Appunti Costruzione di opere stradali

E

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Il coefficiente di Poisson si assume pari a 0.4 - 0.5

Nel caso in cui la terra costituente lo strato di fondazione, abbia subito un

miglioramento (piccolo quantitativi di calce, cemento, loppe d’alto forno ecc..),

allora il modulo elastico si può calcolare sempre con la relazione precedente; nel

caso in cui, invece, i quantitativi di legati siano maggiori (Stabilizzazione) allora, si

può misurare il modulo in laboratorio mediante prove di flessione o di

compressione.

I moduli così calcolati (per le terre stabilizzate), sono molto elevati e non

corrispondono a quello del materiale in opera, in quanto questo si fessura, o perché,

a causa di un modulo iniziale così elevato, nascono nello strato delle sollecitazioni

che esso non è in grado di sopportare senza fessurarsi o per l’insorgere di fenomeni

di contrazione e dilatazione termica. Per quanto riguarda il coefficiente di Poisson si

possono assumere valori compresi fra 0.15 e 0.25

7000 ÷ 8000 20000 ÷ 25000

Terra cemento Misto cementato

Modulo di materiale

fessurato poggiante su

uno strato di fondazione O 50000 ÷ 80000 150000 ÷ 200000

di 20-25 cm daN/\]

Modulo di laboratorio di

materiale non fessurato

O

daN/\]

I moduli dei materiali legati con il bitume vanno visti sotto tutt’altro aspetto. Per essi

vale il concetto di modulo complesso che verrà trattato nel capitolo

bitumi/Conglomerati bituminosi Bitume

Per bitume si intende il residuo della colonna di distillazione del petrolio, costituito

da una miscela complessa di idrocarburi ad elevato peso molecolare. I rapporti

percentuali fra i componenti variano a seconda del petrolio grezzo di provenienza e

dal metodo di distillazione e lavorazione dal quale sono ottenuti. Il prodotto

ottenuto dalla distillazione può essere utilizzato tal quale oppure può essere

sottoposto a processi chimico-fisici, tra i quali i più annoverati sono: estrazione con

solvente, i processi di ossidazione e miscele con bitumi di diversa composizione

Il petrolio (grezzo) è combustibile fossile, con tempi di formazione dell’ordine delle

decine di milioni di anni ed è derivato dalla decomposizione di organismi animali e

vegetali ricoperti da sedimenti.

Si presenta allo stato liquido ed è costituito da una miscela di idrocarburi (molecole

di carbonio ed idrogeno); la permeabilità della rocce che lo racchiudono e la fluidità

del greggio incidono sulla maggiore o minore facilità delle operazioni di estrazione

che vedono come propulsore la pressione degli idrocarburi in fase gassosa presenti

nel giacimento.

Oggi attraverso tecniche di gas injection o di water injection (pompaggio sotto terra

di gas o acqua) si può estrarre anche quella quota di greggio che, in caso di

sfruttamento “spontaneo”, sarebbe rimasto in sito a causa della diminuzione della

pressione naturale.

A seconda dei giacimenti di provenienza i greggi possono presentano caratteristiche

differenti e risultano più o meno idonei per la produzione di bitume.

Prendendo come elemento di riferimento la “resa” in bitume, i greggi possono

essere denominati:

• asfaltaci (come quelli provenienti dal Venezuela e Messico);

• semi-asfaltici (Medio-Oriente);

• non-asfaltici (Libia e Nigeria).

Questi ultimi non vengono utilizzati per la produzione di bitume. I procedimenti

produttivi sono sinteticamente riconducibili ai seguenti:

• distillazione frazionata;

• Trattamento termico;

• sintesi o ricostruzione;

• ossidazione.

Distillazione frazionata.

Il greggio di petrolio non è immediatamente utilizzabile, il processo di distillazione

frazionata si suddivide nei seguenti step:

1. trattamento termico x eliminare l’acqua presente

2. processo di centrifugazione x eliminare sostanze pesanti indesiderate

3. riscaldamento a circa 400°C

4. immissione in una colonna di frazionamento a pressione atmosferica (i

componenti a più basso punto di ebollizione cominciano a evaporare e

risalgono nella colonna)

5. condensazione dei componenti più volatili nella zona alta con opportuni

sistemi di refrigerazione

6. nella parte bassa della colonna condensano le frazioni meno volatili

Che possono essere oli combustibili, lubrificanti, paraffine, cere, bitumi

Per separare e recuperare eventuali oli combustibili densi, tale residuo può essere

introdotto in una seconda colonna di distillazione posta in condizioni di depressione

Da questa colonna vacuum, con modalità analoghe alle precedenti ed agevolate

dall’insufflazione di vapore acqueo introdotto dal fondo, si separano:

• gasoli vacuum

• bitume primario normalmente definito “straight run”.

Trattamenti termici

In serie alla schema costituito dalle colonne di distillazione può essere predisposta

una integrazione dell’impianto che porta il residuo di distillazione a livelli elevati di

con questa procedura si inducono cambiamenti strutturali

temperatura e pressione;

di tipo chimico del residuo e si converte parte della frazione pesante in distillati

leggeri pregiati (benzine e gasoli).

Quanto più severo è il processo (temperatura elevata), tanto più il residuo si

presenta duro, con comportamento reologico che tende al fragile. Uno dei

trattamenti termici largamente utilizzato nelle raffinerie italiane prende il nome di

“visbreaking”

Sintesi e ricostruzione

Si tratta di metodi di produzione di bitumi attraverso la miscelazione di basi

lubrificanti grezze e costituito da propano liquefatto. In una colonna di

solvente

estrazione si separano le basi lubrificanti raffinate (deasfaltate) e il bitume; da

entrambi i prodotti, con procedure diverse si recupera il propano e si ottiene un

bitume con caratteristiche prossime a quello degli “straight-run”.

Ossidazione.

Si può ottenere bitume a partire dai residui della distillazione primaria mediante

soffiatura di aria (ossidazione) ad alta temperatura (230-280 °C) protratta per un

certo tempo.

Il procedimento comporta una conversione chimica degli idrocarburi. Alcuni oli

modificano la loro struttura in altra più complessa, alcune resine si trasformano in

asfalteni leggeri e parte di questi si trasformano in asfalteni pesanti.

Le caratteristiche fisiche del bitume di base vengono così modificate con:

• aumento della viscosità

• diminuzione della penetrazione

• aumento del punto di rammollimento

• aumento dell’Indice di Penetrazione (diminuzione della suscettibilità termica).

Queste caratteristiche rendono i bitumi ossidati particolarmente idonei nelle opere

di impermeabilizzazione ed idrauliche, nelle coibentazioni termiche ed elettriche.

Leganti impiegati nella confezione di miscele bituminose.

Nelle miscele bituminose il legante idrocarburico può presentarsi in 3 forme:

1. bitume semisolido;

2. emulsione bituminosa (bitume semisolido + acqua + emulsivo);

3. bitumi liquidi (bitume semisolido + solvente).

Se il legante è disponibile nella forma 1 (la più frequentemente utilizzata in Italia per

la messa in opera di conglomerati bituminosi vergini), la miscela può essere

confezionata solo in impianto con un processo ad alta temperatura (ad esempio 140

- 170°C) che consente di:

• abbassare la viscosità propria del bitume semisolido;

• favorire l’attivazione di fenomeni di adesione bitume-inerti;

• rendere e mantenere lavorabile l’impasto.

Se il legante è nelle forme 2 e 3 si sviluppano fenomeni di adesione

bitume/aggregato già operando una miscelazione a freddo o, nel caso di alcune

emulsioni, a temperature dell’ordine dei 60-70 °C. La miscela sviluppa capacità di

resistere alle sollecitazioni solo quando il legante riassume la consistenza semisolida:

a) per rottura dell’emulsione (separazione del bitume dall’acqua);

b) per evaporazione del solvente.

Bitumi semisolidi

Le specifiche C.E.N. per bitumi semisolidi di impiego in campo stradale sono

riportate nella norma e tengono conto delle esigenze specifiche di tutti i

EN 12591

paesi europei (nella tabella che segue non sono riportate le specifiche per gradazioni

30/45 e 35/50). La formalizzazione di queste indicazioni è stato frutto del lavoro di

armonizzazione delle specifiche nazionali dei paesi membri curato da una

commissione europea Le Norme CNR che, in ambito nazionale, avevano

rappresentato, per quasi mezzo secolo, il riferimento normativo richiamato da

Norme Tecniche e Capitolati di Appalto, sono state sostituite dalle UNI EN.

Trattandosi di norme “armonizzate”, comunque, le procedure operative di molte

prove non sono state oggetto di modifiche sostanziali.

Oltre alle norme relative alle metodiche raccolte nella tabella precedente, sono

state definite a livello comunitario procedure sperimentali che consentono misure

dirette di:

• viscosità (a temperature medio-alte);

• resistenza a trazione diretta (a bassa temperatura) ;

• resistenza a trazione per flessione secondo lo schema di una trave appoggiata

agli estremi con carico costante in mezzeria (a bassa temperatura);

Emulsioni bituminose

Il bitume è disperso nella fase acquosa sotto forma di particelle di diametro

dell’ordine di 1-3 μ. In relazione al tipo di prodotto che viene utilizzato per produrre

le emulsioni queste sono denominate:

• acide o cationiche (con aggiunta di acido, garantiscono buoni risultati anche in

condizioni di tempo umido);

• basiche o anioniche (con aggiunta di soda, non soddisfacenti in condizioni di

tempo umido o con basse temperature).

In Europa le emulsioni prodotte sono prevalentemente di tipo cationico; in Italia

queste rappresentano il 70% della produzione.

Caratteristiche salienti delle emulsioni

1. Grado di dispersione.

E’ inversamente proporzionale al diametro delle particelle di bitume che può essere

rilevato con osservazione al microscopio o per filtrazione. Le emulsioni migliori

hanno diametro delle particelle piccolo; con diametri superiori a 3 μ le emulsioni

sono poco stabili e tendono a sedimentare.

2. Viscosità.

In relazione al tipo di impiego è opportuno disporre di emulsioni stradali

caratterizzate da adeguate caratteristiche di viscosità; se questa è bassa, ad

esempio, l’emulsione tende a scorrere sul piano di stesa o penetra troppo in

profondità nel caso di impregnazione. La viscosità dipende essenzialmente dalla

natura del bitume e dal tipo di emulsivo utilizzato; aumenta con la percentuale di

bitume e con la finezza della dispersione.

3. Stabilità.

Indipendentemente dal segno della carica elettrica delle particelle di bitume (+ per

emulsioni basiche e