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VALUTAZIONE DEL RUOLO DEL LEGANTE SULLA RESISTENZA A FATICA DEI MISTI CEMENTATI.

Convenzione di Ricerca fra l’ Università degli Studi di Parma - DICAteA

e la Società Valli-Zabban di Sesto Fiorentino (FI) OBIETTIVI DELLA RICERCA

La crescente attenzione alle problematiche ambientali ha negli ultimi anni ampliato,

nel campo dell’infrastrutture stradali, l’interesse per l'impiego di prodotti provenienti dal

riciclaggio di materiale di risulta dalla demolizione delle pavimentazioni preesistenti.

Questi, infatti, rappresentano una risorsa di grandissimo valore in quanto consentono il

risparmio di materie prime e la riduzione delle problematiche ambientali legate alla loro

messa a discarica.

Sebbene soggetto a specifico inquadramento normativo nell’ambito della tutela e

della salvaguardia ambientale, il prodotto della demolizione di vecchie pavimentazioni

stradali è oggi ritenuto un materiale da costruzione dalle enormi potenzialità. Quantità e

qualità di fresato, materia prima-seconda nel processo di demolizione e rifacimento di

sovrastrutture stradali flessibili, consentono di spingere la ricerca verso il perfezionamento

delle formulazioni di conglomerati bituminosi a caldo ed a freddo, in situ ed in impianto,

con caratteristiche del tutto simili a miscele costituite da aggregati lapidei di primo

impiego. Specificatamente nell’ambito del cosiddetto riciclaggio a freddo delle

pavimentazioni stradali, lo stato della pratica ha evidenziato alcune criticità operative e

concettuali che risultano di estremo interesse scientifico, la cui risoluzione può costituire

un valido aiuto per tutti i soggetti coinvolti nel processo decisionale di progettazione,

realizzazione e controllo delle pavimentazioni stradali.

In tale contesto si inserisce la presente indagine che ha l’obiettivo di studiare la

possibilità di utilizzare conglomerati bituminosi di riciclo (fresato) nella confezione di

misti cementati per sovrastrutture stradali.

Sono state esaminate tre diverse miscele ottenute dalla combinazione dello stesso

tipo di fresato e diversi tipi di legante: cemento, cemento ed emulsione bituminosa,

cemento e bitume schiumato. I risultati ottenuti hanno consentito di valutare l’influenza dei

diversi leganti sulle prestazioni meccaniche di tali materiali per costruzioni stradali e

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quindi di definire le condizioni migliori di impiego dei materiali di riciclo nella

realizzazione dei misti cementati.

1. ASPETTI GENERALI ED INQUADRAMENTO DELLA RICERCA

Nell’ambito dei materiali per pavimentazioni stradali, la tecnica del riciclaggio a

freddo consiste nel miscelare fresato, proveniente dalla demolizione di vecchie

pavimentazioni, con un agente riciclante ad una temperatura di lavorazione e posa in opera

prossima a quella ambientale, tipicamente estiva con esposizione diretta alla luce solare.

Esistono diversi agenti riciclanti, tra cui emulsione bituminosa, bitume flussato,

bitume schiumato e cemento Portland. Di recente, l’utilizzo di materiale riciclato con

aggiunta di cemento ed emulsione bituminosa o bitume schiumato è diventato sempre più

diffuso nei paesi Europei grazie alla velocità e facilità di realizzazione ed impiego e al

vantaggio economico fornito. Nell’ambito delle tecniche di riciclaggio a freddo, questi due

additivi vengono tradizionalmente combinati con una piccola quantità di cemento (1-2% in

peso) per accelerare il processo di rottura degli additivi stessi. Il cemento ha infatti la

capacità di accelerare il processo di maturazione delle miscele consumando parte

dell’acqua negli additivi.

I misti cementati rappresentano un’alternativa ai tradizionali materiali riciclati a

freddo per sovrastrutture stradali. Tali miscele sono ottenute combinando, durante il

processo di riciclaggio, una più elevata percentuale di cemento (tipicamente dal 2% al 6%

in peso) con gli additivi tradizionali.

Studi precedenti hanno dimostrato che la combinazione di particelle di bitume con

una matrice cementizia rigida permette di ottenere un materiale con elevate prestazioni

meccaniche. Tuttavia, questi materiali risultano apparentemente più rigidi e quindi

maggiormente soggetti a fessurazione e contrazione termica. Risulta quindi fondamentale

individuare quale combinazione fresato-additivo sia in grado di fornire le migliori

prestazioni meccaniche.

Per tali motivazioni è stato effettuato uno studio sperimentale di caratterizzazione

meccanica su tre diversi tipi di misti cementati composti interamente dallo stesso tipo di

fresato (stessa curva granulometrica) ma diversi tipi di legante, in particolare cemento,

cemento ed emulsione bituminosa, cemento e bitume schiumato. Lo studio ha previsto

l’esecuzione di tre diversi tipi di prove sperimentali: trazione indiretta, compressione

assiale e modulo resiliente. E’ stata inoltre valutata la resistenza a fatica di tali materiali

tramite l’esecuzione di una prova di trazione indiretta, denominata ITFT (Indirect Tensile

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Fatigue Test), utilizzata normalmente per valutare la vita utile di un pavimentazione in

conglomerato bituminoso.

2. MATERIALI

2.2 Fresato

L’aggregato riciclato impiegato per il confezionamento delle miscele di prova

proviene da cumulo di materiale stoccato dopo la fresatura di strati legati a bitume di

pavimentazione autostradale a sua volta prevagliato e pervenuto in laboratorio in sacchi

con materiale di pezzatura 0/8 mm (tabella 1) e 8/30 mm (tabella 2).

Le analisi granulometriche sono state condotte rappresentando la cosiddetta “curva

nera” unitamente alla cosiddetta “curva bianca”, rispettivamente relative alla distribuzione

granulometrica del fresato tal quale e del residuo dell’estrazione del bitume residuo nello

stesso fresato. Le caratteristiche del bitume estratto dal fresato sono riportate in tabella 3.

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Tabella 1. Analisi granulometrica del fresato (pezzatura 0-8mm).

Campione Fresato 0/8 mm

Luogo di prelievo cumulo di stoccaggio fresatura a tutto spessore

Data prelievo 31 -01-06

Bitume sul peso degli inerti (UNI EN12697-1 B.1.5) 5,11 %

Analisi Granulometrica (UNI EN12697-2)

Crivelli e Setacci UNI Ø mm Passante Passante

% nero % bianco

Crivello 40 40 100,0 100,0

Crivello 30 30 100,0 100,0

Crivello 25 25 100,0 100,0

Crivello 20 20 100,0 100,0

Crivello 15 15 100,0 100,0

Crivello 10 10 99,7 99,8

Crivello 5 5 63,7 73,9

Setaccio 2 2 28,4 48,6

Setaccio 0,42 0,42 1,1 18,3

Setaccio 0,18 0,18 0,3 11,9

Setaccio 0,075 0,075 0,2 8,7

Tabella 2. Analisi granulometrica del fresato (pezzatura 8-30mm).

0,075 0,18 0,42 2 5 10 15 20 25 30 40

0

20

40

60

80

100

% p

ass

ant

e al

set

acc

io

Fresato nero Fresato bianco

Analisi granulometrica

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Campione Fresato 8/30 mm

Luogo di prelievo cumulo di stoccaggio fresatura a tutto spessore

Data prelievo 31 -01-06

Bitume sul peso degli inerti (UNI EN12697-1 B.1.5) 3,88 %

Analisi Granulometrica (UNI EN12697-2)

Crivelli e Setacci UNI Ø mm Passante Passante

% nero % bianco

Crivello 40 40 100,0 100,0

Crivello 30 30 100,0 100,0

Crivello 25 25 95,7 99,0

Crivello 20 20 82,9 96,4

Crivello 15 15 64,1 93,6

Crivello 10 10 30,3 63,4

Crivello 5 5 4,7 32,8

Setaccio 2 2 1,5 22,0

Setaccio 0,42 0,42 0,5 11,3

Setaccio 0,18 0,18 0,1 7,2

Setaccio 0,075 0,075 0,0 4,9

Tabella 3: Risultati dell’analisi del bitume estratto dal fresato.

0,075 0,18 0,42 2 5 10 15 20 25 30 40

0

20

40

60

80

100

% p

ass

ant

e al

set

acc

io

Fresato nero Fresato bianco

Analisi granulometrica

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Prove Saggio n. 1 Saggio n. 2

Penetrazione @ 25°C (dmm) 14 10

Punto di rammollimento (°C) 80.0 74.2

Viscosità @ 60°C (Pa·s) 18200 24300

Viscosità @ 100°C (Pa·s) 43 50

Viscosità @135°C (Pa·s) 2.01 2.71

Viscosità @160°C (Pa·s) 0.50 0.75

Viscosità @180°C (Pa·s) 0.22 0.38

Punto di rottura Fraass (°C) -1 -1

Contenuto di insolubili n-eptano 27.1% 30.3%

2.1 Additivi

Per il confezionamento delle miscele di conglomerato riciclato a freddo sono stati

utilizzati due diversi tipi di additivi: un’emulsione bituminosa sovrastabilizzata e un

bitume schiumato, specifici per il riciclaggio a freddo del fresato stradale, in accordo con le

prescrizioni del Capitolato Speciale d’Appalto A.N.A.S. del 2004: “Manutenzione e

costruzione delle pavimentazioni – Norme tecniche d’appalto prestazionali”.

In particolare sono stati impiegati un’emulsione Rigeval MC prodotta con bitume

distillato 50/70 e un bitume schiumato prodotto con bitume 70/100. Entrambi gli additivi

sono stati realizzati dalla Valli Zabban.

2.3 Cemento e filler

Il cemento impiegato nelle miscele è cemento pozzolanico di classe di resistenza

325 conforme alle prescrizioni del Capitolato Speciale d’Appalto A.N.A.S. 2004:

“Manutenzione e costruzione delle pavimentazioni – Norme tecniche d’appalto

prestazionali”. Il filler d’integrazione è costituito da polvere di carbonato di calcio passante

interamente al setaccio 200 della serie ASTM. L’aggiunta di filler all’impasto è stata fatta

allo scopo di correggere la parte fine della curva granulometrica del fresato tal quale e

renderla così idonea per le caratteristiche di addensamento richieste al conglomerato.

3. PROGETTO DELLE MISCELE

Sono state confezionate 3 differenti miscele, tutte costituite esclusivamente da

fresato, caratterizzate dalla stessa curva granulometrica “nera” e ciascuna legata con i

seguenti leganti:

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- MISCELA CM: 3.5% cemento sul peso degli aggregati asciutti;

- MISCELA CME: 3.5% cemento + 3% emulsione Rigeval MC misto cementato sul peso

degli aggregati asciutti;

- MISCELA CMF: 3.5% cemento + 3% bitume schiumato sul peso di fresato asciutto.

La curva granulometrica dell’aggregato, costituita interamente da 70% di aggregati

naturali, 30% di fresato ed integrata da filler e cemento, è riportata in Figura1.

Figura 1: Curva granulometrica misto cementato

I provini delle tre differenti miscele, nel quantitativo iniziale di 4500 grammi di

conglomerato, sono stati compattati per mezzo della pressa a taglio giratoria imponendo

una pressione di 600 kPa, angolo di rotazione di 1.25° e un numero di giri pari a 180, con

velocità di rotazione pari a 30 giri al minuto. I provini hanno diametro pari a 150 mm e

altezze comprese tra 110 mm e 118 mm, in accordo con il Capitolato Speciale d’Appalto

A.N.A.S 2004.

Per ogni miscela sono stati utilizzati due provini cilindrici per le prove di

compressione assiale, mentre altri cinque provini cilindrici sono stati tagliati, ottenendo 10

provini circolari di 50 mm di spessore, per l’esecuzione dei test di trazione indiretta,

modulo resiliente e fatica.

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4. DESCRIZIONE DEI TEST EFFETTUATI

Sono state effettuate quattro diverse prove sperimentali per valutare le

caratteristiche meccaniche e prestazionali dei tre misti cementati: trazione indiretta,

compressione assiale, modulo resiliente e resistenza a fatica.

Per la determinazione dello stato deformativo dei provini soggetti a carico ciclico è

stato utilizzato un metodo di misura basato su tecniche di Correlazione di Immagini

Digitali, appositamente creato per la valutazione delle mappe di deformazione di provini di

conglomerato bituminoso soggetti a carichi statici o ciclici senza l’utilizzo dei tradizionali

estensimetri.

4.1 Prove di Compressione Assiale

Questa prova consiste nell’applicazione di un carico di compressione verticale su

un provino cilindrico non confinato lateralmente. Le tre miscele sono state testate ad una

temperatura di 25°C applicando una abbassamento costante della traversa ad una velocità

di 1.00mm/min. La resistenza a compressione assiale viene calcolata come tensione di

compressione massima che il provino riesce a sostenere prima della rottura secondo la

seguente equazione:

APv /=σ (Eq. 1)

dove:

σv = sollecitazione di compressione non confinata,

P = carico applicato,

A = area della sezione trasversale del provino.

4.2 Prove di Modulo Resiliente

Il Modulo Resiliente è definito come il rapporto tra tensione applicata e

deformazione recuperabile durante una sollecitazione di tipo ciclico.

Questa prova è stata effettuata a una temperature di 20°C in controllo di carico

applicando un’onda di carico sinusoidale a un provino cilindrico di 50 mm di spessore per

0.1 secondi, seguita da un rest-period di 0.9 secondi per un totale di 5 secondi, mantenendo

le deformazioni orizzontali tra 150 e 350 micro-strain. Il Modulo Resiliente è stato

calcolato utilizzando la procedura ASTM D4123:

basat

l’Uni

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a 9 di 17

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registrata

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Pagina 10 di 17

Figura 2: Configurazione del sistema di misura basato sulla correlazione d’immagine

Prima che venga eseguita la prova, il provino richiede un trattamento preliminare

per garantire il corretto funzionamento della tecnica alla base della correlazione

d’immagine. Questo trattamento consiste nella realizzazione di un pattern omogeneo

tramite l’utilizzo di vernici ad acqua.

4.3 Prove di Trazione Indiretta

Tale test è stato eseguito a 25°C caricando staticamente un provino circolare di 50

mm di diametro fino a rottura, applicando una velocità di abbassamento traversa costante

pari a 50mm/min. La configurazione della prova è mostrata in Figura 3. I piatti superiore e

inferiore misurano 25.4x50.8 mm. Le resistenze a trazione sono state calcolate secondo la

procedura sviluppata da Roque and Buttlar:

DtPh πσ /2= (Eq.2)

dove:

σh = sollecitazione a trazione al centro del provino,

P = carico applicato,

D = diametro del provino,

t = spessore del provino.

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Figura 3. Configurazione della prova a Trazione Indiretta

4.4 Prove di Fatica

La resistenza a fatica dei diversi materiali è stata determinata attraverso una prova

di trazione indiretta, denominata ITFT (Indirect Tensile Fatigue Test), tradizionalmente

utilizzata normalmente per valutare la vita utile di un pavimentazione in conglomerato

bituminoso. La prova è stata eseguita ad una temperatura di 20°C su provini circolari di

circa 50 mm di spessore applicando una sollecitazione ciclica lungo il piano diametrale

verticale, tale da generare uno sforzo di trazione lungo il diametro orizzontale. La

configurazione di prova di tale test è mostrata in Figura 4.

Figura 4. Configurazione della prova a fatica Idirect Tensile Fatigue Test

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Come mostrato in Figura 5, la sollecitazione di tipo ciclica applicata al provino

produce lo sviluppo di tensioni di entità variabile lungo i diametri, in termini sia di

compressione verticale sia di trazione orizzontale che risultano massime in corrispondenza

del centro del provino. Applicazioni ripetute della sollecitazione verticale generano una

rottura al centro del provino che rapidamente si propaga radialmente verso l’esterno finché

non sopravviene il collasso.

Figura 5. Distribuzione delle tensioni generate nel provino durante la prova a fatica

Su questo tipo di test sono stati condotti molti studi, in particolare dall’Università di

Nottingham, ed è emerso che, se la temperatura a cui viene condotta la prova non supera i

30°C, è possibile applicare la teoria elastica lineare per calcolare le condizioni di tensione e

deformazione nel provino.

Il punto di inizio rottura (Nr) è definito come il punto di massimo della curva

rappresentata in un grafico con numero di cicli N in ascissa e rapporto tra numero del ciclo

e relativa deformazione verticale (N/Δp) in ordinata (Figura 6). Questa definizione, basata

sul concetto di energia dissipata, considera che la rigidezza sia inversamente proporzionale

alla deformazione verticale.

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Figura 6. Definizione del punto di inizio rottura del provino

Le curve di fatica realizzate seguendo questo approccio, si ottengono mettendo in

relazione la deformazione iniziale, ovvero la deformazione registrata all’inizio del test di

fatica (deformazione che può essere assunta come la deformazione indotta nel materiale

dal carico veicolare ad inizio vita utile, ovvero a materiale sostanzialmente integro), ed il

numero di cicli a cui avviene la rottura del campione.

5. RISULTATI DELLE PROVE SPERIMENTALI

Di seguito sono descritti i risultati delle prove di caratterizzazione meccanica e

prestazionale delle tre miscele. Le prove di compressione assiale e trazione indiretta sono

state effettuate su provini maturati sia a 7 che a 28 giorni, mentre per le prove di modulo

resiliente e di fatica si sono utilizzati provini maturati solo a 28 giorni.

5.1 Risultati delle prove di compressione assiale

I risultati delle prove di compressione assiale sono mostrati in Figura 7.

Confrontando le resistenze a compressione ottenute dalla miscela composta solo da

cemento come legante da quella composta da cemento e bitume schiumato si nota che la

differenza è inferiore al 5% per entrambi i tempi di maturazione. Il misto cementato

composto da emulsione e cemento invece mostra una resistenza a compressione inferiore

del 30% dopo 7 giorni di maturazione e inferiore dell’11% dopo 28 giorni di maturazione.

Questi risultati indicano che l’aggiunta di un legante bituminoso sotto la forma di

emulsione a un fresato legato a cemento può interferire con i legami cementizi diminuendo

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la resistenza del materiale. I risultati inoltre mostrano che l’aggiunta del bitume schiumato

a un misto cementato composta da fresato non ne migliora la resistenza a compressione.

Infine i risultati confermano che maggiore è il tempo di maturazione della miscela,

migliore è la sua resistenza.

Figura 7. Risultati delle prove si compressione assiale

5.2 Risultati delle prove di trazione indiretta

Dai risultati delle prove di trazione indiretta, mostrati in Figura 8, si può osservare

che la resistenza a trazione è fortemente ridotta dall’aggiunta dell’emulsione bituminosa.

La miscela composta da bitume schiumato invece mostra una resistenza a trazione

pressoché doppia rispetto agli altri due tipi di misti cementati. Una possibile spiegazione a

tale fenomeno può essere attribuita alla tendenza più pronunciata dell’emulsione

bituminosa a racchiudere il materiale fine (incluso il cemento) rispetto al bitume

schiumato. In tal modo, l’emulsione ricopre il cemento e impedisce la formazione di un

legame cementizio, riducendo così la resistenza a trazione del materiale complessivo.

7 GIORNI MATURAZIONE 28 GIORNI MATURAZIONE

CM (cemento) 1.15 1.47

CME (cemento+emulsione) 0.88 1.33

CMF (cemento+schiumato) 1.10 1.48

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

RESISTENZA

 A COMPR

ESSIONE (M

pa)

Pagina 15 di 17

Figura 8. Risultati delle prove di trazione indiretta

5.3 Risultati delle prove di modulo resiliente

I risultati delle prove di modulo resiliente sono mostrati in Figura 9. Come ci si

aspettava, il misto cementato, composto interamente da cemento come legante, mostra il

più basso valore di elasticità risultando un materiale non idoneo per l’impiego in

costruzioni stradali. Significativo risulta invece il valore ottenuto per il misto cementato

legato con emulsione bituminosa. Tale risultato conferma ciò che è stato osservato

precedentemente: il materiale esibisce un’eccessiva rigidezza, risultando un materiale

fragile e quindi facilmente soggetto a frattura. La miglior miscela dal punto di vista delle

caratteristiche meccaniche e prestazionali risulta quindi il misto cementato legato con

bitume schiumato che mostra un valore di modulo resiliente sufficientemente alto per

garantire un’adeguata elasticità, ma allo stesso tempo non tale da irrigidire eccessivamente

il materiale.

7 GIORNI MATURAZIONE 28 GIORNI MATURAZIONE

CM (cemento) 0.32 0.37

CME (cemento+emulsione) 0.24 0.34

CMF (cemento+schiumato) 0.52 0.68

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

RESISTENZA

 A TRAZIONE INDIRETTA

 (Mpa)

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Figura 9. Risultati delle prove di modulo resiliente

5.4 Risultati delle prove fatica

I risultati delle prove di fatica sono mostrati in figura 10. La prima considerazione

che si evince è un a sostanziale analogia nel comportamento a fatica del misto cementato

tal quale e del misto cementato addizionato con bitume schiumato: questo comportamento

si può attribuire al fatto che il bitume schiumato tende a disporsi prevalentemente sulla

frazione di maggiori dimensioni della curva granulometrica, lasciando che il cemento

continui a giocare il ruolo principale nel determinare il comportamento del materiale, e

quindi non creando un una reale differenziazione dalle miscele legate con solo cemento.

Per quanto riguarda il misto cementato con aggiunta di emulsione si osserva un

migliore comportamento rispetto alle altre (la curva di fatica posta al di sopra delle altre

indica che a parità di deformazione iniziale e necessario un maggior numero di cicli per

causare la rottura del materiale), in questo caso la ragione di tale comportamento è

attribuibile alla tendenza dell’emulsione di distribuirsi sulla parte fine della curva

granulometrica, influenzando quindi in modo significativo il comportamento de formativo

del materiale, in particolare incrementandone la componente viscosa, il che permette al

materiale di dissipare più facilmente l’energia di deformazione generata dall’applicazione

del carico.

MODULO RESILIENTE

CM (cemento) 2.13

CME (cemento+emulsione) 5.02

CMF (cement+schiumato) 4.52

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

MODULO

 RESILIENTE (G

Pa)

Pagina 17 di 17

6. CONCLUSIONI

La campagna di test eseguita sui misti cementati tal quale e con aggiunta di bitume

schiumato ed emulsione di bitume naturale (Rigeval MC) evidenziano come l’aggiunta di

bitume, che sia sotto forma di bitume schiumato oppure che sia sotto forma di emulsione,

induce un miglioramento delle caratteristiche prestazionali delle miscele: questo è messo in

evidenza dal maggior valore del modulo resiliente che queste miscele hanno in confronto

con il modulo del misto cementato tradizionale. Questo significa innanzi tutto una maggior

resistenza alla fessurazione delle miscele. Particolare non trascurabile se consideriamo che

la problematica principale dei misti cementati è la eccessiva tendenza alla fessurazione,

tanto che in alcuni casi di pavimentazioni con strato di fondazione in misto cementato, si

rende necessario ricorrere all’impiego di reti contro la propagazione delle fessure (le

cosiddette reti anti - reflective cracking).

Dal punto di vista della resistenza a fatica però la differenza sostanziale è fatta

dall’impiego dell’emulsione bituminosa: in questo caso infatti si osserva come le miscele

contenenti bitume schiumato non riescono ad avere prestazioni sostanzialmente diverse dai

misti cementati tradizionali, mentre i misti cementati con emulsione bituminosa hanno una

resistenza a fatica superiore ad entrambi.

Il Responsabile Scientifico della Convenzione di Ricerca

Prof. Ing. Antonio Montepara