Unicalce, Le strade Mar 10

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Calce Idrata
Asfalti migliorati grazie
al “filler attivo”
UNA SOLUZIONE SEMPLICE ED EFFICACE PER MIGLIORARE LE PAVIMENTAZIONI BITUMINOSE? PER ESEMPIO AGGIUNGERE AL MIX MODESTE QUANTITÀ DI CALCE IDRATA IN PARZIALE SOSTITUZIONE DEL
FILLER. MOLTI PAESI DA ANNI CONSIDERANO QUESTO MATERIALE
IL PIÙ EFFICIENTE E CONVENIENTE ADDITIVO PER INCREMENTARE LE
CARATTERISTICHE DELL’ASFALTO. IN ITALIA IL TEMA È SEMPRE PIÙ
AL CENTRO DEL DIBATTITO TECNICO. COME PROVA LA RICERCA - CHE
LESTRADE PUBBLICA IN ANTEPRIMA - SU DIVERSI TIPI DI MASTICE,
CONDOTTA SOTTO LA DIREZIONE SCIENTIFICA DELL’UNIVERSITÀ DI
PARMA E PRIMO PASSO DI UN LAVORO ACCADEMICO PIÙ AMPIO.
L’
evoluzione della conoscenza e del sapere
applicato a volte esula dalla bontà ed efficacia delle soluzioni possibili, trovando invece strada in soluzioni complesse e costose che a
volte nemmeno risolvono la problematica. Nel campo delle pavimentazioni bituminose, l’uso di diversi
additivi chimici spesso costosi e la cui efficacia è condizionata da situazioni al contorno difficilmente controllabili, è evitabile con l’aggiunta di modeste quantità di calce idrata in parziale sostituzione del filler.
È certo il miglioramento dell’adesione tra bitume e
inerte, è certo l’incremento della resistenza all’accumulo di deformazioni permanenti e l’allungamento della vita utile della pavimentazione. La certezza,
nasce da almeno due decenni di sperimentazione pratica in cui più di qualche Stato e relative autorità hanno confermato e disposto l’utilizzo della calce idrata
come il più efficiente e conveniente additivo per incrementare le caratteristiche principali dell’asfalto.
L’ultimo Paese in ordine di tempo, ad avere inserito
l’additivo calce idrata come obbligatorio per tutte le
pavimentazioni autostradali è la Svizzera, decisione
avvenuta lo scorso dicembre e supportata da 10 anni
di prove sul campo.
In un settore dove la contrazione della spesa è costante, l’adozione di soluzioni efficaci da un punto di
vista pratico ed economico che permettano di incrementare la qualità delle pavimentazioni, la sicurezza e il benessere degli utenti, non può che essere salutata con interesse. In Italia, diverse realtà pubbliche
e private utilizzano questo additivo attingendo da
esperienze interne. Il nostro intento è fornire, al pari
di altri Paesi, una visione organica degli effetti della
calce idrata. Questa attività non può esulare da una
concreta formazione teorico pratica realizzata sul territorio nazionale. Riportiamo quindi integralmente
il primo passo di questo nostro lavoro, ovvero i risultati della prima Convenzione di ricerca stipulata
da Unicalce con l’Università di Parma nel 2009 su diversi tipi di mastice (bitume + filler) realizzati con
e senza l’aggiunta di calce idrata. La ricerca sperimentale, che è stata condotta presso il Dipartimento
Angelo Canziani
Alberto D’Alto
Sezione Infrastrutture Viarie
Unicalce SpA
1
Materiali
3/2010 LE STRADE
di Ingegneria Civile dell’Università di Parma, sotto la
direzione scientifica dell’ingegner Gabriele Tebaldi,
viene qui riportata integralmente.
Il lavoro è il primo di una serie di ricerche universitarie che vedranno la luce già quest’anno e che avranno come riferimento gli effetti della calce nei conglomerati bituminosi.
ORGANIZZAZIONE
DELLA RICERCA
1. Lo scorso dicembre
la Svizzera ha inserito
l’additivo calce idrata
come obbligatorio per
le pavimentazioni
autostradali
(foto R.Kurmann da flickr.com)
Per valutare gli effetti della calce sul comportamento
dei bitumi sono stati testati i mastici ottenuti additivando tre bitumi naturali con carbonato ventilato e con
Calfill®. I mastici sono stati ottenuti mescolando i bitumi con l’8% in peso di carbonato ventilato e di Calfill®,
ottenendo così 6 diversi tipi di mastice.
Nella ricerca si è fatto ricorso alle seguenti prove:
• Prova di penetrazione a 25°C (EN1426, CNR24/71):
si intende per penetrazione l’affondamento, espresso in decimi di millimetro, che un ago normalizzato
subisce nel tempo di 5 secondi e sotto il carico di
100g in un provino di bitume mantenuto alla temperatura di 25°C; si parla di bitume duro (bassa penetrazione) o di bitume morbido (alta penetrazione).
La penetrazione da un indice della suscettività termica del bitume: un bitume duro tende ad assumere caratteristiche visco-plastiche a temperature
più elevate di un bitume morbido, quindi è indicato
per conglomerati che andranno a costituire una pavimentazione sottoposta ad alte temperature di esercizio. Un bitume morbido tende ad irrigidirsi a temperature tendenzialmente più basse ripetto ad un
bitume duro, quindi è indicato per conglomerati che
andranno a costituire pavimentazioni sottoposte a
basse temperature di esercizio.
• Prova determinazione del punto di rammollimento o prova di palla e anello (EN1427, CNR35/73):
si assume come punto di rammollimento la temperatura alla quale un campione di bitume, colato entro uno speciale anello di ottone, collocato in un bagno d’acqua e gravato del peso di una pallina
metallica, si deforma fino a raggiungere un piano posto alla distanza di un pollice da quello di appoggio
dell’anello. La temperatura dell’acqua è di 5°C all’inizio della prova e viene progressivamente aumentata con un gradiente di 5°C al minuto. Il punto di
rammollimento, o temperatura di palla anello, dà un
indice delle prestazioni di un bitume alle alte temperature: più la temperatura di palla anello è alta,
migliori saranno le prestazioni del bitume, e di con-
seguenza del conglomerato, alle alte temperature.
• Punto di rottura Fraas (CNR43 /74): Si definisce punto di rottura la temperatura alla quale un film di bitume di spessore 0.5mm, posto su una lamina che viene inflessa ad intervalli regolari di tempo mentre la
temperatura si abbassa di 1°C al minuto partendo da
10°C, manifesta la prima fessurazione. Il punto di rottura Fraas da un’indicazione sulle prestazioni di un
bitume alle basse temperature: più è basso il punto
Fraas, più bassa la temperatura a cui il bitume mostrerà un comportamento fragile, quindi più bassa sarà
la temperatura a cui il conglomerato può avere problemi di fessurazione termica.
• Viscosità dinamica a 160°C (PrEN 13072-2): è il rapporto tra la sollecitazione tangenziale applicata τ ed il
gradiente D dello scorrimento che si verifica all'interno del legante bituminoso
dove D=
con v è la velocità di scorrimento del legante e y è la
distanza dalla parte dell'apparecchio che trasmette le
sollecitazioni tangenziali.
La viscosità è misurata con un viscosimetro “piatto e
cono”; tale parametro permette di caratterizzare il
comportamento reologico del legante bituminoso. La
viscosità a 160° dà un indicazione della lavorabilità
del bitume nella sua fase fluida: una viscosità molta
alta caratterizza un bitume poco lavorabile.
• Ritorno elastico a 25°C (EN 13398): la prova consiste nell’imporre uno sforzo di taglio costante per un
fissato intervallo di tempo, misurando la deformazione accumulata dal campione, dopodiché si scarica il campione continuando a misurare la deformazione. Minore è la deformazione cumulata maggiori
sono le caratteristiche elastiche del bitume, quindi
migliore la qualità del bitume.
Tutte le prove sono state eseguite sul bitume vergine e sul bitume sottopoto a invecchiamento mediante RTFOT (Rolling Thin-Film Oven Test, EN12607-1),
una procedura che simula l’invecchiamento primario
del bitume, ovvero il decadimento delle prestazioni
che il bitume subisce a causa del riscaldamento e
dell’ossidazione che avvengono durante le operazioni di confezionamento e posa in opera dei conglomerati. L’esecuzione delle prove prima e dopo invecchiamento dà un’indicazione della qualità del
bitume: minore è la diversità delle caratteristiche
prima e dopo invecchiamento, migliore è la qualità
del bitume.
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Materiali
117
118
CARATTERISTICHE
DEI MATERIALI
Di seguito si riportano le caratteristiche dei materiali
impiegati.
Carbonato ventilato
Carbonato di calcio in polvere, CaCO3, di purezza tecnica, conforme ai requisiti della norma EN 13043, settembre 2002 (UNI EN 13043, gennaio 2004) “Aggregati
per miscele bituminose e trattamenti superficiali per
strade, aeroporti e altre aree soggette a traffico”.
Marcatura CE: 0785 07 0785-CPD-31-196-07 EN
13043, sett. 2002 (tab. 1).
Calfill®
Filler misto di carbonato di calcio e calce idrata fiore a
composizione controllata.
Costituenti: Filler di calcare ottenuto da mulinazione e
Calce aerea idrata calcica (Idrossido di calcio, Ca(OH)2
tipo CL90-S) conforme alla Norma EN 459-1, october 2001
(UNI EN 459-1, settembre 2002) “Calci da costruzione.
Definizioni, specifiche e criteri di conformità” (tab. 2).
TAB. 1 IL CARBONATO DI CALCIO IN POLVERE
Caratteristica
Valore
Metodo di prova
Densità (assoluta)
2,65 ± 0,02 g/cm3
EN1097-7:1999/A1:2006
Massa volumica in mucchio
1250-1400 kg/m3
EN 1097-3: 1999
pH della soluzione satura
8,5-9,5
25°C, acqua demineralizzata priva di CO2
Residuo a secco su setaccio da 0,063 mm
<10%
EN933 - 10:2001
Contenuto di CaCO3:
>96%
Calcolo da CaO totale
TAB. 2 FILLER MISTO CARBONATO DI CALCIO-CALCE IDRATA
Caratteristica
Valore
Massa volumica apparente
830-900 kg/m3
pH della soluzione satura
12,5
Residuo a secco su setaccio da 0,063 mm
<10%
Contenuto di CaCO3:
>80%
Contenuto di calce idrata Ca(OH)2
16÷20%
Metodo di prova
EN 459-2, october 2001, par. 5.8
25°C, acqua demineralizzata priva di CO2
EN933 - 10:2001
Calcolo stechiometrico dalla CO2 totale
EN 459-2, october 2001, par 4.7.2
TAB. 3 CARATTERISTICHE DEI BITUMI NATURALI
B1
B2
B3
2
Pen@25°C
70-100 (78.33 dmm)
70-100 (77.6 dmm)
50-70 (64.67 dmm)
P&A
48.9°C
48.3°C
49.0°C
Fraas
-20°C
-14°C
-17°C
Viscosità
0.28Pa·s
0.34Pa·s
0.38Pa·s
Ritorno elastico bitumi @ 25° C
Bitumi
Per la ricerca sperimentale sono stati utilizzati tre bitumi naturali (non modificati con polimeri), indicati in
tab. 3 con le sigle B1, B2 e B3, con caratteristiche assimilabili ai bitumi normalmente impiegati nei lavori
stradali correnti. Al fine di averne una classificazione
sufficientemente approfondita sono stati analizzati in
laboratorio. I risultati ottenuti sono riepilogati nelle figure di seguito riportate.
B1
B2
B3
RISULTATI SPERIMENTALI
I risultati di seguito riportati sono relativi ai bitumi (B1,
B2 e B3) ed ai relativi mastici, rispettivamente confezionati con carbonato ventilato (B1+F, B2+F e B3+F)
e con Calfill® (B1+FC, B2+FC e B3+FC).
Prova di penetrazione a 25°C (EN1426, CNR24/71)
Come si osserva dal grafico riportato in fig. 3 il mastice con Calfill® ha un indice di penetrazione più basso
rispetto al mastice confezionato con carbonato ventilato, sia prima che dopo invecchiamento con RTFOT.
I risultati nell’insieme mostrano un leggero indurimento
del mastice legato all’inserimento della calce.
Prova di palla e anello (EN1427, CNR35/73)
Come si osserva dal grafico riportato in fig. 4, il punto di rammollimento dei mastici, a parità di bitume è
Tempo (sec)
sensibilmente più elevato in quelli confezionati con
Calfill®, questo sia prima che dopo invecchiamento.
Nel caso del bitume B2, probabilmente a causa della
sua composizione chimica, questo effetto risulta estremamente marcato.
Punto di rottura Fraas (CNR43 /74)
I risultati dei test per la determinazione del punto di
rottura Fraas (fig. 5) non evidenziano significative differenze tra i diversi mastici. Tale situazione è connessa con la particolare natura del test che non permette di ottenere risultati adeguati per considerazioni che
vadano al di là della generica classificazione commerciale del materiale. Per tale motivo si è scelto di non
procedere con l’analisi “post invecchiamento”.
Materiali
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3
Non invecchiato
Invecchiato RTFOT
B1+F
B1+FC
B2+F
B2+FC
B3+F
B3+FC
33.33
24.67
33.00
24.33
34.33
26.50
28.5
23
32.25
27.5
33.75
24.25
Fraass (°C)
5
Non invecchiato
Palla - Anello (°C)
4
Indice di penetrazione @ 25°C (dmm)
Non invecchiato
Invecchiato RTFOT
B1+F
57.5
B1+FC
70.9
65.4
73.3
B1+FC
B2+F
B2+FC
B3+F
B3+FC
-17
-17
-14
-15
-14
-14
Non invecchiato
Invecchiato RTFOT
B2+F
58
60.9
B2+FC
83.5
B3+F
55.8
B3+FC
64.2
85.1
65.5
70.6
Viscosità (Pas)
6
B1+F
Materiali
119
B1+F
2.01
B1+FC
8.66
B2+F
2.4
B2+FC
6.78
B3+F
2.25
B3+FC
1.5
3.2
1.9
3.4
1.1
7.1
Viscosità dinamica a 160°C (PrEN 13072-2)
La prima cosa che si osserva dall’analisi dei risultati dei test di viscosità (fig. 6) è che confrontando la
viscosità dei bitumi di origine (B1=0.28Pa·s, B2=0.34
Pa·s, B3=0.38 Pa·s), la differenza di viscosità generata dalla miscelazione col filler è molto più alta nel
caso dell’aggiunta del Calfill®; questo dato può essere interpretato come un indicatore dell’effetto della presenza della calce, ovvero si può attribuire un
azione sull’intima struttura del bitume, tale da indurre un notevole cambiamento delle sue caratteristiche fisico meccaniche.
Si osserva inoltre, in due casi su tre, che i mastici con
Calfill® tendono ad avere una notevole riduzione di
viscosità dopo RTFOT, questo indica che la riduzione
della lavorabilità si mitiga con l’ossidazione del bitume. Questo dato è una riprova di quanto già riscontrabile nella letteratura scientifica di settore che indica nel rallentamento del danneggiamento conseguente
8.32
all’invecchiamento uno dei principali effetti della calce. Questa osservazione trova conferma dai risultati
di una ricerca condotta nello Utah (Jones 1997), riportati in fig. 7, dove si vede che nell’invecchiamento a lungo temine l’effetto osservato nei test tende
ad incrementarsi.
Ritorno elastico a 25°C (EN 13398)
I risultati delle prove di ritorno elastico riportate in
figg. 8 e 9 evidenziano una generale riduzione delle deformazioni (sia totale che cumulata) come conseguenza dell’impiego del Calfill® nel confezionamento dei mastici, sia che il confronto sia fatto prima
che dopo l’invecchiamento con RTFOT.
Tutto ciò indica che l’aggiunta di calce ai bitumi analizzati ha indotto una considerevole riduzione del
comportamento plastico, ovvero una riduzione dell’entità delle deformazioni permanenti indotte da un
dato carico.
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No lime (1)
W/ lime (1)
W/ lime (2)
Number of Passes, thousands
7
Ritorno elastico @ 25° C
B3+F
B3+FC
B1+F
B1+FC
B2+F
B2+FC
Tempo (sec)
8
Ritorno elastico @ 25° C dopo RTFOT
B1+F
B1+FC
B2+F
B2+FC
B3+F
B3+FC
Ritorno elastico @ 25° C dopo RTFOT
9
Tempo (sec)
No additive
Hydrated Lime
Viscority (60), Stokes
I risultati dei test effettuati mostrano un marcato effetto sulle prestazioni dei bitumi conseguente all’impiego della calce, in particolare si evincono i seguenti
risultati significativi:
1. un notevole cambiamento della viscosità dinamica
del mastice; questo fatto evidenzia come l’impiego della calce non si limiti al solo effetto di riempimento, ma
che implica un effetto sulla natura stessa del mastice;
2. una considerevole riduzione della viscosità dinamica dopo invecchiamento con RTFOT; questo fatto, che
in alcuni casi (vedi bitume B1) può essere di notevole
entità, indica una generale diminuzione dell’irrigidimento del mastice dopo invecchiamento;
3. un aumento della temperatura di “Palla & Anello”;
l’incremento della temperatura di rammollimento del
bitume, che in alcuni casi (vedi bitume B2) può anche essere di notevole entità, indica come l’effetto della calce incrementi le prestazioni alle alte temperature del mastice;
4. un’elevata riduzione delle deformazioni permanenti sia prima che dopo invecchiamento con RTFOT;
la considerevole riduzione della deformazione residua nelle prove di ritorno elastico (mediamente del
50% nei tre bitumi analizzati nella ricerca), evidenzia un secondo effetto dell’aggiunta della calce sul
comportamento dei mastici alle temperature medio/alte (l’accumulo di deformazioni permanenti non
interessa il comportamento alle basse temperature
in quanto in tali situazioni il bitume tende ad un comportamento elastico, quindi naturalmente tende a
non avere comportamento plastico): una attenuazione del comportamento plastico dei mastici.
In conclusione i test sino ad ora utilizzati manifestano un evidente beneficio in termini di resistenza all’accumulo di deformazioni permanenti collegato all’impiego di una quota parte di calce all’interno del filler.
Tale beneficio nella pratica si concretizza come un contributo alla resistenza all’ormaiamento e ai fenomeni
di scorrimento visco-plastico che si possono manifestare nelle pavimentazioni.
I risultati di questa campagna sperimentale trovano riscontro in quanto pubblicato nel report The benefits of
hydrated lime in hot mix asphalt da Dallas N. Little e
Jon A. Epps dell’università Texas A&M (fig. 10), dove
si evidenzia come l’aggiunta della calce si traduca in
una diminuzione della profondità delle ormaie (depth
of ruth) all’aumentare dei passaggi in un test di ormaiamento. nn
No lime (2)
Depth of Rut, mm
CONCLUSIONI
10
Materiali
Time in Years
3/2010 LE STRADE