Studio reologico avanzato di bitumi modificati ed additivati:proposta di una nuova procedura di aging

Le problematiche ambientali e socio – economiche legate alla costruzione di nuove infrastrutture viarie, impongono la progettazione e costruzione di strade che combinino ad elevati standard prestazionali, la riduzione dell’impatto ambientale in fase realizzativa e manutentiva. Quanto detto avvalora il crescente utilizzo di materiali bituminosi modificati con polimeri ed additivati con cere. I primi 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, il che consente il notevole abbassamento della temperatura di produzione e stesa della miscela. Numerosi studi inoltre 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. Risulta pertanto fondamentale affiancare allo studio reologico del bitume, prove di simulazione dell’ invecchiamento nel breve e lungo termine. Nel corso della seguente ricerca si provvederà pertanto ad analizzare 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 prevederanno l’utilizzo del DSR (Dynamic Shear Rheometer) in varie configurazioni di prova e si simulerà l’invecchiamento a breve termine mediante RTFOT (Rolling thin film oven test). Si proporrà inoltre una nuova procedura di aging invecchiando il bitume alla temperatura di equiviscosità o 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. Verranno quindi effettuate ulteriori prove reologiche sui leganti invecchiati a tale temperatura. Si darà infine supporto ai risultati della ricerca effettuando prove chimiche con la tecnica analitica FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), analizzando i cambiamenti molecolari avvenuti nel bitume a seguito dell’aggiunta del modificante e dell’invecchiamento.

Studio reologico di mastici bituminosi modificati con polverino di gomma da PFU

L’analisi della risposta delle pavimentazioni flessibili alle sollecitazioni veicolari ed alle variazioni di temperatura non può prescindere dallo studio del legante bituminoso: è all’interno del film di bitume, infatti, che avviene la rottura per fatica alle basse temperature (alte frequenze di carico) e che si sviluppano le deformazioni con conseguente fenomeno dell’ormaiamento alle alte temperature di esercizio (basse frequenze di carico). Il deterioramento di queste pavimentazioni, dovuto a fenomeni di fessurazione da fatica o di ormaiamento, infatti, è divenuto nel settore infrastrutturale oggetto di studio ed approfondimento. Spesso tali ammaloramenti sono accelerati dall’azione dell’acqua che, in assenza di strati impermeabili, raggiunge gli strati inferiori della sovrastruttura indebolendo le proprietà coesive del legante e di adesione tra bitume ed aggregati. Se a queste problematiche si aggiunge l’impatto ambientale di un’infrastruttura viaria (emissione di fumi durante la stesa del conglomerato), risulta evidente l’interesse nel campo della ricerca circa lo studio di leganti bituminosi modificati e additivati, in grado di aumentare le prestazioni del pacchetto stradale, oltre che a ridurne gli effetti negativi sull’ambiente. Per queste motivazioni, la presente Tesi si concentra sullo studio dei leganti e dei mastici bituminosi ottenuti con l’aggiunta di “Powdered Rubber Modifier (PRM)” ovvero di “Polverino di Gomma” ottenuto mediante il riciclaggio di pneumatici usati, attraverso opportune lavorazioni di natura meccanica. In campo stradale sta assumendo sempre più importanza l’utilizzo di pneumatici riciclati, in grado di aumentare le prestazioni del pacchetto stradale e di ridurne gli effetti negativi sull’ambiente. Per studiare e testare questi leganti e mastici bituminosi si è scelto di utilizzare un approccio tradizionale, consistente nella simulazione della risposta meccanica macroscopica mediante modelli costitutivi basati sulla teoria del mezzo continuo: ciò significa che la miscela viene sottoposta a prove di tipo statico e dinamico in un ampio intervallo di condizioni inerenti all’intensità della forza, alla velocità di applicazione del carico ed alla temperatura. In particolare, i materiali sopra citati sono stati testati mediante Dynamic Shear Rheometer (DSR-UNI EN 14770); tale apparecchiatura è in grado, attraverso l’applicazione di una sollecitazione dinamica con andamento sinusoidale, di simulare le reali condizioni di carico cui è sottoposta una pavimentazione stradale durante la sua vita utile. I risultati reologici ottenuti sono stati confrontati per valutare il contributo prestazionale di ciascun materiale componente le miscele.

Studio reologico di mastici per miscele di conglomerato bituminoso drenante contenente polverino di gomma da pfu

Le prestazioni meccaniche di una miscela di conglomerato bituminoso dipendono principalmente dai materiali che la compongono e dalla loro interazione. La risposta tenso-deformativa delle sovrastrutture stradali è strettamente legata al comportamento reologico del legante bituminoso e dalla sua interazione con lo scheletro litico. In particolare nelle pavimentazioni drenanti, a causa dell’elevato contenuto di vuoti, il legame che si crea tra il legante (mastice bituminoso) e l’aggregato è molto forte, per questo motivo è importante migliorarne le prestazioni. Additivando il mastice con polverino di gomma da PFU (pneumatici fuori uso), non solo si migliorano prestazioni, resistenza alle deformazioni permanenti ed elastoplasticità del materiale, ma si sfruttano anche materiali di recupero, portando vantaggi anche dal punto di vista ambientale. In quest’ottica la ricerca effettuata nella tesi si pone come obiettivo l’analisi reologica e lo studio di mastici additivati con polverino di gomma ricavato da PFU, per la realizzazione di conglomerati bituminosi drenanti. In particolare, partendo da un bitume di base, sono stati preparati due mastici: il primo ottenuto miscelando bitume modificato e filler calcareo, il secondo aggiungendo al precedente anche il polverino di gomma. Tale studio è stato eseguito mediante l’utilizzo del DSR (Dynamic Shear Rheometer – UNI EN 14770), con il quale sono state affrontate tre prove: Amplitude Sweep test, per la valutazione del valore di deformazione di taglio γ entro il quale il materiale si mantiene all’interno del campo di viscoelasticità lineare (Linear visco-elasticity, LVE); Frequency Sweep test, per l’estrapolazione delle master curves; Multiple stress Creep Recovery, per valutare la resistenza del materiale alle deformazioni permanenti. Dall’analisi dei dati è stato possibile definire il comportamento reologico di entrambi i mastici e, in seconda analisi, confrontarne le caratteristiche e le prestazioni.

Rheological Characterization of Bitumen and Asphalt including the effect of Added-recycled Material

This thesis evaluates the rheological behaviour of asphalt mixtures and the corresponding extracted binders from the mixtures containing different amounts of Reclaimed Asphalt (RA). Generally, the use of RA is limited to certain amounts. The study materials are Stone Mastic Asphalts including a control sample with 0% RA, and other samples with RA rates of 30%, 60% and 100%. Another set of studied mixtures are Asphalt Concretes (AC) types with again a control mix having 0% RA rate and the other mixtures designs containing 30%, 60% and 90% of reclaimed asphalt which also contain additives. In addition to the bitumen samples extracted from asphalt mixes, there are bitumen samples directly extracted from the original RA. To characterize the viscoelastic behaviour of the binders, Dynamic Shear Rheometer (DSR) tests were conducted on bitumen specimens. The resulting influence of the RA content in the bituminous binders are illustrated through master curves, black diagrams and Cole-Cole plots with regressing these experimental data by the application of the analogical 2S2P1D and the analytical CA model. The advantage of the CA model is in its limited number of parameters and thus is a simple model to use. The 2S2P1D model is an analogical rheological model for the prediction of the linear viscoelastic properties of both asphalt binders and mixtures. In order to study the influence of RA on mixtures, the Indirect Tensile Test (ITT) has been conducted. The master curves of different mixture samples are evaluated by regressing the test data points to a sigmoidal function and subsequently by comparing the master curves, the influence of RA materials is studied. The thesis also focusses on the applicability and also differences of CA model and 2S2P1D model for bitumen samples and the sigmoid function for the mixtures and presents the influence of the RA rate on the investigated model parameters.