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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