SEZIONE SPERIMENTALE I: MODIFICHE DEL BITUME CON ELASTOMERO SEBS 3.1 Materiali utilizzati

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C a p i t o l o 3

SEZIONE SPERIMENTALE I:

MODIFICHE DEL BITUME CON ELASTOMERO

SEBS

3.1 Materiali

utilizzati

Il bitume utilizzato, fornito dalla raffineria IES di Mantova, appartenente ad una classe di penetrazione 170/220 presenta le seguenti caratteristiche:

TR&B [ °C ] penetrazione [ 0.1·mm ]

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tab. 3.1 caratteristiche del bitume 170/220

Il SEBS utilizzato è il KRATON®_{G1652 disponibile in forma di pelletts che}

presenta le seguenti principali proprietà:

rapporto S / EB [ % ] melt index ( 230°C - 5 Kg ) [ g/10 min ] peso specifico [ g/cm3_] elongazione a rottura [ % ] 30/70 5 0.91 500

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3.2 Apparecchiature utilizzate per le modifiche del bitume

• Miscelatore

Miscelatore ad immersione da laboratorio SILVERSON L4R con motore da 250W, monofase, con velocità nominale massima di 8000 rpm (6000 rpm a pieno carico).

• Termomanto

Il riscaldamento è effettuato con un termomanto di forma cilindrica a fondo piatto con variatore di temperatura, nel quale viene posto il recipiente cilindrico contenente il bitume.

• Termocoppia

La temperatura è controllata mediante una termocoppia composta da un termometro digitale modello HD9214 e da un sensore Pt100 a microprocessore.

• Microscopio in fluorescenza

L’analisi della struttura morfologica dei bitumi è stata effettuata mediante un microscopio ottico a luce incidente a fluorescenza LEICA modello DM LB.

3.3 Modalità

sperimentali

Un barattolo contenente circa 200 g di bitume viene posto in stufa a 180 °C per alcuni minuti in modo che il materiale divenga sufficientemente fluido, è quindi trasferito nel termomanto ( preriscaldato ).

Il mixer viene immerso nel bitume e portato in lenta rotazione; il materiale è scaldato stabilmente fino alla temperatura scelta per la modifica, si procede quindi alla graduale aggiunta del polimero che segna l’inizio temporale della prova; l’agitatore è portato alla velocità prescelta.

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Nel corso della prova, a tempi prefissati, si effettuano prelievi di bitume per le caratterizzazioni mediante la prova di palla e anello e la microscopia in fluorescenza (paragrafo 3.4).

Al termine della prova il bitume è colato in un contenitore normalizzato per effettuare la prova di penetrazione e in un tubo di alluminio normalizzato per la prova di stabilità allo stoccaggio a caldo; il campione per il tuben test è posto in stufa a 180°C per 72 ore. (paragrafo 3.4).

Sono state effettuate modifiche con KRATON®_{G1652 nelle seguenti}

percentuali 2% , 3% , 4% , 5% , 6% e alle seguenti condizioni operative:

temperatura [ °C ] velocità di rotazione [ rpm] tempo [ h] PMA2% PMA3% PMA4%

PMA5% PMA6%

180 5000 1.5

tab. 3.3 sigle delle modifiche e condizioni operative

3.4 Procedure di caratterizzazione dei bitumi modificati

• Palla e Anello ( R&B ) (ASTM D36-37)

La prova di palla e anello ( T_R&B, ring and ball temperature) consente di determinare la temperatura di rammollimento di un bitume.

A tempi stabiliti, durante la modifica, si preleva il bitume e si cola in due anelli standardizzati di ottone; i campioni preparati sono raffreddati a temperatura ambiente per 30 minuti e poi spianati.

Gli anelli contenenti il bitume sono posti su un supporto munito di due collarini necessari per il centraggio delle sfere che realizzano il carico; il supporto e le sfere vengono condizionati in acqua distillata a 5°C ( 30° C se si prevede che la T_R&B sia superiore agli 80°C )

Al termine del condizionamento si caricano le sfere sugli anelli e si procede al riscaldamento del bagno imponendo un incremento di T pari a 5 °C/min

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Il bitume, rammollendo gradualmente al crescere della temperatura, si deforma sotto il peso delle sfere, fino a raggiungere una piastra posta a 1 " sotto gli anelli; la temperatura del bagno, letta al tempo in cui il bitume tocca la piastra inferiore, costituisce la temperatura di rammollimento.

• Penetrazione (CNR B.U. 24/71)

Consente di determinare la consistenza del bitume modificato misurando la profondità alla quale un ago di acciaio inox, di dimensioni standardizzate, penetra verticalmente un provino di bitume, sotto determinate condizioni di carico (100 g ), tempo ( 5 s ) e temperatura ( 25 °C).

• Stabilità allo stoccaggio a caldo ( Tuben test ) ( NORMATIVA EN 13399 ).

Consente di verificare se, nelle condizioni di stoccaggio a caldo, si verificano fenomeni di separazione tra la fase bituminosa e la fase polimerica.

Un tubo di alluminio di dimensioni standardizzate viene condizionato in stufa a 180 °C per 1 h e quindi riempito con il bitume ancora fluido. Il tubo è posto in stufa a 180°C, in posizione verticale, per 72h e successivamente viene raffreddato prima a temperatura ambiente, poi a –20°C e quindi diviso in tre parti uguali.

Il materiale prelevato dalla testa ( top ) e dal fondo ( bottom ) del tubo è posto in stufa a 180°C per un tempo sufficiente a rendere il bitume fluido in modo da essere colato per effettuare le relative prove di palla e anello e l’analisi al microscopio in fluorescenza.

Se le TR&B dei top e bottom differiscono di oltre 3°C, il bitume modificato è

definito instabile allo stoccaggio; in pratica nelle 72h di permanenza in stufa si ha una separazione tra la parte superiore del tubo più ricca in polimero e la parte inferiore a causa della differente densità tra le due fasi.

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Anche se la normativa prevede solo la misura di TR&B , è importante effettuare

anche l’analisi al microscopio, in quanto in certi casi il punto di rammollimento può essere simile in top e bottom anche se è avvenuta separazione di fase. L’analisi al microscopio permette inoltre di verificare se i campioni top e bottom hanno morfologia analoga o se comunque è in atto una incipiente separazione di fase.

• Microscopia in fluorescenza. (UNI prEN 13632)

Mediante la microscopia in fluorescenza si può osservare il grado di miscelazione tra fase polimerica e fase bituminosa poiché il polimero, essendo fluorescente, assume colorazioni tra il giallo e il verde, mentre il bitume resta scuro.

I campioni da analizzare sono colati in cilindretti cavi di ottone ( di diametro 1 cm e altezza 2 cm ), per preservare la morfologia istantanea gli stampi sono preriscaldati a 180°C in modo che il bitume che vi si versa non sia soggetto a quenching. Dopo essere stati riempiti gli stampi sono messi in stufa per 15 minuti, raffreddati a temperatura ambiente e conservati a –30 °C, dopo essere stati estratti i provini sono divisi a metà con frattura fragile. Le sezioni così ottenute sono osservate al microscopio a 100 e 250 ingrandimenti. Al microscopio può presentarsi una morfologia più o meno omogenea; nel caso di scarsa omogeneità si nota la presenza di una fase continua ed una dispersa.

3.5 Risultati e conclusioni

R&B:

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40 44 48 52 56 60 0 1 2 3 4 5 6 % sebs TR&B [° C ]

Figura (3.1) temperatura di rammollimento per le varie miscele

si osserva un buon innalzamento della temperatura di rammollimento con una miscela al 2% e quindi un aumento circa lineare della stessa al crescere della % di polimero.

L’incremento di TR&B è comunque modesto se confrontato, a parità di

contenuto, con quello ottenibile con un SBS.

Penetrazione:

I risultati ottenuti con la prova di penetrazione sono riassumibili nel grafico in figura 3.2: 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 % sebs 0.1 · mm

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si osserva che la penetrazione decresce con l’aumentare del contenuto in polimero cambiando fortemente per piccole quantità di SEBS aggiunto per poi rimanere quasi costante con la composizione.

Questi due risultati fanno pensare ad una sorta di effetto “filler” determinato del modificante, questo è un primo sintomo di scarsa compatibilità tra il polimero e il bitume base.

Tuben test:

I risultati sperimentali del tuben test sono riassunti nella tabella 3.4

PMA2% PMA3% PMA4% PMA5% PMA6%

R&B TOP [ °C ] 53 55 57 60 87

R&B BOTTOM [ °C ] 51 54 55 59 58

stabilità SI SI SI SI NO

tab. (3.4) risultati sperimentali del tuben test

Le fotografie al microscopio a fluorescenza (nelle pagine seguenti) mostrano un aspetto molto buono alla fine della fase di miscelamento, ad esempio per il PMA6% si ha una tipica struttura a “buccia d’arancia” che indica la presenza di due fasi intimamente miscelate. Di solito questa struttura è considerata positivamente perché è il classico aspetto di un bitume modificato dove è stato raggiunto un equilibrio tra miscelamento e stabilità.

Comunque una buona morfologia è una informazione addizionale perché non dà sufficienti informazioni sulla reale struttura interna del materiale e quindi non è garanzia di stabilità allo stoccaggio.

Il PMA2%, PMA3% e PMA4% presentano una struttura omogenea sostanzialmente immutata anche per il top e il bottom confermando in tal modo la loro stabilità allo stoccaggio (fig. 3.3, 3.4, 3.5).

Invece il PMA5% e PMA6% manifestano una morfologia tra top e bottom completamente differente.

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Il bottom del PMA6%, con la presenza della fase dispersa in forma sferica, indica che il bitume base e il polimero sono fortemente immiscibili con una adesione interfacciale molto bassa tra le due fasi.

La morfologia del bottom del PMA5% indica che la separazione di fase ( non deducibile dalla prova R&B ) è in fase iniziale, ma per tempi di stoccaggio più lunghi è certa una totale separazione come nel PMA6%.

Quindi nelle condizioni operative adottate ( tab 3.3 ) il 5% di SEBS aggiunto rappresenta il limite di stabilità.

Si può concludere dicendo che il bitume base, come previsto, ha una bassa compatibilità con il SEBS.

A basse concentrazioni di polimero, il contenuto di molecole polari risulta probabilmente sufficiente a rigonfiare il polimero senza indurre instabilità nella struttura micellare del bitume e non indurre quindi separazione nei materiali.

A più alte concentrazioni, i malteni assorbiti nella fase polimerica sono troppi e quindi gli aggregati micellari non sono più stabilizzati tra loro e tendono a separarsi in una fase scura, a più alta densità, che si sposta verso la parte più bassa del tubo di stoccaggio.

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microscopia a fluorescenza PMA2% tempo

(min) ingrandimenti 100 x ingrandimenti 250 x

30 90 ingrandimenti 100 x ingrandimenti 250 x top ingrandimenti 100 x ingrandimenti 250 x bottom

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