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INFLUENZA DELLA GEOMETRIA E FORMA DEGLI
AGGREGATI SULLE PROPRIETÀ VOLUMETRICHE DI
CONGLOMERATI BITUMINOSI CHIUSI ED APERTI
Ezio Santagata Dipartimento di Idraulica, Trasporti ed Infrastrutture Civili – Politecnico di Torino
Corso Duca degli Abruzzi 24, 10128 Torino
Tel: +39.011.5645633 – Fax: +39.011.5645614 – E-mail: santagata@polito.it
Francesco Canestrari Istituto di Strade e Trasporti – Università di Ancona
Via Brecce Bianche, 60131 Ancona
Tel: +39.071.2204507 – Fax: +39.071.2204510 – E-mail: fracan@unian.it
Felice Giuliani Dipartimento di Ingegneria Civile, dell’Ambiente del Territorio e Architettura – Università di Parma
Parco Area delle Scienze 181/A, 43100 Parma
Tel: +39.0521.905905 – Fax: +39.0521.905924 – E-mail: felice.giuliani@unipr.it
SOMMARIO
Nel presente articolo sono riportati i risultati ottenuti nel corso di una indagine
sperimentale finalizzata allo studio dell’influenza esercitata dalle proprietà geometriche
e di forma degli aggregati sulle proprietà volumetriche di conglomerati bituminosi
chiusi ed aperti.
Sono state studiate 28 miscele bituminose, preparate adottando granulometrie che
soddisfano i criteri di accettazione definiti nelle Norme Tecniche dei Capitolati Speciali
d’Appalto utilizzati in ambito nazionale. Ciascuna miscela, caratterizzata da differenti
valori dell’indice di appiattimento degli aggregati, è stata utilizzata per la preparazione
di provini addensati sia con la pressa a taglio giratorio sia con apparecchiatura Marshall.
I risultati ottenuti hanno permesso di approfondire la comprensione dei meccanismi di
addensamento dei conglomerati bituminosi, ricavando utili informazioni anche per quel
che riguarda il confronto tra le due tecniche di addensamento impiegate. Infine, i
risultati sono stati anche utilizzati per una analisi critica delle prescrizioni degli attuali
Capitolati.
ABSTRACT
In this paper the Authors show the results they obtained in an experimental investigation
focused on the analysis of the influence which the geometry and shape of the aggregates
have on the volumetric properties of continuously-graded and gap-graded bituminous
mixtures.
The twenty-eight mixtures which were considered in the study were prepared by
adopting size distributions which comply with the acceptance criteria defined in
Technical Specifications currently used in Italy. Each mixture, containing aggregates
characterised by different flatness index values, was used for the preparation of
specimens compacted by means of both a gyratory shear compactor and a Marshall
compactor.
The obtained results have lead to a detailed understanding of the mechanisms which
occur during the compaction of bituminous mixtures. Moreover, valuable information
regarding the comparison between the two compaction methods has been gathered.
Finally, the results have also been used for a critical analysis of the requirements set in
current Specifications.
1. INTRODUZIONE
Lo studio delle proprietà volumetriche dei conglomerati bituminosi è di fondamentale
importanza per potere garantire la produzione e la messa in opera di miscele aventi un
comportamento in opera che soddisfi i requisiti di progetto. Ciò deriva dal fatto che tali
proprietà descrivono in maniera sintetica la struttura che si realizza all’interno di questi
materiali multi-fase a seguito della compattazione e che condiziona in maniera diretta
tanto le prestazioni meccaniche quanto quelle funzionali. Di conseguenza, le procedure
di mix design e di controllo dei materiali in corso d’opera [1] comprendono al loro
interno, sia per i conglomerati di tipo chiuso sia per quelli di tipo aperto, una serie di
verifiche che riguardano, ad esempio, la massa volumica apparente (Gmb), la percentuale
di vuoti residui (Va), i vuoti nella miscela di aggregati (VMA) ed i vuoti riempiti di
bitume (VFA).
Come documentato dalla ampia letteratura tecnico-scientifica nazionale ed
internazionale del settore, le proprietà volumetriche sono influenzate da una serie di
fattori [2-5]. Alcuni di essi dipendono da caratteristiche dei materiali impiegati quali la
curva granulometrica e la forma degli aggregati, il loro assorbimento di bitume, la
percentuale ed il tipo di bitume. Altri sono invece una funzione delle modalità con le
quali avviene la preparazione ed il costipamento delle miscele; rientrano all’interno di
questa categoria le temperature di miscelazione e compattazione, nonché le metodologie
impiegate per la posa in opera.
La quantificazione degli effetti volumetrici associati a variazioni dei su citati fattori
risulta determinante per potere stabilire criteri di accettazione dei materiali e per potere
impostare correttamente il mix design delle miscele. In tal senso, in mancanza di studi
sperimentali diretti è opportuno fare riferimento alle prescrizioni contenute nelle Norme
Tecniche dei più recenti Capitolati Speciali d’Appalto che rappresentano una sintesi
delle conoscenze fino ad oggi consolidate [6].
Con l’intento di fornire un contributo al tema su illustrato, nella presente memoria gli
Autori presentano i risultati di una indagine sperimentale nel corso della quale si è
concentrata l’attenzione sulla valutazione dell’influenza che le caratteristiche
geometriche e di forma degli aggregati hanno sulle proprietà volumetriche dei
conglomerati bituminosi. A tale proposito le raccomandazioni tecniche prescrivono
infatti l’utilizzo di aggregati frantumati (cioè sostanzialmente privi di facce
arrotondate), con una significativa limitazione della presenza di elementi non poliedrici
per i quali è nota la tendenza alla rottura fragile sia durante la fase di costruzione che
durante l’esercizio della sovrastruttura.
La ricerca, effettuata all’interno dei laboratori del Centro Interuniversitario
Sperimentale di Ricerca Stradale (CIRS), è stata sviluppata valutando da un punto di
vista quantitativo gli effetti volumetrici derivanti dall’impiego di crescenti quantitativi
di aggregati di forma appiattita all’interno di varie curve granulometriche. Ciò è stato
fatto prendendo in considerazione sia conglomerati di tipo chiuso, all’interno dei quali
gli elementi appiattiti potrebbero generare difficoltà nell’ottenimento dell’idoneo
addensamento, sia conglomerati di tipo aperto, per i quali ai fini della permeabilità
all’acqua deve essere assicurata una adeguata porosità interna anche in presenza di
aggregati non poliedrici.
2. INDAGINE SPERIMENTALE
2.1 Materiali
Per la preparazione delle miscele di conglomerato bituminoso sono stati utilizzati
aggregati di diversa granulometria e forma sottoposti ad opportuni trattamenti di
preselezione. La frazione grossa degli aggregati, avente diametro caratteristico superiore
a 4 mm, è stata costituita utilizzando una dolomia delle Alpi Apuane già utilizzata
presso i laboratori del CIRS nell’ambito di una precedente ricerca riguardate le miscele
non legate [7]. Per le frazioni fini (D < 4 mm) sono stati invece impiegati aggregati
calcarei di frantumazione; come filler è stato adottato un cemento pozzolanico.
L’aggregato grosso è stato preliminarmente suddiviso mediante vagliatura in sei classi
dimensionali piuttosto ristrette definite dai setacci aventi aperture delle maglie pari a 4,
5, 6,3, 8, 10, 12,5 e 16,5 mm. Su ciascuna frazione si è operata quindi una ulteriore
suddivisione mediante l’impiego di specifici setacci a barre aventi lo scopo di isolare gli
elementi lapidei di forma appiattita. Da ogni frazione si sono così derivate due classi di
materiale aventi indice di appiattimento Ia pari a 0 (elementi tutti poliedrici) o a 100
(elementi tutti piatti). L’aggregato fino ed il filler di cemento non hanno richiesto alcun
tipo di trattamento preliminare.
Il materiale appartenente alle varie pezzature è stato combinato nelle opportune
percentuali per ottenere miscele di aggregati aventi tre distribuzioni granulometriche per
ciascuna tipologia di conglomerato bituminoso preso in esame (chiuso ed aperto). In
entrambi i casi si è fatto riferimento ai fusi granulometrici di accettazione indicati nel
Capitolato Speciale d’Appalto del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti [6],
adottando quali curve obiettivo quelle coincidenti con il limite inferiore, con la curva di
centro fuso e con il limite superiore (Figura 1).
0
20
40
60
80
100
0,01 0,1 1 10 100
Diametro, d (mm)
Pass
ante
(%)
Conglomerato chiuso Conglomerato aperto
Figura 1. Distribuzioni granulometriche delle miscele di aggregati
utilizzate nel corso della sperimentazione
Gli aggregati appartenenti alle varie pezzature sono stati sottoposti a prove per la
valutazione della massa volumica reale Gr e della massa volumica apparente Gsa
(misurata in condizioni di saturazione a superficie asciutta, SSA). I risultati sperimentali
così ottenuti, forniti in Tabella 1, sono stati utilizzati anche per il calcolo delle
corrispondenti grandezze per ciascuna delle miscele di aggregati aventi le curve
granulometriche indicate in Figura 1.
Frazione
[mm]
Massa volumica
reale Gr
[g/cm3]
Massa volumica
apparente Gsa
[g/cm3]
12,5/16,5 2,752
10/12,5 2,743
8/10 2,691
6,3/8 2,691
5/6,3 2,647
4/5
2,810
2,698
0/4 2,661 2,458
Tabella 1. Masse volumiche delle frazioni di aggregati lapidei
Per quanto riguarda il legante, in tutte le miscele di tipo chiuso è stato utilizzato un
bitume 80/100 nella percentuale del 5%. Tale dosaggio, molto vicino al limite inferiore
dell’intervallo di riferimento indicato dal Capitolato (4,8%-5,8%), è stato scelto allo
scopo di mettere in evidenza la presenza di vuoti residui. Tutte le miscele aperte sono
state invece preparate con il 5,5% di bitume modificato. Tale valore risulta centrale
rispetto all’intervallo di accettazione di Capitolato (5,0-6,0%) e corrisponde a
condizioni intermedie di riempimento dei vuoti nella miscela di aggregati.
Su entrambi i leganti sono state effettuate prove preliminari di caratterizzazione
reologica per la determinazione delle temperature ottimali di miscelazione (Tmisc) e di
compattazione (Tcomp) delle corrispondenti miscele bituminose. Queste sono riportate, in
funzione degli intervalli della viscosità η cui si è fatto riferimento, in Tabella 2.
Tabella 2. Temperature di miscelazione e di compattazione
80/100 Modificato
Tmisc (ηηηη = 0,15-0,19 Pa⋅⋅⋅⋅s) (°C) 140 180
Tcomp (ηηηη = 0,25-0,31 Pa⋅⋅⋅⋅s) (°C) 120 170
Nel corso dell’indagine sperimentale sono state prese in esame 28 diverse miscele
bituminose (8 di tipo chiuso, 20 di tipo aperto) ottenute combinando, per ognuna delle
sei curve granulometriche di Figura 1, frazioni di aggregato grosso caratterizzate da
diverso valore dell’indice di appiattimento Ia. Ciò ha determinato la preparazione di
miscele di aggregati aventi percentuali in peso di elementi piatti (ed indici di
appiattimento) variabili entro intervalli piuttosto ampi.
A titolo di esempio, in Tabella 3 è riportata la costituzione di una delle miscele
preparate in laboratorio con una percentuale di elementi piatti pari al 30%. Questa
corrisponde ad un indice di appiattimento complessivo pari a 50.
In Tabella 4 sono invece riportate le caratteristiche di tutte le miscele preparate in
laboratorio. Nell’ambito della ricerca esse sono state identificate con un codice
alfanumerico del tipo XYn, ove X indica la tipologia di conglomerato bituminoso (C =
chiuso, A = aperto), Y indica la curva di riferimento nel fuso (I = inferiore, M = media, S
= superiore) ed n indica la percentuale in peso di aggregati piatti.
Frazione % in peso Ia (frazione) % piatti % non piatti
12,5/16 10 100 10 0
10/12,5 14 100 14 0
8/10 6 100 6 0
6,3/8 10 0 0 10
5/6,3 5 0 0 5
4/5 15 0 0 15
2/4 15 - - 15
0,42/2 14 - - 14
0,177/0,42 3 - - 3
0,075/0,177 2 - - 2
filler 6 - - 6
Tabella 3. Costituzione di una miscela di aggregati contenente il 30 % di elementi piatti
sul peso totale (miscela CI30)
Tipologia
conglomerato CHIUSO APERTO
Curva
granulometrica I M S I M S
N° miscele 3 3 2 8 8 4
% di granuli
piatti riferita al
peso totale della
miscela
0 - 14 - 30 0 - 9,33 -
29,29 0 - 10
0 - 10 - 15 -
17,5 - 25 -
27,5 - 32,5 -
42,5
0 - 5 - 15 -
17,5 - 20 -
22,5 - 32,5 -
37,5
0 - 15 - 17,5
- 32,5
Indice
appiattimento 0 - 23,3 - 50
0 - 18,7 -
58,6 0 - 22,2
0 - 10,5 -
15,8 - 18,4 -
26,3 - 28,9 -
34,2 - 44,7
0 - 5,7 - 17
- 19,9 - 22,7
- 25,6 -
36,9 - 42,6
0 - 18,8 -
21,9 - 40,6
Percentuale di
bitume 5,0 5,5
Tabella 4. Caratteristiche di composizione delle miscele bituminose analizzate
2.2 Prove ed attrezzature
Per ciascuna delle 28 miscele descritte in Tabella 4 sono stati impastati in laboratorio i
quantitativi sufficienti per la valutazione della massima massa volumica teorica Gmm
(metodo ASTM D2041) e per la preparazione di quattro campioni cilindrici. Due di
questi (diametro 100 mm) sono stati compattati con una pressa a taglio giratorio che è
stata utilizzata in osservanza dei protocolli del sistema SUPERPAVE ed adottando un
numero di giri imposto pari a 142. I restanti due campioni sono stati invece addensati
con compattatore Marshall mediante la procedura che prevede l’applicazione di 75 colpi
su ciascuna faccia piana.
Tutti i campioni sono stati sottoposti alle prove necessarie per la valutazione della
massa volumica apparente Gmb. Nel caso delle miscele chiuse ciò è stato fatto in
condizioni di saturazione a superficie asciutta (SSA) secondo quanto previsto dalla
norma ASTM D2726. Nel caso dei campioni delle miscele aperte, a causa della forte
permeabilità derivante dalla presenza di pori interconnessi è stata invece seguita una
procedura differente che prevede l’applicazione di una pellicola protettiva e le
successive pesate in aria ed acqua [5].
In funzione dei valori di Gmm e Gmb sono state quindi ricavate altre grandezze
volumetriche fondamentali quali la massa volumica effettiva degli aggregati (Gse) e la
percentuale dei vuoti residui (Va). Inoltre, i valori di Gmm e Gmb hanno consentito di
ricavare, dai dati acquisiti durante la compattazione con pressa giratoria, le curve di
addensamento delle miscele. Come indicato in Figura 2, queste possono essere espresse
facendo riferimento a due parametri caratteristici detti di lavorabilità (k) e di
autocompattazione (C1).
6065707580859095
100
1 10 100 1000
Numero di giri, Ng (log)
%G
mm
Dati sperimentali
%Gmm = C1 + k logNg
Figura 2. Curva di addensamento derivata dall’uso della pressa a taglio giratorio
3. RISULTATI SPERIMENTALI
3.1 Proprietà volumetriche dei conglomerati bituminosi chiusi
I valori medi delle grandezze misurate nell’ambito della caratterizzazione volumetrica
delle 8 miscele per conglomerati bituminosi chiusi sono riportati nelle tabelle 5, 6, 7 e 8.
Come evidenziato in Tabella 5, si è osservato in primo luogo che, indipendentemente
dalla curva granulometrica impiegata (inferiore, centro fuso, superiore), la Gmm, pur
presentando una certa variabilità, non risulta dipendente in maniera esplicita dall’indice
di appiattimento. Ciò deriva dal fatto che la superficie specifica degli aggregati esposta
al bitume non cambia significativamente per effetto della variazione dell’indice di
appiattimento essendo tale parametro modificato per la sola frazione grossa: questo
comporta un assorbimento da parte degli aggregati della stessa quantità di bitume ed
una conseguente invarianza del volume complessivo della miscela di conglomerato
bituminoso. La validità di tale considerazione risulta confermata dall’osservazione dei
valori della massa volumica effettiva degli aggregati Gse che pure risultano indipendenti
da Ia.
Miscela % piatti Ia Gmm Gse
[g/cm3] media [g/cm3] media
CI 0 0 0 2,560 2,765
CI 14 14 23,3 2,564 2,770
CI 30 30 50 2,547
2,557
2,749
2,762
CM 0 0 0 2,571 2,779
CM 9,33 9,33 18,7 2,538 2,738
CM 29,29 29,29 58,6 2,539
2,549
2,740
2,752
CS 0 0 0 2,535 2,735
CS 10 10 22,2 2,542 2,539
2,743 2,739
Tabella 5. Masse volumiche Gmm e Gse (conglomerati bituminosi chiusi)
Alla luce delle osservazioni su riportate, per le miscele caratterizzate dalla medesima
granulometria è possibile quindi considerare come rappresentativo il valore medio della
Gmm indicato in tabella, rispetto al quale lo scostamento massimo calcolato è dello 0,8%,
perfettamente rientrante nell’errore sperimentale del metodo di misura impiegato.
Dai valori medi calcolati risulta inoltre un andamento decrescente di Gmm e di Gse
passando a distribuzioni granulometriche via via più fini (inferiore/media/superiore).
Ciò deriva dalla massa volumica degli aggregati fini che risulta minore rispetto a quella
delle pezzature maggiori (Tabella 1): aumentando la componente fine, a parità di peso
della miscela, il volume risulta maggiore e conseguentemente la Gmm diminuisce;
inoltre, concorrono alle variazioni osservate anche gli effetti legati ad un maggiore
assorbimento di bitume da parte degli aggregati fini, caratterizzati da una maggiore
superficie specifica. Si deve peraltro sottolineare che le differenze rilevate sono
piuttosto modeste in quanto le curve granulometriche, benché differenti, appartengono
ad uno stesso fuso all’interno del quale gli assortimenti possibili sono davvero vicini.
Le proprietà delle miscele chiuse nello stato addensato sono state valutate
separatamente per i campioni preparati con tecnica Marshall (M) e con pressa a taglio
giratorio (PTG). In Tabella 6 sono riportati i valori medi della massa volumica
apparente Gmb: da essi risulta che in tutti i casi la compattazione giratoria ha determinato
un più elevato addensamento rispetto a quella Marshall. Tale risultato, visto l’elevato
numero di giri imposto durante la compattazione (pari a 142), è in accordo con
precedenti studi effettuati nei laboratori del CIRS [8].
Miscela % piatti Ia Gmb (PTG) Gmb (M)
[g/cm3] media [g/cm3] media
CI 0 0 0 2,478 2,445
CI 14 14 23,3 2,467 2,439
CI 30 30 50 2,450
2,465
2,425
2,436
CM 0 0 0 2,516 2,492
CM 9,33 9,33 18,7 2,506 2,475
CM 29,29 29,29 58,6 2,502
2,508
2,482
2,483
CS 0 0 0 2,494 2,472
CS 10 10 22,2 2,491 2,492
2,462 2,467
Tabella 6. Masse volumiche apparenti Gmb dei conglomerati bituminosi chiusi
I dati di Tabella 6 indicano inoltre che per ciascuna curva granulometrica presa in
esame, un aumento dell’indice di appiattimento degli aggregati determina una riduzione
della massa volumica del conglomerato bituminoso. Tale effetto, evidenziato in Figura
3, è stato osservato tanto per i campioni Marshall quanto per quelli preparati alla pressa
giratoria.
2,4
2,425
2,45
2,475
2,5
2,525
2,55
0 10 20 30 40
% elementi piatti
Gm
b (g/
cm3 )
CI
CM
CS
Campioni PTG
2,4
2,425
2,45
2,475
2,5
2,525
2,55
0 10 20 30 40
% elementi piatti
Gm
b (g/
cm3 )
CI
CM
CS
Campioni M
Figura 3. Influenza della forma degli aggregati sulla massa volumica Gmb
(conglomerati bituminosi chiusi)
Dai dati riportati in Tabella 6 ed in Figura 3 si può infine evincere che, per entrambi i
metodi di addensamento, i materiali preparati con granulometrie corrispondenti alla
curva inferiore del fuso (CI) forniscono i valori di Gmb più bassi, mentre quelle relative
alla curva media (CM) sono associati ai valori di Gmb più elevati. Tale fenomeno può
essere spiegato tenendo conto del fatto che la curva granulometrica intermedia è quella
che presenta il migliore assortimento dei granuli, con conseguenze dirette
sull’addensamento che può essere conferito alle corrispondenti miscele bituminose. La
curva superiore conduce a risultati solo di poco inferiori in quanto possiede comunque
un elevato tenore di frazione fine capace di saturare in larga parte gli spazi
intergranulari; l’elevata percentuale di aggregati grossi riscontrabile nella curva limite
inferiore determina invece una minore capacità di addensamento delle miscela.
Considerazioni del tutto analoghe a quelle appena esposte possono essere fatte
prendendo in esame i valori della percentuale dei vuoti residui Va, calcolata per ciascuna
miscela in funzione della massa volumica apparente Gmb e del valore medio della
massima massa volumica teorica Gmm. Come indicato in Tabella 7, si è rilevata
nuovamente una sostanziale differenza tra i campioni preparati con le due metodologie
di compattazione. Ciò viene posto ulteriormente in evidenza in Figura 4, ove sono messi
a confronto i valori relativi alle 8 miscele prese in esame per i quali si rileva uno scarto
piuttosto uniforme, dell’ordine dell’1%.
I dati sperimentali indicano che un aumento anche marcato della percentuale di elementi
piatti determina un aumento davvero modesto della percentuale dei vuoti nella miscela,
con massime variazioni dell’1% per le miscele con granulometria CI. Si può inoltre
notare che nella maggior parte dei casi, per entrambe le metodologie di compattazione il
valore di Va si è mantenuto al di sotto del 5%. Ciò indica che nei conglomerati
bituminosi chiusi l’impiego di aggregati aventi valori dell’indice di appiattimento Ia
vicino a 60 (corrispondenti a quantità di elementi piatti pari al 30% del peso totale) non
pregiudica l’ottenimento di strutture caratterizzate da una contenuta porosità.
L’esperienza di cantiere sembrerebbe in contrasto con il risultato ottenuto in laboratorio
poiché di norma la presenza di elementi piatti risulta associata ad un sensibile
peggioramento dell’addensamento in opera. Tale discrepanza può essere però spiegata
tenendo conto del limitato spessore con il quale solitamente si realizzano le stese in
opera, all’interno delle quali gli effetti derivanti dalla forma degli aggregati hanno modo
di manifestarsi in maniera più evidente rispetto al caso dei campioni di laboratorio.
Occorre infine sottolineare che le miscele corrispondenti alla curva superiore e di centro
fuso restituiscono valori dei vuoti finali Va troppo bassi rispetto ai requisiti fissati per
entrambi i metodi di compattazione. Nel caso in cui dovessero essere utilizzate per
applicazioni in opera, sarebbe pertanto opportuno operare delle variazioni alle loro
formulazioni per non rischiare di incorrere in fenomeni di inormaiamento e di
rifluimento del legante. A tal proposito si potrebbero adottare rimedi consistenti in una
riduzione del quantitativo di legante oppure, più efficacemente, in una riduzione della
percentuale di filler.
Miscela % piatti Ia Va (PTG) Va (M)
(%) media (%) media
CI 0 0 0 3,1 4,4
CI 14 14 23,3 3,5 4,6
CI 30 30 50 4,2
3,6
5,2
4,7
CM 0 0 0 1,3 2,2
CM 9,33 9,33 18,7 1,7 2,9
CM 29,29 29,29 58,6 1,9
1,6
2,6
2,6
CS 0 0 0 1,8 2,6
CS 10 10 22,2 1,9 1,8
3,0 2,8
Tabella 7. Percentuali dei vuoti residui Va dei conglomerati bituminosi chiusi
Va (M) = 1,04 Va (PTG) + 0,94R2 = 0,98
1,01,52,02,53,03,54,04,55,05,5
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5
Va (PTG) (%)
Va (
M) (
%)
CI
CM
CSLinea di uguaglianza
Figura 4. Relazione tra le percentuali dei vuoti Va misurate sui campioni di miscele
chiuse preparati con le due tecniche di compattazione (pressa giratoria e Marshall)
Nella Tabella 8 sono riassunti i dati relativi alle caratteristiche di lavorabilità delle
miscele chiuse così come descritte dai valori medi dei parametri k e C1 desunti dalle
curve di addensamento. Come evidenziato in Figura 5, si è notato che le miscele con
curva granulometrica CI, a grana più grossa, presentano caratteristiche pressoché
indipendenti dall’indice di appiattimento Ia degli aggregati, e notevolmente diverse da
quelle delle altre miscele per le quali sono più elevati i valori del parametro di
autoaddensamento C1 e più piccoli i valori del parametro k. Il comportamento durante
l’addensamento delle miscele con curve CM e CS risulta inoltre più sensibile alle
caratteristiche di forma degli aggregati, con una generale tendenza all’aumento di k e
alla riduzione di C1 in funzione dell’aumento della percentuale di elementi piatti.
Miscela % piatti Ia k C1
media (%) media
CI 0 0,00 0 9,8 76,2
CI 14 14,00 23,3 9,8 76,4
CI 30 30,00 50 10,1
9,9
75,4
75,9
CM 0 0,00 0 5,9 80,3
CM 9,33 9,33 18,70 6,5 79,9
CM 29,29 29,29 58,60 8,0
6,8
78,5
79,6
CS 0 0 0 5,9 79,2
CS 10 10 22,2 7,4 6,6
78,8 79,0
Tabella 8. Parametri di addensamento k e C1 dei conglomerati bituminosi chiusi
75,0
76,0
77,0
78,0
79,0
80,0
81,0
0 10 20 30 40
% elementi piatti
C1 (
%)
CI
CM
CS
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
0 10 20 30 40
% elementi piatti
k
CI
CM
CS
Figura 5. Influenza della forma degli aggregati sui parametri di addensamento k e C1
(conglomerati bituminosi chiusi)
3.2 Proprietà volumetriche dei conglomerati bituminosi aperti
Nel caso delle miscele di tipo aperto sono state valutate le medesime grandezze prese in
considerazione per quelli chiusi. I relativi risultati sperimentali sono riportati nelle
tabelle 9, 10, 11 e 12.
Analogamente a quanto visto per le miscele chiuse, i valori della massima massa
volumica teorica Gmm e della massa volumica effettiva degli aggregati Gse non
dipendono dalla percentuale di elementi piatti contenuti nella miscela (Tabella 9).
Inoltre, entrambe tali grandezze tendono gradualmente a diminuire nel passaggio dalla
curva inferiore AI a quella superiore AS a causa della minore massa volumica apparente
delle frazioni fini. Si nota inoltre che i valori di Gmm e di Gse relativi ai conglomerati
aperti risultano più elevati di quelli misurati sui chiusi a causa di una percentuale
maggiore di aggregato grosso (Figura 1).
Miscela % piatti Ia Gmm Gse
[g/cm3] media [g/cm3] media
AI 0 0 0 2,618 2,864
AI 10 10 10,5 2,588 2,827
AI 15 15 15,8 2,603 2,845
AI 17,5 17,5 18,4 2,591 2,830
AI 25 25 26,3 2,562 2,794
AI 27,5 27,5 28,9 2,576 2,811
AI 32,5 32,5 34,2 2,563 2,796
AI 42,5 42,5 44,7 2,573
2,584
2,808
2,822
AM 0 0 0 2,583 2,820
AM 5 5 5,7 2,573 2,808
AM 15 15 17,0 2,583 2,821
AM 17,5 17,5 19,9 2,593 2,833
AM 20 20 22,7 2,578 2,814
AM 22,5 22,5 25,6 2,596 2,837
AM 32,5 32,5 36,9 2,581 2,818
AM 37,5 37,5 42,6 2,581
2,583
2,818
2,821
AS 0 0 0 2,564 2,797
AS 15 15 18,8 2,563 2,796
AS 17,5 17,5 21,9 2,570 2,804
AS 32,5 32,5 40,6 2,560
2,564
2,791
2,797
Tabella 9. Masse volumiche Gmm e Gse (conglomerati bituminosi aperti)
Per quel che riguarda i valori della massa volumica apparente Gmb dei campioni
compattati con i due metodi (pressa giratoria e Marshall), si sono rilevati i valori
riportati in Tabella 10. Da questi emerge che, contrariamente a quanto visto per i
conglomerati bituminosi chiusi, gli addensamenti più efficaci vengono realizzati con il
metodo Marshall. Come evidenziato in Figura 6, tale differenza appare evidente per i
materiali preparati adottando le curve AI e AM, mentre risulta leggermente meno
marcata per i campioni relativi alla curva granulometrica superiore AS.
Si ritiene che tale riscontro sia da imputare agli effetti provocati dall’azione del maglio
impiegato nella tecnica di compattazione impulsiva, il quale anziché favorire una azione
di scorrimento relativo tra i granuli tende ad accentuare le sollecitazioni in
corrispondenza dei contatti localizzati che caratterizzano le miscele aperte. Ciò si
traduce nella possibilità di pervenire con il metodo Marshall ad un elevato
addensamento per effetto della potenziale frantumazione dei granuli dovuta al
superamento della resistenza meccanica della roccia di origine.
Nel caso dei provini preparati con la pressa giratoria, per le miscele aperte è lecito
invece ipotizzare che durante il processo di addensamento si verifichi, in ragione della
presenza di una elevata quantità di aggregati grossi, un effetto di dilatanza che produce
una azione di disturbo sulla struttura. A conferma di tali considerazioni si è osservato
che la differenza tra i valori medi di Gmb ottenuti con i due metodi di preparazione dei
provini risulta meno accentuata per i materiali con curva granulometrica superiore (AS),
caratterizzati da una ridotta frazione di aggregati grossi e quindi dalla presenza di un
numero di contatti intergranulari più diffusi.
2
2,05
2,1
2,15
2,2
2,25
2,3
2,35
2 2,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3
Gmb (PTG) (g/cm3)
Gm
b (M
) (g/
cm3 )
AI
AM
AS Linea di uguaglianza
Figura 6. Relazione tra le masse volumiche apparenti Gmb misurate sui campioni
preparati con le due tecniche di compattazione (pressa giratoria e Marshall)
Miscela % piatti Ia Gmb (PTG) Gmb (M)
[g/cm3] media [g/cm3] media
AI 0 0 0 2,029 2,138
AI 10 10 10,5 2,014 2,117
AI 15 15 15,8 2,035 2,084
AI 17,5 17,5 18,4 2,048 2,117
AI 25 25 26,3 2,050 2,083
AI 27,5 27,5 28,9 2,050 2,126
AI 32,5 32,5 34,2 2,046 2,116
AI 42,5 42,5 44,7 2,044
2,040
2,117
2,112
AM 0 0 0 2,104 2,151
AM 5 5 5,7 2,081 2,177
AM 15 15 17,0 2,104 2,158
AM 17,5 17,5 19,9 2,112 2,168
AM 20 20 22,7 2,106 2,175
AM 22,5 22,5 25,6 2,089 2,181
AM 32,5 32,5 36,9 2,080 2,194
AM 37,5 37,5 42,6 2,084
2,095
2,187
2,174
AS 0 0 0 2,214 2,273
AS 15 15 18,8 2,213 2,249
AS 17,5 17,5 21,9 2,235 2,241
AS 32,5 32,5 40,6 2,213
2,219
2,228
2,248
Tabella 10. Masse volumiche apparenti Gmb dei conglomerati bituminosi aperti
Infine, sempre con riferimento ai valori medi riportati in Tabella 10, appare evidente la
capacità riempitiva della frazione fine che determina per le curve superiore (AS) ed
inferiore (AI) rispettivamente i valori più alti e più bassi di Gmb. In merito a tale aspetto
si riscontra una gerarchia diversa rispetto a quella ottenuta per i conglomerati bituminosi
chiusi dato che nelle miscele aperte alla curva granulometrica di centro fuso non
corrisponde il massimo addensamento della struttura litica.
In Figura 7 sono riportati i valori della Gmb in funzione della percentuale di elementi
appiattiti. Si può notare che, a differenza di quanto rilevato per i conglomerati
bituminosi chiusi, non sono identificabili degli andamenti caratteristici.
2
2,05
2,1
2,15
2,2
2,25
0 10 20 30 40 50% elementi piatti
Gm
b (g/
cm3 ) AI
AM
AS
Campioni PTG
2,05
2,1
2,15
2,2
2,25
2,3
0 10 20 30 40 50% elementi piatti
Gm
b (g/
cm3 )
AI
AM
AS
Campioni M
Figura 7. Influenza della forma degli aggregati sulla massa volumica Gmb
(conglomerati bituminosi aperti)
I dati riportati in Tabella 11 confermano che nel caso dei conglomerati bituminosi aperti
le proprietà volumetriche raggiunte al termine dell’addensamento non sono influenzate
dall’indice di appiattimento degli aggregati grossi. Risulta inoltre evidente che anche
facendo riferimento ai valori della percentuale dei vuoti residui Va, con il metodo
Marshall vengono raggiunte condizioni di più elevato addensamento rispetto al caso dei
campioni costipati alla pressa giratoria. Ciò si può evincere anche dalla
rappresentazione grafica di Figura 8, dalla quale risulta inoltre che lo scarto tra le due
grandezze Va (M) e Va (PTG) diminuisce all’aumentare della finezza della miscela
(passando cioè dalla AI alla AM alla AS).
Si può inoltre notare che i valori medi di Va crescono in maniera piuttosto marcata
passando dalla curva granulometrica superiore a quella di centro fuso. Tale differenza,
più evidente nel caso di provini confezionati con la pressa a taglio giratorio, suggerisce
di valutare con attenzione le miscele durante le fasi di mix design poiché il solo rispetto
delle prescrizioni di Capitolato, espresse in termini di un fuso granulometrico
ammissibile, non garantisce in maniera automatica l’ottenimento di miscele aventi una
volumetria compatibile con le prestazioni richieste in opera. A titolo di esempio, si
evidenzia il caso delle miscele con curva granulometrica AI, cui corrisponde un valore
medio dei vuoti residui (21,1 %) dopo 142 giri di compattazione che non risulta in linea
con le prescrizioni volumetriche del recente Capitolato Prestazionale del Ministero delle
Infrastrutture e dei Trasporti [6].
Miscela % piatti Ia Va (PTG) Va (M)
(%) media (%) media
AI 0 0 0 21,5 17,3
AI 10 10 10,5 22,1 18,1
AI 15 15 15,8 21,3 19,4
AI 17,5 17,5 18,4 20,8 18,1
AI 25 25 26,3 20,7 19,4
AI 27,5 27,5 28,9 20,7 17,7
AI 32,5 32,5 34,2 20,8 18,1
AI 42,5 42,5 44,7 20,9
21,1
18,1
18,3
AM 0 0 0 18,6 16,7
AM 5 5 5,7 19,5 15,7
AM 15 15 17,0 18,6 16,5
AM 17,5 17,5 19,9 18,3 16,1
AM 20 20 22,7 18,5 15,8
AM 22,5 22,5 25,6 19,1 15,6
AM 32,5 32,5 36,9 19,5 15,1
AM 37,5 37,5 42,6 19,3
18,9
15,3
15,9
AS 0 0 0 13,7 11,4
AS 15 15 18,8 12,8 12,3
AS 17,5 17,5 21,9 13,7 12,6
AS 32,5 32,5 40,6 12,8
13,5
13,1
12,3
Tabella 11. Percentuali dei vuoti residui Va dei conglomerati bituminosi aperti
Va (M) = 0,74 Va (PTG) + 2,3R2 = 0,85
10,0
15,0
20,0
25,0
10,0 15,0 20,0 25,0
Va (PTG) (%)
Va (
M) (
%)
AI
AM
AS
Linea di uguaglianza
Figura 8. Relazione tra le percentuali dei vuoti Va misurate sui campioni di miscele
aperte preparati con le due tecniche di compattazione (pressa giratoria e Marshall)
Analogamente al caso delle miscele chiuse, anche per i conglomerati bituminosi aperti
si è entrato nel merito dei fenomeni che si verificano durante la compattazione, facendo
riferimento parametri k e C1 desunti dai dati rilevati dalla pressa a taglio giratorio
(Tabella 12). Si è rilevato che, sebbene gli andamenti dei dati relativi alle varie miscele
non siano del tutto regolari, in generale un aumento della percentuale di elementi piatti
può determinare un aumento del parametro di lavorabilità k ed una riduzione di quello
di autoaddensamento C1 (Figura 9). Tali effetti possono anche non presentarsi
contemporaneamente: nel caso delle miscele con curva AI si è infatti riscontrata una
certa costanza del parametro C1, mentre nel caso delle miscele AM tale osservazione è
stata fatta con riferimento al parametro k.
Miscela % piatti Ia k C1
media (%) media
AI 0 0 0 5,8 63,2
AI 10 10 10,5 6,8 62,8
AI 15 15 15,8 6,8 62,9
AI 17,5 17,5 18,4 7,5 62,9
AI 25 25,5 26,3 7,1 63,3
AI 27,5 27,5 28,9 7,6 63,8
AI 32,5 32,5 34,2 7,1 63,4
AI 42,5 42,5 44,7 8,1
7,12
62,6
63,11
AM 0 0 0 7,2 65,9
AM 5 5 5,7 7,9 65,9
AM 15 15 17,0 7,1 65,3
AM 17,5 17,5 19,9 7,7 64,9
AM 20 20,5 22,7 8,1 64,9
AM 22,5 22,5 25,6 7,4 63,6
AM 32,5 32,5 36,9 7,5 64,0
AM 37,5 37,5 42,6 7,7
7,57
63,8
64,79
AS 0 0 0 7,5 69,8
AS 15 15 18,8 9,0 67,3
AS 17,5 17,5 21,9 9,1 68,3
AS 32,5 32,5 40,6 9,0
8,65
67,6
68,22
Tabella 12. Parametri di addensamento k e C1 dei conglomerati bituminosi aperti
62
6364
65
6667
68
6970
71
0 10 20 30 40 50
% elementi piatti
C1 (
%)
AI
AM
AS
5
6
7
8
9
10
11
0 10 20 30 40 50
% elementi piatti
k
AI
AM
AS
Figura 9. Influenza della forma degli aggregati sui parametri di addensamento k e C1
(conglomerati bituminosi aperti)
Facendo riferimento ai tre tipi di granulometrie impiegate, indipendentemente dalla
percentuale di elementi piatti, dall’analisi dei dati di Tabella 12 vengono confermati i
risultati ottenuti in termini di vuoti residui Va: risulta infatti che al crescere della finezza
della granulometria (passando dalla AI alla AM ed alla AS) crescono i valori della
lavorabilità k e dell’autoaddensamento C1, con la conseguente riduzione dei vuoti
residui Va.
3.3 Correlazioni tra le caratteristiche volumetriche dei campioni preparati con
pressa a taglio giratorio e con compattatore Marshall
Utilizzando i dati rilevati dalla pressa giratoria durante il processo di addensamento, è
stato valutato, per ciascuna delle 28 miscele prese in esame, il numero di giri che
corrisponde al livello di addensamento ottenuto con il metodo di compattazione
Marshall. I valori ottenuti, indicati con il simbolo Ng (PTG-M), sono riportati nelle
Tabelle 13 e 14.
Nel caso dei conglomerati bituminosi chiusi, per i quali il costipamento giratorio si è
rivelato più efficace di quello Marshall, ciò è stato fatto analizzando i valori della massa
volumica Gmb che vengono stimati in corrispondenza di ciascun giro di compattazione.
Nel caso dei conglomerati bituminosi aperti, per i quali con il metodo Marshall si
ottiene un addensamento più marcato rispetto a quello derivante dall’uso della pressa
giratoria, si è invece fatto riferimento alle rette di addensamento definite nel piano
semilogaritmico Ng-%Gmm (Figura 2), il cui andamento è stato estrapolato al di là del
limite superiore di 142 giri.
Miscela Ia Gmb (M) Gmm %Gmm Ng (PTG-M)
[g/cm3] [g/cm3] (%) media
CI 0 0 2,445 2,560 95,5 105
CI 14 23,3 2,439 2,564 95,1 112
CI 30 50 2,425 2,547 95,2 110
109
CM 0 0 2,492 2,571 96,9 94
CM 9,33 18,7 2,475 2,538 97,5 93
CM 29,29 58,6 2,482 2,539 97,8 112
100
CS 0 0 2,472 2,535 97,5 97
CS 10 22,2 2,462 2,542 96,8 95 96
Tabella 13. Addensamento equivalente PTG/Marshall (conglomerati bituminosi chiusi)
Miscela Ia Gmb (M) Gmm %Gmm Ng (PTG-M)
[g/cm3] [g/cm3] (%) media
AI 0 0 2,138 2,618 81,7 1437
AI 10 10,5 2,117 2,588 81,8 622
AI 15 15,8 2,084 2,603 80,1 329
AI 17.5 18,4 2,117 2,591 81,7 308
AI 25 26,3 2,083 2,562 81,3 331
AI 27,5 28,9 2,126 2,576 82,5 293
AI 32,5 34,2 2,116 2,563 82,5 520
AI 42,5 44,7 2,117 2,573 82,3 267
513
AM 0 0 2,151 2,583 83,3 258
AM 5 5,7 2,177 2,573 84,6 244
AM 15 17,0 2,158 2,583 83,5 371
AM 17,5 19,9 2,168 2,593 83,6 281
AM 20 22,7 2,175 2,578 84,4 257
AM 22,5 25,6 2,181 2,596 84,0 560
AM 32,5 36,9 2,194 2,581 85,0 620
AM 37,5 42,6 2,187 2,581 84,8 519
389
AS 0 0 2,273 2,564 88,7 326
AS 15 18,8 2,249 2,563 87,7 195
AS 17,5 21,9 2,241 2,570 87,2 119
AS 32,5 40,6 2,228 2,560 87,0 144
196
Tabella 14. Addensamento equivalente PTG/Marshall (conglomerati bituminosi aperti)
Dai dati riportati in Tabella 13 si rileva che le miscele chiuse presentano un numero di
giri di costipamento equivalente Ng (PTG-M) che risulta in tutti i casi molto vicino a
100 e che è pressoché indipendente dall’indice di appiattimento degli aggregati. Anche
gli effetti dovuti alla curva granulometrica sono davvero modesti, con un leggero
incremento riscontrato all’aumentare della percentuale di aggregato grosso, ossia nel
passaggio dalle curve superiori a quelle inferiori. In ogni caso appare corretta la scelta
operata nell’ambito dei più recenti Capitolati Speciali d’Appalto nei quali si è assunta
l’equivalenza volumetrica dei due metodi facendo riferimento ad un numero di giri della
pressa giratoria pari a 100. Tale risultato è perfettamente in linea con quelli ottenuti di
recente da altri Autori anche su miscele per strati di collegamento [8].
Ben diversa è la situazione riscontrata per i campioni di conglomerati bituminosi aperti
(Tabella 14). Si è infatti osservato che, avendo cautelativamente assunto come costante
il valore della lavorabilità k, il valore di Ng (PTG-M) risulta, per la maggior parte delle
miscele prese in esame, superiore a 200. Tale risultato contrasta con le specifiche di
Capitolato che per le miscele aperte assumono implicitamente l’equivalenza
volumetrica tra i due metodi in corrispondenza di un numero di giri pari a 50. Si è
inoltre rilevato che una variazione della percentuale di aggregati piatti non determina
effetti chiaramente identificabili sul parametro Ng (PTG-M).
Allo scopo di uniformare le procedure di prova, per le miscele aperte si è quindi
calcolato il valore della percentuale dei vuoti residui che corrisponde all’applicazione di
100 giri nella pressa giratoria (Va,100). Tale valore è stato messo a confronto con la
percentuale dei vuoti Marshall Va (M), con il conseguente calcolo del rapporto
Va,100/Va (M) (Tabella 15). Tale rapporto, come evidenziato in Figura 10, risulta
indipendente dall’indice di appiattimento degli aggregati Ia ed assume valori compresi
tra 1,45 e 1,07. Si è così appurato che il contenuto dei vuoti di miscele aperte misurato
su campioni Marshall risulta orientativamente inferiore del 20% rispetto a quello
valutato su campioni compattati con la pressa giratoria a 100 giri. Fatte le necessarie
ulteriori verifiche sperimentali, tale risultato potrà essere utilizzato per una variazione
delle prescrizioni relative alle proprietà volumetriche che compaiono nei Capitolati
d’Appalto.
Miscela Ia Va (M) Va,100 )M(VV
a
100,a
(%) (%) media
AI 0 0 17,3 25,1 1,45
AI 10 10,5 18,1 23,6 1,31
AI 15 15,8 19,4 23,5 1,21
AI 17,5 18,4 18,1 22,0 1,22
AI 25 26,3 19,4 22,4 1,16
AI 27,5 28,9 17,7 21,0 1,19
AI 32,5 34,2 18,1 22,5 1,24
AI 42,5 44,7 18,1 21,2 1,17
1,24
AM 0 0 16,7 19,7 1,18
AM 5 5,7 15,7 18,4 1,17
AM 15 17,0 16,5 20,5 1,24
AM 17,5 19,9 16,1 19,8 1,23
AM 20 22,7 15,8 18,9 1,20
AM 22,5 25,6 15,6 21,5 1,38
AM 32,5 36,9 15,1 21,0 1,39
AM 37,5 42,6 15,3 20,8 1,35
1,27
AS 0 0 11,4 15,2 1,34
AS 15 18,8 12,3 14,8 1,21
AS 17,5 21,9 12,6 13,5 1,07
AS 32,5 40,6 13,1 14,4 1,10
1,18
Tabella 15. Rapporto Va,100/Va (M) per conglomerati bituminosi aperti
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
0 10 20 30 40 50Ia
Va,
100/V
a (M
)
AI AM AS
Figura 10. Influenza della forma degli aggregati sul rapporto Va,100/Va (M)
(conglomerati bituminosi aperti)
4. CONCLUSIONI
I risultati ottenuti nel corso della sperimentazione hanno consentito di estendere le
conoscenze attuali riguardanti i limiti di impiego degli aggregati nelle miscele
bituminose chiuse ed aperte.
Nel corso della sperimentazione si è riscontrato che gli aggregati di forma appiattita
hanno una influenza sulle proprietà volumetriche dei soli conglomerati bituminosi
chiusi; nel caso di quelli aperti non sono state infatti individuate chiare leggi di
corrispondenza tra l’indice di appiattimento degli aggregati e le proprietà volumetriche
delle miscele. In ogni caso, è emerso che gli attuali limiti imposti dai Capitolati
all’indice di appiattimento degli aggregati sono da ritenere troppo cautelativi poiché gli
effetti volumetrici riscontrati sono comunque di modesta entità. È chiaro però che per
operare una modifica dei limiti di accettazione dovranno essere effettuate ulteriori
indagini prendendo in esame anche le proprietà meccaniche e funzionali delle miscele.
In merito alle proprietà geometriche della miscela di aggregati, determinante appare il
ruolo svolto dalla distribuzione granulometrica scelta all’interno dei fusi di riferimento
che più di altri fattori, tanto per i conglomerati chiusi quanto per le miscele aperte,
comporta sensibili variazioni della volumetria e della lavorabilità.
Infine, si sono tratte alcune conclusioni relative al rapporto che esiste tra le proprietà
volumetriche misurate su provini preparati con la pressa giratoria e con il compattatore
Marshall. Relativamente ai conglomerati chiusi, i risultati ottenuti confermano quelli già
riportati in letteratura [8] e nei recenti Capitolati [6], suggerendo di assumere quale
riferimento per il controllo dei vuoti della miscela, l’addensamento ottenuto con la
pressa giratoria dopo 100 giri. Il risultato ottenuto esaminando i conglomerati aperti
sembrerebbe invece contraddire le prescrizioni di Capitolato [6]; dai confronti svolti è
infatti emersa una inattesa capacità del metodo Marshall di produrre campioni molto più
addensati rispetto a quelli preparati con la pressa giratoria. Di conseguenza, gli Autori
hanno individuato un nuovo criterio di corrispondenza tra le percentuali dei vuoti
derivanti dai due sistemi di compattazione, osservando che quelle associate a 100 giri
della pressa giratoria risultano superiori di circa il 20% rispetto a quelle dei campioni
Marshall.
BIBLIOGRAFIA
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selection, compaction, and conditioning, SHRP-A-408 Report, Strategic Highway
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Semestre, 1998.
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