Studio reologico di asfalto e bitume

Il bitume è un residuo raffinato della distillazione del greggio. Si tratta di una miscela complessa contenente diverse componenti petrolchimiche. L'asfalto è una miscela di bitume e componenti minerali, in cui il bitume serve da legante. In alcuni paesi (come gli USA), tuttavia, i termini asfalto e bitume sono usati come sinonimi.

La pavimentazione stradale o conglomerato bituminoso è costituita da una miscela di minerali come sassi, ghiaia, pietrisco, sabbia ecc. con il bitume (o rispettivamente asfalto) come legante. La pavimentazione è generalmente esposta alle condizioni climatiche e al traffico pesante. Pertanto, le riparazioni stradali rappresentano un notevole fattore di costo per le autorità incaricate della manutenzione. Un danno tipico è la formazione di scanalature o incrinature sulle corsie a causa della fatica o dello stress termico.

Le scanalature sulle corsie derivano dal carico di traffico permanente , con il risultato che le forze strutturali della miscela diventano più deboli. Questo può portare a un aumento della deformazione permanente della pavimentazione. Infine, questo può causare effetti indesiderati come l'aquaplaning.   

Fatica e crepe termiche spesso sono causate da variazioni di temperatura stagionali. Possono verificarsi micro-crepe che non sono più in grado di "guarire" da sole. Come ulteriore conseguenza, le crepe possono diventare più grandi e frammenti di pietra o asfalto possono essere strappati dalla superficie della pavimentazione a causa delle forze di attrito dei pneumatici - in una reazione a catena, la penetrazione dell'acqua e del ghiaccio in inverno, accelera ulteriormente il processo di danneggiamento, soprattutto in climi con temperature basse.  

L'obiettivo per la pubblica amministrazione, come pure per i costruttori di strade, i produttori di materiali da costruzione e gli istituti di ricerca, è quello di migliorare le prestazioni e la durata del conglomerato bituminoso. Questo obiettivo si può raggiungere utilizzando materie prime di alta qualità e trovando la giusta consistenza e percentuale di miscelazione del bitume e dei materiali minerali. Questi miglioramenti portano a una lavorabilità migliorata, stabilità dimensionale e resistenza contro cambiamenti stagionali, liquidi e polveri, nonché ad un comportamento di presa migliore.

Il termine "bitume" è di origine celtica e significa pece minerale o "resina della terra". Questo liquido infiammabile di colore da marrone-giallo a nero mostra proprietà viscoelastiche di resistenza a temperatura ambiente. È composto da migliaia di composti ad alto e basso peso molecolare, tra cui idrocarburi, resine, paraffine, cere, grassi, oli pesanti, lignine, proteine e asfalteni. A differenza dell'asfalto, il bitume è privo di solidi (ad esempio minerali). Il bitume naturale è costituito da materiali organici naturali.

Il bitume serve innanzitutto come legante dell'asfalto per miscele per la pavimentazione stradale, in cui lega additivi minerali solidi come sabbia o piccole pietre. A tale scopo, deve rimanere stabile contro la demiscelazione ad alte temperature e non deve tendere ad infragilirsi alle basse temperature.

Le proprietà reologiche del bitume possono essere determinate, ad esempio, da test oscillatori ad una temperatura variabile (in un intervallo T da 0 °C a +70 °C). I polimeri sintetici sono spesso utilizzati per ottimizzare il comportamento viscoelastico della pavimentazione stradale. Solitamente i componenti del bitume puro hanno meno influenza sul comportamento reologico rispetto ai polimeri sintetici aggiunti. Alcuni test ormai collaudati nell’industria dell'asfalto sono effettuati ad un'unica temperatura, che non è sufficiente per un materiale termoplastico reologicamente complesso come il bitume. Valori specifici tradizionali, come il punto di rammollimento (SP) determinato con il metodo anello-e-sfera (R&B), o i pen values determinati da test di penetrazione dell'ago permettono una classificazione approssimativa ma forniscono informazioni insufficienti sulla qualità di un prodotto o sulla sua idoneità per applicazioni più specifiche.

Questo test richiede un reometro per asfalto con un sistema di controllo della temperatura Peltier per geometrie a cilindri concentrici.

Per rendere il bitume o l'asfalto adatto per esigenze particolari come la pavimentazione stradale, viene spesso mescolato con polimeri per formare il cosiddetto bitume modificato con polimeri (PMB). Rispetto al comune bitume, il bitume PMB è più coeso alle particelle minerali e l'intervallo di temperatura tra il punto di rammollimento ed il punto di rottura è più ampio. Ha un migliore recupero strutturale dopo una rimozione di carico ed è più resistente alla fatica del materiale. Inoltre, il bitume PMB mostra una migliore resistenza all'acqua, maggiore rigidità e resistenza. Il bitume PMB è comunemente utilizzato in aree con un elevatissimo volume di traffico, ad esempio sui ponti e per i conglomerati bituminosi a cella aperta, che vengono usati per ridurre l'inquinamento acustico causato dal traffico.

Lo scopo principale della miscelazione del bitume con i polimeri è quello di ampliarne l'intervallo di duttilità, rendendolo più rigido alle alte temperature e più morbido alle basse temperature. Gli additivi possono comprendere fino al sette percento di bitume. Additivi comuni sono miscele di polimeri termoplastici come stirene-butadiene-stirene (SBS), etilene-acetato di vinile (EVA) o gomma macinata per pneumatici (GTR). I test reologici possono essere impiegati per determinare il comportamento dipendente dalla temperatura del PMB quando viene riscaldato o fuso, per esempio tramite test di temperatura utilizzando un reometro oscillatorio . Sebbene la percentuale di polimero aggiunto sia molto ridotta rispetto al bitume, una curva della temperatura rappresenta chiaramente la forte influenza delle molecole del polimero sul comportamento viscoelastico della miscela.

Questo test richiede un reometro per asfalto con un dispositivo di controllo della temperatura Peltier per geometrie a cilindri concentrici.

Il numero crescente di veicoli sulle strade dei paesi industrializzati e in via di sviluppo genera ogni anno milioni di pneumatici usati. L'uso della gomma per pneumatici nella produzione di asfalto per la costruzione di strade non solo aiuta a ridurre l'impatto ambientale degli pneumatici usati, ma modifica anche in modo vantaggioso le proprietà dell'asfalto per la costruzione di strade. I vantaggi includono superfici stradali più durature, manutenzione stradale ridotta, rumorosità stradale ridotta e distanze di frenata più brevi. Forse non sorprenderà che la gomma per asfalto sia diventata il più grande mercato per gli pneumatici usati, consumando circa 12 milioni di pneumatici ogni anno. La California e l'Arizona utilizzano la quantità più alta di gomma per asfalto nella costruzione delle strade (oltre l'80% dell'asfalto utilizzato è in gomma per asfalto), sebbene le gomme per asfalto possano essere concepite in modo da adattarsi a qualsiasi tipo di clima. 

Per classificare il materiale e prevederne le prestazioni, i produttori di asfalto devono essere in grado di misurare il comportamento viscoelastico  dell'asfalto in funzione della temperatura. Tali misure possono essere eseguite con un reometro a taglio dinamico, che può essere utilizzato per asfalto modificato con gomma con particelle fino a 2 mm di diametro. In generale, l'aggiunta di gomma per pneumatici migliora significativamente le proprietà reologiche dell'asfalto, sotto forma di un aumento della rigidità e dell'elasticità del materiale, rispetto al normale asfalto per pavimentazione.

Questo test richiede un reometro per asfalto con un dispositivo di controllo della temperatura Peltier per geometrie a cilindri concentrici.