The role of paved surfaces in the Urban Heat Island phenomenon: Assessment of fundamental thermal parameters and finite element analysis for UHI mitigation

Nowadays the environmental issues and the climatic change play fundamental roles in the design of urban spaces. Our cities are growing in size, many times only following immediate needs without a long-term vision. Consequently, the sustainable development has become not only an ethical but also a strategic need: we can no longer afford an uncontrolled urban expansion. One serious effect of the territory industrialisation process is the increase of urban air and surfaces temperatures compared to the outlying rural surroundings. This difference in temperature is what constitutes an urban heat island (UHI). The purpose of this study is to provide a clarification on the role of urban surfacing materials in the thermal dynamics of an urban space, resulting in useful indications and advices in mitigating UHI. With this aim, 4 coloured concrete bricks were tested, measuring their emissivity and building up their heat release curves using infrared thermography. Two emissivity evaluation procedures were carried out and subsequently put in comparison. Samples performances were assessed, and the influence of the colour on the thermal behaviour was investigated. In addition, some external pavements were analysed. Albedo and emissivity parameters were evaluated in order to understand their thermal behaviour in different conditions. Surfaces temperatures were recorded in a one-day measurements campaign. ENVI-met software was used to simulate how the tested materials would behave in two typical urban scenarios: a urban canyon and a urban heat basin. Improvements they can carry to the urban microclimate were investigated. Emissivities obtained for the bricks ranged between 0.92 and 0.97, suggesting a limited influence of the colour on this parameter. Nonetheless, white concrete brick showed the best thermal performance, whilst the black one the worst; red and yellow ones performed pretty identical intermediate trends. De facto, colours affected the overall thermal behaviour. Emissivity parameter was measured in the outdoor work, getting (as expected) high values for the asphalts. Albedo measurements, conducted with a sunshine pyranometer, proved the improving effect given by the yellow paint in terms of solar reflection, and the bad influence of haze on the measurement accuracy. ENVI-met simulations gave a demonstration on the effectiveness in thermal improving of some tested materials. In particular, results showed good performances for white bricks and granite in the heat basin scenario, and painted concrete and macadam in the urban canyon scenario. These materials can be considered valuable solutions in UHI mitigation.

Analisi delle caratteristiche acustiche ed ambientali di pavimentazioni contenenti polverino di gomma da PFU

I campi di impiego della gomma da pneumatici fuori uso (PFU) nel settore stradale sono vari ed il numero di studi che comprovano l'utilizzo di questo materiale di riciclo è crescente. Il prodotto esaminato nella seguente ricerca è un legante bituminoso modificato (PmB tradizionale), al quale il poverino di gomma da PFU è aggiunto manualmente (meccanicamente) al miscelatore. La tecnologia è di tipo Dry, nella quale la frazione di gomma è impiegata in sostituzione a una porzione di inerti fini, direttamente nel conglomerato. Ai fini di tale studio sono stati stesi 300 metri di SMA (Splitt Mastix Asphalt) lungo la S.P. 569 nel centro abitato di Zola Predosa (BO). Di questi una parte è costituita da SMA tradizionale, mentre la parte restante è divisa tra SMA contenente 1,20% in peso di PFU e SMA contenente 0,75% in peso di PFU. Durante la stesa sono effettuate delle prove sull'esposizione dei lavoratori a inquinanti presenti in miscele bituminose con addizione di poverino da PFU e prove di esposizione ambientale. Sono state successivamente predisposte 3 diverse indagini sperimentali: la prima nell'arco di due giorni (02-03 Ottobre 2014) a due mesi dalla stesa del materiale (31 Luglio 2014), la seconda oltre sei mesi dalla stesa (14-15 Aprile 2015) e la terza ad 1 anno dalla prima sessione di controllo (Ottobre 2015). Nella prima campagna di indagine è stato eseguito il prelievo di campioni carotati per la verifica fisico-meccanica delle miscele posate e degli spessori. In tutte e tre le campagne di indagine sono state effettuate prove per la valutazione dell'emissione e dell'assorbimento acustico della pavimentazione tramite tecnologia Close Proximity Index (CPX). I dati raccolti riguardati le emissioni ambientali e l'inquinamento acustico sono stati poi analizzati al in di determinare il grado di deterioramento delle caratteristiche superficiali e di confrontare il comportamento dei diversi materiali all'usura.

Progettazione di pavimentazioni portuali

L’oggetto di studio della tesi è centrato sulla progettazione di pavimentazioni ad alta resistenza nell’ambito dei porti commerciali. Nel capitolo 1, viene effettuata una descrizione delle caratteristiche principali dei porti, proseguendo con l’esposizione dei principi organizzativi dei porti commerciali. In particolar modo, vengono illustrate le operazioni che si registrano in un terminal container e le proprietà dei diversi mezzi speciali che vi operano. Nel capitolo successivo, si procede con la definizione dei materiali più comunemente utilizzati nella realizzazione delle pavimentazioni di un porto e quindi con la descrizione delle principali tipologie di soluzioni adottate nella progettazione. Successivamente, nel capitolo 3, vengono enunciati i principali metodi di calcolo per la progettazione di una pavimentazione portuale e si prosegue con l’approfondimento del metodo descritto dal manuale pubblicato dalla British Ports Association (BPA):”The structural design of heavy duty pavements for ports and other industries”. Infine, nell’ultimo capitolo, viene illustrato il processo di progettazione in base al metodo BPA, mediante lo svolgimento di un esempio di calcolo della pavimentazione.

Caratterizzazione dinamica di miscele bituminose SMA contenenti polverino di gomma da Pneumatici Fuori Uso

Lo Stone Matrix Asphalt (SMA) è un tipo di miscela chiusa costituita da uno scheletro litico di aggregato grosso, assortito in modo tale da ottenere una distribuzione granulometrica indicata con il termine gap-graded, e da un mastice, con funzione riempitiva, ottenuto dalla miscelazione di bitume, filler ed additivi stabilizzanti. In ambito di progettazione delle miscele per conglomerati bituminosi sta assumendo sempre più importanza l’utilizzo di materiali derivanti dalla frantumazione degli Pneumatici Fuori Uso, quali granulato e polverino di gomma. Quest’ultimo può essere impiegato come valida alternativa alla modifica polimerica del bitume garantendo maggiori prestazioni in termini di resistenza all’ormaiamento, a fatica e durabilità, con un conseguente contenimento dei costi di manutenzione della sovrastruttura nel medio e lungo periodo. Il presente studio è stato condotto con lo scopo di valutare le prestazioni meccaniche che una miscela di conglomerato bituminoso può esplicare a seguito della sua mescolazione con il polverino di gomma. In particolare, è stata impiegata una miscela bituminosa di tipo SMA che, data la sua composizione interna, conferisce allo strato di usura della pavimentazione ottime qualità soprattutto in termini di resistenza alle sollecitazioni, durabilità, fonoassorbenza e macrotessitura superficiale. Al fine di rendere più esaustiva la fase sperimentale, sono state messe a confronto due miscele di tipo SMA differenti tra loro per l’aggiunta del polverino di gomma. I dati ottenuti e le considerazioni effettuate al termine della fase sperimentale hanno permesso di affermare che la miscela indagata possiede proprietà meccaniche idonee per essere impiegata nella realizzazione di nuove infrastrutture o nella manutenzione delle pavimentazioni esistenti.

Rheology of bituminous mastics and mortars containing crumb rubber from tyres: a novel dry-hybrid technology

This report studied the effect of crumb rubber in the asphalt mixture. The mixtures were also having limestone filler as a modifier. Mastic and mortar (mastic-fine aggregate system) mixture having different quantities of crumb rubber and limestone filler modifiers have been tested in order to find the best rutting resistance combination with an acceptable stiffness. The rheological tests on bituminous mastics and mortars have done in the laboratories in Nottingham Transport Engineering Centre (NTEC) and University of Bologna (DICAM). In the second chapter, an extensive literature review about the binders, additives, asphalt mixtures, various modelling and testing methods have been reviewed. In the third chapter, the physical and rheological properties of the binders have been investigated using both traditional devices and DSRs. The forth chapter is dedicated to finding the behaviour of the modified mastics (Binder-modifier system) with different combinations. Five different combinations of crumb rubber and limestone filler mastic tested with various methods using Dynamic Shear Rheometers. In the fifth chapter, in order to find the effect of the modifiers in the rheological properties of the complete asphalt mixture, the fine aggregates added to the same mastic combinations. In this phase, the behaviour of the system so-called mortar; binder, rubber, filler and fine aggregates) has been studied using the DSR device and the traditional tests. The results show that using fine crumb rubber reduces the thermo sensibility of the mastic (Binder Bitumen System) and improves its elasticity. Limestone filler in the other hand increases the mixture stiffness at high Frequencies. Another important outcome of this research was that the rheological properties of the mortars were following the same trend of the mastics, therefore study the rheological properties of the mastic gives an upright estimation of the mortar.