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UNA CORRELAZIONE ANALITICA FRA IL COSTIPAMENTO MARSHALL E CON PRESSA GIRATORIA DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI


Maurizio Bocci
Istituto di Strade e Trasporti - Università degli Studi di Ancona


Gianluca Cerni
Istituto di Strade e Trasporti - Università degli Studi di Ancona

 


SOMMARIO

Attualmente nel nostro Paese il costipamento impulsivo Marshall rappresenta la tecnica più utilizzata per il progetto ed il controllo dei conglomerati bituminosi, anche se studi più recenti (SHRP) individuano metodologie differenti di progetto delle miscele basate sull’utilizzo della pressa giratoria. Per continuare a sfruttare le ampie conoscenze acquisite con il metodo Marshall anche nel ricorso ai nuovi metodi è opportuno ricercare le correlazioni esistenti fra le due tecniche di compattazione.
Con il presente lavoro tali tecniche sono state messe a confronto ponendo come parametro di comparazione la composizione volumetrica finale delle miscele compattate. È infatti ben noto che le proprietà meccaniche dei conglomerati, che determinano le prestazioni delle pavimentazioni, dipendono fortemente dalle proprietà volumetriche delle miscele stesse.
A tal fine sono state confezionate miscele di conglomerato bituminoso caratterizzate da uno stesso assortimento granulometrico (quello  richiesto  per  lo
strato di usura) ma aventi differenti percentuale di vuoti (0.5÷14%) e di bitume (4÷6%).
L’elaborazione dei dati ha permesso di comprendere e confrontare le evoluzioni dei processi di compattazione conseguibili con le due tecniche di costipamento. In particolare si è ottenuta, per i materiali esaminati, un’espressione che consente di determinare il numero di giri della pressa giratoria necessari per avere la stessa composizione volumetrica del conglomerato che si avrebbe con un prefissato numero di colpi del pestello Marshall.


ABSTRACT

Nowadays in our country the Marshall impulsive compaction is the most used technique for designing and controlling bituminous mixes, even if more recent works (SHRP) characterize different methods to design mixes by the use of the giratory compactor. In order to continue in exploiting the vast knowledge acquired by the marshall method even in adopting the new ones, it is advisable to investigate the correlation existing between the two compaction techniques.
In this work such techniques have been compared, taking as comparison parameter the final volumetric composition of the compacted mixes. In fact, it is well known that the mechanical properties of the asphalt concrete, which determine pavement performances, highly depend on the volumetric properties of mixtures themselves.
For this reason asphalt concrete mixtures have been prepared, all characterized by the same gradation curve (the one required for the wearing course layer), but having different percentage in voids (0.5÷14%) and bitumen (4÷6%).
Data processing allowed to understand and compare the progress of the densification
processes achievable with the two techniques. In particular, for the studied materials, a relation has been obtained which allows to determine the number of press gyrations needed to obtain the same volumetric composition as would be obtain with a fixed number of blows by the Marshall rammer.


1. INTRODUZIONE
In questi ultimi anni la ricerca ha ampiamente dimostrato che la durabilità delle pavimentazioni dipende strettamente dalle proprietà volumetriche delle miscele bituminose. Esistono chiare indicazioni della relazione esistente fra le proprietà volumetriche e quelle meccaniche come la stabilità [17] e la resistenza all’ormaiamento e alla fatica [SHRP].
Per questa ragione nella realizzazione degli strati delle sovrastrutture flessibili la fase operativa di compattazione assume un particolare rilievo tanto che un mediocre costipamento in sito può rendere vani accurati studi delle miscele bituminose condotti in fase di progetto.
Va inoltre sottolineato che il mix-design di una miscela viene effettuato in laboratorio con metodi di costipamento ed apparati profondamente diversi da quelli utilizzati in cantiere. Ed è per questo motivo che lo studio del costipamento in laboratorio e la sua correlazione con quello in sito sono temi che da parecchi anni affascinano i ricercatori del settore. Per di più tali studi risultano ampliati e complessi a causa dell’esistenza di diverse tecniche di simulazione di costipamento impiegate nei diversi laboratori di ricerca sparsi nel mondo.
La compattazione in laboratorio delle miscele bituminose avviene generalmente attraverso apparati e fustelle di dimensioni diverse secondo la tecnica utilizzata. Lo scopo della compattazione in laboratorio è di realizzare campioni di conglomerato, da sottoporre a diversi tipi di prove, aventi caratteristiche simili a quelle prodotte dai rulli, in fase di realizzazione della stesa, e dal traffico in esercizio. Le tecniche di compattazione usate nelle procedure di mix design e nei controlli di qualità sono principalmente tre: impulsiva (Marshall), ad impasto (Hveem) e con pressa giratoria (Superpave gyratory).
Esistono anche altri metodi di costipamento in laboratorio come le tecniche che impiegano la compressione e/o la vibrazione e diversi tipi di rullo gommato o di acciaio
(Rolling Wheel Compactor).


2. DEFINIZIONE DEL PROGRAMMA SPERIMENTALE
La ricerca è stata condotta allo scopo di valutare l’influenza della tecnica di costipamento in laboratorio sull’addensamento delle miscele. In particolare, il confronto è stato realizzato fra le due attrezzature più diffuse nei laboratori stradali: il martello Marshall e la pressa a taglio giratoria Superpave.
Si sono presi in esame tre tipologie di miscele, per le quali si è mantenuto costante l’assortimento granulometrico e si è variata la percentuale di bitume, in modo da ottenere, attraverso la variazione dell’energia di costipamento, un intervallo di variazione della percentuale dei vuoti abbastanza ampio e quindi sufficientemente significativo per valutare le differenze fra le due tecniche.
Infatti risulta di grande interesse confrontare le due tecniche ponendo come parametro comparativo la composizione volumetrica delle miscele perché, per quanto detto precedentemente, da queste ultime dipendono le proprietà meccaniche dei conglomerati e quindi le prestazioni delle pavimentazioni.
I livelli di energia di costipamento sono stati prescelti non casualmente. Per quanto riguarda il confezionamento dei provini con la pressa giratoria i numeri di giri sono stati scelti in modo da coprire i livelli significativi di costipamento presi in considerazione dalla procedura SUPERPAVE, variabili in relazione al traffico e alla temperatura del sito. Per i provini Marshall i numeri di colpi selezionati sono tali da coprire i tre livelli di compattazione che la procedura Marshall considera in relazione al traffico ed indipendentemente dalla temperatura (35-50-75 colpi per faccia, rispettivamente per traffico inferiore a 104, fra 104 e 106, superiore a 106 passaggi ESAL).


2.1. Materiali utilizzati
Nell’ambito di quest’indagine volta a correlare le due tecniche di compattazione si è ritenuto opportuno orientarsi verso una miscela impiegata in modo diffuso nelle pavimentazioni stradali. Si è fatto pertanto riferimento, nella definizione della granulometria, al fuso ANAS per strati di usura, optando per un assortimento granulometrico che si collocasse al centro del fuso stesso.
Per quanto riguarda il tipo di materiale lapideo si è scelto un inerte basaltico per le pezzature grossolane (5/12), sabbia calcarea di frantumazione e filler calcareo di recupero.
Come legante si è impiegato un comune bitume 70/100. La scelta di un unico tipo di bitume non limita le osservazioni dedotte con la presente sperimentazione al solo legante impiegato, ma possono essere genericamente estese ad altri tipi di bitume. Infatti nel confezionare i provini, come più avanti riportato, si sono impiegate procedure basate sulla determinazione delle temperature di equiviscosità (adottate in Superpave): in tal modo qualunque legante impiegato influenzerebbe nello stesso modo le fasi di miscelazione e compattazione dei campioni, in quanto in entrambe le fasi qualsiasi bitume deve possedere una ben definita e costante viscosità di riferimento.


2.2. Programma della sperimentazione
Le miscele testate per la sperimentazione sono state confezionate con diverse percentuali di legante facendo riferimento a quanto riportato nei più diffusi Capitolati che, per strati di usura, indicano percentuali comprese tra il 4% e il 6% di bitume riferito al peso degli aggregati.
In particolare sono state scelte tre percentuali di bitume: 4, 5 e 6% riferite al peso degli aggregati. Per ognuno dei tre tipi di miscela sono stati realizzati, mediante due distinti impasti, 20 provini, otto con il metodo Marshall e dodici con la tecnica giroscopica.
Il numero complessivo di provini confezionati è stato dunque di 60.
La percentuale dei vuoti residui è stata determinata su tutti i campioni con il metodo della paraffina.
Allo scopo di verificare l’eventuale azione di disturbo del costipamento da parte delle pareti delle fustelle, i provini sono stati privati della superficie laterale e delle due basi
per mezzo di una sega (in presenza di acqua per evitare il riscaldamento del conglomerato) in modo da formare dei parallelepipedi che sono stati sottoposti nuovamente alla determinazione dei vuoti con il metodo della paraffina.
La misurazione dei vuoti è stata dunque effettuata su 120 provini: 60 interi e 60 nuclei.


2.3. Modalità di esecuzione dei provini
Per standardizzare le operazioni di miscelazione e compattazione si sono individuate preliminarmente le temperature di equiviscosità. Queste temperature sono, per definizione, quelle corrispondenti rispettivamente a viscosità di 0.170 Pa•s e 0.280 Pa•s.
La misurazione è stata condotta con il Dynamic Shear Rheomether, mediante un’analisi in continuo (control stress) con una configurazione piatto-cono nella quale risulta costante lo stato tensionale sul provino. In particolare si è utilizzato il sistema piatto cono da 25 millimetri, sul cui piatto è stato disposto un provino di 0.74 gr.
Secondo il protocollo SHRP noti i valori di viscosità ottenuti per le temperature di 135°C e 165°C, si possono ricavare, mediante interpolazione, le temperature di miscelazione e compattazione corrispondenti ai valori di viscosità suddetti.
Nel caso specifico le temperature sono risultate essere rispettivamente 145°C e 122°C.
Per ogni miscela da realizzare sono stati predisposti i quantitativi di aggregati e bitume per confezionare 10 provini da circa 1.2 Kg, rispettivamente 6 per la pressa giratoria e 4 per la Marshall. Gli aggregati sono stati tenuti in forno per due ore e mezza alla temperatura di 175°C, secondo la norma SHRP M-002 che prevede il riscaldamento degli aggregati ad una temperatura di 30° superiore alla temperatura di miscelazione del bitume. Il bitume è stato scaldato per due ore in forno a 145°C (temperatura di equiviscosità).
La miscelazione è stata realizzata attraverso un miscelatore meccanico, prima impastando solo bitume e aggregati poi aggiungendo il filler.
Terminate le operazioni di miscelazione sono stati pesati 10 quantitativi da 1.2 Kg circa e sono stati messi in forno a 135°C secondo un criterio progressivo in modo tale che ognuno rimanesse in stufa per un tempo di 4 ore necessario, secondo la procedura SHRP, per invecchiare a breve termine un conglomerato bituminoso realizzato con inerti poco assorbenti.
Nella stessa stufa, sono state riscaldate le fustelle per la pressa giratoria e le fustelle
Marshall.
Esaurito il tempo per l’invecchiamento a breve termine si sono confezionati nell’ordine
predisposto quattro provini Marshall e sei con la pressa giratoria.
Al fine di disporre di un numero maggiore di dati lo stesso procedimento è stato ripetuto per ogni percentuale di bitume su un secondo impasto.
Per i provini compattati con la pressa giratoria (SHRP M-002) sono stati imposti i
seguenti parametri di prova:
·     angolo di inclinazione 1.25°
·     pressione di costipamento 600 KPa
·     velocità di rotazione 30 giri/minuto
·     numero di giri prefissato pari a 7, 25, 50, 100, 150 e 200.
Con il martello Marshall i quattro provini di ogni impasto sono stati costipati nell’ordine con 25, 50, 75, 100 colpi.


3. ANALISI ED INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI
3.1. Provini addensati con la pressa giratoria

Nel grafico riportato in figura 1 sono sintetizzati i risultati in termini di contenuto di vuoti al variare del numero di giri in relazione alla percentuale di bitume per tutti i provini costipati con la tecnica giroscopica. I valori riportati sono la media ottenuta con due impasti differenti.
Dalla lettura del suddetto grafico si può ritrovare un risultato già ben noto in letteratura ovvero la diminuzione del contenuto di vuoti all’aumentare della percentuale di bitume e dell’energia di costipamento.
In particolare è possibile verificare che la maggior parte dell’addensamento per tutti i provini sembra avvenire fra i 50 o al massimo 100 giri. Analoghe considerazioni possono essere fatte per i vuoti misurati nei nuclei, cioè nella parte centrale dei campioni, anche se questi risultano in valore sempre inferiori ai vuoti rilevati nei corrispettivi provini. Questo risultato è probabilmente dovuto all’effetto di disturbo indotto dalle pareti della fustella. In effetti durante il costipamento giroscopico, sebbene agiscano all’interno del campione azioni interne complesse (normali, taglianti e torcenti) che favoriscono un migliore arrangiamento e rimescolamento degli aggregati, le pareti della fustella vincolano i grossi aggregati a disporsi parallelamente ad esse non permettendo così un’uniformità di addensamento del provino.


Figura 1. Tecnica giroscopica - andamento della percentuale media dei vuoti in funzione del numero di giri al variare della percentuale di bitume


Con riferimento all’influenza alla percentuale di bitume sul contenuto dei vuoti emergono altre considerazioni. In primo luogo si evidenza nel contenuto dei vuoti una differenza notevole fra i provini confezionati con il 4 e il 5% di bitume, superiore rispetto a quella tra i campioni confezionati con il 5 e il 6%. In secondo luogo si può osservare come all’aumentare della percentuale di bitume e dell’energia di costipamento diminuisce leggermente la differenza in termini di contenuto di vuoti fra il provino e il suo relativo nucleo, fino ad annullarsi per i provini con il 6% di bitume addensati a 150 e 200 giri.
Quest’ultima osservazione può trovare spiegazione nel fatto che se il 4% di bitume è una quantità appena sufficiente a ricoprire gli aggregati, con le due percentuali più alte la maggiore quantità di bitume, per effetto della rotazione del campione, potrebbe refluire verso la periferia del provino compensando in parte l’effetto di disturbo della fustella.


3.2. Provini addensati con la tecnica Marshall
In figura 2 è riportato l’andamento della percentuale media dei vuoti, ottenuta per due impasti, in funzione del numero di colpi e al variare della percentuale di bitume. Anche in questo caso, la lettura immediata del grafico non fa che confermare la ben nota influenza della quantità di energia apportata e di bitume impiegato sulla riduzione del contenuto dei vuoti.
Però un’attenta analisi degli andamenti e del loro confronto con quelli ottenuti con la tecnica di costipamento precedente fa sorgere ulteriori considerazioni.


Figura 2. Tecnica Marshall - andamento della percentuale media dei vuoti in funzione del numero di colpi al variare della percentuale di bitume


Con la tecnica giroscopica una percentuale di bitume più elevata favorisce una maggiore riduzione di vuoti rispetto a quella verificatisi con il 4% di legante. Invece l’effetto del costipamento Marshall, sempre dipendente dalla percentuale di bitume, appare nettamente differente: con il 4% di legante il provino anche dopo i 100 colpi sembra avere una tendenza a costiparsi ulteriormente sotto l’azione del maglio, mentre con il 5% e il 6% vi è una progressiva e anticipata tendenza al rifiuto del materiale ad addensarsi rispettivamente dopo 75 e 50 colpi.
Come si può osservare dalla stessa figura 2 il contenuto di bitume influisce moltissimo su uno scarso addensamento; infatti, a 25 colpi si ha una riduzione elevatissima del contenuto di vuoti passando dal 5 al 6% di bitume. All’aumentare dell’energia di costipamento l’influenza del contenuto di bitume si riduce.
Inoltre a differenza dei provini costipati con la tecnica giroscopica, il divario di addensamento fra nucleo interno e provino non sembra diminuire con l’aumentare del contenuto di bitume. Ciò fa supporre che la tecnica impulsiva diversamente da quella giroscopica non consente facilmente al bitume di migrare verso le pareti della fustella e occludere i maggiori vuoti ivi presenti.


3.3. Correlazione tra costipamento Marshall e con pressa giratoria
Dai dati “grezzi" ottenuti con la presente sperimentazione, non è possibile trovare una correlazione diretta fra le due tecniche di costipamento in quanto l’unico dato comune per le due serie di provini è la percentuale di bitume impiegata nelle miscele.
Considerato che le prestazioni meccaniche dei conglomerati bituminosi dipendono strettamente dalle proprietà volumetriche, ed in particolare dalla combinazione volumetrica delle tre fasi (aggregati, bitume ed aria), si è scelto di elaborare i dati delle due serie di provini in modo da ricavare il numero di giri ed il numero di colpi necessari per produrre la stessa composizione volumetrica.
A tale scopo sono stati interpolati linearmente i dati sperimentali riportati nelle figure 1 e 2 in modo da ottenere per ogni percentuale di bitume il numero di giri e di colpi relativi ad un prefissato contenuto di vuoti. In particolare sono state scelte percentuali di vuoti, all’interno del range dei valori ottenuti sperimentalmente, con un passo di campionamento pari allo 0.5%. Come esempio in figura 3 è riportato il procedimento di linearizzazione adottato per una singola miscela costipata con le due tecniche.
Infine mettendo a confronto i dati così elaborati si sono potute ottenere 3 serie di coppie di Ncolpi e Ngiri che producono, rispettivamente per ognuna delle 3 percentuali di bitume indagate, lo stesso contenuto dei vuoti. Ciò significa che ciascun valore della coppia (Ncolpi, Ngiri) rappresenta l’energia necessaria per ottenere con le due tecniche provini composti volumetricamente dalle stesse quantità di aggregati, bitume ed aria.


Figura 3. Rappresentazione grafica del processo di linearizzazione a tratti



Non va però sottaciuto che un’uguaglianza delle quantità delle fasi costituenti il campione (e quindi un’uguaglianza della volumetria globale) non significa un’identità puntuale dei provini. In effetti le due tecniche, per la loro peculiare modalità di trasferimento dell’energia al materiale, potrebbero riprodurre per una stessa composizione di aggregati, bitume ed aria campioni volumetricamente differenti dal punto di vista dell’arrangiamento interno fra le suddette fasi.
Va precisato che il confronto è stato esteso ai valori rilevati sperimentalmente sui singoli impasti e non alla media (riportata nelle figure 1 e 2) dei due valori ottenuti nei due impasti.
Come è possibile osservare dal grafico di figura 4, fra numero di colpi del martello Marshall e numero di giri della pressa giratoria esistono tre andamenti poco dispersi e distinti a seconda della percentuale di bitume impiegata nelle miscele. Inoltre la relazione, ovviamente crescente, non è lineare, ma curvilinea con concavità dipendente dalla percentuale di legante.
Per poter esprimere analiticamente gli andamenti non lineari fra le due variabili (Ncolpi e Ngiri) con delle semplici equazioni, sono state sviluppate analisi di regressione del tipo potenza:
                 Ngiri = a Ncolpib                             (1)

Nella stessa figura 4 sono riportate le curve con le rispettive equazioni e coefficienti di determinazione. Da quest’ultimo parametro è evidente che la relazione fra l’energia fornita dal pestello Marshall (Ncolpi) e dalla pressa giratoria (Ngiri) esiste e dipende fortemente, a parità di assortimento granulometrico, dalla percentuale di bitume.


Figura 4. Relazioni fra numero di giri e numero di colpi per tre contenuti di bitume (4, 5 e 6%)


L’influenza della percentuale di bitume sulla relazione fra le due variabili può essere letta graficamente nella figura o analiticamente per mezzo dei parametri “a” e “b” delle equazioni. Data la scelta della funzione del tipo potenza è conveniente rappresentare le regressioni su di un piano log Ncolpi – log Ngiri , nel quale le equazioni diventano rette. In figura 5 sono state riportate le 3 regressioni ottenute per le 3 miscele ed estese fino ad intersecare gli assi.


Figura 5. Linee di regressione fra numero di giri e numero di colpi per tre contenuti di
bitume (4, 5 e 6%)



In generale è possibile ammettere che in un tal grafico, la bisettrice del quadrante separa l’area complessiva in due zone. I dati ricadenti nella parte superiore stanno ad indicare conglomerati bituminosi con proporzioni volumetriche raggiungibili con un numero di giri superiore al numero di colpi. Viceversa dati ricadenti nella parte bassa indicano conglomerati con proporzioni fra le fasi ottenibili con un numero di giri inferiore al numero di colpi.
Oltre alla posizione dei dati nel grafico è importante esaminare anche l’andamento degli stessi nel piano (log Ncolpi , log Ngiri). Infatti la pendenza delle rette può fornire indicazioni sulla maggior efficienza di una tecnica di costipamento rispetto all’altra, valutata come confronto fra l’incremento del numero di giri rispetto al numero di colpi per ottenere una stessa riduzione del contenuto di vuoti. Nel grafico pendenze superiori a 45° (b>1) implicano che un aumento del numero di colpi corrisponde ad un maggior incremento del numero di giri e quindi una maggiore efficienza della tecnica impulsiva.
Viceversa pendenze inferiori a 45° (b<1) testimoniano che un maggiore costipamento della miscela può essere ottenuto incrementando maggiormente il numero di colpi piuttosto che il numero di giri.
Dopo queste precisazioni sulla lettura del grafico è possibile effettuare un confronto più dettagliato fra le due tecniche di costipamento e della loro capacità di addensare il materiale in funzione della quantità di legante.
Il grafico mostra che per una percentuale bassa di legante (4%) la pressa giratoria nei primi giri addensa agevolmente il materiale come testimoniato dal posizionamento della retta sotto la bisettrice. In effetti il primo giro corrisponde a circa 18.2 colpi del pestello Marshall. All’aumentare dell’energia applicata - valutata come incremento del numero di giri e del numero di colpi - però risulta più efficace la tecnica impulsiva, come risulta dall’inclinazione accentuata della retta (b = 3.04 > 1), tanto che superati i 75 colpi occorrono più giri della fustella che cadute del pestello.
Con una percentuale media di legante (5%) occorrono meno colpi (6.5) per equiparare l’effetto di un giro della fustella, e nell’aumentare l’energia trasferita al materiale si ha una lieve superiorità della tecnica impulsiva rispetto a quella con pressa giratoria (b =1.78).
L’effetto di una percentuale elevata di bitume (6%) sui processi di addensamento conseguiti con le due tecniche si rivela nettamente opposto a quello ottenuto su una miscela scarsa di legante. Infatti è possibile osservare dal grafico che nella fase iniziale di compattazione la pressa giratoria ha scarsa efficacia rispetto al pestello Marshall: un colpo del maglio corrisponde a 4.6 giri della pressa. Con il progredire del costipamento si ha però un miglioramento delle prestazioni della pressa come risulta dalla bassa inclinazione della retta (b=0.62<1) tanto che per un numero di giri superiore a 54 occorrono un maggior numero di colpi.
Le deduzioni tratte dai dati sperimentali suggeriscono un’interpretazione particolare dei processi di addensamento che avvengono nelle miscele di conglomerato bituminoso con le due tecniche indagate.
Innanzitutto occorre far presente che mentre la tecnica Marshall trasferisce l’energia al materiale in modo impulsivo e con incrementi discreti e costanti, la pressa giratoria imprime in un primo e breve momento un carico crescente fino a raggiungere una pressione di 600 kPa che viene poi mantenuta costante per tutta la fase di compattazione nel corso della quale vi è anche un’azione centrifuga. Quindi l’energia viene trasferita principalmente in maniera prettamente dinamica con la tecnica Marshall e in modo quasi statico con la pressa giratoria.
A queste considerazioni va aggiunto che il costipamento avviene su un materiale polifase composto da elementi con comportamento di solido elastico (aggregati) e di fluido visco-elastico (bitume). E’ presumibile, ed in qualche modo dimostrabile dall’analisi dei dati, che la compattazione dei conglomerati bituminosi risulti simile ai processi di addensamento dei terreni. Il comportamento sotto carico, vista la dimensione dei granuli, dovrebbe risultare simile a quello dei terreni incoerenti, però l’analisi dei dati permette di ipotizzare anche l’esistenza di un fenomeno di consolidazione tipico dei terreni fini. In particolare sembrerebbe che nella compattazione possa avvenire un processo di consolidazione in cui il flusso del legante (o meglio del mastice) dipende dalla natura viscoelastica del legante stesso, piuttosto che dalle piccole dimensioni dei vuoti intergranulari.
In effetti le considerazioni sopra esposte sono osservabili direttamente dai dati sperimentali riportati in figura 5.
Con una scarsa quantità di bitume (4%) il materiale non è “saturo” di legante e quindi la pressa giratoria non ha problemi a costipare efficacemente già al primo giro il conglomerato bituminoso. Invece il pestello Marshall, sebbene inizialmente non abbia la stessa efficacia della giratoria (il 1° giro corrisponde a 18.2 colpi), imprimendo un’azione dinamica su un materiale granulare insaturo riesce nel tempo ad avere maggior influenza sull’addensamento rispetto al carico statico imposto della pressa (la
pendenza della retta è superiore a 45°).
Se il legante è invece abbondante (6%) il materiale risulta essere saturo e quindi la pressa giratoria al primo giro non compatta bene il materiale (occorrono in questo caso 4.6 giri per equiparare il primo colpo del pestello). Però nel corso della prova la pressa riesce a costipare meglio il materiale rispetto all’azione del maglio (la pendenza è inferiore a 45°) e questo può essere dovuto al fatto che la pressa agendo staticamente riesce a dissipare le sovrappressioni interstiziali creatisi inizialmente nel materiale saturo dopo l’applicazione del carico di 600 kPa. E’ lecito quindi attendersi che nel conglomerato tenda ad instaurarsi un fenomeno di consolidazione che permette al bitume di migrare verso la parte esterna del campione. Ovviamente tale processo non risulta possibile a seguito dell’azione dinamica prodotta dal pestello Marshall in quanto l’energia trasferita ad impulsi sul provino saturo viene assorbita ad ogni colpo dal legante e questo spiega l’andamento poco inclinato della retta nel grafico. Anche la visione dei provini avvalora quanto appena detto, in quanto con il 6% di bitume i campioni confezionati con la pressa giratoria appaiono dei cilindri neri compatti, molto più chiusi in superficie rispetto a quelli Marshall, testimoniando quindi un refluimento del legante verso l’esterno, facilitato peraltro dalla rotazione della fustella.
In definitiva considerando anche la percentuale intermedia di bitume, per la quale si ha un comportamento intermedio fra i due descritti, si può osservare nella figura 5 che l’influenza dell’aumento della quantità di legante nella miscela comporta un aumento dell’intercetta “a” della retta e una diminuzione della pendenza “b” (come riportato anche in figura 6).
Nella stessa figura 6 sono state riportate le due regressioni che meglio approssimano l’andamento dei coefficienti “a” e “b”. In particolare si è impiegata una funzione esponenziale per “a” e una lineare per “b”.

 


Figura 6. Andamenti dei coefficienti “a” e “b” in funzione del contenuto di bitume

 

A tal punto è lecito ipotizzare che la relazione tra il numero di colpi e numero di giri possa essere unica e composta da una funzione potenza con i coefficienti “a” e “b” rappresentati da funzioni dipendenti dalla percentuale di bitume.
Si è così scelta un’unica equazione, per effettuare la regressione su tutte le 75 coppie (Ncolpi, Ngiri) ricavate dalla sperimentazione, del tipo:


            Ngiri = ae(b%B) Ncolpi(d+ g%B)                                           (2)

 

Dall’elaborazione dei dati si è ottenuta la seguente equazione:

 

           Ngiri = 2.754 ×10-14e(5.377%B) Ncolpi (8.252-1.284%B)       (3)


con un coefficiente R2 pari a 0.955. A conferma della bontà del modello in figura 7 sono riportati i risultati sperimentali a confronto con le rette del modello.
In definitiva il modello ipotizzato è in grado di stimare, anche in funzione del legante impiegato, il numero di giri della pressa giratoria necessari per avere la stessa composizione volumetrica del conglomerato che si avrebbe con un prefissato numero di colpi del pestello Marshall.


Figura 7. Modello a confronto con i risultati sperimentali


Il risultato non può dirsi definitivo, in quanto la relazione fra le due variabili dipende anche da altri fattori non indagati (assortimento granulometrico, forma e disposizione degli aggregati, ecc.), ma è utile per comprendere e confrontare i processi di addensamento che si sviluppano all’interno del materiale con le due tecniche di compattazione. Infatti dalla figura 8, in cui sono riportate le rette del modello ricavate per diversi quantitativi di legante, emerge chiaramente come la percentuale di bitume sia fondamentale sull’efficienza di una tecnica di costipamento rispetto all’altra.
La condizione di miscela poco lubrificata, anche se inizialmente è favorevole alla giratoria (prima del primo giro), nel proseguo del costipamento va a vantaggio della tecnica Marshall in quanto, per un materiale insaturo, risulta più efficace una tecnica dinamica piuttosto che statica. Quanto detto è descritto dal modello (figura 8), il quale per basse percentuali di bitume è graficamente rappresentato da rette molto inclinate.
Al contrario per miscele troppo di ricche di legante (e quindi sature) l’addensamento non viene favorito da una tecnica dinamica. Un elevato costipamento risulta possibile solo se il carico viene fatto agire per un tempo lungo così come avviene nella pressa giratoria. Ciò è spiegato dal modello: per percentuali via via più elevate di bitume la retta tende a ruotare e a portarsi in posizione sub-orizzontale. In particolare la retta scende sotto i 45° di pendenza per percentuali di bitume superiori al 5.8%; quest’ultimo contenuto di legante individua una miscela per la quale si ha un medesimo addensamento aumentando il numero di colpi o di giri.


Figura 8. Stime fornite dal modello per diversi contenuti di legante


 

Analoghe elaborazioni sono state condotte per i dati ricavati dai nuclei dei provini. In figura 9 sono riportati 3 grafici, distinti a seconda della percentuale di bitume indagata, nei quali sono stati messi a confronto i dati e le regressioni ricavate dai provini e dai corrispondenti nuclei. E’ possibile osservare che per basse percentuali di legante (4%) vi è una discrepanza fra le leggi ricavate per i provini e i corrispettivi nuclei, differenza che tende a diminuire drasticamente con il 5% di bitume fino ad annullarsi con il 6 %.
Per comprendere tali risultati bisogna ricordare innanzitutto (cfr. 3.1 e 3.2) che i nuclei sono generalmente più addensati dei corrispondenti provini e quindi il materiale all’interno del campione si trova in una condizione più satura. Di conseguenza - ricordando che più il materiale è saturo e più guadagna in efficienza la compattazione con pressa giratoria a scapito di quella Marshall - la legge ottenuta per i nuclei deve risultare meno pendente rispetto a quella ottenuta per i provini. Inoltre la differenza di pendenza sarà particolarmente elevata per materiali scarsi di legante (4%) per i quali i nuclei sono effettivamente più saturi dei provini e sarà quasi nulla per un’alta
percentuale di bitume (6%) in quanto l’intero provino è di per sé molto chiuso.


Figura 9. Relazioni fra numero di giri e numero di colpi per i nuclei a confronto con quella dei provini (grafici distinti a seconda della percentuale di bitume)



4. CONCLUSIONI
Il presente lavoro è stato sviluppato al fine di interpretare e confrontare i processi di addensamento dei conglomerati bituminosi durante il confezionamento di provini costipati con la tecnica Marshall e con la pressa giratoria.
Un primo risultato emerso dalla sperimentazione è che le tecniche di costipamento di laboratorio non consentono di ottenere provini con contenuto di vuoti omogeneo, presumibilmente a causa dell’azione di confinamento laterale prodotto dalle fustelle.
Il risultato più interessante è stato quello di mettere a confronto gli effetti energetici prodotti dalle due tecniche valutati come numero di colpi e di giri applicati al materiale.
In particolare il raffronto è stato sviluppato in modo da determinare coppie di valori (Ncolpi, Ngiri) necessari per ottenere con le due tecniche provini composti volumetricamente dalle stesse quantità di aggregati, bitume ed aria.
L’elaborazione dei dati ha permesso di ricavare una relazione fra numero di colpi e di giri in funzione della percentuale di bitume presente nelle miscele. La validità del modello è ovviamente limitata ai soli materiali impiegati ma la relazione trovata ha il pregio di mettere in evidenza come la percentuale di bitume sia fondamentale sull’efficienza di una tecnica di costipamento rispetto all’altra.
In particolare si è potuto constatare che il bitume, essendo fluido nella fase di costipamento, gioca lo stesso ruolo dell’acqua nelle terre durante i processi di addensamento. Per scarso contenuto di bitume il conglomerato si comporta come una terra granulare insatura che si addensa più efficacemente mediante una tecnica dinamica. Con un eccesso di bitume il comportamento è analogo a quello di una terra coesiva satura: l’impulso di carico trova inizialmente la resistenza dell’acqua contenuta nei pori esplicata attraverso un aumento della pressione interstiziale e quindi non induce deformazioni sul materiale. Invece l’applicazione di un carico di lunga durata, come nella pressa giratoria, facilita il fluire del legante nei vuoti e/o lo spostamento dell’aria intrappolata, consentendo al provino di costiparsi.
In definitiva si è osservato che per trasferire elevate quantità di energia (numero elevato di colpi o giri) quando il bitume è scarso (4%) ha una maggiore efficacia la tecnica dinamica Marshall, rispetto a quella giroscopica, prevalentemente statica. All’aumentare della percentuale di bitume questo comportamento tende ad invertirsi fino ad avere, con un eccesso di legante (6%), una prevalenza della tecnica statica.


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