Le reologia dei leganti bituminosi stradali: studio delle proprietà meccaniche a seguito di processi di “aging” in laboratorio

Lo studio effettuato pone le sue basi sulla ricerca di materiali stradali che combinino ad elevati standard prestazionali, la riduzione dell’impatto ambientale in fase realizzativa e manutentiva. In particolare il seguente lavoro si occupa dello studio di 7 leganti modificati con polimeri ed additivati con cere. I primi infatti conferiscono alla miscela maggiore elastoplasticità, incrementandone la durabilità e la resistenza a fatica. Nei secondi la presenza del materiale paraffinico contribuisce a ridurre la viscosità del bitume, consentendo un notevole abbassamento della temperatura di produzione e stesa della miscela. Numerosi studi hanno dimostrato che le caratteristiche meccaniche della pavimentazione sono fortemente influenzate dal grado di ossidazione delle componenti organiche del bitume, ovvero dal fenomeno dell’invecchiamento o aging. Pertanto allo studio reologico del bitume, si sono affiancate prove di simulazione dell’ invecchiamento nel breve e lungo termine. In fase di ricerca sperimentale si sono analizzati i leganti modificati ed additivati secondo la teoria della viscoelasticità, simulando le reali condizioni di carico ed invecchiamento alle quali il bitume è sottoposto. Tutte le prove di caratterizzazione reologica avanzata sono state effettuate mediante l’utilizzo del DSR (Dynamic Shear Rheometer - UNI EN 14770 ) in varie configurazioni di prova e l’invecchiamento a breve termine è stato simulato mediante RTFOT (Rolling thin film oven test -UNI EN 12607-1). Si è proposto inoltre una nuova procedura di aging invecchiando il bitume alla temperatura di Twork, ovvero a quel valore della temperatura tale per cui, in fase di messa in opera, si avrà una distribuzione molecolare omogenea del modificante all’interno del bitume.

Studio numerico e sperimentale delle miscele di aggregati per i conglomerati bituminosi

I crescenti volumi di traffico che interessano le pavimentazioni stradali causano sollecitazioni tensionali di notevole entità che provocano danni permanenti alla sovrastruttura. Tali danni ne riducono la vita utile e comportano elevati costi di manutenzione. Il conglomerato bituminoso è un materiale multifase composto da inerti, bitume e vuoti d'aria. Le proprietà fisiche e le prestazioni della miscela dipendono dalle caratteristiche dell'aggregato, del legante e dalla loro interazione. L’approccio tradizionalmente utilizzato per la modellazione numerica del conglomerato bituminoso si basa su uno studio macroscopico della sua risposta meccanica attraverso modelli costitutivi al continuo che, per loro natura, non considerano la mutua interazione tra le fasi eterogenee che lo compongono ed utilizzano schematizzazioni omogenee equivalenti. Nell’ottica di un’evoluzione di tali metodologie è necessario superare questa semplificazione, considerando il carattere discreto del sistema ed adottando un approccio di tipo microscopico, che consenta di rappresentare i reali processi fisico-meccanici dai quali dipende la risposta macroscopica d’insieme. Nel presente lavoro, dopo una rassegna generale dei principali metodi numerici tradizionalmente impiegati per lo studio del conglomerato bituminoso, viene approfondita la teoria degli Elementi Discreti Particellari (DEM-P), che schematizza il materiale granulare come un insieme di particelle indipendenti che interagiscono tra loro nei punti di reciproco contatto secondo appropriate leggi costitutive. Viene valutata l’influenza della forma e delle dimensioni dell’aggregato sulle caratteristiche macroscopiche (tensione deviatorica massima) e microscopiche (forze di contatto normali e tangenziali, numero di contatti, indice dei vuoti, porosità, addensamento, angolo di attrito interno) della miscela. Ciò è reso possibile dal confronto tra risultati numerici e sperimentali di test triassiali condotti su provini costituiti da tre diverse miscele formate da sfere ed elementi di forma generica.

Development and chemo-mechanical characterization of eco-compatible extenders containing REOB and recycled tyres’ rubber for the production of greener bituminous binders

The concepts of circular economy and sustainability are the basis of the present experimental research that seeks to reduce the environmental impact of traditional road construction materials. This study mainly focuses on the development and the chemo-mechanical characterization of bitumen extenders containing rubber (R) from end-of-life tyres (ELTs) and re-refined engine oil bottoms (REOBs) for the production of innovative and eco-friendly extended bitumens (i.e. bituminous binders containing 25%wt. of recycled products) and asphalt mixtures. In order to create more sustainable asphalt mixes, also recycled aggregates are used for partial replacement of virgin natural aggregates in the aggregate skeleton. The experimental program encompassed five successive steps: (i) the evaluation of physicochemical properties of R and REOB, (ii) the definition of the optimal extenders by the development of a new protocol and their characterizations, (iii) the realization and investigation of the chemo-rheological responses of the extended bitumens at different boundary conditions, (iv) the assessment of the effectiveness of analytical method to predict the rheological parameters of extended bitumens and, finally, (v) the analysis of the mechanical performances of the corresponding asphalt mixtures. A standard 50/70 penetration grade bitumen was chosen as a reference material and the main constituent of the innovative bituminous products. The results of this study underlined the importance of material characterization. The incorporation of R-REOB extenders strongly affects the chemo-rheological responses of the resulting extended bitumens and asphalt mixtures overall the boundary conditions. While the presence of R and the consequent formation of a polymer network improves the elasticity of the final products, especially at high test temperatures; the addition of REOB, softens the bituminous binders and asphalt mixes increasing their response at low test temperatures. Nonetheless, the use of recycled products increased the susceptibility of bituminous material under damaging conditions, which would need further investigations.