Pressa giratoria e mix design volumetrico

VOLUMETRICO

Esistono diverse tecniche per la compattazione in laboratorio dei conglomerati

bituminosi; tra essi troviamo la PRESSA A TAGLIO

GIRATORIO.

Il metodo basato sulla pressa a taglio giratorio (Gyratory

Shear Compactor) coniuga i vantaggi della semplicità

esecutiva con l’esigenza di riprodurre condizioni di

addensamento rappresentative di quelle reali. Per tali

ragioni essa costituisce attualmente il metodo più

utilizzato nell’ambito degli studi di miscela di tipo

razionale.

Il principio di base consiste nel sottoporre il materiale, contenuto all’interno di

una fustella cilindrica di dimensioni note e inclinata

rispetto alla verticale, all’azione combinata di una

pressione normale applicata per mezzo di un pistone a

comando idraulico e di una sollecitazione di taglio,

generata per effetto della rotazione della fustella stessa

intorno all’asse verticale.

Si realizza in tal modo un meccanismo di compattazione della miscela

analogo a quello prodotto dall’avanzamento del rullo (il cosiddetto effetto “di

impasto”) che porta a una riorganizzazione delle particelle attraverso

movimenti di traslazione e rotazione reciproci grazie all’applicazione di una

azione combinata di sollecitazioni normali e tangenziali, che mutano

continuamente di direzione a causa della rotazione eccentrica della fustella

contenente il materiale, e che simulano quindi più fedelmente le azioni (effetto

di traslazione e rotazione sui granuli) dei rulli utilizzati in situ.

La rotazione della fustella è assicurata da un motore elettrico e un idoneo

sistema di cuscinetti accoppiati, che fungono anche da guida. In condizioni

standard si adotta un valore della pressione di 600 kPa, una velocità di

rotazione di 30 giri/min e un angolo di inclinazione pari a 1,25; sono previste, a

seconda dei casi, fustelle del diametro di 100, 150 e 160 mm (norma UNI EN

12697-31).

La procedura di prova può prevedere due differenti impostazioni:

a. si fissa il termine della prova al raggiungimento di un prestabilito numero

di rotazioni indipendentemente dal grado di compattazione finale

raggiunto dal campione;

b. si opera fissando l’altezza finale del campione indipendentemente dal

numero di giri necessario per raggiungerla.

Una caratteristica essenziale della pressa a taglio giratorio è data dalla

possibilità di registrare la variazione dell’altezza del campione (e

dunque del suo volume) al progredire del numero di rotazioni. Nota la massa

iniziale introdotta in fustella e la massima massa volumica teorica (MMVT) da

valutarsi preventivamente allo stato sciolto, si può ricavare la cosiddetta curva

di addensamento, espressa in funzione del grado di compattazione C:

( )

( )

MV n

( ) ( )=100

=100−ν

C n n ∙ 1− MMVT

L’addensamento dipende da parametri quali la PRESSIONE, l’INCLINAZIONE

della fustella, la VELOCITÀ DI ROTAZIONE, il NUMERO DI ROTAZIONI. Quindi,

agendo su di essi si ha un controllo sull’addensamento.

Con lo studio dell’addensamento tramite

l’osservazione della variazione dell’altezza del

campione si può realizzare la CURVA DI

COMPATTAZIONE. Si costruisce riportando su

un piano semilogaritmico i punti definiti dalla

coppia di coordinate , con il

(log N

N ; C( %))

numero di giri effettuati dal campione (poi posti

in forma logaritmica) e il grado di

C

compattazione. Si individua così una retta.

Però l’addensamento arriverà ad un valore limite, in quanto il materiale arriverà

ad un grado di compattazione altre al quale esso non si addenserà più; si avrà

così un andamento orizzontale.

Allora, per meglio dire scriveremo:

( )=C ( ) +k )

C % % ∙ log(N

1

con: : addensabilità del materiale (autoaddensamento, legata alla

C

o 1

struttura litica, secondo le indicazioni contenute nel sistema SUPERPAVE,

a strutture di buona qualità corrispondono valori sufficientemente bassi

di C0);

: lavorabilità (al crescere o al diminuire di tale parametro è associato

k

o un corrispondente aumento o decremento del gradiente di

addensamento e dunque il raggiungimento più o meno rapido del livello

di compattazione predefinito)

Tutto ciò avviene a temperatura costante. Se cambiano alcuni parametri, tra i

quali la temperatura, cambia anche il risultato della prova.

METODO SUPERPAVE (SUperior PERforming Asphalt PAVEments): elaborato e

messo a punto nell’ambito del programma di ricerca SHRP, che costituisce

attualmente il riferimento più avanzato. L’obbiettivo è il mix design tramite

l’analisi di grandezze volumetriche.

La scelta della curva granulometrica e del contenuto di bitume si basa

sull’analisi delle caratteristiche volumetriche delle miscele studiate attraverso

la pressa giratoria (performance-related analysis)

La peculiarità della procedura SUPERPAVE consiste nel fatto che la miscela di

progetto viene definita sulla base di parametri prestazionali legati alla risposta

del materiale in opera in predefinite condizioni di impiego.

Si distinguono in particolare:

parametri detti performance-based, ottenuti cioè da una stima diretta

o dei principali fenomeni di degrado (fatica, ormaiamento, rottura termica)

parametri detti performance-related, legati essenzialmente alla

o volumetria e che consentono un controllo indiretto delle suddette

prestazioni.

La scelta della categoria di prescrizioni cui far riferimento e

dunque delle tecniche di indagine da adottare è commisurata

all’importanza dell’opera. A tal riguardo il sistema è articolato

su tre differenti livelli, ognuno corrispondente a una soglia di

traffico di progetto: con la precisazione che il livello superiore è

quello che garantisce il massimo grado di affidabilità del mix

design a fronte di un onere sperimentale non trascurabile.

Il controllo della volumetria occupa un ruolo fondamentale in quanto un

corretto dimensionamento della struttura interna del conglomerato bituminoso

è condizione necessaria per assicurare una risposta meccanica e una durabilità

soddisfacenti.

Il cosiddetto mix design volumetrico si fonda essenzialmente sull’utilizzo della

pressa a taglio giratorio. Le prescrizioni (del tipo performance-related) si

riferiscono infatti ai risultati ottenuti dalla curva di addensamento, in cui si

fissano dei prestabiliti valori del grado di compattazione (valutati sulla base

delle osservazioni sperimentali) in corrispondenza di altrettanti punti

caratteristici e in particolare:

<89−91,5 (a seconda del livello di traffico) per ;

C % N=N

o iniziale iniziale

=96 per ;

C % N=N

o design design

<98 per

C % N=N

o max max

Il primo valore è legato alle caratteristiche di autoaddensamento della miscela

e dipende dalla sua struttura litica.

Miscele che si compattano troppo

rapidamente nei primi cicli di prova sono

considerate eccessivamente cedevoli durante

la messa in opera e dunque passibili di

manifestare problemi di instabilità sotto

l’azione del traffico. Imponendo un limite

sufficientemente basso del grado di

compattazione iniziale si mira dunque a

prevenire tale evenienza e fornire una elevata robustezza strutturale.

N rappresenta il numero di rotazioni alla pressa richiesto per produrre

design

una densità del materiale equivalente a quella attesa in situ, conseguente a un

predefinito volume di traffico di progetto.

N è il riferimento per valutare la autoaddensamento delle miscele: se i

iniziale N

vuoti a sono troppo bassi (C troppo elevato) le miscele in opera

iniziale

potrebbero risultare eccessivamente cedevoli durante la costruzione e dunque

instabili in esercizio sotto l’azione del traffico.

N è il numero di rotazioni a cui corrisponde un grado di compattazione che

max N

non dovrebbe mai essere superato. Se i vuoti a sono troppo bassi la

max

miscela potrebbe compattarsi troppo in servizio manifestando problemi di

ormaiamento (fenomeni di post-compattazione).

Nel processo di mix design la composizione del conglomerato deve essere

quindi tale da ottenere in corrispondenza di tale valore un volume dei vuoti

finale pari al 4%, considerato, nelle indicazioni SUPERPAVE, come

corrispondente a un livello ottimale di addensamento per garantire una

risposta prestazionale soddisfacente.

L’ultima prescrizione riguarda il controllo dei fenomeni di post-compattazione,

attraverso una soglia massima imposta al massimo grado di addensamento, in

modo da evitare una eccessiva riduzione dei vuoti che potrebbe generare

problemi di ormaiamento.

N N

I valori , e

iniziale design

N sono stabiliti in funzione

max

del grado di impegno della

sovrastruttura, ovvero del

livello di traffico atteso (in

ESAL).

Il metodo fissa anche dei

requisiti sul VMA, in funzione del diametro massimo dell’aggregato che, a sua

volta, dipende dal futuro uso del materiale. Anche per il VFB si pongono dei

limiti in base alla quantità di traffico a cui è soggetto il bitume. Infine, si

richiede il rapporto filler su bitume.

Possiamo sintetizzare il procedimento nel seguente modo:

1. SELEZIONE DEI MATERIALI (aggregati, bitume, additivi);

2. PROGETTO DELLA GRANULOMETRIA (valutazione di più miscele

granulometriche di tentativo analizzando le curve di compattazione;

misura delle proprietà meccaniche);

3. PROGETTO DEL CONTENUTO DI BITUME (valutazione di più miscele di

tentativo analizzando le curve di compattazione; controllo di campo

durante la produzione e l’esecuzione dei lavori).

Come si può osservare, il livello 1 si attesta in pratica alla fase volumetrica e

costituisce la base propedeutica anche per i successivi livelli di progetto.

Fase 1-1 – SELEZIONE DEGLI AGGREGATI

Si selezionano gli aggregati in accordo con opportuni requisiti fisici e

geometrici; mantenendo valida l’impostazione razionale del metodo,

sicuramente è possibile fare riferimento (nel contesto nazionale) anche ad altre

prescrizioni, per esempio quelle comunemente stabilite nelle norme tecniche di

capitolato.

Fase 1-2 – SCELTA CLASSE DI PRESTAZIONE DEL LEGANTE

Si stabilisce la classe prestazionale del legante sulla base delle temperature

massime e minime di progetto della pavimentazione, secondo i criteri definiti in

ambito SHRP.

Fase 1-3 – PREPARAZIONE DI 3 MISCELE LAPIDEE DI TENTATIVO

Concluse le fasi precedenti, si preparano diverse miscele lapidee di tentativo

(tre o quattro), in conformità ai limiti granulometrici definiti attraverso i punti di

controllo a seconda del diametro nominale massimo (fuso di riferi