MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI - …. Nicolosi - Corso di Progetto di Sovrastrutture Viarie...

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CORSO DI PROGETTO DELLE SOVRSTRUTURE VIARIE MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI Prof. Ing. Vittorio Nicolosi UNIVERITÀ DEGLI STUDI DI ROMA “TOR VERGATADIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE

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CORSO DI PROGETTO DELLE SOVRSTRUTURE VIARIE

MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI

Prof. Ing. Vittorio Nicolosi

UNIVERITÀ DEGLI STUDI DI ROMA “TOR VERGATA”

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE

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MIX DESIGN

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CONGLOMERATIBITUMINOSI

AGGREGATI LAPIDEI

LEGANTE BITUMINOSO

VUOTI

DEFORMAZIONI PERMANENTI

FESSURAZIONE PER FATICA

FESSURAZIONE DOVUTA A FENOMENI TERMICI

USURASUPERFICIALE

DISTACCO DI INERTI IN SUPERFICIE

SUSCETTIBILITA’ INVECCHIAMENTO

SUSCETTIBILITA’ACQUA

MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI

BITUMINOSI

CARATTERISTICHE DELLE MISCELE

Quantità masticeQualità mastice% dei vuoti

Suscettibilità termica della miscela

Consistenza e Suscettibilità termica del legante

Angolarità degli inertiFrazione di aggregato grosso

% leganteCaratteristiche

legante

Caratteristiche e natura inerti grossiDimensioni inerti

Adesione inerti legante

% di legante

COMPORTAMENTO DELLE SOVRASTRUTTURE

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SCELTA DEI COMPONENTI

STUDIO DELLE MISCELE

MIX DESIGN DELLE MISCELE DI CONGLOMERATO BITUMINOSO

LEGANTE

AGGREGATI

CARATTERISTICHE INTRINSECHE

DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA

STUDIO DELLE CARATTERISTICHE

VOLUMETRICHE

PROVE SULLE MISCELE

Previsione del comportamento nella 

sovrastrutturaModelli di degrado

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OSIMIX DESIGN

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METODI PER IL MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI

CRR

“Code de bonne pratiqe pour la formulation des enrobés

bitumineux”

ASTM 1560 e 1561 SUPERPAVE

Superior Performing Asphalt Pavements

METODO MARSHALL METODO HVEEM METODO SHRP

PRESTAZIONALIPRESCRITTIVI

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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – IL LEGANTE

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CRITERI TRADIZIONALI

PENETRAZIONE VISCOSITA’

TEMP. DI RAMMOLLIMENTO ROTTURA FRAAS

SUSCETTIBILITA’ TERMICAINDICE DI PENETRAZIONE IP

Svantaggi: La viscosità fornisce informazioni solo sul

comportamento ad altissime temperature; La Consistenza fornisce informazioni solo ad una

temperatura intermedia 25°C; Le proprietà dei leganti a bassa temperatura non

vengono direttamente misurate; Le prestazioni ed il comportamento elastico e viscoso

non viene adeguatamente rappresentato; Non evidenzia in maniera adeguata i vantaggi derivanti

dalla modifica dei leganti attraverso polimeri; Prove di caratterizzazione effettuate sul bitume tal‐

quale senza considerare gli effetti dell’invecchiamento

Modulo Complesso S Duttilità

(allungamento a rottura)

CRITERIO SHRP SPECIFICHE PER IL LEGANTE FUNZIONE DELLE

TEMPERATURE DI ESERCIZIO LE CARATTERISTICHE FISICO-MECCANICHE RICHIESTE

SONO SEMPRE LE MEDESIME MA CAMBIANO LETEMPERATURE ALLE QUALI DEVONO ESSEREASSICURATE

NUOVE PROVE DI CARATTERIZZAZIONE

CLASSI DI LEGANTEPG XX  ‐YY  (p.e. PG58‐34)

XX massima temperatura di esercizio di progettoYY minima temperatura di esercizio di progetto

DEFINIZIONE DELLE TEMPERATURE DI ESERCIZIO IN FUNZIONE DELL’AFFIDABILITA’ RICHIESTA

INDIVIDUAZIONE DELLA CLASSE DI LEGANTE PXX-YY

Temp. Max. Pavimentazione a 20mm di profondità

Correzione delle max temperature  effetti dei tempi di carico 

(velocità del traffico); Volumi di traffico. Temp. Min.

a) T min ambienteb)  T min pavimentazione

Intervallo di temperatura stabilito in funzione dell’affidabilità

Aumento di Tmax di due gradi per Velocità < 90 km/h

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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – IL LEGANTE

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LE CARATTERISTICHE DEL LEGANTE SONO MISURATE SUL LEGANTE CHE E STATO SOTTOPOSTO A PROCESSI DI INVECCHHIAMENTO

RTFO (Rolling Thin Film  Oven) ‐miscelazione

PAV (Pressare Pressure Aging Vessel) –lungo termine

APPARECCHIATURA DIPROVA

PARAMETRI MISURATI GRANDEZZE IMPIEGATE SIGNIFICATO DELLA PRESCRIZIONE

REOMETRO A TAGLIO(dynamic shear rheometer)

G* = max / maxModulo Complesso a

Taglio

G* / sen ( T>46°C)

Assicurare un comportamento in campo elasticoalle alte temperature ed il contributo allarigidezza globale della miscela (ormaie)

Angolo di fase

G* sen (7°C<T<34°C) Limitare l’energia dissipata alle temperatureintermedie (fessurazione per fatica)

VISCOSIMETRO ROTAZIONALE

(rotational viscometer)Viscosità [Pa sec]

Viscosità a 135 °C Assicurare le necessarie caratteristiche diviscosità durante le fasi di confezionamento,messa in opera e costipamento delle miscele

REOMETRO A FLESSIONE

(bending beam rheometer)

Modulo di Creep S(Creep Stiffness)

S alla min. temperature di esercizio

Bassi valori di S assicurano maggiore resistenzaalla fessurazione alle basse temperature (persollecitazioni di elevata frequenza)

Tasso di Deformazione logaritmico m

(Logarithmic creep rate)

m alla min. temperature di esercizio Alti valori di m assicurano maggiore resistenza

alla fessurazione dovuta alle variazioni termiche

PROVE A TRAZIONE DIRETTA

(direct tension tester)

Deformazione a rottura max max

Alti valori di assicurano un migliorecomportamento nei confronti della fessurazionealle basse temperature (viene impiegato per tenerconto del comportamento dei leganti modificatiche benché caratterizzati da valori elevati dellarigidezza presentano un comportamentoadeguato nei confronti dei fenomeni descritti)

PARAMETRI PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI LEGANTI BITUMINOSI E RELATIVE PROVE

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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – IL LEGANTE

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APPARECCHIATURA DIPROVA

PARAMETRI MISURATI GRANDEZZE IMPIEGATE

REOMETRO A TAGLIO

(dynamic shear rheometer)

G* = max / maxModulo Complesso a

Taglio

G* / sen ( T>46°C)

Angolo di fase

G* sen (7°C<T<34°C)

VISCOSIMETRO ROTAZIONALE

(rotational viscometer)

Viscosità [Pa sec]

Viscosità a 135 °C

REOMETRO A FLESSIONE(bending beam

rheometer)

Modulo di Creep S(Creep Stiffness)

S alla min. temperature di esercizio

Tasso di Deformazione logaritmico m

(Logarithmic creep rate)

m alla min. temperature di esercizio

PROVE A TRAZIONE DIRETTA

(direct tension tester)

Deformazione a rottura max max

PARAMETRI PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI LEGANTI BITUMINOSI E RELATIVE PROVE

Prova di Trazione DirettaTensione

Deformazione

Reometro flessionale

PDeflessione

Tempo

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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – GLI AGGREGATI

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CARATTERISTICHE INTRINSECHE

ANGOLARITA’RESISTENZA

ALL’ABRASIONELos Angeles

FORMA INERTI (>3 CNR ,>5 ASTM

D479)

SENSIBILITA’ AL GELO(CNR 80/80 AASHTO

T104)

CONTENUTO DELLA FRAZ. LIMO-ARGILLOSA

VALORI PRESCRITTI  FUNZ. TGM

VALORI PRESCRITTI  FUNZ. PROND.

QUANTITATIVO DI MATERIALE FINO

(CNR 75/80 AASHTO T112)

DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA

CURVA DI MAX DENSITA’Passante=d^0.45

PUNTI VINCOLATI

ZONA RISTRETTA

Aumentare resistenza ormaie

FUSI GRANULOMETRICI

I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI

TIPO DI STRATO / PROFONDITA’ - VOLUMI DI TRAFFICO

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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – GLI AGGREGATI

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CARATTERISTICHE INTRINSECHE

ANGOLARITA’RESISTENZA

ALL’ABRASIONELos Angeles

FORMA INERTI (>3 CNR ,>5 ASTM

D479)

SENSIBILITA’ AL GELO(CNR 80/80 AASHTO

T104)

CONTENUTO DELLA FRAZ. LIMO-ARGILLOSA

VALORI PRESCRITTI  FUNZ. TGM

VALORI PRESCRITTI  FUNZ. PROND.

QUANTITATIVO DI MATERIALE FINO

(CNR 75/80 AASHTO T112)

DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA

I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI

TIPO DI STRATO / PROFONDITA’ - VOLUMI DI TRAFFICO

ULTERIORI PROVE NEI METODI PRESCRITTIVIFillerVuoti Ridgen (CNR 123/88)Influenza sul legante (CNR 122/88)Suscettibilità all’acqua (spogliamento)% acqua

SabbieResistenza al consumo (CLA 140/92)Composizione chimica (p.e. FeO)

Inerti GrossiResistenza al consumo CLA (CNR 140/92)Resistenza all’Usura “Micro Deval” (CNR 109/85)Indice dei vuoti endogranulari (CNR 65/78)

Massa volumica apparente

Massa volumica reale

Massa volumica effettiva

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CARATTERISTICHE INTRINSECHE DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA

CURVA DI MAX DENSITA’Passante=d^0.45

PUNTI VINCOLATI

ZONA RISTRETTA

Aumentare resistenza ormaie

FUSI GRANULOMETRICI

I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI

TIPO DI STRATO / PROFONDITA’ - VOLUMI DI TRAFFICO

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Pass

ante

[%]

d^045 [mm]

Classi SHARP

Dimensione massima nominale

dell’aggregato [mm]

Dimensione massima

dell’aggregato [mm]37.5 37.5 5025 25 37.519 19 25

12.5 12.5 199.5 9.5 12.5

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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA

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METODI TRADIZIONALI

METODI PRESTAZIONALI -SHRP

STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELA

COMPATTATORE MARSHALL

Difetti:– Non riproduce adeguatamente il

processo di costipamentorealmente subito dalle miscele

Pregi– Basso costo– Portatile

NUOVO METODO DI ADDENSAMENTO DEI 

CAMPIONISuperpave Gyratory 

Compactor

Texas gyratory

compactor

Pressa giratoria Francese

DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE

VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE

Lo SHARP fissa VMA (vuoti nell’aggregato) e VFA (vuoti occupati dal legante) nonché un valore di

progetto dei vuoti nella miscela pari al 4%

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METODI PRESTAZIONALI - SHRP

STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELANUOVO METODO DI 

ADDENSAMENTO DEI CAMPIONISuperpave Gyratory Compactor

Texas gyratory

compactor

Pressa giratoria Francese

DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE

VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE

600 kPa

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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA

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METODI PRESTAZIONALI - SHRP

STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELANUOVO METODO DI 

ADDENSAMENTO DEI CAMPIONISuperpave Gyratory Compactor

Texas gyratory

compactor

Pressa giratoria Francese

DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE

VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE

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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA

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METODI PRESTAZIONALI - SHRP

STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELANUOVO METODO DI 

ADDENSAMENTO DEI CAMPIONISuperpave Gyratory Compactor

Texas gyratory

compactor

Pressa giratoria Francese

DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE

VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE

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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA COMPATTAZIONENumero di passaggi di assi equivalenti in 20 anni (in milioni)

Numero di giri

Ninitial Ndesign Nmax

< 0.3 6 50 75

0.3 to < 3 7 75 115

3 to < 10* 8 (7) 100 (75) 160 (115)

10 to < 30 8 100 160

30 9 125 205

Numero di passaggi di assi equivalenti in 20

anni (in milioni)

Densità espressa in % del Gmm

Ninitial Ndesign Nmax

< 0.3 91.5

96.0 98.0 0.3 to < 3 90.5 3 to < 10

89.0 10 to < 30 > 30

miscmm

s b

se b

WG P PG G

N GIRI FUNZIONE DELLA TEMPERATURA

E DEL TRAFFICO

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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA

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VOLUME DEI VUOTI

Specifiche di 

capitolato per Pb e Vv

IncrementoTpa nel mastice

Specifiche capitolato sui 

fusi granulometrici

CRITERIO CRR (Tradizionale)

Scelta del tipo di miscela (strato, impiego)

Scelta dei costituenti la miscela,

Scelta della distribuzione granulometrica,

Determinazione del volume disponibile per ilmastice bituminoso (bitume+filler) Vq,

Determinazione delle composizione delmastice (rapporto filler/bitume),

Determinazione della percentuale di legantePb

CRITERIO SHRP

Definizione del volume di traffico e delletemperature Max. e min. e della massimadimensione degli aggregati,

Determinazione della classe di legante bituminoso,

Definizione di tre miscele di aggregati (rispettodelle specifiche),

Determinazione del contenuto di bitume iniziale(Vb=Vba +Vbe).

DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE

0.8se sb sa sbG G G G

1 1 1s aba

sb seb s

b se

P VV

G GP PG G

0.81 0.02931 lnbe nV S

100b be babi

b be ba s

G V VP

G V V W

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STUDIO DELLE MISCELE -VOLUMETRIA

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VOLUME DEI VUOTI

CRITERIO SHRP

Definizione del volume di traffico edelle temperature Max. e min. edella massima dimensione degliaggregati,

Determinazione della classe dilegante bituminoso,

Definizione di tre miscele diaggregati (rispetto dellespecifiche),

Determinazione del contenuto dibitume iniziale (Vb=Vba +Vbe).

DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE

Numero di passaggi di assi equivalent in 20 anni (in milioni)

Minimo VMA (%)

Intervalli VFA (%)9.5 mm

(0.375 inch)12.5 mm(0.5 inch)

19.0 mm(0.75 inch)

25.0 mm(1 inch)

37.5 mm(1.5 inch)

< 0.3

15.0 14.0 13.0 12.0 11.0

70 - 80

0.3 to < 3 65 - 78

3 to < 10

65 - 7510 to < 30

30

+VOLUME DEI VUOTI 4%

+RAPPORTO 0.6 ≤ P00.75 / Pbit 1.2

P00.75 = percentuale in peso del filler

Pbit = percentuale in peso del legante

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VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONEVERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE

CRITERIO SHRP Determinazione delle temperature di miscelazione (viscosità= 0.17 0.02

Pa*sec) e di compattazione (viscosità= 0.28 0.03 Pa*sec) Determinazione del N. di giri max. , di progetto e iniziale in funzione delle

temperatura max e del volume di traffico, Miscelazione, Invecchiamento a breve termine (135°C 4 ore), Costipamento (pressa giratoria N=Nmax.), Determinazione della densità (geometrica e corretta) al grado di

compattazione corrispondente a Nmax. e Nprogetto, Calcolo delle seguenti grandezze in corrispondenza della densità raggiunta a

Nprogetto: Volume vuoti, Volume dei vuoti nella miscela di aggregati,Volume riempito dal legante,

Verifica che la densità a Nin <89% della Densità max assoluta e che ladensità a Nmax < 98% Densità max assoluta.

Confronto delle grandezze sopra calcolate con le specifiche, Controllo 0.6 < Filler / bitume < 1.2 Scelta della miscela di aggregati più idonea e stima della percentuale di

bitume che nella miscela scelta realizza il volume dei vuoti del 4% Confezionamento di 4 serie di campioni impiegando la miscela di inerti

individuata e la % di bitume: stimata, stimata 0.5%, stimata+1%:costipamento, e calcolo delle grandezze per la miscela individuata.

Vengono determinate le proprietà volumetriche dei campioni confezionaticon le percentuali di legante prima individuate e viene scelta quella cherealizza la % dei vuoti del 4%

Controllo della sensibilità all’acqua AASHTO T 283 (riduzione della resistenzaa trazione indiretta <20% su provini confezionati al 7% dei vuoti ).

CRITERIO CRR (Tradizionale)Costipamento con il metodomarshall

Controllo dei vuoti residuiControllo della percentuale dibitume

Controllo della stabilità MarshallControllo della Rigidezza Marshall

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STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE

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METODI TRADIZIONALI CRR% DEI VUOTI MARSHALL% VUOTI OCCUPATI DA BITUME(MARSHALL)

MISCELE CON GRANULOMETRIA

CONTINUASTABILITÀ MARSHALLSCORRIMENTORIGIDEZZA MARSHALLPROVA DI ORMAIAMENTO

MISCELE CON GRANULOMETRIA

DISCONTINUA(SMA; DRENANTI ECC.)

PROVA CANTABROPROVA SCHELLENBERG(segregazione)

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SHRP2 LIVELLI DI ANALISI IN FUNZIONE DEL

TRAFFICO

SUPERPAVE SHEAR TESTER

PROVA A TRAZIONE INDIRETTA

2APPARECCHIATURE

6 TIPI DI PROVA (con la stessa app.)

– PROVA VOLUMETRICA– PROVA DI DEFORMAZIONE MONOASSIALE– PROVA A TAGLIO CICLICA A TENSIONE

COSTANTE– PROVA A TAGLIO CICLICA AD ALTEZZA

COSTANTE– PROVA A TAGLIO SEMPLICE AD ALTEZZA

COSTANTE– PROVA A TAGLIO CICLICO A VARIE

FREQUENZE

3 TIPI DI PROVA (con la stessa app.)

– CREEP COMPLIANCE A BASSATEMPERATURA

– RESISTENZA A ROTTURA A BASSATEMPERATURA

– RESISTENZA A ROTTURA ATEMPERATURA INTERMEDIA

CARICO

CAMPIONE

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STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE

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SUPERPAVE SHEAR TESTER

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STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE

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LIVELLO DEGRADO

DI DEFORMAZIONI PERMANENTI FESSURAZIONE PER FATICA FESSURAZIONE DI ORIGINE TERMICA

ANALISI PROVA TEMPERATURA PROVA TEMPERATURA PROVA TEMPERATURA

Prova atagliosemplice adaltezza costante

Teff(DP) Prova a tagliosemplice ad altezzacostante

Teff(FF) Prova di CreepCompliance atrazione indiretta

0° -10° , -20°C

INTERMEDIO

Prove dinamichea taglio(sinusoidale) avarie frequenzedi carico e adaltezza costante

Teff(DP) Prove dinamiche ataglio (sinusoidale)a varie frequenze dicarico e ad altezzacostante

Teff(FF) Resistenza arottura a trazioneindiretta

-10 °C

Resistenza a rotturaa trazione indiretta

Teff(FF)

Prove sinusoidalia taglio a variead altezzacostante e (variefrequenze dicarico)

4°, 20° e40°C

Prove sinusoidali ataglio a varie adaltezza costante e(varie frequenze dicarico)

4°, 20° e40°C

Prova di CreepCompliance atrazione indiretta

0° -10° , -20°C

COMPLETOProve adeformazioneuniassiale

4°, 20° e40°C

Resistenza allatrazione indiretta

-10°, 4° e20°C

Resistenza arottura a trazioneindiretta

-10 °C

Provevolumetriche

4°, 20° e40°C

Prove a tagliosemplice adaltezza costante

4°, 20° e40°C

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NG

LOM

ERAT

IB

ITU

MIN

OSI

STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE

Slide 24

V.N

icol

osi

-C

orso

diPr

oget

todi

Sovr

astr

uttu

reVi

arie

MIX

DES

IGN

CO

NG

LOM

ERAT

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MIN

OSI

STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE

Slide 25

PROVA DI CREEP COMPLIANCE

Si applica un carico che produce unadeformazione orizzontale compresatra 50 e 750 Si misurano le deformazioni orizzontali e verticali durante la prova

RESISTENZA ALLA TRAZIONE INDIRETTA

MISURATA DURANTE LE PROVE DI CREEP

Al termine della prova di Creep ilcampione viene caricato fino allarottura.Il carico corrisponde alla velocità dispostamento verticale di 12.5mm/minuto

V.N

icol

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MIX

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OSI

STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE

Slide 26

RESISTENZA ALLA TRAZIONE INDIRETTA

Il campione viene sottoposto ad unadeformazione controllatacorrispondente ad una velocità dispostamento verticale di 50 mm/minuto.Si misura il carico e la deformazioneindividuando il max carico applicato

V.N

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MIX

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STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE

Slide 27

DATI DI PROGETTO: Strato, Traffico, Clima

MODELLI RELATIVI

AGLI EFFETTI

CLIMATICI

MODELLI DI RISPOSTA DELLE

SOVRASTRUTTURE

MODELLI DI DEGRADO

PREVISIONE DEL COMPORTAMENTO

Deformazioni permanenti (ormaie)Fessurazione a faticaFessurazione termica

CARATTERISTICHE DEI MATERIALI

RISULTATI DELLE PROVE PRESTAZIONALI

DALLO STUDIO DELLE MISCELE ALLA PREVISIONE DEL COMPORTAMENTO COME COSTITUENTI DELLE SOVRASTRUTTURE