) un valore di tolleranza accettabile.
Figura 1.6 - Secchio e barra misuratrice (Wirtgen,2012)
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Figura 1.7 - Schiumatrice da laboratorio Wirtgen (Wirtgen 2012)
Figura 1.8 - Dettaglio pannello di controllo macchina Wirtgen
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Figura 1.9 - Miscelatore Wirtgen
Figura 1.10 - Dettaglio miscelatore (sinistra) Pannello di controllo, (destra) interno del miscelatore
Secondo quanto stabilito da Brown nel 1994 le tre proprietà meccaniche fondamentali da conferire ad un buon conglomerato sono compattezza, resistenza a fatica e resistenza all’ormaiamento, di conseguenza la ricerca e la sperimentazione del legante in esame sono volte a realizzare un mix che rispetti il più possibile tali richieste.
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1.1 Analisi bibliografica sul bitume schiumato
La tecnologia del bitume schiumato fu introdotta inizialmente dal Professor Ladis Csanyi della Iowa State University nel 1956. Le qualità di tale legante sono state nel corso degli anni dimostrate sia in laboratorio che in sito. In questo processo veniva iniettato nel bitume vapore ad una pressione di 172 kPa con un apposito ugello. Fu provato nel 1959 sempre da Csanyi come l’iniezione di vapore fosse la più semplice ed efficiente da realizzare. Tuttavia tale metodo era difficoltoso da applicare in sito per la necessità di una caldaia a vapore, di conseguenza, nel 1968 in Australia si modificò tale tecnica utilizzando acqua fredda anziché vapore. Da questo momento la tecnica del bitume schiumato fu riconosciuta a livello universale come un’ottima tecnica per il riciclo delle pavimentazioni stradali, tanto da essere applicata in Nuova Zelanda, Sud Africa, Gran Bretagna, Francia per poi giungere nei primi anni 90 in Asia in stati come Kuwait, Iran, Arabia Saudita, Cina, Taiwan e Tailandia. Sono stati condotti nel corso della storia numerosi studi al riguardo al fine di chiarire le caratteristiche e le proprietà del bitume schiumato. A Brennen et al. (1983) viene invece imputata l’individuazione di tre parametri ritenuti da allora fondamentali per caratterizzare la capacità schiumante di un bitume, la cosiddetta “foamability”: il quantitativo di schiuma prodotta, il contenuto d’acqua e la temperatura di schiumatura del bitume.
Gli effetti sulla composizione chimica del bitume in seguito all’operazione di schiumatura furono investigati da Namutebi nel 2011 attraverso tecniche spettroscopiche confrontando differenti bitumi. Osservò che la composizione chimica non veniva influenzata e lo giustificò dicendo che il periodo di esposizione all’aria e all’acqua è molto breve, inoltre che le temperature a cui viene schiumato non sono sufficientemente alte da causarne un invecchiamento, (Namutebi, 2011). Tuttavia raccomanda ulteriori studi al fine di determinare meglio questo aspetto della ricerca.
Nei suoi studi Carrera indagò sulla chimica del bitume, individuando che, con apposite modifiche sullo stesso era possibile ampliarne le capacità schiumanti. In seguito ad una apposita modifica osservò che il legante, dopo l’operazione di schiumatura, presentava un’ottima espansione e una maggiore stabilità se confrontata con quella del bitume non modificato. Gli spagnoli sottolinearono che in base alle caratteristiche colloidali del bitume erano individuabili vari livelli di modifica da attuare nei confronti del bitume, (Carrera, 2010).
Come precedentemente riportato, storicamente i parametri utilizzati per descrivere le condizioni schiumanti del bitume sono stati e sono tutt’ora espansione e semivita. Tuttavia, essendo questi ancora molto empirici, poco scientifici e molto influenzabili dall’operatore, Jenkins e Van de Ven hanno cercato con una ricerca presentata alla settima conferenza sulle pavimentazioni, tenutasi in Sud Africa nel 2007, di determinare dei nuovi parametri più rigorosi. Studiarono diversi bitumi con composizione diversa e una discreta varietà di additivi. Concentrarono buona parte del loro studio sulla realizzazione di un modello matematico per descrivere il decadimento della schiuma, dopo aver raggiunto la massima espansione (Jenkins 1999). Attraverso tale modello è possibile intervenire a posteriori sul valore rilevato di massima espansione sulla base anche del tempo di spruzzatura e della semivita. Si valuta così un indice di espansione corretto, identificato con ERa (actual expansion ratio)
raffigurante una misura intrinseca della stabilità della schiuma. È possibile additivare il bitume, aumentando espansione e semivita, senza che questo parametro cambi.
22 È stato introdotto anche un nuovo indice FI, ovvero Foaming Index, utile per ottimizzare l’uso di acqua e additivo al fine di migliorare la schiumatura del bitume. È misurato come l’area sottostante la curva di decadimento dopo il raggiungimento della massima espansione.
Figura 1.11 - FI (Jenkins, Characterisation of foamed bitumen, 1999)
Nell’immagine 1.11 tratta dall’articolo citato sono visibili sia il parametro ERa che l’FI ovvero la
somma delle aree A1 e A2.
FI può essere calcolato usando un’equazione di decadimento standard per bitumi non modificati. Dove sono usati additivi per il calcolo si possono invece utilizzare appositi grafici rappresentanti il decadimento della schiuma in aggiunta a calcoli numerici. Conoscendo gli FI e ERa di un bitume si
possono quindi valutare a priori le caratteristiche del legante in relazione alle capacità schiumanti così da poterlo confrontare con altri.
Indagando anche sulla viscosità dei vari bitumi rilevarono che l’espansione dovrebbe essere al minimo 4 al fine di garantire una viscosità sufficientemente bassa da consentire una buona miscelazione. A riguardo di ciò si potrebbe aprire un ampio dibattito poiché il manuale Wirtgen e il capitolato ANAS presentano valori limite completamente diversi sia per semivita che per espansione. Nella sua recente ricerca (2013) Yu, ha cercato di rispondere a due domande importanti: se la variazione del contenuto d’acqua avesse un’influenza diretta sulle proprietà del bitume schiumato e del conglomerato realizzato con esso, e se esista un contenuto ottimale d’acqua che fornisca le proprietà migliori. Nella sua ricerca letteraria Yu riassume le percentuali d’acqua usate storicamente: 1–5% Button et al.
1.5% Prowell and Hurley <2% Thompson
2–5% Middleton and Forfylow 2%, 3%, 4% Xiao et al.
4% Fu et al.
Osservò che la viscosità era influenzata dalla presenza di acqua, ed il modulo ne risentiva prevalentemente per quanto riguarda la componente elastica. In particolare Yu studiò bitumi
23 modificati e non ed osservò che la resistenza a fatica veniva aumentata con un 1% d’acqua per i non modificati, mentre 2-3% per i modificati.
Elaborò alcune rappresentazioni grafiche di seguito riportate contenenti suoi risultati:
Figura 1.12 - Viscosità in relazione al contenuto d'acqua (Yu,2013)
Figura 1.13 - Influenza dell'acqua sulla resistenza a fatica in un bitume non modificato (Yu,2013)
In queste figure in particolare (Figura 1.12 - 1.13 - 1.14) si trovano anche i primi risultati conseguenti a studi sul modulo complesso del bitume schiumato presenti in letteratura.
24
Figura 1.14 - Influenza dell'acqua sulla resistenza a fatica in un bitume modificato (Yu,2013)
Kim nel 2006 studiando la viscosità del bitume rinvenuto dal RAP osservò che i metodi di estrazione richiedevano almeno un paio di giorni per cui cercò un metodo rapido di circa due ore utilizzando un gel-permeation-chromatograph (GPC) (Kim, 2006).
Saleh nel 2007 analizzò 7 diverse tipologie di bitume, provenienti da diverse parti del mondo, utilizzò tre tecniche diverse per lo studio della suscettibilità termica del bitume e per valutare come questa avesse una conseguenza sulle proprietà del bitume schiumato. Va sottolineato che un bitume fortemente suscettibile alla temperatura può presentare diverse problematiche poiché si limita così l’area geografica di applicazione. Infatti non può essere utilizzato ad esempio in climi rigidi come quelli del nord Europa. Dalla sua analisi Saleh individuò la schiumatura migliore coincidente con quella relativa al contenuto ottimo d’acqua. Tuttavia per riferirsi a questo va indicata la semivita migliore, il che necessita di una valutazione visiva a discrezione dell’esperienza dell’operatore. Saleh identificò, coerentemente con la letteratura precedente, un contenuto d’acqua ottimale fra 2 e 3.5% esprimendo con la Figura 1.15 una classifica dei bitumi studiati utilizzando oltre al contenuto d’acqua il Foaming Index.
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Figura 1.15 - Classifica dei bitumi studiati (Saleh, 2007)
Per studiare la suscettibilità termica e confrontarla con la classifica sopra descritta studiò l’IP ovvero indice di prestazione, il PVN, penetration viscosity number e VTS viscosity-temperature susceptibility: un’elevata suscettibilità termica coincide con PI e PVN bassi e un VTS alto. Dallo studio elaborò questi risultati (Figure 1.16-1.17-1.18).
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Figura 1.17 - PVN (Saleh, 2007)
Figura 1.18 - VTS (Saleh, 2007)
Confrontando i bitumi nella graduatoria precedentemente descritta con i valori di PVN giunse alla conclusione che non è presente un nesso fra le buone caratteristiche schiumanti el bitume e la suscettibilità termica dello stesso.
Brennen et al. (1983) trovarono che la viscosità cinematica del bitume alla temperatura di schiumatura non era un parametro sufficiente a spiegare le proprietà del bitume schiumato. Altri
27 autori invece individuarono una correlazione tra viscosità e proprietà schiumanti del bitume, ovvero osservarono una maggiore capacità schiumante per bitumi con un basso valore di viscosità (Abel, 1978, Namutebi et al., 2011).
Inoltre la composizione chimica è risultata essere molto importante, infatti è stato mostrato dagli studi di Barinov (1990) che la presenza di asfalteni nel bitume aumenta l’espansione e la semivita della schiuma. Infatti gli asfalteni si comportano come tensioattivi che, riducendo la tensione superficiale del bitume, prolungano la durata della schiuma prima del collasso.
Maccarone et al. (1994) osservarono l’influenza di additivi schiumanti, i quali hanno la capacità di incrementare le capacità schiumanti del bitume, oltre a facilitare il ricoprimento degli aggregati. Non è stato semplice nel corso della storia studiare l’influenza dell’operazione di schiumatura sulle proprietà chimiche e reologiche del legante a causa dell’imminente collasso del materiale. Di conseguenza Sunarojo per primo, nel 2008, propose di conservare il bitume schiumato in appositi contenitori da riporre in freezer pochi minuti dopo la schiumatura. Tale procedimento è risultato essere la proposta più interessante al fine di conservare il più a lungo possibile le bolle all’interno del bitume ed è stata riutilizzata negli anni successivi. Tale metodo sarà anche utilizzato nello studio trattato nel seguito in questa tesi.
A titolo informativo si ritiene interessante riportare un sintetico schema al fine di elencare pro e contro dell’utilizzo del bitume schiumato, tratto da un testo di Jenkins (2000).
Vantaggi:
• Riduce quasi a zero le emissioni atmosferiche;
• Riduce il consumo di energia: l’aggregato è utilizzato a temperatura ambiente o a 95°C, comunque inferiori rispetto a quella necessaria per l’HMA;
• È compatibile con una vasta gamma di pezzature di aggregati;
• Serve un quantitativo inferiore: infatti attraverso l’espansione il bitume è sfruttato maggiormente ed è così in grado di coprire gli aggregati anche con minore quantità;
• Prevede un minor invecchiamento del bitume: dovuto alla temperatura inferiore del mix; • Prevede meno problemi dovuti all’umidità durante la compattazione;
• È applicabile sia ad aggregati vergine che a materiale fresato: trattandosi di qualità di materiale diverse ne segue anche una notevole differenza di prezzo;
• Prevede un periodo di stagionatura breve: dopo la compattazione i mix realizzati con lo schiumato hanno una resistenza sufficiente da essere subito percorsi dal traffico senza particolari effetti, a patto che i volumi di traffico non siano troppo elevati. Ovviamente non è allo stesso livello del conglomerato HMA. Invece i conglomerati con emulsione bituminosa richiedono un tempo di stagionatura maggiore;
Tuttavia è doveroso sottolineare anche quelli che sono gli svantaggi di questa tecnica di riciclaggio delle pavimentazioni:
• Necessita di un elevato livello di competenza: infatti devono essere molto competenti gli operatori al fine di ottenere una buona schiumatura ed un buon mix;
• Procedura di miscela: oggi ancora non sono state precisamente definite le operazioni da seguire per la miscelazione al pari dell’HMA;
28 • Composizione chimica: alcuni additivi “anti-foamants” vengono inclusi nel bitume durante la raffinazione e tendono ad inibire la produzione di schiuma. Pertanto questi necessitano un’additivazione prima dell’utilizzo.
• Procedure di design: non sono ancora state sviluppate tecniche ad hoc per la realizzazione di strati in conglomerato con bitume schiumato;
• Costi-benefici: è ancora difficoltoso individuare chiaramente il ciclo della vita utile della pavimentazione riciclata con i relativi interventi di manutenzione necessari.
Per queste ragioni diversi imprenditori non sono spesso preparati ad accogliere il rischio di utilizzare un prodotto che necessita ancora oggi di ricerca e sperimentazione.
Jenkins nella sua tesi studiò anche come l’additivazione influenzasse le caratteristiche di espansione della schiuma. Si riporta la Figura 1.19 che descrive un aumento notevole del foeming index e conseguentemente dell’espansione, in particolare intorno al 3% di contenuto d’acqua.
Figura 1.19 - Bitume con e senza additivo (Jenkins,2000)
È importante osservare questo aspetto perché sarà parte costituente della sperimentazione oggetto di questa tesi. Per concludere questi richiami bibliografici si riporta in Figura 1.20 l’andamento grafico di massima espansione e semivita di un bitume 70/100 (analoga tipologia di quello che si è studiato in questa sede) in relaziono al contenuto d’acqua riportato da Sunarjono (2008).
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CAPITOLO 2
PROGRAMMA SPERIMENTALE
Si vuole a questo punto, delineare quello che sarà il programma sperimentale analizzato in questa sede, al fine di partecipare allo studio iniziato da altri autori su quelle che sono le proprietà chimiche e reologiche del bitume schiumato, cercando di valutare l’influenza dei parametri precedentemente citati sul comportamento finale del bitume; successivamente in questa trattazione ci si concentrerà sullo studio delle miscele. Trattasi di una spiegazione sintetica avente l’obiettivo di collocare la tesi in esame nella ricerca in atto negli ultimi decenni sul bitume schiumato.
Si è deciso nel nostro caso di studiare tre bitumi 70/100 provenienti da raffinerie diverse: Livorno, Ravenna e Mantova. In particolare il secondo e il terzo sono stati analizzati prima e dopo l’aggiunta di un apposito additivo schiumante. In accordo con la letteratura esistente si sono analizzati i parametri di espansione e semivita, tuttavia per completare quanto osservato storicamente si è deciso di valutare quattro temperature diverse: 150°C, 160°C, 170°C, 180°C. Per ognuna di queste si sono analizzati quattro contenuti d’acqua, dall’1 al 4%. L’obiettivo è stato quello di identificare l’influenza di temperatura e contenuto d’acqua su espansione e semivita. Il bitume è stato conservato in appositi contenitori, opportunamente riposto in freezer, in accordo con l’intuizione di Sunarjono (2008).
Sono state effettuate prove tradizionali di penetrazione e palla anello su tutti i campioni vergini e schiumati. In seguito si è scelta la temperatura di 160°C che storicamente e secondo le nostre osservazioni creava ottime caratteristiche di schiuma. Su questa serie di campioni sono state eseguite prove di viscosità con un Viscosimetro Brookfield e di DSR con il reometro a taglio. I risultati sono stati confrontati con quelli dei campioni vergini.
In aggiunta, per il bitume Mantova, è stata studiata anche la variazione termica post spruzzatura e l’evaporazione nel corso del tempo. Per quest’ultima il bitume è stato versato in coppie di contenitori, dei quali uno è stato conservato a temperatura ambiente mentre l’altro è stato riposto in freezer.
Si rimanda al capitolo successivo la spiegazione dettagliata dei parametri analizzati con soprattutto i risultati ottenuti e le relative osservazioni. È qui di seguito invece riportato uno schema raffigurante il piano sperimentale precedentemente descritto.
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Figura 2.1 - Piano sperimentale
BITUMI:
Livorno, Ravenna, Ravenna + Add,
Mantova, Mantova + Add
Realizzazione del bitume SCHIUMATO con macchinario Wirtgen:
contenuto d’acqua: 1%, 2%, 3%, 4% 150°C 160°C 170°C 180°C Viscosità: 2%, 3%, 4% DSR: 1%, 2%, 3%, 4%
Analisi aggiuntive sul bitume Mantova e Mantova + Add:
• Evaporazione • Temperatura
Analisi sul bitume VERGINE Prove di: • Palla Anello • Penetrazione • Viscosità • DSR Prove di: • Penetrazione • Palla Anello Conservati in Freezer
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2.1 Materiali
2.1.1 Bitumi
Nello studio in analisi sono stati presi in considerazione tre bitumi provenienti da raffinerie diverse ma con uguale grado di penetrazione.
Livorno 70/100; Ravenna 70/100; Mantova 70/100.
Si riporta la tabella 2.1 con i valori caratteristici dei bitumi in condizioni vergini
Penetrazione Palla Anello IP LIVORNO 165 dmm 40°C -0.878
RAVENNA 73 dmm 46°C -1.377
MANTOVA 86 dmm 47°C -0.616
Tabella 2.1 - Proprietà bitumi vergini
2.1.2 Additivo
Come illustrato precedentemente in questo testo alcuni bitumi necessitano l’aggiunta di un additivo al fine di sopperire a problematiche, insite nella loro composizione chimica, che inibiscono la formazione di una buona schiuma. Nel caso in analisi si è utilizzato un additivo a base di acido oleico di dietalonammina. Trattasi di un composto liquido conservato a temperatura ambiente e aggiunto al bitume caldo prima dell’inserimento dello stesso nella macchina schiumante. Si sottolinea che le capacità di tale additivo sono notevoli quindi ne basta una piccola quantità per migliorare le prestazioni del bitume: nello specifico è stato aggiunto un quantitativo pari allo 0.6% calcolato sul peso totale del bitume utilizzato.
Si sono di conseguenza studiati: Ravenna Additivato 70/100; Mantova Additivato 70/100.
2.2 Caratterizzazione del Bitume schiumato
È stata utilizzata la macchina Wirtgen WLB 10S presso il Laboratorio del dipartimento di infrastrutture e trasporti del Politecnico di Milano. Il macchinario è dotato di una serie di spie relative alla temperatura dei suoi componenti, opportunamente regolabile. Infatti è molto importante che tutto ciò che è a contatto con il bitume sia alla temperatura richiesta così da non alterarne il comportamento.
Tipicamente le operazioni di schiumatura richiedono alcune ore, prevalentemente per quanto concerne il raggiungimento delle condizioni richieste di temperatura, pressione e dosaggio dell’acqua. Soprattutto per il raggiungimento della temperatura richiesta necessità di molto tempo: è fondamentale che il bitume sia scaldato in forno fino a 150°C prima di essere versato nella macchina, la quale deve già nel suo complesso essere alla temperatura richiesta. Si sottolinea che il secchio
33 entro cui viene gettata la schiuma dall’apposito ugello deve essere ad una temperatura minima di 75°C.
Una volta raggiunta la temperatura richiesta e selezionato il contenuto d’acqua con cui si vuole realizzare l’esperimento si può procedere all’operazione. Con l’ausilio di un termometro si misura la temperatura della schiuma subito dopo il getto e si rilevano la massima espansione e la semivita utilizzando un’apposita bacchetta inserita all’interno del secchio e un cronometro.
Con l’ausilio di una videocamera si effettua un controllo a posteriori sui dati rilevati in fase di esperimento. Tendenzialmente si effettuano tre “spruzzate” per ogni contenuto d’acqua di ogni condizione di temperatura. Si riportano alcune immagini del bitume schiumato dove sono visibili chiaramente le bolle (Figura 2.2-2.3).
Figura 2.2 - Bitume schiumato nel secchio
È importante sottolineare che viene impostato un flusso di bitume, pari a 100g/s, che viene spruzzato dalla macchina; si imposta, attraverso una manopola presente nel pannello di controllo, la velocità della pompa. In questa fase è necessario tarare la macchina, infatti ogni bitume ha caratteristiche
34 proprie di viscosità, di conseguenza la medesima velocità della pompa potrebbe causare, usando due bitumi differenti, la spruzzatura di due quantitativi diversi in peso. Solo dopo aver verificato che il quantitativo di bitume spruzzato è coincidente con quello richiesto si è potuto proseguire. Tale osservazione diventa fondamentale nel caso delle miscele, dove è necessario sapere con esattezza il quantitativo di bitume spruzzato, poiché la percentuale di bitume è valutata con precisione sul peso dell’aggregato.
2.2.1 Conservazione della schiuma
Oltre alla misura dei parametri di semivita e massima espansione, è necessario conservare buona parte del bitume appena schiumato con l’obiettivo di studiare l’effetto delle differenti condizioni di schiumatura sulle proprietà fisiche e reologiche del bitume. Il legante viene quindi, subito dopo la schiumatura, versato in appositi contenitori. Quelli relativi alla palla anello vengo semplicemente conservati in ripiani a temperatura ambiente; i contenitori destinati a penetrazione, viscosità e DSR invece, non appena il bitume raggiunge la temperatura ambiente, vengono ricoperti e riposti in freezer con l’obiettivo di conservare il più possibile il contenuto d’acqua. L’operazione di campionamento è brevemente rappresentata nell’immagine successiva (Figura 2.4)
Figura 2.4 – Campionamento del bitume schiumato
2.2.2 Evaporazione
Al fine di valutare la capacità del bitume schiumato di trattenere l’acqua si è deciso di riempire degli appositi contenitori e di valutarne il peso periodicamente, inizialmente ogni ora ,successivamente ogni giorno e infine settimanalmente. Il peso è stato misurato con una bilancia dotata di lettura al centesimo di grammo. Questa operazione ha riguardato i seguenti campioni:
- Mantova 150°C 2% e 4% - Mantova 160°C 2% e 4% - Mantova 180°C 2% e 4%
- Mantova + Additivo 150°C 2% e 4% - Mantova + Additivo 180°C 2% e 4%.
35 Si sottolinea che per ognuno dei sopracitati casi si sono analizzati due campioni analoghi con la sola differenza che uno è stato sempre mantenuto a temperatura ambiente, mentre l’altro costantemente in freezer alla temperatura di -15°C.
Si riportano di seguito le relative tabelle in cui al peso del campione viene sottratta la tara della vaschetta in alluminio e, in seguito si valutano variazione di peso sia a livello numerico che percentuale. La prima pesata viene eseguita 2-3 minuti dopo la spruzzatura, non appena la schiuma si stabilizza e il bitume si raffredda leggermente.
2.2.3 Raffreddamento
Durante le operazioni di schiumatura del bitume si è provveduto sempre a misurare la temperatura immediatamente dopo la spruzzatura all’interno del secchio, in modo da individuare la differenza termica tra la temperatura impostata nella macchina e quella del bitume. Tuttavia per analizzare con una precisione maggiore il processo di raffreddamento si è deciso di monitorare alcuni campioni di bitume per 45 minuti con l’ausilio di un termometro laser.
2.2.4 Penetrazione
Fissando una temperatura ed un sistema per eseguire la misura è possibile classificare i bitumi in base alla loro consistenza. Da questa analisi è
nato quello che ancora oggi è il principale elemento di classificazione dei bitumi ovvero il valore della penetrazione alla temperatura di 25°C. Si utilizza in questo caso la norma UNI EN 1426. In termini analitici questa prova esprime in decimi di millimetro la profondità raggiunta da un ago normalizzato, caricato con un peso complessivo di 100 grammi, lasciato libero di penetrare nel campione di prova, per un tempo di 5 secondi dopo che il campione è stato
condizionato a 25°C per 1-1,5 ore (Figura 2.5). La prova viene condotta utilizzando una specifica apparecchiatura definita penetrometro. Operativamente si estrae il contenitore dal bagno in cui è immerso e si mette in una bacinella con acqua alla medesima temperatura (25°C) (Figura 2.6). Si posiziona quindi la bacinella nell’apposita macchina e si provvede all’attivazione della stessa che provvede così alla penetrazione. Per ogni campione si ripete il procedimento almeno 3 volte, arrivando a 5 misure nel caso in cui ci sia una variabilità elevata dei risultati.
Trattandosi di bitumi 70/100 ci si aspetta di riscontrare una penetrazione tra 70 e 100 decimi di millimetro per quanto riguarda il bitume vergine.
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2.2.5 Palla Anello
Si definisce Punto di Rammollimento il valore di temperatura in corrispondenza del quale il bitume inizia a perdere le sue caratteristiche di plasticità per entrare nello stato di fluido newtoniano. Sarebbe in realtà più opportuno parlare di un intervallo di temperatura all’interno del quale il bitume comincia a perdere consistenza ed a fluidificare (normativa di riferimento: ASTM D6493).
Tuttavia, per motivi evidentemente pratici, è necessario individuare un valore preciso della temperatura a cui fare riferimento. Il metodo di prova più utilizzato per determinare il Punto di Rammollimento è quello della Palla Anello che viene descritto di seguito. Il campione di bitume viene riscaldato e colato in uno speciale anello di ottone, precedentemente riscaldato anch’esso in forno. Non appena il bitume raffredda con un coltello caldo viene rasato l’anellino così da rendere il più possibile liscia e regolare anche la parte superiore. Al centro dell’anellino viene posta una sferetta d’acciaio di diametro e peso
Figura 2.6 - Dettaglio temperatura di prova
37 stabiliti, due anellini con identico bitume vengono montati su un apposito castello e quest’ultimo viene inserito in un recipiente con acqua alla temperatura 5°C. Qui rimane per circa 15 minuti al fine di stabilizzarsi a questo valore termico, che coincide poi con il punto iniziale della prova effettiva. Viene poi posizionato il tutto su di una piastra la cui temperatura è innalzata con un gradiente termico stabilito (circa 5°C ogni minuto). Il Punto di Rammollimento cercato è la temperatura in corrispondenza della quale la sferetta passa oltre il bitume fino a toccare la lastra posta alla distanza di 1 pollice (2,54 cm) dalla posizione iniziale. Si sono riportate alcune foto scattate durante la prova (Figura 2.7 raffigurante la prova vera e propria e Figura 2.8 rappresentante due dettagli, nella parte destra le sferette metalliche posizionate negli anelli di bitume mentre, nella parte sinistra, la fase finale della prova, in cui le sfere toccano la banda metallica presente nel castello)
Figura 2.8 - Dettaglio Anelli durante (sinistra) e a fine prova (destra)
2.2.6 IP – Indice di Penetrazione
per completare lo studio di penetrazione e punto di rammollimento si è riportata la seguente trattazione relativa all’indice di penetrazione, ovvero uno dei metodi tradizionali atti a valutare il grado di suscettibilità termica di un bitume.
Il coefficiente viene ricavato da un calcolo matematico che coinvolge le due grandezze empiriche appena descritte ovvero Punto di Rammollimento e Penetrazione. Il calcolo si basa sull’assunto teorico che tutti i bitumi abbiano, in corrispondenza della temperatura riscontrata con la Palla Anello, una Penetrazione pari a 800 dm. Questa osservazione che era un tempo valida per la gran parte dei bitumi in circolazione, trova oggi numerose eccezioni con i bitumi prodotti con tecnologie diverse e greggi diversi. Si è provveduto tuttavia a scopo puramente scientifico al calcolo di questo indice e nello specifico è stata utilizzata la seguente formula:
20 50050 1
dove il valore del parametro si ricava dalla seguente relazione:
38 In generale migliore è la consistenza del bitume, più elevato è il suo Indice di Penetrazione e ciò spiega gli elevati valori dei bitumi modificati con polimeri. I bitumi normali presentano indici mediamente compresi nell’intervallo -1,5/+1,5. Più i bitumi presentano un indice di penetrazione vicino allo 0 e minore è la loro suscettibilità termica. Come già accennato è preferibile una bassa suscettibilità affinché il legante possa essere utilizzato a varie condizioni climatiche.
È interessante sottolineare al riguardo che praticamente tutti i Capitolati d’Appalto richiedono per i bitumi stradali il rispetto di valori minimi dell’Indice di Penetrazione (Saleh, 2007).
2.2.7 Viscosità
La viscosità è definita come la resistenza alla deformazione di un fluido e si esprime attraverso il rapporto tra la tensione e il gradiente di deformazione. Se la tensione è prodotta da uno sforzo di taglio, il rapporto tra essa e il gradiente dello scorrimento si definisce Viscosità Dinamica, detta anche Viscosità Apparente:
È abbastanza intuitivo associare la viscosità del bitume alla sua consistenza e quindi alle modifiche che essa subisce al variare della temperatura. È opportuno osservare comunque che ogni bitume ha una sua curva temperatura-viscosità, il cui andamento è influenzato dalla natura stessa del bitume. Si è calcolata la viscosità misurando la coppia necessaria per mantenere costante la velocità di rotazione di un piccolo cilindro metallico all’interno di un campione di legante mantenuto a temperatura costante. In particolare è stato utilizzato un Viscosimetro Brookfield seguendo le indicazioni della norma UNI EN13302. Lo strumento (Figure 2.9 - 2.10) è caratterizzato da una parte inferiore fissa, all’interno della quale viene inserito un apposito contenitore cilindrico metallico di piccole dimensioni, riempito col bitume oggetto di studio, e una parte superiore rotante, alla quale viene collegato uno “spindle” metallico. Questo viene inserito nel campione e, ruotando su se stesso, permetterà di identificare la resistenza opposta dal bitume stesso.
Una delle caratteristiche di questo strumento è la possibilità di variare la temperatura. Infatti, data la risaputa sensibilità del bitume al calore è lecito pensare che un innalzamento della temperatura porti il bitume ad una maggiore fluidità fornendo meno resistenza alla rotazione dello spindle. L’operatore può quindi aumentare gradualmente la velocità in maniera consona all’aumento di temperatura. Nel caso in esame si sono esaminati inizialmente i campioni vergini. Successivamente si è scelto di studiare il comportamento del bitume schiumato alla temperatura più significativa, che si è ritenuta essere 160°C. Inoltre è stato tralasciato l’1% perché ritenuto meno significativo, concentrandosi sulle altre tre. Nella tabella sottostante sono riportati i valori di coppia decrescenti all’aumentare della temperatura, la quale è stata esaminata a partire da 90 sino a 180°C.
È importante fare un’osservazione prima di analizzare i dati: ovvero si sottolinea che la viscosità studiata non propriamente quella di un bitume schiumato ma quella di un bitume post-schiumatura. Infatti per valutare la viscosità del bitume che poi andrà a legarsi con l’aggregato sarebbe necessario valutarla subito dopo la spruzzatura, all’interno del secchio, con un viscosimetro portatile. Non disponendo di tale strumentazione si è utilizzato il classico viscosimetro brookfield.
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Figura 2.9 - Viscosimetro Brookfield
