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.

Smart structures: sperimentazione mediante attuatori e sensori innovativi

L’idea di base della seguente tesi, finora mai applicata o descritta in letteratura scientifica in base alle ricerche effettuate, è stata quella di creare un sistema di monitoraggio strutturale intelligente (Structural Health Monitoring, SHM) mediante dei sensori di deformazione a reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG), incollati su fili a memoria di forma inseriti a loro volta, bloccati con opportuni ancoraggi esterni, in sei travi di betoncino cementizio armato. L’obbiettivo della sperimentazione è stato quindi quello di creare delle travi intelligenti che, in condizioni di carico eccezionali e critiche (monitorate dal sensore a fibra ottica), sapessero “autoripararsi” mediante gli attuatori a memoria di forma con un processo di riscaldamento appositamente progettato.

Performance evaluation of asphalt pavements using the Incremental-Recursive procedure of the Mechanistic-Empirical design software CalME

Il concetto di “sostenibilità” si riferisce allo sviluppo dei sistemi umani attraverso il più piccolo impatto possibile sul sistema ambientale. Le opere che si inseriscono bene nel contesto ambientale circostante e le pratiche che rispettano le risorse in maniera tale da permettere una crescita e uno sviluppo a lungo termine senza impattare sull’ambiente sono indispensabili in una società moderna. I progressi passati, presenti e futuri che hanno reso i conglomerati bituminosi materiali sostenibili dal punto di vista ambientale sono particolarmente importanti data la grande quantità di conglomerato usato annualmente in Europa e negli Stati Uniti. I produttori di bitume e di conglomerato bituminoso stanno sviluppando tecniche innovative per ridurre l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” (WMA), pur sviluppando le stesse caratteristiche meccaniche, richiede un temperatura di produzione minore rispetto a quella di un tradizionale conglomerato bituminoso a caldo (HMA). L’abbassamento della temperature di produzione riduce le emissioni nocive. Questo migliora le condizioni dei lavoratori ed è orientato verso uno sviluppo sostenibile. L’obbiettivo principale di questa tesi di laurea è quello di dimostrare il duplice valore sia dal punto di vista dell’eco-compatibilità sia dal punto di vista meccanico di questi conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità”. In particolare in questa tesi di laurea è stato studiato uno SMA ad “alta lavorabilità” (PGGWMA). L’uso di materiali a basso impatto ambientale è la prima fase verso un progetto ecocompatibile ma non può che essere il punto di partenza. L’approccio ecocompatibile deve essere esteso anche ai metodi di progetto e alla caratterizzazione di laboratorio dei materiali perché solo in questo modo è possibile ricavare le massime potenzialità dai materiali usati. Un’appropriata caratterizzazione del conglomerato bituminoso è fondamentale e necessaria per una realistica previsione delle performance di una pavimentazione stradale. La caratterizzazione volumetrica (Mix Design) e meccanica (Deformazioni Permanenti e Comportamento a fatica) di un conglomerato bituminoso è una fase importante. Inoltre, al fine di utilizzare correttamente i materiali, un metodo di progetto avanzato ed efficiente, come quello rappresentato da un approccio Empirico-Meccanicistico (ME), deve essere utilizzato. Una procedura di progetto Empirico-Meccanicistica consiste di un modello strutturale capace di prevedere gli stati di tensione e deformazione all’interno della pavimentazione sotto l’azione del traffico e in funzione delle condizioni atmosferiche e di modelli empirici, calibrati sul comportamento dei materiali, che collegano la risposta strutturale alle performance della pavimentazione. Nel 1996 in California, per poter effettivamente sfruttare i benefici dei continui progressi nel campo delle pavimentazioni stradali, fu iniziato un estensivo progetto di ricerca mirato allo sviluppo dei metodi di progetto Empirico - Meccanicistici per le pavimentazioni stradali. Il risultato finale fu la prima versione del software CalME che fornisce all’utente tre approcci diversi di l’analisi e progetto: un approccio Empirico, uno Empirico - Meccanicistico classico e un approccio Empirico - Meccanicistico Incrementale - Ricorsivo. Questo tesi di laurea si concentra sulla procedura Incrementale - Ricorsiva del software CalME, basata su modelli di danno per quanto riguarda la fatica e l’accumulo di deformazioni di taglio dai quali dipendono rispettivamente la fessurazione superficiale e le deformazioni permanenti nella pavimentazione. Tale procedura funziona per incrementi temporali successivi e, usando i risultati di ogni incremento temporale, ricorsivamente, come input dell’incremento temporale successivo, prevede le condizioni di una pavimentazione stradale per quanto riguarda il modulo complesso dei diversi strati, le fessurazioni superficiali dovute alla fatica, le deformazioni permanenti e la rugosità superficiale. Al fine di verificare le propreità meccaniche del PGGWMA e le reciproche relazioni in termini di danno a fatica e deformazioni permanenti tra strato superficiale e struttura della pavimentazione per fissate condizioni ambientali e di traffico, è stata usata la procedura Incrementale – Ricorsiva del software CalME. Il conglomerato bituminoso studiato (PGGWMA) è stato usato in una pavimentazione stradale come strato superficiale di 60 mm di spessore. Le performance della pavimentazione sono state confrontate a quelle della stessa pavimentazione in cui altri tipi di conglomerato bituminoso sono stati usati come strato superficiale. I tre tipi di conglomerato bituminoso usati come termini di paragone sono stati: un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” con granulometria “chiusa” non modificato (DGWMA), un conglomerato bituminoso modificato con polverino di gomma con granulometria “aperta” (GGRAC) e un conglomerato bituminoso non modificato con granulometria “chiusa” (DGAC). Nel Capitolo I è stato introdotto il problema del progetto ecocompatibile delle pavimentazioni stradali. I materiali a basso impatto ambientale come i conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità” e i conglomerati bituminosi modificati con polverino di gomma sono stati descritti in dettaglio. Inoltre è stata discussa l’importanza della caratterizzazione di laboratorio dei materiali e il valore di un metodo razionale di progetto delle pavimentazioni stradali. Nel Capitolo II sono stati descritti i diversi approcci progettuali utilizzabili con il CalME e in particolare è stata spiegata la procedura Incrementale – Ricorsiva. Nel Capitolo III sono state studiate le proprietà volumetriche e meccaniche del PGGWMA. Test di Fatica e di Deformazioni Permanenti, eseguiti rispettivamente con la macchina a fatica per flessione su quattro punti e il Simple Shear Test device (macchina di taglio semplice), sono stati effettuati su provini di conglomerato bituminoso e i risultati dei test sono stati riassunti. Attraverso questi dati di laboratorio, i parametri dei modelli della Master Curve, del danno a fatica e dell’accumulo di deformazioni di taglio usati nella procedura Incrementale – Ricorsiva del CalME sono stati valutati. Infine, nel Capitolo IV, sono stati presentati i risultati delle simulazioni di pavimentazioni stradali con diversi strati superficiali. Per ogni pavimentazione sono stati analizzati la fessurazione superficiale complessiva, le deformazioni permanenti complessive, il danno a fatica e la profondità delle deformazioni in ognuno degli stati legati.

Analisi prestazionale di pavimentazioni contenenti polverino di gomma da PFU

La presente ricerca è stata svolta con l’obbiettivo di valutare le caratteristiche prestazionali di pavimentazioni in conglomerato bituminoso con aggiunta di PFU. Il prodotto è un legante bituminoso modificato, al quale il polverino di gomma da PFU è aggiunto manualmente (meccanicamente) al mescolatore tramite tecnologia Dry, nella quale la frazione di gomma è impiegata in sostituzione a una porzione di inerti fini. Ai fini di tale studio sono stati stesi 300 metri di SMA lungo la S.P. 569 nel centro abitato di Zola Predosa (BO) durante la quale sono state effettuate le analisi ambientali. Di questi 300 metri, 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. Sono state predisposte 3 diverse indagini sperimentali: a 2 mesi dalla stesa (31 Luglio 2014), a 6 mesi e la terza ad 1 anno dalla prima sessione di controllo. Nella prima campagna è stato eseguito il prelievo di campioni carotati per la verifica fisico-meccanica delle miscele posate e degli spessori, mentre per tutte le campagne di prova tutte sono state effettuate analisi per la valutazione dell’aderenza, della tessitura e dell’emissione e assorbimento acustico della pavimentazione. L’elaborato è sviluppato nel seguente modo: sarà prima presentata una panoramica sul problema del riciclaggio di PFU. Verranno poi riportate le norme che regolano l’uso delle strumentazioni utilizzate durante le prove e la trattazione dei dati che ne derivano. Verrà poi descritto il campo prove, la stesa sperimentale e tutti i test effettuati sul sito di Zola Predosa. Successivamente verrà effettuata l’analisi dei dati rispettivamente per l’analisi ambientale, il pendolo, l’altezza in sabbia, l’analisi dei livelli acustici, il LaserProf, lo Skiddomter BV11 e il Laser NextEngine HD. Infine verranno tratte le conclusioni, basate sulle analisi condotte, al fine di valutare il rendimento delle pavimentazioni indagate.

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.