ESTRATTO DAL N° 34/00

Metodologie di impiego della pressa giratoria (la parte)

How to use the gyratory compactor (1st part)

Giulio MondiUniversità di Bologna, Dipartimento DISTART Andrea SimoneUniversità di Bologna, Dipartimento DISTART Annalisa BoniniUniversità di Bologna, Dipartimento DISTART

Metodologie di impiego della pressa giratoria (la parte)

How to use the gyratory compactor (1st part)

GIULIO MONDI, ANDREA SIMONE, ANNALISA BONINIUniversità di Bologna, Dipartimento DISTART

Riassunto

Il compattatore giratorio si sta sempre più diffondendoin ambito nazionale ed europeo quale strumento dianalisi e controllo su provini di conglomeratobituminoso ed ha ormai raggiunto nell'ambito delprogramma SHRP gli 11 anni di vita. Il presentelavoro si prefigge principalmente il compito di fornireuna guida all'utilizzo della macchina nellaprogettazione volumetrica delle miscele. Spessoinfatti, accanto alle rigide normative ed alle norme dicapitolato, mancano degli utili supporti operativi pergli utilizzatori e delle indicazioni pratiche per l'elaborazione e la valutazione dei risultati. Questaprima parte dell'articolo cerca di riassumere gli aspettiprincipali riguardanti il Livello I della procedura diprogettazione delle miscele Superpave.

Summary

The gyratory compactor is more and more diffusing innational and European field as instrument ofanalysis and control on samples of bituminous mixturesand has by now caught up in the SHRP prograni the Ilyears of life. The present paper resolves to do mainlythe task to supply a guide to users of the machine in thevolumetric design of mixtures. Often in fact, next to therigid norms, lack some useful operating supports forthe users and some practical indications for theelaboration and the appraisal of the results.This first part of the paper summarizes the researchdevoted to some key aspects of the Superpave Level Imix design.

1. Introduzione

I conglomerati bituminosi hanno subito, negli

ultimi anni, una rapida evoluzione grazie al sempre piùdiffuso utilizzo dei leganti modificati ed alla messa apunto di nuove procedure di formulazione delle

miscele.Con il termine Superpave (Superior PerformingAsphalt Pavements) si identifica il prodotto finaledel più vasto programma di ricerca SHRP (StrategicHighway Research Program) per quello che concerne i leganti e i conglomerati bituminosi. La meto

dologia Superpave in sintesi:• è un sistema organico per la progettazione dei

conglomerati bituminosi finalizzato al raggiungi-mento delle prestazioni desiderate in relazione allivello di traffico e alle condizioni climatiche diprogetto. Esso garantisce le prestazioni della pa-vimentazione attraverso una accurata selezionedell'aggregato, del legante e, se necessario, delmodificante;

• rappresenta l'integrazione in un unico sistema deirisultati di più di venticinque gruppi di lavoro delprogramma di ricerca SHRP per l'analisi e la pro-gettazione dei bitumi e dei conglomerati. Essocomprende innovazioni che riguardano: le speci-fiche sui materiali, le prove e le apparecchiaturerelative, il metodo di mix-design; è inoltre statorealizzato un software che integra tutte le com-ponenti del sistema;

• è stato concepito per sostituire le prescrizioninormative sui materiali, attualmente piuttosto ete-rogenee nei cinquanta stati americani, e per uni-ficare le procedure per il mix-design dei con-glomerati, avendo come obiettivo la realizzazione

di un sistema fondato su criteri prestazionali;• è applicabile sia a conglomerati vergini che rici-

clati, confezionati con leganti tradizionali o mo-dificati, da utilizzarsi in strati di usura, di colle-gamento o di base.

D'altro canto, soprattutto in ambito nazionale, il si-stema attualmente più utilizzato per la progettazionedei conglomerati bituminosi è senza dubbio il meto-do Marshall [1] [2].Uno dei pregi di quest'ultimo, che si basa sullo stu-

dio della percentuale dei vuoti delle miscele e della lorostabilità, consiste nella semplicità e nellapossibilità di rapidi controlli in fase di messa in opera.Un'altra caratteristica positiva consiste nelle contenutedimensioni dell'apparecchiatura che consentono direalizzare prove di verifica speditive, medianteapparecchiature trasportabili, anche in cantiere. Ilmetodo Marshall presenta tuttavia anche alcuni limiti:si è infatti ormai verificato come la compattazione "impulsiva", caratteristica di tale procedura, non riescaa simulare in modo efficace la compattazione che lamiscela subisce all'atto della posa in opera ed inseguito.L'energia di costipamento standard per la prova Mar-shall, fissata in 75 colpi, risulta inoltre troppo mode-sta, soprattutto per le pavimentazioni autostradali.Nel metodo Marshall infatti si definisce come "heavy traffic" (traffico molto intenso) un numero di assistandard equivalenti di progetto (design ESA)superiore al milione, mentre gli attuali valori diprogetto sono assai superiori.La Stabilità Marshall inoltre non può essere consi-derata un parametro sufficientemente attendibile percaratterizzare la resistenza a taglio delle miscelebituminose.I limiti precedentemente descritti, soprattutto in pre-senza di leganti modificati, possono quindi rendere laprogettazione della miscela poco accurata. Per questimotivi è diffusa l'esigenza di superare il metodoMarshall: in questo ambito si inserisce il nuovometodo di progettazione volumetrico delle misceleche si propone di raggiungere in laboratoriocaratteristiche del materiale commisurate alle realicondizioni di impiego ed alla risposta della pavimen-tazione in relazione al traffico ed al clima [3]. L'impiego di tale metodo si basa sul compattatore gi-ratorio descritto in seguito, in grado di applicare si-multaneamente ai provini di conglomerato bitu-minoso, leggermente inclinati rispetto al piano oriz-zontale, sia una pressione verticale uniforme, sia unmoto rotatorio.Una tecnologia simile a questa, messa a punto neglianni '30 in Texas, si è sviluppata fino ai giorni nostried è stata ripresa in Francia dal Laboratoire Central desPonts et Chaussées che, fin dai primi anni '60, hastudiato i parametri significativi mettendo a punto, a

partire dal 1972, un'apposita normativa [4].Recentemente è stata presentata l'ultima versione(PCG3) della pressa giratoria [5] ed attualmente,sempre in Francia, il compattatore giratorio è utiliz-zato correntemente nel mix-design con buoni risultatiin termini di ripetibilità [6]. Il compattatore giratorio,che è stato recentemente introdotto anche nellenormative tecniche di altri paesi quali la Svezia, laSvizzera e l'Australia, ha trovato la massima diffu-sione negli Stati Uniti nell'ambito del livello 1 delsistema di progettazione Superpave. Quest'ultimo,essendo stato interamente sviluppato negli StatiUniti, ben si adatta alle situazioni (curve granulome-triche, tipi di legante, modalità di messa in opera) edalle esigenze del mercato e degli utilizzatori ameri-cani. Anche le indicazioni fornite per le diverse tipo-logie di conglomerati, riguardo ai limiti di accettabi-lità delle varie grandezze volumetriche, sono sempreriferiti alla situazione statunitense. Esistono quindiincertezze sull'automatica estendibilità alla realtàeuropea delle normative americane; in quest'otticaappaiono molto opportune tutte le possibili verifichesperimentali che permettano di convalidare lametodologia Superpave in ambito locale adattandola, senecessario, alla realtà europea. La normativa europeaprEN 12697 sui conglomerati bituminosi èattualmente in corso di preparazione da parte delCEN (Comité Europeéne de Normalisation) ed inparticolare la parte relativa alla pressa giratoria (Part31: Specimen preparation, gyratory compactor) siprevede possa essere formalmente adottata nel giro didue anni.

Il sistema Superpave è il risultato di un progetto diricerca sviluppato da 8 enti di ricerca principali, du-rato 7 anni (dal 1987 al 1993) e supportato da 15studi di verifica.Il suo obiettivo consiste nel mettere a punto misceleottimali nei confronti dei seguenti fenomeni:• deformazioni permanenti;• rotture per fatica;• fratture dovute alle basse temperature;

attraverso un'attenta selezione dei materiali eduna accurata procedura di studio della miscela[7]

La miscela di bitume ed aggregati deve quindi presentare le seguenti caratteristiche:

• una soddisfacente lavorabilità;• una percentuale ottimale di vuoti, sia nella misce

la di aggregati, che nel conglomerato in opera;• una durabilità garantita da una quantità suffi

ciente di "matrice legante";• prestazioni ottimali per tutta la vita utile della pa

vimentazione.In Superpave, che contempla 3 livelli il più comune deiquali è il livello 1, si utilizza il compattatore gi-ratorio, in quanto ottimale per riprodurre l'adden-

samento del conglomerato bituminoso in fase dimessa in opera. I successivi livelli di studio 2 e 3,necessari solo in alcuni casi particolarmente gravosi,prevedono in aggiunta al livello 1, una serie di testprestazionali accelerati per le miscele bituminosemesse a punto con il compattatore giratorio.Recentemente in ambito nazionale, la pressa giratoria èstata introdotta nelle nuove Norme Tecniche di Appaltodella Società Autostrade [8] e delle Autostrade CentroPadane S.p.A.Descriviamo ora più in dettaglio i principi contenuti nellivello 1 [9] [10], che utilizza una classificazione "prestazionale" del legante [I1] e specifiche sugliaggregati, correlate empiricamente alle caratteristichefinali del conglomerato, mentre non sono previsteprove dirette sulle prestazioni finali della pavi-mentazione.Esso fornisce quindi principalmente la sicurezza diaver utilizzato materiali adeguati alle esigenze.

2. Il mix-design nel sistema Superpave

Il mix-design secondo Superpave comprende sia testprestazionali sui materiali, sviluppati nel programmaSHRP, sia elementi propri della tradizionale analisivolumetrica delle miscele. Come mostrato in figura

1, tutti e tre i livelli includono una fase preliminare didesign volumetrico. In seguito, in funzione del livellodi traffico, i risultati ottenuti possono essere integrati ecompletati da test prestazionali che consentono diottimizzare ulteriormente la formulazione per renderlaparticolarmente efficace nei confronti della crisi perfatica, della fessurazione alle basse temperature edelle deformazioni permanenti.

Nel mix-design la scelta dei materiali, bitume eaggregato, è guidata da criteri basati sulle condizioni diprogetto, in altre parole sulle condizioni climatiche e disollecitazione cui la miscela sarà soggetta durante lasua vita utile. Per il livello 1, il metodo siesaurisce nel design volumetrico, cioè nella scelta diuna miscela di aggregati e di un legante chegarantisca specifici valori dei parametri volumetriciquali i vuoti residui, i vuoti nell'aggregato mineraleed i vuoti riempiti di bitume. Non vengono forniteprevisioni riguardanti le deformazioni permanenti, lerotture per fatica e la tendenza alle fessurazioni allebasse temperature: in altri termini il metodo garantiscesenza l'ausilio di prove distruttive e solo in base alsoddisfacimento di determinati criteri di valutazione, larealizzazione di un materiale adeguato ad esigenzeprefissate.Nei livelli 2 e 3, al contrario, devono essere condottiulteriori test utili alla valutazione dell'evoluzione nel

Fig. 1 - Organizzazione gerarchica di Superpave: livello di mix-design in funzione del livello di traffico.

tempo dei possibili ammaloramenti della pavimenta-zione, dovuti a fatica ed alle basse temperature. Il li-vello 2 infatti, incorpora il livello precedente e lointegra con test di prestazione accelerati eseguiti suprovini preparati con un contenuto di bitume variabileattorno a quello ottimo, determinato con ildesign volumetrico (livello 1). I risultati di questi testsono utilizzati dal software Superpave (tramite unmodello bidimensionale agli elementi finiti delmultistrato elastico) per stimare lo svilupparsi degliammaloramenti precedentemente enunciati. Lascelta della percentuale ottima di bitume viene quindia dipendere anche dalle prestazioni stimate dalmodello di comportamento della pavimentazione. L'utilizzo di questi due livelli consente, a fronte di unamaggiore complessità del metodo, di ottimizzare laprogettazione in funzione del tipo o dei tipi diammaloramento, che si prevede possano presentarsi conmaggiore probabilità, in relazione alle condizioniclimatiche ed al traffico di progetto. La procedura dimix-design si conclude con controlli sul campo che,durante la costruzione, consentono di verificare che ilconglomerato bituminoso prodotto in impianto siaconforme a quello di progetto. Quest'ultima fase èconcettualmente autonoma, in quanto la proceduradi controllo è applicabile indipendentemente dalmetodo con cui si è progettato il conglomerato daverificare.Infine la differenza tra i livelli 2 e 3 di Superpave,consiste nel fatto che il livello 2 prevede un numerominore di test, eseguiti in un intervallo di temperaturemolto più ristretto.Per tutti i test prestazionali del livello 2, infatti, sia

quelli riguardanti le deformazioni permanenti siaquelli relativi alle fessurazioni per fatica, è prevista un'unica temperatura definita "temperatura effettiva" allaquale si dovrebbe ottenere un ammaloramentoequivalente a quello ottenibile considerandoseparatamente le varie stagioni dell'anno. Il livello 3, alcontrario, simula l'andamento dei fattori climaticidell'intero anno suddividendolo in stagionirappresentative. È facile prevedere che la maggiorparte dei progetti sarà realizzata utilizzando i livello1, mentre i livelli 2 e 3 saranno riservati asovrastrutture estremamente trafficate o di grandeimportanza strategica. Un confronto schematicodelle differenze tra i livelli 2 e 3 è mostrata in tabella 1.

3. Il eompattatore giratorio

Come già rilevato, l'intero sistema di mix-design,compresi i controlli di qualità in opera, èbasato sull'utilizzo della pressa a taglio giratoriaSuperpave, strumento facilmente utilizzabile,relativamente poco

Tabella 1- Confronto tra i livelli 2 e 3 di Superpave

costoso che consente di ottenere dei provini in grado diben simulare le proprietà fisico-meccaniche dellepavimentazioni in opera. Ciò è dovuto al fatto che,durante il processo di addensamento con tecnicagiratoria, il conglomerato bituminoso subisce unacontinua riorganizzazione interna dei suoi compo-nenti. Lo scheletro litico formato dall'aggregato siaddensa quindi sempre di più all'aumentare delnumero di giri del compattatore. Tale evoluzione èdovuta essenzialmente all'azione "impastante" cheesercita sulla miscela la rotazione disassata dellafustella ed alla variabilità degli assi lungo cui agisconole tensioni principali durante la compattazione. Le varienormative internazionali che prevedono l'utilizzo dellapressa giratoria non riportano purtroppo gli stessivalori e le stesse tolleranze relativamente ai principaliparametri di prova (diametro dei provini, angolo diinclinazione, pressione e velocità di rotazione).A prescindere dalle modalità di prova, la compatta-zione giratoria ha ormai più volte confermato la suasuperiorità rispetto a tutte le altre tecniche dicompattazione in laboratorio dei conglomerati. Infattile più comuni tecniche di compattazione impulsiva,quali la metodologia Marshall, inducono nello scheletrolitico un progressivo addensamento con unconseguente avvicinamento dei grani che subisceperò una brusca interruzione non appena gli

elementi di aggregato giungono a contatto.La pressa giratoria invece comprime il provino "incontinuo" e, grazie alla leggera inclinazione, "me-scola" il conglomerato durante la fase di rotazioneaumentando le possibilità di "incastro" tra i grani diaggregato fornendo un costipamento con modalità piùsimili al reale addensamento in sito mediante rulli.In vari studi sperimentali sono state messe a confrontole proprietà volumetriche di provini prelevati in sitocon quelle di provini compattati in laboratorio condiverse procedure [12] [13]. I risultati ottenuti da VonQuintus et al. [ 12], che consentono di formulare unagraduatoria dei vari metodi, sono riportati in tabella2.

Ulteriori studi, svolti nell'ambito del programmaSHRP, hanno inoltre fornito i seguenti risultati:• i provini compattati con la pressa giratoria risultano

più sensibili al tipo ed alla quantità di leganteutilizzato rispetto ai provini realizzati con ilcompattatore ad impasto (Tabella 2, p.to C);

• i provini realizzati con il compattatore ad impastorisultano più resistenti alle deformazioni perma-nenti;

• la metodologia che più si avvicina allacompattazione reale, tramite rulli, risulta esserequella mediante compattatore a rullo gommato (Tabella 2, p.to B).

Sulla scorta di questi primi risultati sperimentali èstata quindi condotta presso il Texas TransportationInstitute, un'ulteriore ricerca [14] che ha fornito irisultati riassunti nell'ultima colonna di tabella 2.

Tabella 2 - Confronto tra diverse procedure di com-pattazione di laboratorio e la compattazione eseguita insito.

Si può notare come la tecnica giratoria consenta diottenere, rispetto alle altre metodologie di laboratorio,un più elevato numero di campioni aventi proprietàvolumetriche analoghe a quelle che il medesimomateriale possiede in sito. Con la pressa a taglio èaltresì possibile raggiungere diversi livelli diaddensamento, rappresentativi delle varie fasi della vitautile di un conglomerato bituminoso in opera. Aseconda del numero di giri si possono infattirealizzare campioni rappresentativi del materialesubito dopo la stesa (N init ), oppure al termine della suavita utile (Nmax), in condizioni di forte addensamento.La pressa a taglio giratoria consente, in sintesi, divalutare l'attitudine alla compattazione di una miscela,e di prevederne la percentuale di vuoti nel tempo. Sipossono quindi formulare delle miscele caratterizzateda una percentuale di vuoti sufficientemente bassa daottenere valori di modulo complesso ottimali per ilcomportamento a fatica senza comprometterne laresistenza all'ormaiamento. Per questo è necessarioperò che il basso tenore di vuoti non sia ottenutoaumentando eccessivamente il contenuto disabbia o di bitume nella miscela, bensì siaraggiunto compattando e addensando lo scheletrominerale dei conglomerati.E, quindi, di fondamentale importanza disporre diuno strumento di laboratorio sensibile, che consentauna accurata valutazione delle proprietà volumetrichedelle miscele al variare della granulometria e del tenoredi legante.Per confrontare fra di loro diverse miscele occorrepartire dalle curve di addensamento desuntedai dati registrati in continuo dalla pressa durante lagraduale compattazione del materiale. Esse sonosolitamente rappresentate riportando in ascisse, inscala logaritmica, il numero di giri effettuati dalcampione (N), ed in ordinate la percentuale del pesospecifico massimo del materiale (% Gmm) raggiunta. Ciòper consentire una correlazione lineare tra i parametridella compattazione del tipo:

Nell'ambito di SHRP si utilizza la pressa a taglio percorrelare lo stato finale di addensamento di una miscelabituminosa (comprensivo della messa in opera e dellapost-compattazione dovuta al traffico veicolare) con lecondizioni ambientali e con il livello di traffico previstodurante la sua vita utile. L'obiettivo del mix-design(escludendo i casi particolari dei "drenanti"), comevedremo meglio in seguito, è di ottenere, all'atto dell'apertura al traffico

Fig. 2 - Schema del compattatore giratorio Superpave.

della sovrastruttura, una percentuale di vuoti residuipari al 4%. Pare infatti che questo valore costituiscail compromesso ideale fra esigenze contrapposte checonsiglierebbero di:

Ciascuno dei tre parametri precedentemente elencatideve essere valutato in corrispondenza dei 3 diversilivelli di compattazione precedentemente definiti.

Fig.3 - Il compattatore giratorio Superpave - PINEInstrument Company.

Il valore di Ndesign è funzione della temperatura massima dell'aria e del livello di traffico di progettoespresso in assi standard equivalenti da 80 kN e,come mostrato in tabella 3, varia tra 68 e 172. Il

Tabella 3 - Definizione di Ndesign in relazione alla massima temperatura di progetto della sovrastruttura e allivello di traffico

Crediamo sia interessante, a questo punto, riportarecome i ricercatori del programma SHRP siano riusciti adeterminare il numero di giri di compattazionenecessari per raggiungere le condizioni di addensamento ultimo della miscela in situ (Nmax).

A tal fine è stato impostato un programma di ricercabasato su due considerazioni fondamentali: la prima èche esista un legame lineare tra l'addensamentoottenuto in laboratorio, tramite pressa giratoria, e illogaritmo del numero di giri effettuati dal campione diconglomerato bituminoso; la seconda è che, simil-mente, esista un legame lineare tra l'addensamentosubito dai conglomerati in opera e il logaritmo delnumero di passaggi di assi standard equivalenti che essisopportano.Il passo successivo, fondato sull'analogia tra l'addensamento subito in opera e quello riprodotto dallapressa giratoria, è stato quindi ipotizzare l'esistenza diun legame lineare tra il logaritmo del numero di assistandard equivalenti transitati e il logaritmo delnumero di giri effettuati dalla pressa in laboratorio.Per la ricerca di questa correlazione sono stati prele-vati campioni di conglomerato da pavimentazioniaperte al traffico da più di 12 anni (e quindi sicuramentein stato di addensamento ultimo) delle quali fosse notal'evoluzione nel tempo dell'intensità del traffico (essenzialmente di quello pesante). Avendo poideterminato tutti i paramenti volumetrici di questicampioni (vuoti residui, vuoti riempiti di bitume, vuotinell'aggregato lapideo) all'atto del prelevamento edipotizzando, all'apertura al traffico della sovrastruttura,una densità prossima al 92%, è stato possibile tracciarela curva di addensamento del conglomerato in opera. Ilpasso successivo è consistito nel recuperare (tramitesolventi) l'aggregato di questi campioni, nel miscelarlicon un nuovo legante (mantenendo la stessaproporzione originaria tra i componenti) e nelcompattarli tramite pressa giratoria, ottenendone lecurve di addensamento in laboratorio. È stato a questopunto possibile trovare la correlazione (dimostrandoche esiste e che è lineare) tra il numero di passaggi diassi standard equivalenti e il corrispondente (dal punto divista delle densità raggiunte) numero di rotazioni dellapressa a taglio. La sperimentazione esposta è stataripetuta a diverse

Fig. 4 - Curve di addensamento ottenibili tramite la pressa a taglio: miscele con diverse strutture dell'aggregato.

tura nell'intervallo compreso tra 135 e 180 °C.Utilizzando come riferimento le viscosità definiteprecedentemente risulterebbe una temperatura dimiscelazione di circa 205 °C ed una temperatura dicompattazione di 190 °C, valori senz'altro troppo

Fig. 5 - Diagramma temperatura-viscosità del bitume.

Fig.6 - Definizioni delle proprietà volumetriche in un conglomerato bituminoso compattato.

Fig. 7 - Definizione delle proprietà volumetriche in unaparticella di aggregato.