CAPITOLO 5
METODI
5.1 Apparecchiature
5.1.1 Miscelatore (High Shear Mixer)
Per le prove è stato utilizzato un miscelatore ad immersione da laboratorio SILVERSON L4R in grado di sviluppare una velocità nominale massima di 8000 rpm (6000 rpm a pieno carico) mediante un motore di potenza 250 W monofase.
Sull’apparecchiatura è stato applicato uno statore a testa disintegrante con fori circolari che consentono di realizzare elevati sforzi di taglio così da frammentare in crumbs i pellets dei polimeri. Ciò garantisce le migliori condizioni di miscelamento durante la prova.
5.1.2 Tachimetro
Si effettua il monitoraggio del numero di giri del miscelatore tramite un tachimetro digitale ottico COMPACT INSTRUMENTS ADVENT A2101 che rileva il segnale riflesso da una striscia adesiva applicato sull’albero del miscelatore.
Il controllo del numero di giri si rende necessario poiché la viscosità della miscela durante la prova varia in funzione della temperatura e della quantità di polimero aggiunto.
5.1.3 Termomanto
Per il riscaldamento del conglomerato si usa un termomanto di forma cilindrica.
Come si può vedere dalla figura esso è idoneo ad alloggiare contenitori appositi di forma cilindrica di 9 cm di diametro e 7,5 cm di altezza.
Il flusso di calore è regolato mediante un reostato che dosa la potenza fornita alla serpentina contenuta nel termomanto.
5.1.4 Raffreddatore
Per il controllo di temperatura viene utilizzato anche un flusso d’aria fredda che è indirizzata nell’intercapedine esistente tra l’alloggiamento del termomanto ed il barattolo ivi contenuto.
5.1.5 Termocoppia
Per il buon esito della prova la temperatura della miscela deve rimanere il più possibile costante. Il rilevamento viene effettuato in continuo con una termocoppia composta da un termometro digitale modello HD9214 e da un sensore Pt100 a microprocessore.
5.1.6 Gruppo termostatico
Per la verifica delle proprietà di rammollimento è necessario mantenere un volume di circa 10 litri di liquido a temperatura costante. Questo viene realizzato tramite un termocriostato CRIOTERM modello GTR2000IIx; esso può determinare temperature di esercizio che variano da -5°C fino a 100 °C (±0,1°C).
5.1.7 Microscopio in fluorescenza
Per avere una valida indicazione sul grado di dispersione della fase polimerica nel bitume si realizza un’analisi morfologica mediante un microscopio ottico in luce incidente a fluorescenza LEICA modello DM LB.
Tramite una telecamera JVC TC 1085, il software Adobe Premiere 5.1 ed una scheda di acquisizione miroVideo DC 30 series, le immagini sono visualizzate e immagazzinate in file digitali.
5.1.8 Reometro
Per le prove di reologia è stato impiegato il reometro rotazionale della Malvern: Kinenus modello MKR 2100, dotata di apposito software per PC.
Lo strumento è dotato di due geometrie di piatto, di un sistema di riscaldamento della camera è effettuato per mezzo di resistenze poste sulle pareti poste sul piatto inferiore. Il raffreddamento è attuato con aria compressa
5.2 Procedure sperimentali
5.2.1 Preparazione del bitume modificato
Un contenitore con circa 250 g di bitume viene posto a scaldare, in stufa alla temperatura di 180°C, per il tempo necessario a renderlo sufficientemente fluido da permettere di immergervi la testa rotante del miscelatore.
Una volta tolto il contenitore dalla stufa, esso viene alloggiato nel termomanto, precedentemente riscaldato e rivestito all’interno con fogli di alluminio per non incorrere in danni alla tela e alle resistenze interne.
Si sposta il termomanto sul piano del miscelatore e si procede all’immersione della testa dell’high shear mixer nel barattolo fino ad una distanza di circa 5-7 mm dal fondo. Si posiziona la termocoppia per la rilevazione in continuo della temperatura avendo cura di non formare sulla superficie del bitume zone di stagnazione e di non toccare le pareti del recipiente (si potrebbe incorrere in rilevazioni poco significative della temperatura).
Si procede lentamente alla miscelazione fino a che il bitume raggiunge la temperatura operativa della modifica (180°C). Si prosegue con l’aggiunta del polimero preventivamente miscelato con l’agente compatibilizzante (per permettere una miscelazione omogenea questi vengono miscelati tra loro prima di essere addizionati con il bitume).
L’aggiunta viene effettuata gradualmente, in ragione di circa 5 g/min, per permettere una dispersione omogenea dell’additivo.
In questa fase occorre esercitare un continuo controllo della temperatura in quanto si possono avere variazioni della stessa dovute sia all’aggiunta del polimero che si trova a temperatura ambiente sia allo sforzo di taglio del rotore sul polimero.
La conclusione dell’aggiunta dell’additivo segna l’inizio temporale della prova che si svolge in due fasi:
Fase 1 – Dispersione degli additivi per 20 minuti ad una velocità del mixer di 5000rpm;
Fase 2 – Digestione delle fasi per 60 minuti con velocità del mixer di 3000 rpm.
Processo di modifica del bitume
Durante la prova occorre assicurarsi che non si formino grumi di polimero o vortici con risucchio d’aria (che provocherebbero indesiderati fenomeni ossidativi all’interno della massa) e che la temperatura sia mantenuta il più possibile sul valore desiderato (180°C ± 1°C), onde evitare la degradazione dei componenti.
Ciò viene realizzato tramite il termomanto e l’uso di un flusso d’aria fredda indirizzata nell’intercapedine.
Al termine della prova il barattolo viene estratto dal termomanto e il bitume colato in contenitori al fine di studiare la morfologia della miscela, la temperatura di rammollimento e la stabilità allo stoccaggio.
5.2.2 Metodi di caratterizzazione del bitume modificato
Palla & Anello (Norma CEN 1427)
Mediante la prova di palla & anello si determina il punto di rammollimento di un bitume.
Per la prova sono utilizzati due anelli di ottone (d = 19 mm; s = 6 mm). Essi sono opportunamente siliconati esternamente ed allocati su un supporto metallico siliconato. Per evitare shock termici durante il prelievo del campione essi sono condizionati in stufa a 190°C.
I campioni di bitume da sottoporre alla caratterizzazione sono prelevati a tempi stabiliti durante la prova di modifica e colati negli anelli riempiendoli fin sopra il bordo (in modo da tener conto dei fenomeni di ritiro termico); dopo un condizionamento a temperatura ambiente di 30 minuti i campioni vengono spianati con una lama calda per eliminare l’eccesso di bitume e posizionati su un castelletto dotato di collarini per il successivo centraggio delle sfere che esercitano il carico.
Il castelletto con i campioni e le sfere (non ancora posizionate) vengono immersi in un becker contenente acqua distillata a 5°C o glicerina a 30°C e posti a condizionare per 15 minuti.
Il liquido nel becker viene scelto secondo i seguenti criteri:
In previsione che la temperatura di rammollimento sia inferiore a 80°C si opterà per l’immersione in un bagno di acqua distillata termostatato a 5°C;
In previsione che la temperatura di rammollimento sia superiore a 80°C si opterà per l’immersione in un bagno di glicerina termostatato a 30°C.
Al termine del condizionamento si caricano le sfere sugli anelli (assicurandosi che essi siano esattamente centrati rispetto ai dischetti di bitume sottostanti, in modo che il carico applicato sia perfettamente assial-simmetrico ) e si procede al riscaldamento del bagno imponendo un flusso termico pari a 5°C/min.
Vengono inseriti nel beker un agitatore per rendere uniforme il profilo termico e un termometro al mercurio con il bulbo posto all’altezza degli anelli.
L’aumento di temperatura determina la deformazione del bitume che cede sotto il peso delle sfere; la prova si conclude quando il bitume arriva a toccare la lastra metallica alla base del castelletto, la quale è posta a 25,4 mm sotto gli anelli. La temperatura misurata in questo istante rappresenta la temperatura di rammollimento del bitume in esame. Il bitume ammorbidendosi gradualmente per effetto dell’aumento della temperatura e del carico applicato, si incurva fino a toccare una piastra posta alla base del castelletto e precisamente a 25,4mm dagli anelli.
La temperatura del bagno a cui il bitume tocca la piastra, rappresenta la sua temperatura di rammollimento.
Schema procedura prova palla e anello
Affinché la prova sia considerata valida occorre che siano verificate le seguenti condizioni:
la prova sia svolta entro 4 ore da quando gli anelli sono stati preparati
nei primi 3 minuti di riscaldamento, l’aumento di temperatura non sia inferiore ai 15°C e poi si procede con un aumento costante di 1°C/min;
la differenza dei valori di temperatura ottenuti tra i due anelli non deve essere maggiore di 1 °C nel caso in cui il bagno sia di acqua distillata;
la differenza dei valori di temperatura ottenuti tra i due anelli non deve essere maggiore di 3 °C nel caso in cui il bagno sia di glicerina.
Microscopia in fluorescenza (Norma CEN/TC 336)
Questo metodo consente di studiare la morfologia di un bitume modificato, osservando il grado di miscelazione fra la fase polimerica e quella bituminosa ad un microscopio in fluorescenza. All’osservatore, infatti, il polimero essendo fluorescente appare con colorazioni tra il giallo e il verde, mentre il bitume rimane scuro.
Nel caso dell’analisi morfologica di PMB il risultato sperato è l’ottenimento della così detta inversione di fase in cui la fase fluorescente risulti essere volumetricamente superiore a quella scura, che in questo caso diventa fase dispersa. Ciò corrisponde all’assorbimento da parte del polimero di una certa frazione del bitume (preferenzialmente i composti maltenici). In questa condizione è la fase polimerica che determina le proprietà chimico-fisiche del PMB, con netto miglioramento rispetto a quelle del bitume originario.
Un tipico risultato dell’analisi morfologica in presenza di inversione di fase è rappresentato in figura
I campioni da analizzare vengono preparati attraverso il metodo della “sezione a freddo”, messo a punto presso il nostro laboratorio di ricerca. Per questa tecnica sono necessari bossoli cavi di ottone, aventi un diametro di 8mm e altezza 10mm, i quali vengono siliconati internamente in modo da non far aderire alle pareti il bitume che verrà colato dentro a tempi prestabiliti durante la modifica.
I bossoli, dopo esser stati riempiti vengono condizionati in stufa a 180°C per 1 minuto per facilitare la fuoriuscita di eventuali bolle formatesi durante la colatura; dopodiché vengono lasciati raffreddare a temperatura ambiente e poi posti in congelatore a -20°C per alcune ore allo scopo di favorire l’infragilimento.
Il congelamento è necessario affinché il bitume, una volta estratto dal bossolo tramite un apposito punzone, mostri una frattura fragile al momento in cui viene colpito con una lama tagliente.
In alcuni casi, in particolare per concentrazioni di polimero elevate, si rende necessaria l’immersione in azoto liquido affinché la frattura sia perfettamente fragile.
Procedura di “taglio” del campione per analisi morfologica.
La sezione così ottenuta, viene posta su di un vetrino e osservata al microscopio ad ingrandimenti di 100x o 200x.
La prova di penetrazione consente di determinare la resistenza di un bitume ad una deformazione permanente. Tale constatazione avviene misurando la profondità espressa in decimi di millimetro, alla quale un ago di acciaio inossidabile, di dimensioni standard, penetra il provino di bitume, sotto precise condizioni di carico, tempo e temperatura.
Un contenitore di dimensioni normalizzate viene riempito con il bitume di fine prova, fino ad un’altezza massima che non superi 50 mm dal bordo superiore del provino e lasciato raffreddare a temperatura ambiente proteggendolo dalla polvere.
Per scongiurare la presenza di bolle d’aria che falserebbero la misurazione si agita manualmente il campione di bitume ancora fluido e successivamente una fiamma viene indirizzata sulla superficie esterna delle pareti del contenitore in modo da favorire la fuoriuscita delle bolle d’aria.
Provino di bitume per la penetrazione.
Il campione viene quindi posto a condizionare per un tempo minimo di 1h e 30 minuti in un bagno di acqua distillata di almeno 10 l, termostatato alla temperatura di 25°C± 0.1°C.
A termine del condizionamento, il campione viene spostato in un'altra vasca, anch’essa contenente acqua distillata a 25°C esattamente sotto il dispositivo di penetrazione. Mediante una vite macrometrica, si impongono all’albero di supporto dell’ago spostamenti grossolani in modo da avvicinarlo il più possibile alla superficie del provino. Dopodichè mediante una vite micrometrica si porta l’ago in posizione di inizio prova e cioè quando l’ago e la sua immagine riflessa sembrano toccarsi.
Adesso, è possibile azionare il dispositivo temporizzato che sblocca l’albero, consentendo all’ago sotto il peso di 100g di penetrare nel provino per 5s; la profondità raggiunta indicata su di un quadrante ed espressa in dmm.
La norma prescrive che la prova di penetrazione sia ripetuta tre volte per ogni campione, scegliendo punti che distino almeno 1 cm tra di loro e dal bordo del contenitore; come valore di penetrazione sarà preso quello dato dalla media delle tre prove.
Posizione ideale dei fori provocati dall’ago sul provino.
penetrazione per ogni provino, il valore finale sarà in questo caso espresso dalla media fra cinque valori.
Stabilita allo stoccaggio a caldo (tuben test) (Norma CEN 13399)
La prova viene svolta per verificare se nelle condizioni di stoccaggio a caldo si verificano fenomeni di separazione tra la fase polimerica e la fase bituminosa che pregiudicherebbero il mantenimento delle desiderate caratteristiche prestazionali rilevate in sede di prima analisi.
Un tubo di alluminio, di dimensioni standardizzate ( d = 35 mm; h = 175 mm) e chiuso ad un'estremità, viene preriscaldato in stufa a 180 °C per 1 h e successivamente riempito con il bitume di fine prova fino ad una altezza di 100-120 mm.
Si chiude il tubo facendo in modo che al suo interno non rimanga aria, la quale potrebbe causare fenomeni ossidativi. Allo scopo, si schiaccia l’estremità del tubo, provocando la fuoriuscita del bitume, e ripiegando più volte su se stessa la parte schiacciata.
A questo punto si posiziona il campione in stufa in posizione verticale, a 180°C ± 1°C, per 72 h ± 1h; successivamente viene raffreddato a temperatura ambiente e posto in congelatore a -20°C per almeno un ora.
Quest’ultima operazione, consente di poter tagliare successivamente il tubo in tre pezzi uguali: la parte centrale (Middle) viene scartata, mentre la testa (Top) e il fondo (Bottom), una volta spogliati dall’ alluminio vengono posti in stufa a 180°C per essere nuovamente sciolti, in modo da essere sottoposti alla prova di rammollimento e all’analisi della morfologia.
L’analisi al microscopio in fluorescenza consente di verificare se le due zone hanno morfologia analoga, anche se il verificarsi di questa condizione non è garanzia di stabilità.
La prova di rammollimento, eseguita sulle due parti, fornisce il criterio per definire se il bitume è stabile allo stoccaggio.
Infatti, un bitume si definisce instabile, se le temperature di palla & anello del top e del bottom differiscono di più di 5°C.
Preparazione e taglio tuben test
Se durante lo stoccaggio avviene una separazione di fase, a causa delle differenti densità di polimero e bitume, la parte superiore del tubo (Top) risulterà più ricca in polimero rispetto alla parte inferiore (Bottom), con ripercussioni sulle proprietà meccaniche e sulla temperatura di rammollimento delle due parti.
Prove al reometro
Le prove sono state condotte in strain control, applicando deformazioni di piccola entità (variabili fra 0.01% e 2% a seconda della temperatura) che permettono di rimanere nella regione di viscoelasticità lineare del materiale.
All’avvio del test lo strumento registra la posizione zero del piatto o del supporto superiore della barra (posizione A). Una volta iniziata la prova il rotore inizia ad oscillare da B a C, passando sempre per lo zero; l’entità dell’oscillazione dipende naturalmente dalla deformazione imposta.
Le prove sono state condotte in condizioni isoterme fra 0°C e 140°C, ad intervalli di temperatura di 10°C al di sotto dei 100°C i piatti, e di 20°C con sopra i 100°C. Per le prove eseguite sotto i 100°C è stato investigato un intervallo di frequenze fra 0.01 e 1 Hz, effettuando dieci misurazioni per ogni decade. Per quelle sopra i 100°C è stato investigato un intervallo di frequenze fra 0.05 e 5 Hz
Prima di introdurre il campione per la prova è necessaria una procedura di “zerogap”, effettuata in automatico dal software, per calibrare lo strumento: il piatto superiore si abbassa fino a portarsi in contatto con quello inferiore in modo che lo strumento possa registrare l’effettiva distanza fra i piatti dopo aver introdotto il campione di bitume.
I campioni da analizzare sono opportunamente preparati colando il bitume su una piatra forata cercando di ottenere campioni di forma circolare con dimensioni leggermente superiori a quelle dei piatti (diametro 20 mm). Dopo raffreddamento a temperatura ambiente, i campioni sono posti in congelatore per un tempo minimo di un’ora.
Una volta posti sui piatti, l’eccesso di bitume deve essere rimosso dal bordo con l’utilizzo di una piccola spatola.
