ESTRATTO DAL N° 16/90

I bitumi ed i conglomerati bituminosi modificati con gilsonite

Vittorio Castagnetta Carlo Giavarini Università di Roma “La Sapienza”, Dipartimento di Ingegneria Chimica Carlo Giavarini Università di Roma “La Sapienza”, Dipartimento di Ingegneria Chimica

I bitumi ed i conglomerati bituminosimodificati con gilsonite

Vittorio Castagnetta

1. I BITUMI ED I CONGLOMERATI BITUMINOSINORMALI E MODIFICATI

Prima di entrare nell'argomento specifico della presenterelazione, si ritiene utile richiamare brevemente le princi-pali indicazioni sul settore al quale questo argomento si ri-ferisce.

Trattasi del vasto campo dei leganti bituminosi e dei lorodiversi impieghi nelle costruzioni stradali, aeroportuali, fer-roviarie, idrauliche ed edili, nonché nei vari tipi di utilizza-zioni industriali; queste applicazioni, iniziate in Italia conl'importazione dei bitumi dall'America (circa 80.000 tonnel-late nel 1930), si sono poi sviluppate progressivamente dal1934/35 con la produzione nazionale superando i 2 milionidi tonnellate di consumi nel 1986 e raggiungendo i 2,5 mi-lioni nel 1988 e nel 1989.

Poiché circa l'85% di tali consumi riguarda le applicazio-ni stradali, autostradali ed aeroportuali e, nella grande mag-gioranza, la produzione dei conglomerati bituminosi per lacostruzione e manutenzione delle pavimentazioni, l'esameviene esteso principalmente a questi conglomerati e, dopoun richiamo della tipologia tradizionale (bitumi e conglo-merati normali), prende in considerazione segnatamentequella più recente ed ulteriormente migliorata (bitumi e con-glomerati modificati).

Per quanto riguarda quest'ultima tipologia, si riferisce inparticolare sui leganti e sui conglomerati bituminosi additi-vati con Gilsonite.

1.1 I bitumi normali

Come è noto, i bitumi normali sono composti organicicostituiti sostanzialmente da miscele di idrocarburi, comple-tamente solubili in solfuro di carbonio e dotati di capacitàadesiva e legante; per questa capacità, nonché per le rilevan-ti proprietà di impermeabilità, flessibilità e durata, i bituminormali trovano largo impiego come materiali da costruzio-ne.

19

I bitumi normali sono originati dal petrolio e possono es-sere reperiti in natura o prodotti industrialmente.

I bitumi naturali 1-9 si sono formati per filtrazione del pe-trolio grezzo attraverso la superficie terrestre - impregnandole rocce oppure formando vene o sacche o anche giungendoad affioramenti - e per modificazione del petrolio stessoper l'evaporazione degli idrocarburi più leggeri e per l'ossi-dazione e polimerizzazione di altri componenti idrocar-burici.

Si va così dalle "rocce asfaltiche" (in Italia principalmentein Abruzzo, con contenuto di 7-10% di bitume puro di tipoduro o semiduro, ed in Sicilia, con contenuto di 7-9% di bi-tume molle) agli "asfalti naturali" di varia provenienza in-ternazionale e vario tipo e contenuto di bitume puro (tracui il più noto "Trinidad epurato" con il 56-58% di bitumepuro di tipo duro) ed alle "asfaltiti" (tra cui la più nota "Gil-sonite" con circa il 100% di bitume puro di tipo duro).

I bitumi naturali, data la costanza delle fonti di approvvi-gionamento e della loro natura, hanno proprietà e caratteri-stiche altrettanto costanti e ben definite e sono adoperati co-me additivi migliorativi per i bitumi di produzione indu-striale e per i loro composti.

I bitumi di produzione industriale1,2.4,5,7-19 provengono dai

processi di raffinazione dei greggi petroliferi e in Italia sonodisponibili in 5 gradazioni per usi stradali (utilizzate ancheper applicazioni aeroportuali, ferroviarie ed idrauliche) se-condo la classificazione e caratterizzazione C.N.R. Boll. Uff.N. 68/1978, nonché in 7 gradazioni per usi edili (impiegateanche per applicazioni industriali) secondo la classificazio-ne e caratterizzazione UNI 4157/1987.

Le proprietà dei bitumi di produzione industriale - checostituiscono la grande maggioranza dei leganti bituminosiutilizzati per le varie applicazioni succitate - sono correla-te alla loro gradazione e, a parità di questa, al grezzo di ori-gine e/o al processo di produzione.

Pertanto, data la diversificazione delle fonti di approvvi-gionamento dei grezzi e dei processi di raffinazione, si haoggi in campo internazionale una situazione caratterizzatada una variabilità delle caratteristiche prestazionali di que-

sti leganti, di cui è necessario tenere conto per la miglioreriuscita delle loro applicazioni.

1.2 I bitumi modificati

I bitumi "modificati" (1921 con ampio elenco bibliografi-co) sono costituiti da bitumi normali di produzione indu-striale additivati con vari tipi di sostanze modificanti.

Lo scopo di questa additivazione è duplice:

- additivazione limitata: migliorare, ove necessario, le pro-prietà e le caratteristiche dei bitumi di base, per adeguar-le alle esigenze delle applicazioni tradizionali normali;

- additivazione più elevata: migliorare ulteriormente le ca-ratteristiche prestazionali dei bitumi di base, e segnata-mente la loro suscettibilità termica ed il comportamentoreologico, per fronteggiare le maggiori esigenze dei mo-derni sviluppi di alcune applicazioni tradizionali e ren-dere possibili le nuove tecnologie.

Gli additivi modificanti possono essere di varia natura, pro-venienza ed efficacia: polvere minerale calcarea e/o dolomi-tica, calce idrata, cemento normale o crudo, ceneri volanti(combustione polvere di carbone), polvere o microfibrettadi amianto, zolfo, bitumi naturali come il Trinidad epuratoo la Gilsonite, catrame, composti organici metallici, attivantidi adesione, rigeneranti (agenti di riciclaggio), resine termoin-durenti o catalizzate, polimeri naturali o sintetici (elastomerio plastomeri), ecc.

Le proprietà e le caratteristiche prestazionali del bitumemodificato variano ovviamente in funzione della natura edel dosaggio dell'additivo impiegato, nonché della compati-bilità fra additivo e bitume di base, restando però sempreorientate nel senso indicato a proposito della succitata addi-tivazione limitata o più elevata e consentendo oggi una am-pia possibilità di scelta delle soluzioni più adatte nei vari ti-pi di applicazioni.

1.3 I conglomerati bituminosi normali

I conglomerati bituminosi normali (tradiziona-li)

1,3,4,7,9,2O,22-27 sono costituiti da miscele di aggregati lapidei(pietrisco, pietrischetto, graniglia, sabbia e additivo minera-le, altresì detto "filler") e bitume normale, generalmente diproduzione industriale e di gradazione B 80/100 o B 50/70o B 40/50.

Le miscele sono impastate a caldo (145-155°C con bitume80/100, 155-165°C con bitume 50/70, 165-175°C con bitu-me 40/50) negli appositi impianti di mescolamento e sonostese con macchine "vibrofinitrici" e costipate ancora a cal-do (almeno 130°C o 140°C o 150°C rispettivamente conbitume 80/100 o 50/70 o 40/50) con rulli metallici, gom-mati o misti.

I conglomerati bituminosi più diffusi, impiegati nelle pa-vimentazioni stradali ed aeroportuali, possono essere richia-mati e caratterizzati, nell'accezione più generale, come segue:- conglomerati semiaperti per strati di base (misti bitumati):

dimensione massima degli inerti 40 mm, granulometriapraticamente continua, sabbia 15-25%, filler 2-5%, bitu-me 3,5-4,5% in peso sugli inerti, resistenza meccanica pro-nunziata (stabilità Marshall min. 600 kg), vuoti residui6-8%;

2 0

- conglomerati semichiusi per strati di collegamento: dimen-sione massima degli inerti 25 mm, granulometria conti-nua, sabbia 20-30%, filler 3-6%, bitume 4-5%, buona re-sistenza meccanica (stabilità Marshall min. 800 kg), vuo-ti residui 5-7%;

- conglomerati chiusi per manti di usura: dimensione mas-sima degli inerti 20 mm, granulometria continua ben gra-duata, sabbia 30-40%, filler 5-8%, bitume 5 - 6%, resistenzameccanica elevata (stabilità Marshall min. 1000 kg), vuo-ti residui 4 -6%;

- conglomerati "semi-grenu" per manti di usura (studiati inparticolare per evitare le deformazioni viscoplastiche neglistrati di usura soggetti a traffico lento e pesante): dimen-sione massima degli inerti 15 mm, granulometria discon-tinua, sabbia 20-30%, filler 6-10%, bitume 4,5-5,5%, resi-stenza meccanica elevata (stabilità Marshall min. 1000 kg),vuoti residui 7-10%.

Sono inoltre da aggiungere alcuni tipi di conglomerati bi-tuminosi particolari, relativi rispettivamente alle applicazioniferroviarie (strato di sub-ballast e manto protettivo della im-permeabilizzazione degli impalcati di ponti e viadotti) ed aquelle idrauliche e marittime (rivestimenti impermeabili e/oprotettivi di invasi in terra, corsi d'acqua naturali o artifi-ciali, opere di difesa a mare, ecc.).

1.4 I conglomerati bituminosi modificati

I conglomerati bituminosi modificati19-21,28-33

con ampioelenco bibliografico) si ottengono aggiungendo ai conglome-rati normali i vari tipi di additivi modificanti.

L'aggiunta può essere effettuata premiscelando il bitumenormale con l'agente modificante, usando cioè un bitumegià modificato, oppure impiegando il bitume normale talquale ed aggiungendo l'agente modificante nell'inpastatricedell'impianto di mescolamento al momento della produzionedel conglomerato bituminoso modificato.

Analogamente a quanto accennato per i bitumi modifica-ti, la additivazione con gli agenti modificanti ha un doppioscopo:

- additivazione limitata: migliorare, ove necessario, le pro-prietà e le caratteristiche dei conglomerati ottenuti conbitumi di produzione industriale, per adeguarle alle esi-genze delle applicazioni tradizionali normali;

- additivazione più elevata: migliorare ulteriormente le ca-ratteristiche prestazionali dei conglomerati bituminosi,e segnatamente la loro suscettibilità termica ed il com-portamento reologico, per fronteggiare le maggiori esi-genze dei moderni sviluppi di alcune applicazioni tradi-zionali e rendere possibili le nuove tecnologie.

In generale, i miglioramenti ottenuti con i conglomeratibituminosi modificati consentono i seguenti vantaggi:

- a parità di durata con un conglomerato normale, possi-bilità di ridurre lo spessore dello strato di conglomeratomodificato;

- a parità di spessore con un conglomerato normale, mag-giore durata del conglomerato modificato.

In particolare, l'utilizzazione dei conglomerati bitumino-

si modificati ha reso possibile la costruzione del nuovo tipodi manto drenante fonoassorbente in conglomerato poroso(vuoti residui 18-22%), atto ad evitare il ristagno d'acqua sullasuperficie stradale o aeroportuale ed a ridurre il rumore deltraffico, nonché la realizzazione delle pavimentazioni im-permeabili di ponti e viadotti stradali con un unico stratodi limitato spessore in conglomerato chiuso (vuoti residui4-6%).

2. LA GILSONITE

Nel quadro storico ed evolutivo dei materiali bituminosie delle loro vaste applicazioni, che si è cercato di richiamareprecedentemente nelle sue linee principali, si inserisce il par-ticolare tema della Gilsonite e dei suoi impieghi come agen-te modificante dei bitumi e dei conglomerati bitu-minosi 1,5,6,9,34-46.

2.1 Natura - Origine - Lavorazione - Distribuzione

La Gilsonite è un bitume naturale praticamente puro (con-tenuto di residui minerali max 1%), di tipo molto duro ecolore nero lucido, appartenente alla classe delle Asfaltiti

(composti idrocarburici reperiti in natura allo stato solido,con punto di rammollimento sempre superiore ai 110°C ein taluni casi maggiore di 150°C, praticamente privi di pa-raffine cristalline e sostanzialmente solubili in solfuro di car-bonio, dotati di capacità adesiva e legante) comprendente an-che la Elaterite, la Wurtzilite, la Gramamite, la Ozokerite,la Rafealite, la Albertite, ecc.

La Gilsonite è composta essenzialmente da carbonio (cir-ca 85%) ed idrogeno (circa 10%) e, per il resto, da azoto eossigeno e tracce di altri elementi.

La Gilsonite è stata reperita nel 1869 nell'area di Uintanell'Utah orientale (Nord America centro-occidentale) in ve-ne o sacche naturali quasi verticali, talvolta con affioramen-ti superficiali, ed il suo sfruttamento è iniziato nel 1885 adopera di S.H. Gilson, dal quale ha preso il nome.

Il materiale estratto dal giacimento naturale di Bonanzaé trasportato ad uno stabilimento (Figura 1) dove viene es-siccato, frantumato, macinato, vagliato in diverse granulo-metrie e fornito infine (sotto forma solida granulare) sfusoo in sacchi da 1 t oppure in sacchi carta a più fogli da 50Ib (circa 23 kg netti); il laboratorio dello stabilimento assi-cura i controlli necessari per verificare la costanza della com-posizione e delle caratteristiche dei prodotti ottenuti.

Questi prodotti sono distribuiti oggi in campo internazio-nale e sono disponibili anche in Italia.

2 1

si vedrà in dettaglio nel capitolo relativo ai bitumi modi-ficati;

- resistenza elevata agli agenti atmosferici e quindi all'in-vecchiamento.

2.2 Proprietà e caratteristiche

Il prodotto utilizzato come agente modificante per i bitu-mi ed i conglomerati bituminosi - in una analisi fatta dallaShell International Petroleum nel 1957 - presentava le se-guenti proprietà:

- colore

: nero- peso specifico a 25/25°C

: 1,059- punto di rammollimento P.A.

: 174°C- penetrazione a 25°C

: 0 dmm- asfalteni

: 76,1% p.- zolfo

: 0,3% p.- paraffina

: 0,9% p.- solubilità in solfuro di carbonio

: 99,9% p.- ceneri

: 0,1% p.

Il prodotto distribuito attualmente - denominato GIL-SONITE HMA MODIFIER (HT Grade, Granular) - è ca-ratterizzato come segue:

granulometria: totale trattenuto setaccio ASTM N. 10: 3% p.totale trattenuto setaccio ASTM N. 20: 15% p.totale trattenuto setaccio ASTM N. 35: 40% p.totale trattenuto setaccio ASTM N. 65: 50% p.totale trattenuto setaccio ASTM N. 100: 65% p.totale passante setaccio ASTM N. 100: 35% p.

proprietà: colore

: neropeso specifico a 15/15°C

: 1,04-1,06punto di rammollimentoP.A.

: 165-175°Cpenetrazione a 25°C

: 0 dmmpunto di infiammabilità(vaso aperto Cleveland)

: 315°Casfalteni

: 70,9% p.zolfo

: 0,3% p.azoto

: 3,2% p.ceneri

: 0,6-1,0% p.umidità

: 0,3% p.

Come si nota dal confronto delle proprietà attuali con quel-le rilevate nel 1957, il prodotto ha una rilevante costanzadi composizione e caratteristiche.

Si osserva inoltre in particolare che la Gilsonite presentale seguenti proprietà di rilievo:

- contenuto molto elevato di asfalteni ad alto peso mole-colare (vedi anche Figura 2), con la conseguente bassa su-scettibilità termica, alta stabilità ed ottimo comportamen-to reologico;

- contenuto elevato di azoto (vedi anche Figura 3), con laconseguente ottima adesione agli aggregati lapidei e resi-stenza allo spogliamento da parte dell'acqua;

- solubilità totale nei bitumi normali fusi a temperaturasufficientemente elevata, con formazione di soluzionicompletamente omogenee e stabili (bitumi modificati);

- consistenza molto elevata (bassa penetrazione ed alta vi-scosità), con la conseguente capacità di aumentare age-volmente la consistenza dei bitumi di produzione indu-striale con modeste percentuali di additivazione, come

Fig. 2 - Contenuto di asfalteni della Gilsonite confrontata conaltri additivi.

Fig.

Contenuto di azoto della Gilsonite confrontata con al-tri additivi.

2 2

2.3 Impieghi

La Gilsonite è un materiale molto versatile e trova idoneiimpieghi in diversi settori.

Nel campo delle pavimentazioni stradali ed aeroportuali laGilsonite è usata come agente modificante per i bitumi diproduzione industriale, per i seguenti scopi:

- ridurre la suscettibilità termica ed aumentare la resisten-za meccanica dei conglomerati bituminosi, migliorando-ne quindi il comportamento reologico, la resistenza a fa-tica e la durata;

- in particolare, migliorare la resistenza alle deformazioniviscoplastiche ("ormaie", scorrimenti, ecc.) ed agli spo-gliamenti/sgranamenti rispettivamente alle più alte ed allepiù basse temperature di esercizio, nonché la resistenzaagli agenti atmosferici ed all'invecchiamento, contribuen-do così ulteriormente ad aumentare la durata delle pavi-mentazioni in efficienti condizioni di servizio.

In questo campo la Gilsonite è utilizzata anche per la pre-parazione di appositi composti (sia al solvente che in emul-sione in acqua) per la sigillatura e protezione superficiale dellepavimentazioni bituminose.

In altri settori la Gilsonite - per le sue proprietà termo-plastiche, di compatibilità e solubilità in diversi prodotti, ade-sive, leganti, impermeabilizzanti e resistenti agli agenti at-mosferici e chimici - è impiegata vantaggiosamente per di-versi scopi:

- edilizia: come legante per la preparazione di pannelli ester-ni isolanti a base di fibre di legno;

- industria automobilistica: come componente dei rivesti-menti protettivi e dei materiali di sigillo per giunzioni;

- pitture: come componente resinico di vari tipi di pittureusate per rivestimenti protettivi industriali, marittimi, dichassis, di fusti metallici, ecc.;

- adesivi: come additivo di basso costo ed elevate proprie-tà e compatibilità, di diversi tipi di adesivi a base di resi-ne ed elastomeri;

- fonderia: come additivo migliorativo per i composti im-piegati per il distacco e la finitura degli elementi difusione;

- perforazioni: come additivo migliorativo per i fanghi ado-perati nelle trivellazioni;

- editoria: come componente, unitamente al nerofumo, divari tipi di inchiostri da stampa.

3. I LEGANTI BITUMINOSI MODIFICATICON GILSONITE

L'additivazione con Gilsonite dei bitumi normali di pro-duzione industriale

6,45,47,48,49usufruisce di una lunga esperien-

za, alla quale, più recentemente, si è aggiunta quella delladoppia additivazione con Gilsonite e con polimerisintetici

49,54,55 ,Si esaminano di seguito questi due casi separatamente.

Fig. 4 - Variazione della penetrazione a 25°C e della viscosità a60°C di un bitume modificato in funzione della percen-tuale di Gilsonite.

3.1 I bitumi modificati con Gilsonite

I bitumi modificati con la sola Gilsonite sono ottenuti age-volmente per semplice aggiunta e miscelazione di questo pro-dotto nel bitume puro di base riscaldato a temperatura di165-175°C, da eseguirsi in un contenitore munito di agi-tatore.

Data l'elevata compatibilità dei due componenti e la tota-le solubilità della Gilsonite nel bitume puro, i bitumi modi-ficati così ottenuti risultano del tutto omogenei e stabili an-che allo stoccaggio prolungato.

Questo tipo di bitumi modificati - anche per modeste per-centuali di additivazione con la Gilsonite (generalmente in-feriori al 10% in peso) - presenta diversi miglioramenti delleproprietà e caratteristiche, fra i quali sono da richiamare prin-cipalmente i seguenti.

Si osserva anzitutto che la Gilsonite aumenta sensibilmen-te la consistenza del bitume modificato (la diminuzione dellapenetrazione e l'aumento della viscosità sono rilevanti, conaumento anche del punto di rammollimento), come è evi-denziato dall'esempio riportato in Tabella I ed in Figura 4.

2 3

Come si nota in particolare da questi dati, é sufficiente unaadditivazione del 4% di Gilsonite per raddoppiare pratica-mente la viscosità del bitume a 60°C (con l'8% la viscositàrisulta triplicata), col conseguente rilevante contributo peril miglioramento della resistenza meccanica dei conglome-rati bituminosi in opera alle massime temperature di servi-zio; é altresì da notare che l'aumento di viscosità si riflettein tutto il campo di variabilità della temperatura e compor-ta quindi un innalzamento di 10-20°C della temperatura diproduzione dei conglomerati, come del resto avviene in ge-nere con qualsiasi tipo di bitume modificato.

Per quanto riguarda il comportamento alle basse tempe-rature del bitume modificato, le prove di laboratorio han-no mostrato che l'additivazione con 4% di Gilsonite induceun leggero abbassamento (miglioramento) del punto di rot-tura Fraass, mentre l'8% provoca un innalzamento, comeevidenziato nell'esempio riportato in Tabella 11.

Dalle applicazioni pratiche é tuttavia risultato che anchecon l'additivazione all'8 % non si verifica un peggioramentodel comportamento delle pavimentazioni bituminose allebasse temperature di servizio (rischi di spogliamenti, sgra-namenti, fessurazioni), ma si può avere anzi un miglioramen-to dovuto verosimilmente alle migliori proprietà di adesio-ne, coesione e resistenza meccanica del bitume modificato.

Per comprovare il miglioramento della suscettibilità termi-ca dei bitumi modificati con Gilsonite é stato usato il meto-do americano del PVN (indice di penetrazione/viscosità),che comprende il campo di variabilità della temperatura da25°C ( misura della penetrazione) a 60 o 135°C (misura del-la viscosità :

24

Come si nota dalla Tabella IV, questa possibilità è stataconfermata additivando con Gilsonite un bitume puro piùmolle (penetrazione 120-150 dmm), con un notevole miglio-ramento della penetrazione a parità di viscosità o con unrilevante miglioramento della viscosità a parità di penetra-zione e, in tutti i casi, con un miglioramento del punto dirammollimento P.A.

I bitumi modificati con Gilsonite presentano inoltre unrilevante miglioramento dell'adesione agli inerti in presenzad'acqua, come si può meglio rilevare dalla misura della resi-stenza meccanica dei conglomerati ottenuti con inerti di na-tura acida, notoriamente più sensibili all'acqua.

Un esempio molto evidente è rappresentato dal confron-to della stabilità Marshall misurata dopo 24 ore di immer-sione in acqua a 60°C dei provini di conglomerati ottenuti

2 5

con inerti di gneiss granitico, impastati rispettivamente conbitume puro o additivato con Gilsonite, come riportato inTabella V.

Il PVN è un numero rappresentativo del gradiente di va-riabilità della relazione viscosità-temperatura (suscettibilitàtermica): quanto maggiore è questo numero in valore relati-vo, tanto minore è il gradiente e cioè tanto meno suscettibi-le alle variazioni termiche è il bitume in esame.

Sono state esaminate tre coppie di bitumi equiviscosi: letre coppie sono provenienti da origini diverse, ma ciascunacoppia è costituita da due bitumi della stessa origine, di cuiil primo è un bitume puro più duro ( AC-20 con viscositàdi 2000 Poise +/-20% a 60°C) ed il secondo è un bitumepuro più molle ( AC-2,5 con viscosità di 250 Poise +/-20%a 60°C, oppure AC-5 con viscosità di 500 Poise +/-20% a60°C) modificato con Gilsonite per raggiungere una visco-sità simile a quella del primo.

L'esame è stato fatto sia sui prodotti originali che sui resi-

dui della prova RTFO (Rolling Thin Film Oven Test, per-dita per riscaldamento in spessore sottile per simulare l'in-durimento all'invecchiamento).

Come si rileva dalla Tabella III, i bitumi modificati conGilsonite hanno mostrato sempre - con diverse origini, neivari campi di variabilità della temperatura e sia per i pro-dotti originali che per quelli invecchiati - una suscettibilitàtermica minore, in taluni casi in modo anche molto rilevante.

Una riprova della minore suscettibilità termica dei bitu-mi modificati con Gilsonite è data da un secondo studio ef-fettuato negli Stati Uniti per dimostrare la possibilità di rag-giungere le caratteristiche prescritte per i bitumi di produ-zione industriale AC-10 ed AC-20 nei casi in cui questi pro-dotti presentano una suscettibilità termica troppo elevata.

2 6

Per quanto riguarda l'influenza della Gilsonite sulla visco-sità alle più elevate temperature dei bitumi doppiamente mo-dificati, si aggiunge un terzo esempio come indicato in Ta-bella VIII ed in Figura 5.

Tabella VII

Nell'esempio indicato in Tabella VI si nota che, a paritàdi additivazione complessiva, l'aggiunta di Gilsonite dimi-nuisce la penetrazione del bitume modificato, aumenta il pun-to di rammollimento e riduce la viscosità a 60'C (temperatu-ra critica di servizio per quanto riguarda il rischio di defor-mazioni viscoplastiche delle pavimentazioni bituminose sot-to i carichi pesanti), mantenendola però a livelli notevolmen-te superiori rispetto al bitume puro.

Come si vedrà in seguito (Figura 5), la diminuzione di vi-scosità a 60°C si riflette in una riduzione anche alle tempe-rature più elevate, con il miglioramento della lavorabilitàdel bitume modificato e dei relativi conglomerati alle tem-perature di impasto, stesa e rullatura.

Si osserva infine che, data la elevata resistenza della Gilso-nite agli agenti atmosferici, i bitumi modificati con questoprodotto presentano anche una maggiore resistenza all'invec-chiamento 6 .

3.2 I bitumi modificati con Gilsonite e polimeri sintetici

Come accennato precedentemente, sono stati sperimen-tati recentemente anche alcuni tipi di bitumi modificati conGilsonite e con polimeri sintetici.

Fra questi ultimi sono stati scelti vantaggiosamente duemateriali elasto-termoplastici, caratterizzati cioè da una adattacombinazione delle proprietà elastiche e di quelle termopla-stiche:

- i copolimeri SBS (stirolo-butadiene-stirolo)- i copolimeri EVA (etilene-vinil acetato)

Questi polimeri si presentano in forma granulare e, gra-zie alle proprietà termoplastiche, rammolliscono progressi-vamente al riscaldamento e passano allo stato liquido al su-peramento della temperatura di fusione; possono pertantoessere aggiunti e miscelati come la Gilsonite al bitume purofuso a temperatura di 170-180°C, arrivando a formare unasoluzione omogenea (bitume modificato).

A temperatura ambiente i copolimeri SBS presentano uncomportamento elastico, mentre per gli EVA il comporta-mento varia a seconda del contenuto di vinil acetato (VA),potendo andare dal prettamente termoplastico (VA < 18%)a quello meno plastico e più elastico (VA > 18%).

Le succitate proprietà si riflettono sul comportamento reo-logico dei composti, valorizzandone rispettivamente la com-ponente elastica o quella plastica e motivando l'utilizzazio-ne di questi polimeri per la preparazione dei bitumi e deiconglomerati modificati.

La doppia additivazione dei bitumi puri di produzione in-dustriale con Gilsonite e con i copolimeri SBS o EVA (oeventualmente con altri tipi di polimeri sintetici) può averepertanto un duplice scopo:

- integrare opportunamente le proprietà della Gilsonite conquelle dei polimeri, in modo che in ciascun caso specifi-co il comportamento del bitume modificato e dei suoicomposti risulti il più adatto per le esigenze dell'applica-zione di cui trattasi;

- usare la Gilsonite come additivo più economico ma tut-tavia di rilevante efficacia, per ridurre il dosaggio dei po-limeri sintetici e quindi il costo dei bitumi modificati.

Come è intuibile, nel caso in esame le possibili combina-zioni dei tre componenti - bitume puro, Gilsonite e poli-meri - sono molte: nell'impossibilità di citare una casisticaesauriente, si riportano nelle tabelle da VI a X alcuni esem-pi indicativi delle modifiche conseguibili nelle caratteristi-che di questi bitumi doppiamente additivati.

Circa il comportamento alle basse temperature dei bitumimodificati con Gilsonite e polimeri sintetici, a fronte dellenumerose combinazioni possibili, si riportano due esempiindicativi nelle Tabelle IX e X.

Dai bitumi modificati esaminati si rileva che quelli additi-vati con Gilsonite e SBS presentano un punto di rotturaFraass sempre minore (migliore) del bitume originale, men-tre per quelli con Gilsonite ed EVA occorre un contenutodi almeno 6% di Gilsonite.

In entrambi i casi le miscele con 6% di Gilsonite e 2% dipolimeri sono risultate di particolare interesse perché, oltrea quanto sopra citato, i conglomerati ottenuti con questi bi-tumi modificati hanno mostrato un ottimo comportamen-to reologico alle elevate temperature di servizio (misura delmodulo dinamico a 40°C), come si vedrà nel capitolo rela-tivo ai conglomerati bituminosi doppiamente modificati.

4. I CONGLOMERATI BITUMINOSIMODIFICATI CON GILSONITE

Analogamente a quanto fatto per i leganti bituminosi ad-ditivati con la sola Gilsonite o anche con polimeri sintetici,si esaminano di seguito i conglomerati bituminosi modifi-cati con Gilsonite 47-54 oppure doppiamente modificati 49,55 .

4.1 I conglomerati modificati con Gilsonite

La Gilsonite utilizzata per l'impiego in esame - essendoun materiale solido granulare sciolto, praticamente privo diumidità - può essere agevolmente aggiunta ai conglomera-

2 7

Fig. 5 - Viscosità a temperature elevate.

Da questo esempio si rileva che, nel campo delle elevatetemperature, i bitumi modificati in esame presentano hseguenti proprietà:

- l'integrazione con Gilsonite della additivazione con SB'provoca una diminuzione della viscosità (migliore lavorabilità);

- l'integrazione con Gilsonite della additivazione con EVAprovoca più limitate variazioni di viscosità, in diminuzione od in aumento rispettivamente per minori o maggiori percentuali di Gilsonite.

ti bituminosi a caldo sciogliendola preventivamente nel bi-tume riscaldato a temperatura di 165-175°C (in un serbatoiomunito di agitatore), oppure immettendola direttamente nelmescolatore dell'impianto di produzione del conglomeratoe, preferibilmente, aumentando di 10-20 secondi il tempodi miscelazione dell'impasto.

In ogni caso, data la maggiore viscosità del bitume modi-ficato con Gilsonite rispetto al bitume puro, per ottenerela stessa lavorabilità del conglomerato le temperature d'im-pasto, stesa e rullatura devono essere leggermente aumenta-te (10-20°C a seconda della minore o maggiore percentualedi Gilsonite) rispetto a quelle tradizionali, come si verificain genere con tutti i bitumi modificati.

I conglomerati bituminosi modificati con Gilsonite pre-sentano diversi vantaggi rispetto a quelli normali, e princi-palmente:- miglioramento della "stabilità" (resistenza meccanica) e

quindi della capacità portante delle pavimentazioni stra-dali ed aeroportuali;

- miglioramento della resistenza alle deformazioni plasti-che sotto i carichi pesanti alle più elevate temperaturedi servizio, come pure della resistenza alle fessurazionialle temperature più basse;

- miglioramento della resistenza all'azione dell'acqua (spo-gliamenti, sgranamenti, riduzione di stabilità) e degli agen-ti atmosferici in generale (ossidazione, indurimento).

Pertanto, nel complesso, questi materiali presentano unmigliore comportamento reologico ed una maggiore resisten-za all'invecchiamento, consentendo, secondo l'obiettivo co-mune a tutti i conglomerati modificati, di conseguire in pra-tica i seguenti miglioramenti del rapporto benefici/costi dellemoderne pavimentazioni bituminose:- maggiore durata a parità di spessore dello strato rispetto

ad un conglomerato normale;- riduzione dello spessore dello strato a parità di durata con

un conglomerato normale.Le proprietà sopra richiamate sono state evidenziate da nu-

merosi studi e prove di laboratorio (e confermate dai risul-tati delle sperimentazioni ed applicazioni pratiche), di cuisi riportano di seguito alcuni esempi rappresentativi.

Il miglioramento della resistenza meccanica è riscontrabilenei seguenti riferimenti (conglomerati bituminosi di tipochiuso):- Tabella XI: Stabilità Marshall (Stati Uniti, Asphalt In-

stitute)- Tabelle XII e XIII: Stabilità e rigidità Marshall (Italia,

ANAS).

Il miglioramento del comportamento a fatica e, in partico-lare, della resistenza alle deformazioni viscoplastiche alle ele-vate temperature di servizio trova riscontro nei seguenti rife-rimenti:

2 8

2 9

Il miglioramento dell'adesione del legante bituminoso agliaggregati lapidei e della resistenza del conglomerato all'azionedell'acqua si evidenzia negli impasti ottenuti con inerti dinatura acida, come si rileva dall'esempio riportato in Tabel-la XVI, relativo all'impiego di inerti di gneiss granitico e,rispettivamente, di bitume puro AC-20 o di un bitume mo-dificato equiviscoso (Stati Uniti).

4.2 I conglomerati modificati con Gilsonitee polimeri sintetici

Analogamente a quanto già indicato per i conglomeratibituminosi modificati con la sola Gilsonite, quelli additiva-ti anche con polimeri sintetici SBS o EVA possono essereottenuti utilizzando un bitume preventivamente doppiamen-

30

te modificato, oppure - dato che questi polimeri, come laGilsonite, sono forniti in forma granulare - aggiungendola doppia additivazione nel mescolatore dell'impianto di pro-duzione del conglomerato bituminoso.

Anche in questo caso è necessario innalzare di 10-20°Cla temperatura d'impasto (nonché quelle di stesa e rullatu-ra) rispetto ai conglomerati prodotti con bitumi puri, ed èbuona norma aumentare altresì di 10-20 secondi il tempodi miscelazione dell'impasto.

In entrambi i casi, data la varia affinità dei polimeri conil bitume puro utilizzato in ogni caso specifico, bisogna an-che verificare preventivamente la compatibilità di questi duecomponenti e la stabilità delle miscele ottenute.

La doppia additivazione dei conglomerati bituminosi conGilsonite e polimeri - oltre alle motivazioni generali giàsegnalate per l'aggiunta della sola Gilsonite (punto 4.1) -ha in particolare il duplice scopo di valorizzare la compo-nente elastica del comportamento reologico dei conglome-rati (aumentandone quindi la resistenza a fatica e la durata)e di ridurre il dosaggio dei polimeri sintetici (più costosi)con l'utilizzazione l'utilizzazione della Gilsonite (più economica).

Con riferimento ad un ampio studio effettuato in Giap-pone sui conglomerati ottenuti con bitumi doppiamente mo-dificati (vedi Tabella VIII), il miglioramento della resistenzameccanica è riscontrabile nell'aumento della stabilità Mar-shall riportato in Figura 6, particolarmente per le miscele6 e 9 ottenute rispettivamente con bitumi modificati con 6%di Gilsonite e 2% di SBS o EVA.

Le stesse miscele di cui sopra hanno presentato inoltre unmiglioramento del modulo dinamico a 4'C e, specialmente,a 25 ed a 40°C, come si rileva nelle Figure 7 e 8.

Una ulteriore conferma del rilevante miglioramento dellaresistenza alle deformazioni viscoplastiche alle più elevate tem-

perature di servizio è data dai valori della stabilità dinamicaa 60°C trovati per le succitate miscele 6 e 9 con la prova"Wheel track test", come evidenziato in Figura 9.

L'utilizzazione della Gilsonite per la preparazione dei le-ganti e dei conglomerati bituminosi modificati usufruisce or-mai di una vasta esperienza in campo internazionale, com-prendendo le applicazioni eseguite negli Stati Uniti, in Au-stralia, in Francia, in Germania ed in Norvegia, di cui si co-nosce già la riuscita, ed i più recenti sviluppi in altri dodiciStati americani e cinque Paesi esteri, di cui è tuttora in cor-so la valutazione della durata 47,48,49,51 .

Queste applicazioni sono anche molto diversificate nonsolo dal punto di vista delle condizioni di traffico (strade ur-bane, extraurbane, autostrade), ma anche da quello delle con-dizioni ambientali, variando dalle zone a clima caldo degliStati Uniti e dell'Australia a quelle a clima molto freddo inNorvegia e nel Nord degli Stati Uniti, come si rileva dagliesempi rappresentativi riferiti brevemente di seguito.

Fig. 7 - Modulo dinamico dei conglomerati bituminosi modificati con Gilsonite e SBS.

3 1

5. L'ESPERIENZA INTERNAZIONALE

Da questi risultati - integrati, per quanto riguarda le piùbasse temperature, dai valori del punto di rottura Fraass deibitumi doppiamente modificati (Tabelle IX e X, miscele con6% di Gilsonite e

2% di polimeri) - si conclude che i conglomerati

hanno presentato nelle prove di laboratorio un miglioramen-to del comportamento reologico in tutto il campo di varia-bilità delle temperature di servizio.

Fig. 9 - Stabilità dinamica a 60°C dei conglomerati bituminosi modificati con Gilsonite e SBS o EVA.

3 2

Fig. 8 - Modulo dinamico dei conglomerati bituminosi modificati con Gilsonite e EVA.

5.1 New jersey Turnpike, U.S.A.

Questa autostrada - con oltre 500.000 veicoli al giorno,di cui il 20% formato da automezzi pesanti - costituisce unsevero banco di prova per la progettazione e la riuscita dellepavimentazioni bituminose.

Dopo i tentativi infruttuosi di utilizzare dei conglomeratiottenuti con bitumi duri di produzione industriale per ri-durre le deformazioni viscoplastiche ("ormaie", ecc.) alle ele-vate temperature di servizio, da più di sette anni si è passatiall'impiego di bitumi modificati con 10% di Gilsonite.

Questo provvedimento ha permesso di raddoppiare la sta-bilità dei conglomerati bituminosi, eliminando praticamen-te l'inconveniente delle deformazioni plastiche senza creareproblemi di fessurazioni alle basse temperature ed aumen-tando di almeno 2 anni la durata delle pavimentazioni inefficienti condizioni di esercizio.

5.2 New South Wales, Australia

Anche nello Stato del Nuovo Galles del Sud, in Australia,con clima caldo e forti escursioni termiche, i bitumi modi-ficati con Gilsonite sono stati usati per risolvere il proble-ma delle deformazioni viscoplastiche in un'ampia casisticadi pavimentazioni stradali soggette a forti sollecitazioni ditraffico.

Le ispezioni effettuate a 6, 12 e 24 mesi dalla stesa dei con-glomerati modificati hanno mostrato una riduzione signifi-cativa delle "ormaie" anche a livello del solo 5% di additi-vazione del bitume con Gilsonite, tanto che è stata decisal'adozione di questa tecnica per la maggior parte dei trattipiù sollecitati della rete stradale.

5.3 Seattle, Washington, U.S.A.

Nella città di Seattle, Stati Uniti nord-occidentali, i con-glomerati bituminosi modificati con Gilsonite sono stati uti-lizzati per evitare le rapide degradazioni (deformazioni, sgra-namenti, ecc.) delle pavimentazioni delle aree portuali sog-gette alle elevatissime sollecitazioni delle attrezzature mec-caniche impiegate per la movimentazione dei containers (fi-no a 50 t sull'asse frontale).

La Gilsonite, dosata in ragione di 8% in peso sul bitume60/70, è stata aggiunta direttamente nel mescolatore dell'im-pianto di produzione del conglomerato, aumentando nelcontempo di 15 secondi il tempo di miscelazione dell'impa-sto per assicurare la distribuzione più uniforme.

Già dopo un anno dalla stesa sono stati riscontrati rile-vanti miglioramenti del comportamento in esercizio dellepavimentazioni (resistenza meccanica, all'azione di spoglia-mento da parte dell'acqua ed all'invecchiamento).

5.4 Oslo, Norvegia

I conglomerati bituminosi modificati con Gilsonite sonostati usati fin dall'inizio degli anni '70 nelle strade della cittàdi Oslo per risolvere il duplice problema delle rilevanti sol-lecitazioni del traffico (fino a più di 40.000 veicoli al gior-no, con alta percentuale di automezzi pesanti) e delle severecondizioni climatiche (fino a -30°C in inverno e +30°C inestate, con temperature massime di 60°C nelle pavimenta-

zioni), con le conseguenti degradazioni costituite principal-mente dalle "ormaie" provocate dall'abrasione causata daipneumatici chiodati in inverno, e dalle deformazioni plasti-che sotto i carichi pesanti in estate.

La Gilsonite - dosata al 12-15% in peso sul legante bitu-minoso complessivo, essendo il resto formato da bitume puro40/50 - è stata aggiunta anche in questo caso direttamentenell'impastatrice del conglomerato bituminoso, aumentan-do di 20 secondi il tempo di miscelazione e portando la tem-peratura d'impasto a circa 200°C per la necessaria lavora-bilità.

Con l'elevata additivazione con Gilsonite, si è praticamenteraddoppiato il modulo di rigidità del conglomerato bitumi-noso modificato rispetto a quello normale precedentemen-te adoperato, raddoppiando altresì la durata delle pavimen-tazioni in efficienti condizioni di servizio e, in particolare,senza creare problemi di eccessiva rigidità e fessurazioni al-le basse temperature.

6. RIEPILOGO E CONCLUSIONI

L'impiego della Gilsonite come agente modificante si in-serisce nel tema generale relativo alla tipologia dei legantie dei conglomerati bituminosi modificati, condividendonele principali motivazioni, utilizzazioni e prospettive e pre-sentando inoltre alcune proprietà specifiche ed una vasta ca-sistica di esperienze positive in campo internazionale.

Da quanto esposto nei capitoli precedenti, si può eviden-ziare innanzitutto che la Gilsonite - essendo un bitume re-perito in natura sostanzialmente allo stato puro - presentacomposizione e caratteristiche molto particolari e le man-tiene praticamente costanti per tutto il corso di sfruttamen-to del giacimento naturale.

Fra le proprietà della Gilsonite che sono vantaggiosamen-te utilizzate per la modifica migliorativa dei leganti bitumi-nosi, sono state richiamate principalmente le seguenti:

- ottima affinità e completa solubilità nei bitumi di pro-duzione industriale, e quindi facilità di miscelazione e con-seguimento di soluzioni omogenee e stabili;

- alta consistenza, bassa suscettibilità termica, ottima ade-sione agli aggregati lapidei ed elevata resistenza all'acquaed agli altri agenti atmosferici, e quindi capacità di mi-gliorare nello stesso senso le proprietà dei bitumi di pro-duzione industriale.

Queste proprietà si riflettono a loro volta positivamentenei composti e, in ordine di importanza e di diffusione, an-zitutto nei conglomerati bituminosi modificati con Gilso-nite, che presentano i seguenti principali vantaggi:

- miglioramento del comportamento reologico, con più ele-vate capacità portante e resistenza a fatica, alle fessura-zioni alle più basse temperature di servizio e, in partico-lare, alle deformazioni viscoplastiche alle temperature piùalte;

- miglioramento della resistenza allo spogliamento ed al-l'invecchiamento, proprietà che, aggiungendosi a quellesopra citate, concorrono ad aumentare la durata.

I leganti ed i conglomerati modificati con Gilsonite sonopertanto in grado di contribuire in modo tecnicamente rile-vante ed economicamente conveniente alla soluzione dei dif-

3 3

fusi problemi di resistenza e durata delle pavimentazioni stra-dali ed aeroportuali, con la duplice funzione di compensare lavariabilità qualitativa dei bitumi normali di produzione indu-striale e conseguire le migliori caratteristiche prestazionali deiconglomerati bituminosi richieste dall'aumento del traffico.

Si aggiunge infine che la nuova classe dei leganti e conglo-merati bituminosi modificati con Gilsonite e polimeri sin-tetici ha già mostrato importanti risultati alle prove di labo-ratorio e presenta quindi interessanti prospettive di futurisviluppi.

3 4

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

35