L’impiego di fillers non convenzionali nei conglomerati bituminosi antiskid

Si propone un confronto prestazionale fra conglomerati antiskid tradizionali, e miscele preparate con  materiali sottili non convenzionali, in cui è stato sostituito il filler contenuto nella  sabbia con il cemento. Tali particolari manti di usura antisdrucciolo, noti come manti “antiskid”, in virtù di elevati valori di macro-rugosità superficiale, garantiscono elevati valori di aderenza a tutto vantaggio della sicurezza degli utenti. La caratterizzazione meccanica effettuata, conferma l’idoneità dei conglomerati antiskid preparati con additivi non convenzionali, il cui utilizzo è particolarmente indicato, soprattutto quando la normale sabbia calcarea dovesse risultare priva in parte o del tutto della frazione più fine. La sperimentazione effettuata ha inoltre consentito di fare interessanti considerazioni relative alle caratteristiche superficiali [1, 2, 3 e 4 ] delle miscele preparate.

1. STUDIO PRELIMINARE
Il programma di prove sperimentali è finalizzato alla valutazione della possibilità di impiego del cemento nei conglomerati bituminosi antiskid. Nello studio proposto sono state progettate confezionate e sottoposte a prove di caratterizzazione meccanica due diverse miscele nelle quali, a parità degli inerti più grossi è stato sostituito il filler presente nella sabbia della prima miscela con cemento Portland. Nella composizione delle due miscele si è operato in modo che il totale del passante al setaccio 0.075 rimanesse percentualmente pressoché identico, pari a circa il 7.0% per la miscela di riferimento ed al 7.3% per quella con cemento. La composizione delle miscele ha una matrice litica con graniglia basaltica e dolomia calcarea unitamente al filler di cava calcarea e cemento portland.

2. CONGLOMERATO ANTISKID TRADIZIONALE
2.1. Aggregati lapidei
Per la formazione del conglomerato antiskid realizzato con materiali tradizionali [5 e 6], è stata utilizzata sabbia calcarea, graniglia basaltica e graniglia dolomia, le cui caratteristiche sono riportate di seguito.
- Sabbia calcarea (CBMC): caratteristiche  Provenienza: C.da Grotta Fornara, Statte (Ta) - Dimensioni: 0-4 mm; Modulo di finezza: FM 3.21; Contenuto fini: f16; Equivalente in sabbia: 82%; Massa volumica apparente: 2.65 g/cm3
- Graniglia dolomia (SIPA): caratteristiche  Provenienza: Cava Fices, Barba ai monti - Dimensioni: 3-5 mm; Coefficiente Los Angeles: 13%; CLA: 0.44; Massa volumica apparente:  2.76 g/cm3
- Graniglia basaltica (SIPA): caratteristiche  Provenienza: Cava Tecnobeton, Rocca d’Evandro - Dimensioni: 6-12 mm; Coefficiente Los Angeles: 14%; Coefficiente di frantumazione: 97; Indice dei vuoti: 0.85; Coefficiente di imbibizione medio: 0.012; Massa volumica apparente: 2.76 g/cm3

2.2. Bitume
Per quanto riguarda il legante per la composizione della miscela dello strato superiore, è stato utilizzato un bitume 50/70 modificato con polimeri termoplastici elastomerici, nella percentuale del 5.5% valore questo che rientra nell’intervallo di riferimento indicato dal capitolato speciale dell’A.N.A.S. Le temperature di mescolamento e di compattazione sono quelle previste dalla normativa relativa [7]. 

2.3. Conglomerato bituminoso
La miscela degli aggregati e della sabbia è composta in modo da rientrare nei limiti granulometrici definiti dal fuso indicato nel capitolato speciale ANAS di seguito riportato.

GRAFICO 1

3. CONGLOMERATO ANTISKID CON CEMENTO
Per la formazione del conglomerato antiskid con cemento, è stato sostituito il filler contenuto nella sabbia con una uguale percentuale di Cemento Portland. Gli aggregati presenti nella miscela quali la sabbia calcarea la graniglia basaltica e la graniglia dolomia, sono gli stessi utilizzati nella miscela di riferimento. Il filler impiegato in sostituzione è  Cemento Portland 32.5 è tutto passante al setaccio 40 ASTM (0,425 mm) e con una percentuale di passante al setaccio 0,075 mm pari al 96,4%, di massa volumica apparente pari a 3.00 g/cm3. Il legante bituminoso utilizzato è il medesimo del conglomerato bituminoso antiskid di riferimento. La miscela di aggregati, sabbia e cemento è composta in proporzioni tali da rientrare nello stesso fuso utilizzato per il conglomerato antiskid tradizionale di riferimento.

4. RAFFRONTO SPERIMENTALE
4.1 Antiskid tradizionale
La determinazione della massa volumica e, quindi della porosità, è stata effettuata su 14 provini; relativamente ai provini contrassegnati dai numeri 1 e 6, la massa volumica è stata  determinata con i metodi tradizionali (C.N.R. B.U. n° 40 e n°39) [8, 9]. Per tutti gli altri provini è stato utilizzato il metodo geometrico, così come definito dalle norme ASTM D3549 [10] e ASTM D3203 [11]. Si è proceduto in questa maniera poiché si è verificato sperimentalmente che, il valore della massa volumica dei diversi provini, è risultata praticamente indipendente dalla metodologia utilizzata per la sua determinazione.



TABELLA 1

Con questa procedura inoltre, si sono potuti riutilizzare i provini non paraffinati per le prove di caratterizzazione meccanica. essendo allora:
γ  = 2.35 g/cm3     Massa Volumica apparente media del conglomerato;
bc = 5.5%             Percentuale di bitume; γb = 1.03 g/cm3   Peso specifico del legante;
γa = 2.71 g/cm3     Massa volumica apparente dei granuli, calcolata in funzione della composizione granulometrica del conglomerato, si     determina la porosità media del conglomerato come media aritmetica della porosità dei quattordici provini che risulta pari a: Porosità = 6,06%

4.2. Prova Marshall Antiskid tradizionale
Al fine di verificare i valori di stabilità e scorrimento della miscela preparata, sono stati sottoposti a sperimentazione i dodici provini non paraffinati, contrassegnati dai numeri 2, 5 e 7, 14, secondo la procedura Marshall (C.N.R. B.U. n° 30) [7].

                                                stabilità
Rigidezza del conglomerato = –––––––––– = 302 Kg/mm
                                             scorrimento
Anche se non espressamente previsto dalla norma, al fine di omogeneizzare i risultati della sperimentazione, si è ritenuto opportuno applicare anche alla prova Marshall il criterio di fedeltà, così come stabilito dalla normativa relativa alla prova di trazione indiretta [12]. In base a tale verifica, i risultati di stabilità, scorrimento e rigidezza del conglomerato possono essere assunti pari a:
Stabilità (Kg) = 1224;  Scorrimento (mm) = 3.83;  Rigidezza (Kg/mm) 320
Superiori ai limiti del Capitolato speciale d’appalto dell’A.N.A.S.  per cui:
Stabilità 1100 Kg e Rigidezza 300 Kg/mm

4.3. Antiskid con cemento
Per la determinazione delle caratteristiche fisiche del conglomerato antiskid con cemento, si è operato in maniera analoga a quanto fatto per il conglomerato antiskid tradizionale. Solo per i provini contrassegnati dai numeri 3 e 14, la massa volumica è stata  determinata con i metodi tradizionali (C.N.R. B.U. n° 40 e n°39) [8, 9]; per i restanti provini si è adoperato il metodo geometrico così come definito dalle norme ASTM D3549 [10] e ASTM D3203 [11].

TABELLA 3

essendo allora:
γ  = 2.35 g/cm3  Massa Volumica apparente media del conglomerato;
γc = 5.5 %         Percentuale di bitume;  γb = 1.03 g/cm3 Þ Peso specifico del legante;
γc = 2.91 g/cm3  Il peso specifico del cemento  determinato in laboratorio;
γa = 2.74 g/cm3  Massa volumica apparente dei granuli, calcolata in funzione della composizione granulometrica del conglomerato, si determina la porosità media del conglomerato come media aritmetica della porosità dei quattordici provini che risulta pari a: Porosità = 6,73%

4.4. Prova Marshall – Antiskid con cemento
Al fine di verificare i valori di stabilità e scorrimento della miscela preparata, sono stati sottoposti a sperimentazione i dodici provini non paraffinati, contrassegnati dai numeri 1, 13, secondo la procedura Marshall (C.N.R. B.U. n° 30) [7].

TABELLA 4
                                               stabilità
Rigidezza del conglomerato = –––––––––– = 291 Kg/mm
                                            scorrimento

Anche questi risultati, in analogia a quanto effettuato in precedenza, sono stati sottoposti a verifica statistica, per cui si assumerà:
Stabilità (Kg) = 1099; Scorrimento (mm) = 3.75; Rigidezza (Kg/mm) 293
Valori questi al limite di quanto previsto dal Capitolato speciale d’appalto dell’A.N.A.S.

4.5. Misura delle caratteristiche superficiali della pavimentazione
E’ stata eseguita la misurazione dei parametri oggettivi rappresentativi delle caratteristiche intrinseche di una pavimentazione [13, 14], quali la resistenza di attrito radente e la macro-rugosità superficiale; è stato inoltre valutato un parametro noto come skid number (SN). È possibile [14 e 15] mettere in relazione le caratteristiche intrinseche della pavimentazione all’aderenza. Il Pennsylvania Transportation Insitute [15] ha infatti definito le relazioni che legano le misurazioni di BPN e HS  all’aderenza longitudinale e quindi all’SN, al variare della velocità V.
Per la misurazione della resistenza di attrito radente, cosi come previsto dalla normativa vigente [16], è stata confezionata la miscela per strato di usura antiskid che è stato sottoposto alla prova della misura di resistenza di attrito radente. L'apparecchiatura di prova utilizzata è quella portatile a pendolo (Figura 1).

Figura 1 - Apparecchiatura portatile a pendolo per la misura di attrito radente.

La prova ha fornito i valori riportati nella tabella 5.

Il risultato della prova supera i valori imposti dal Capitolato speciale ANAS per il quale è attesa una resistenza all'attrito radente di valore ≥ 50 BPN. Per la misura della macro-rugosità superficiale del campione di conglomerato precedentemente preparato, si è utilizzato il metodo dell'altezza di sabbia così come indicato dalla normativa [1]. Il valore di HS così determinato è pari a 1.06 mm e quindi compreso tra 0.80 < HS ≤ 1.20, per cui secondo le norme [1] la macro-rugosità superficiale della pavimentazione si definisce "grossa".

5. Analisi dei risultati e conclusioni [17, 18]
L'analisi comparata dei risultati sperimentali, relativamente alle prove di caratterizzazione meccanica, evidenzia come ci sia una sostanziale equivalenza tra i valori Marshall tra le miscela testate.
I risultati della sperimentazione si possono riassumere come di seguito:

Conglomerato antiskid tradizionale:  Stabilità = 1224 Kg; Scorrimento = 3.83 mm; Rigidezza = 320 Kg/mm; Massa volumica apparente = 2.32 g/cm3; Porosità = 6.1%.
Conglomerato antiskid con cemento: Stabilità = 1096 Kg; Scorrimento = 3.75 mm; Rigidezza = 291 Kg/mm; Massa volumica apparente = 2.35 g/cm3; Porosità = 6.7%.
Limiti capitolato ANAS: Stabilità = ≥ 1100 Kg; Rigidezza = ≥ 300 Kg/mm; Porosità = 10 ÷ 14
La diversa risposta alla prova Marshall della miscela con cemento rispetto alle altre è del resto congruente con i risultati ottenuti per la porosità. Per il conglomerato antiskid con cemento, infatti, si è determinata una porosità di circa mezza unità percentuale in più rispetto ai valori delle altre miscele,. Va comunque osservato che per tutti i conglomerati i valori di scorrimento e stabilità assunti per la prova Marshall sono quelli che nei relativi grafici si riferiscono al primo punto di flesso, il quale fisicamente corrisponde all'inizio del cedimento strutturale della miscela. Non sono stati considerati i punti teorici relativi al massimo assoluto, così come individuati dalla macchina.
In questa ottica, quindi, anche i valori relativi al conglomerato antiskid realizzato con il cemento, possono ritenersi accettabili. L'indagine effettuata sulle diverse miscele, inoltre, ha evidenziato l'influenza che l'impiego di differenti additivi ha sia sulle caratteristiche meccaniche che su quelle fisiche dei diversi conglomerati. In particolare appare interessante, l'utilizzo del cemento come additivo nelle miscele bituminose antiskid, con prospettive di nuovi approfondimenti per quanto attengono le proprietà adesive e la durabilità dei conglomerati. Tale materiale può anche essere miscelato nelle opportune proporzioni alla normale sabbia calcarea, qualora questa dovesse essere priva totalmente o parzialmente, della frazione più fine.

BIBLIOGRAFIA
[1] C.N.R. B.U. n° 94, "Norme per la misura delle caratteristiche superficiali delle pavimentazioni (metodo di prova per la misura della macro-rugosità superficiale con il sistema dell'altezza di sabbia)", Roma Ottobre1983.
[2] A. MARCHIONNA, G. PAOLONI: "Analisi delle misure di aderenza e tessitura rilevate nel corso dell'esperimento internazionale AIPCR e confrontato con le misure di aderenza rilevate con lo Stuttgarter Reibungsmesser e con l'ASTM E-274", Quaderni AIPCR del XXII° Convegno Nazionale Stradale, Perugia - Luglio 1994.
[3] M. BOULET, G. DESCORNET, J.C. WAMBOLD: "International experiment to compare and to harmonize the pavement texture and skid resistance measurement method", Routes and Roads n° 288, Settembre 1995.
[4] J.J. HENRY: "Surface characteristics", Routes and Roads n° 289, Febbraio 1996..
[5] SANTAGATA E., "Il mix design strutturale dei conglomerati bituminosi", Convegno SIIV - I materiali nella sovrastruttura stradale, Ancona 1996.
[6] Witzac M.W et alii., "Simple performance test for Superpave mix design", NCHRP report n°465, TRB, Washington D.C., USA, 2002.
[7] C.N.R. B.U. n° 30, "Determinazione della stabilità e dello scorrimento di miscele di bitume e inerti lapidei a mezzo dell'apparecchio Marshall", Roma 1973.
[8] C.N.R. B.U. n° 40, "Determinazione del peso di volume di miscele di aggregati lapidei con bitume o catrame", Roma 1973.
[9] C.N.R. B.U. n° 39, "Determinazione della porosità o percentuale dei vuoti di miscele di aggregati lapidei con bitume o catrame", Roma 1973.
[10] ASTM D 3549 " Standard test method for thickness or height of compacted bituminous paving mixture specimens", Philadelphia 1984.
[11] ASTM D 3203 "Standard test method for percent air voids in compacted dense and open bituminous paving mixtures", Philadelphia 1989.
[12] C.N.R. B.U. n° 134, "Determinazione della resistenza a trazione indiretta e della deformazione a rottura di miscele di aggregati lapidei e bitume", Roma 1991.
[13] M. AGOSTINACCHIO, G. CUOMO "Superficial characteristics and mechanical strength assessment of a wearingh corse made oh new porous concrete", XIV° Convegno SIIV, Firenze 2004
[14] COLONNA P, "L'influenza del traffico sulla rugosità delle pavimentazioni in conglomerato bituminoso",VI° Convegno SIIV - I materiali nella sovrastruttura stradale, Ancona 1996.
[15] M.C. LEU, JJ. HENRY, "Prediction of skid resistence as a function of speed from pavement texure measurements", Trasportation research record n° 666, 1978.
[16] C.N.R. B.U. n° 105, "Norme per la misura delle caratteristiche superficiali delle pavimentazioni (metodo di prova per la misura della resistenza di attrito radente con l'apparecchio portatile a pendolo)", Roma Marzo 1985.
[17] STRADE - Teoria e Tecnica delle Costruzioni Stradali: Vol.1° - Progettazione - Editore Pearson - A cura di Felice A. SANTAGATA - 2016
[18] STRADE - Teoria e Tecnica delle Costruzioni Stradali: Vol.2° - Costruzione, Gestione e Manutenzione - Editore Pearson - A cura di Felice A. SANTAGATA - 2016


 

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