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Materiali bituminosi innovativiPrima parte

4° Corso di Alta Formazione alla Ricerca ICAR-04Pavimentazioni, materiali e metodi per le infrastrutture stradali ed aeroportuali

Dipartimento di Ingegneria Civile, dell’Ambiente, del Territorio e Architettura

Università degli Studi di Parma

Prof. Ing. Felice Giuliani

Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006

Cosa c’è di innovativo?

Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006

Materiali Bituminosi Innovativi - I

In questa lezione:Il legante come “soggetto privilegiato”.Il laboratorio come “luogo eletto” della sperimentazione.La struttura della ricerca prevale sul dettaglio del risultato.

1) Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali.

2) Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali.

3) Studio di formulazioni vantaggiose

soluzioni eco-sostenibiliimplicazioni di carattere tecnico-economico

1) Bitumi e resine resistenti alle aggressioni chimiche (carburanti).

2) Leganti bituminosi trasparenti e colorati.

Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali



1) Infrastrutture stradali ed aeroportuali.

2) Soluzioni Coal free.

3) Soluzioni collaterali

Bitumi e resine resistenti alle aggressioni chimiche (carburanti)




Classificazione in base alla resistenza al kerosene

Superficie non soggetta al contatto con idrocarburi

Livello di attacco da idrocarburi basso

Livello di attacco da idrocarburimoderato

Livello di attacco da idrocarburi elevato

K0 K1 K2 K3


BITUMI E RESINE RESISTENTI ALLE AGGRESSIONI CHIMICHE



(A. Seive & C. Leroux, 2004)Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006

Conglomerati bituminosi anticarburante: il ruolo della formulazione



Cantabro test (NLT 352-86)

Brush test (EN 12697-43)


Conglomerati bituminosi anticarburante: le prove di laboratorio




Conglomerati bituminosi anticarburante: le prove di laboratorio

6 mm

600 mm

jet fuel A1

silicone sealing PVC ring

asphalt concrete

fuel jet A-1

D

Hmax

DAHav =

A

D

(F. Giuliani & S. Rastelli, 2006)

0123456789

10111213

6h 24h 30h 48htime [h]

ave

rage

pen

etra

tion

dept

h [m

m]

2mm head4mm head6mm head




Soluzioni anticarburante: le prove di laboratorio

untreated vinylresin

styrol-acrylicresin

0

5

10

15

20

25

30

35

mas

s los

s afte

r 24

h im

mer

sion

in k

eros

ene

[%] B50/70

PMB50/70-84B

0

5

10

15

20

25

30

35

mas

s los

s [%

]

B50/70PMB50/70-84

air 24 h in water

15 days in water

24 h in kerosene

A




1) Pavimentazioni di strade a basso impatto ambientale.

2) Riconoscibilità di spazi in piattaforma, zone pericolose, piste ciclabili.

Leganti bituminosi trasparenti o colorati




0.1

1

10

100

1000

60 80 100 120 140Temperatura [°C]

Visc

osità

[Pa

s]

SINT70/100SOFTHARD

Lavorabilità analoga al bitume 70/100Per t < 60 °C tendenza al modificato SOFT

(F. Canestrari & L. Cerni, 2003)

- Migliore resistenza all’ormaiamento e fatica rispetto ai bitumi tradizionali

- Migliore lavorabilità alle alte temperature rispetto ai bitumi modificati

- Comportamento reologicoassimilabile ai bitumi modificati

- Ottima compatibilità con aggregati di qualsiasi natura

- Alterazione delle proprietàcromatiche T > 130 °C


Leganti bituminosi trasparenti o colorati



Studio del contrasto cromatico, della percezione e della resa illuminotecnica

Conglomerato bituminoso con legante trasparente e/o con aggregato artificiale o naturale chiaro




1. Applicazioni in galleria e/o per migliorare la resa illuminotecnica della piattaforma stradale.

2. Percentuale in peso di aggregati chiari > 60%.3. Coefficiente di luminosità retroriflessa 180÷210 mcd/lxm2

4. Basso assorbimento di legante (<0,1%).





Selezione dell’aggregatoPrincipi della retroriflessione

(F. Giuliani & S. Rastelli 2005)





1) Le emulsioni nel riciclaggio a freddo.

2) I bitumi nelle soluzioni grouted macadam.

Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali



Il cemento costituisce elemento di regolazione della rottura dell’emulsione.

Il cemento incrementa la viscosità del legante bituminoso.

Il cemento esercita una influenza continua sulla rigidezza delle miscele riciclate, anche dopo immersione in acqua.

Le emulsioni nel riciclaggio a freddo




La miscela emulsione bituminosa e cemento può essere considerata un “nuovo legante”?

X-Ray Diffraction Analysis

Emulsione bituminosa e cemento


λ = 1.54Å

incident beam

atomic planes

θ

d

scattered beam

λθ nd sen 2 =



0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115

Scattering angle 2θ

Cou

nts

Sample P2 - Bit. EmulsionSample P7 - Portland Cement


(F. Giuliani, 2001)

secondarypeaks

1storder peaks

Sample P2 - Bit. Emulsion

Sample P7 - Portland Cement

Sample P2 - Bit. Emulsion

Sample P7 - Portland Cement

Scattering Angle 2θ

SampleSample P2 P2 –– BituminousBituminous EmulsionEmulsion

SampleSample P7 P7 –– Portland Portland CementCement

d =4.55Å



0

500

1000

1500

2000

2500

3000

5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115

Scattering angle (°2θ)

Cou

nts

Sample P3 - Bit. Emulsion-Filler

Sample P6 - Filler

Sample P3 - Bit. Emulsion-Filler

Sample P6 - Filler

Scattering Angle 2θ

SampleSample P3 P3 –– BitumBitum. . EmulsionEmulsion + Filler+ Filler

SampleSample P6 P6 –– FillerFiller

SampleSample P3 P3 –– BitumBitum. . EmulsionEmulsion + Filler+ Filler

SampleSample P6 P6 –– FillerFiller




(F. Giuliani, 2001)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115

Scattering angle (2θ )

Cou

nts

Sample P1 - Bit. Emulsion-Portland CementSample P2 - Bit. EmulsionSample P5 - Portland Cement Paste

Scattering angle (2θ)

SampleSample P1 P1 –– BitumBitum. . EmulsionEmulsion + PC+ PC


SampleSample P5 P5 –– Portland Portland CementCement PastePaste

SampleSample P1 P1 –– BitumBitum. . EmulsionEmulsion + PC+ PC


SampleSample P5 P5 –– Portland Portland CementCement PastePaste


(F. Giuliani, 2001)





A. Montepara, F. Giuliani and S. Rastelli (2004)Cement-bituminous emulsion ratio in RAP mixtures RAP different grading curves

(a) Low emulsion content: 3.5%(b) Medium emulsion content: 4.5%

(c) High emulsion content: 5.5%





Virgin aggregate, 28 days curing

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

3.5%

4.5%

5.5%

3.5%

4.5%

5.5%

stre

ngth

(kg/

cm2 )

modified effortstandard effort

RAP, 28 days curing

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

3.5%

4.5%

5.5%

3.5%

4.5%

5.5%

stre

ngth

(kg/

cm2 )

modified effortstandard effort + 2%

cement+ 2% cement




I bitumi nelle soluzioni Grouted Macadam

Gli obiettivi e le tecniche di esecuzione

Il ruolo del legante

Gli effetti del ritiro




1) I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi.

2) I bitumi modificati con polverino di pneumatico riciclato.

Studio di formulazioni vantaggiose



I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi




0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Temperatura di confezionamento

Con

sum

o di

com

bust

ibile

(kg/

t)

H2O

Conglomerati a caldo

Zona di Essiccazione

Zona di Surriscaldamento

Conglomerati semi-caldi

Conglomerati tiepidi

Conglomerati a freddo

I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi

Warm Mix Asphalt

WAM Foam (Shell - Kolo Veidekke)

Zeolite (Eurovia - Hubbard Construction)

Sasobit (Sasol Int. – Moore and Murger)

Evoterm (MeadWestvaco)




Caso di studio:

Bitume modificato con polverino di pneumatico riciclato


- Nasce “per caso” 40 anni fa.- Interesse ambientale.- Nuovi interessi tecnici e scientifici.

1) La via secca (metodo Dry)

2) La via umida (metodo Wet)



(B. Celauro, C. Celauro, A. Di Francisca, 2003)

“METODO DRY”A0 = 0%CRM

A2 = 2%CRM

--0-10,177

8-1200,075

----0,30

--15-200,42

13-25--0,60

--1001,00

19-321002,00

30-42--6,5

60-80--9,52

100--15,8

PlusRideTM

Dry (passante %)

Gomma (passante %)

Dimensione nominale

(mm)




“Metodo Wet”

Crumb Rubber Modified Binder

Asphalt Rubber o Rubberized Asphalt (ASTM D-6114)

Tipo I (CRM da pneumatico)

Tipo II (75% CRM e 25% gomma naturale)

Terminal Blend o Refinery Blend Process




1. Alto contenuto di polverino (15÷22%) ASTM D-6114.2. Tipo e qualità di polverino 0,075<Φ<2 mm.3. Instabile allo stoccaggio.4. Conglomerati con tenori di bitume elevati (8÷10%) con buone caratteristiche di

fonoassorbenza (riduzione fino a 5÷6 dB).5. Conglomerati con notevole resistenza a fatica ed alle deformazioni permanenti.6. Benefici ambientali.7. Impianto specifico semovente.8. Costi da valutare su ampia scala.

Crumb Rubber Modified Binder – ASPHALT RUBBER




“ASPHALT RUBBER”


MiscelaTempo [min] 15 30 45 60 120 180 15 30 45 60 120 180 15 30 45 60 120 180

Viscosità [cP] 950 1150 1550 1575 1650 1788 1400 1550 1663 1750 1888 2638 2063 2613 2850 2938 4600 4525Penetrazione [dmm] 31 29 28 26 24 20 30 27 25 20 17 17 22 20 20 18 11 10Resilienza [dmm] 29 31 37 35 38 41 33 35 39 42 41 45 41 47 47 49 59 52Palla Anello [°C] 60 61 63 62 63 65 62 63 63 64 64 66 65 66 68 68 73 73

70/100 (18% CRM) 70/100 (20% CRM) 70/100 (22% CRM)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Tempo [min]

Viscosità [cP]

70/100+18%70/100+20%70/100+22%

max AASHTO TP48

min AASHTO TP48 (F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, G. Way, 2005)



(J. Shen & S. Amirkhanian, 2005)Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006






(F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, 2006)

Zero Shear Viscosity (CEN prEN15325)

ZSV = ∆t / ∆J = 900 / (Jf – J15) [Pa⋅s]

0

50

100

150

200

250

0 1000 2000 3000 4000

tempo [s]

η [P

a s]

0

4

8

12

16

20

J [1

/Pa]

Viscosidade

Compliance

0% CRM

0

4000

8000

12000

16000

20000

0 1000 2000 3000 4000

tempo [s]

η [P

a s]

0,00

0,06

0,12

0,18

0,24

0,30

J [1

/Pa]

Viscosidade

Compliance

16% CRM





(F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, 2006)

0

40000

80000

120000

160000

200000

0 5000 10000 15000

tempo [s]

η [P

a s]

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

J [1

/Pa]

Viscosidade

Compliance

20% CRM

0

40000

80000

120000

160000

200000

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

tempo [s]

η [P

a s]

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

J [1

/Pa]

ViscosidadeCompliance

20% CRM



Zero Shear Viscosity (CEN prEN15325)

ZSV = ∆t / ∆J = 900 / (Jf – J15) [Pa⋅s]



(F. Giuliani, F. Merusi, I. Antunes, 2006)

Zero Shear Viscosity Analysis

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 5000 10000 15000

time [s]

J [1

/Pa]

Compliance 10 Pa

Compliance 20 Pa

Compliance 50 Pa

Compliance 100 Pa

CRM 20 t = 4 hours

Test Stress - τ Binder

10 Pa 20 Pa 50 Pa 100 Pa

CRM 0% 214 195 202 207 CRM 16% 32184 31667 15627 14066 CRM 20% 1809160 379010 126945 84583





(F. Giuliani, F. Merusi, 2006)

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

frequenza [Hz]

visc

osità

com

ples

sa [

Pa

s]

60

70

80

90

ango

lo d

i fas

e [d

eg]

eta*eta* (Cross)eta* (Carreau-Yasuda)angolo di fase

T = 60°C

Zero-Shear Viscosity – ZSV [Pa· s]

G*/ω G’’/ω η0 Cross η0 Careau-Yasuda

CRM0 182 182 185 184 CRM16 13169 12611 13160 12006 CRM20 296178 134235 - -

( ) ∞∞ +

+

−= η

ω

ηηωη

µK1)(* 0

( )[ ]∞−

∞ +

+

−= η

λω

ηηωη

an

a1

0

1)(*

ω*G

=ωη )(*

(Cross Model)

(Careau Model)



“ASPHALT RUBBER” – Repeated Creep Test



0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

tempo t [s]

defo

rmaz

ione

γ [

%]

T = 60°Cτ = 10 Patcreep = 1 strecovery = 9 s

γacc

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

tempo t [s]

defo

rmaz

ione

γ [%

]


γacc

0% CRM

16% CRM



“ASPHALT RUBBER” – Repeated Creep Test



0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

tempo t [s]

defo

rmaz

ione

γ [

%]


γacc

16% CRM



“ASPHALT RUBBER” – Resistenza all’invecchiamento


(I. Antunes, F. Giuliani, J.B. Sousa, 2004)



“TERMINAL BLEND”

Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP) o olii estensivi


Hn+2(PnO3n+1) con 1 < n < 4




Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP)


(I. Antunes, F. Giuliani, 2006)

50

55

60

65

70

75

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Viscosità @175°C [cP]

Tem

p. r

amm

ollim

ento

[°C

]

50/70 B + 10% CRM + 1% acido polif.

50/70 B + 8% CRM + 0.5% acido polif.

50/70 B + 8% CRM + 1% acido polif

50/70 B + 8% CRM + 1.5% acido polif

50/70 B + 5% CRM + 1% acido polif.

Min. ASTM D6114 - 60°C

Min

. AST

M



(I. Antunes & F. Giuliani, 2006)

50°C

67°C65°C

0

10

20

30

40

50

60

70

Tem

per

atu

ra d

i Ram

mol

limen

to [

°C]

50/70 B 50/70 B + 8%CRM + 1.5%acido polif.

50/70 B + 10%CRM + 1%acido polif.



Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP)




Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP) nella modifica SBS


(I. Antunes, F. Giuliani, 2006)

NDNDND103/100101/83102/78108/75Storage Stability Up-Down (72h @ 180°C) [°C]

NDNDND16809329161140Viscosity @160°C [cP]

NDNDND36374135Penetration @25°C [dmm]

NDNDND103979491Softening Point [°C]

70/100 + 3%SBS +1%AP

73/65101/55103/5570/68109/55114/54105/52Storage Stability Up/Down(72h @ 180°C) [°C]

400340350460370380430Viscosity @160°C [cP]

49464944464553Penetration @25°C [dmm]

60829483867885Softening Point [°C]

70/100 + 3%SBS

+0.5%AP

206320630.5

Tempo di reazione (h)Tempo di reazione (h)

Static storageStirred storage

Conventional TestBitumen



Contatti

[email protected]

www.studiogiuliani.it/felice

www.unipr.it



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