Capitolo 1 – Introduzione
come conseguenza quella di compromettere seriamente le caratteristiche prestazionali
potenziali dei materiali impiegati, rendendo così vani gli studi progettuali e di prequalifica,
con conseguenze economiche non trascurabili.
Allo stato delle conoscenze attuali, un approccio approssimativo come quello tradizionale non
può più ritenersi plausibile nel campo dell’ingegneria stradale. Anche alla luce delle forti
ripercussioni sociali ed economiche che l’infrastruttura viaria produce nella società moderna,
risulta ormai imprescindibile l’impiego di un approccio razionale al problema, che porti alla
definizione di un vero e proprio “progetto” delle fasi di stesa e compattazione dei
conglomerati bituminosi.
1.1 Scopo della ricerca
L’obiettivo che ci si è posti nello sviluppo della presente ricerca è stato quello di colmare,
almeno parzialmente, il gap conoscitivo che separa gli avanzati studi di laboratorio di progetto
e prequalifica delle miscele dall’incertezza dei risultati a fine compattazione.
Lo scopo dello studio è quindi quello di creare uno strumento previsionale utile al ricercatore
e al progettista stradale in grado di consentire la definizione, già in sede di progetto, della
tecnica di compattazione più opportuna da adottare per il raggiungimento delle caratteristiche
prestazionali desiderate.
I quesiti che normalmente vengono affrontati prima di eseguire la compattazione e ai quali lo
studio si propone di fornire una risposta, possono essere riassunti come segue:
1) quale peso deve avere il rullo per potere eseguire correttamente la compattazione del
materiale di progetto?
2) quali impostazioni in termini di ampiezza e frequenza di vibrazione devono essere
impiegate durante l’utilizzo del rullo?
3) qual è il numero corretto di passaggi che il rullo deve eseguire su ciascun punto della
pavimentazione, così da ottenere l’addensamento desiderato?
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Capitolo 1 – Introduzione
4) come è possibile definire correttamente la procedura di compattazione nel caso di
impiego di più rulli con caratteristiche di peso, ampiezza e frequenza di vibrazione
diverse?
5) i rulli, i parametri operativi e le procedure realizzative scelte sono in grado di garantire
anche il raggiungimento delle caratteristiche di tessitura superficiale desiderate?
6) è possibile scegliere una tecnica di compattazione ottimale comparando tra loro i
risultati ottenibili sia in termini di addensamento che di tessitura superficiale?
1.2 Progetto della ricerca
La ricerca è stata sviluppata secondo uno schema di lavoro che, partendo dall’analisi
sperimentale del fenomeno, studiato nelle sue molteplici e complesse sfumature, si è evoluta
verso l’individuazione di alcune variabili fondamentali che risultassero strettamente correlate
ai risultati dei vari processi di compattazione, sia in termini di addensamento, sia di tessitura
superficiale. Tali variabili hanno consentito di analizzare il problema in maniera totalmente
svincolata dalle caratteristiche operative del mezzo compattante scelto e della procedura di
compattazione adottata.
INDIVIDUAZIONE DEI
FATTORI INFLUENTI
I I I I I
I I I
ANALISI DEL
FENOMENO
I I
DEFINIZIONE DEI
PARAMETRI
GENERALI
I I I I
I
I
ESECUZIONE DELLA
CAMPAGNA DI RILIEVO
I
I I I
RICERCA DELLE LEGGI
PREVISIONALI
I I
I I I
VALIDAZIONE DELLE
LEGGI PREVISIONALI
I I
I I I I
CREAZIONE
DEL MODELLO
I
VALIDAZIONE
DEL MODELLO
I I
Figura 1.1 – Schema del progetto della ricerca
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Capitolo 1 – Introduzione
La determinazione dei parametri essenziali è stata possibile solo grazie ad un’intensa ed
attenta analisi sperimentale condotta durante un elevato numero di campagne di rilievo e di
monitoraggio in cantieri stradali e aeroportuali ed in campi prove appositamente realizzati.
Lo studio è stato sviluppato con lo scopo di determinare gli effetti delle diverse procedure di
compattazione sul grado di addensamento delle diverse miscele, e parallelamente per chiarire
se, ed in che modo, il processo di compattazione possa andare ad influire i risultati finali in
termini di macrotessitura superficiale.
In prima analisi gli effetti dinamici dovuti alla vibrazione dei rulli sono stati trascurati, in
modo da ridurre al minimo il numero di variabili in gioco e individuare i parametri operativi
più influenti. Una seconda elaborazione più approfondita ha consentito quindi di analizzare e
quantificare gli effetti dei passaggi vibranti di diversi modelli di rullo, equipaggiati con
sistemi di vibrazione diversi.
L’analisi ha quindi portato all’individuazione delle leggi previsionali in grado di descrivere
con buona approssimazione l’incremento di densità del materiale e i valori di altezza in sabbia
finali in funzione dell’energia compattante applicata
Mediante la tecnica di modellazione a elementi finiti è stato possibile infine riprodurre il
comportamento del conglomerato bituminoso durante il processo di compattazione,
caratterizzando il comportamento tenso-deformativo del materiale e individuando
l’evoluzione delle caratteristiche elasto-plastiche durante il passaggio del rullo.
1.3 Ipotesi iniziali
L’ambito in cui si svolge lo studio è talmente vasto e complesso, e presenta un numero così
elevato di variabili, che la ricerca di una legge generale per la compattazione dei conglomerati
bituminosi apparirebbe un obiettivo a dir poco ambizioso.
Si è cercato piuttosto di isolare alcune delle variabili più significative, concentrando
l’attenzione su quei fattori che possono costituire le scelte progettuali fondamentali da
effettuare prima dell’esecuzione del processo di compattazione.
Le ipotesi iniziali di studio possono essere riassunte di seguito:
a) Lo studio si concentra esclusivamente sulla fase di compattazione dei
conglomerati bituminosi. Si ipotizza quindi che le operazioni di stesa siano state
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Capitolo 1 – Introduzione
eseguite a regola d’arte, utilizzando una finitrice in condizioni operative ottimali e
con impostazioni di stesa corrette.
b) Le condizioni ambientali quali temperatura dell’aria, velocità del vento,
irraggiamento solare ecc. sono compatibili con le condizioni di lavoro richieste e
sono sostanzialmente omogenei.
c) La temperatura del materiale steso è pari a quella ottimale di inizio
compattazione.
d) Il processo di compattazione viene eseguito secondo i canoni tradizionali,
iniziando immediatamente dopo la stesa e seguendo i normali tempi di esecuzione.
e) La compattazione viene terminata prima che il materiale scenda al di sotto della
temperatura minima di compattazione.
La ricerca presenta i risultati relativi all’elaborazione di dati acquisiti durante la realizzazione
di pavimentazioni in conglomerato bituminoso in cantieri aeroportuali e in appositi campi-
prova. Le condizioni di lavoro e le tecniche operative impiegate nei suddetti casi-studio
risultano essere pienamente compatibili con le ipotesi di studio.
Nel corso della trattazione verranno analizzate nel dettaglio le differenti caratteristiche delle
miscele sperimentate, dei rulli utilizzati e delle tecniche di compattazione impiegate.
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2. LA COMPATTAZIONE DEI CONGLOMERATI
BITUMINOSI
L’obiettivo principale della compattazione dei conglomerati bituminosi è quello di
riorganizzare la distribuzione degli aggregati contenuti all’interno della miscela, in modo che
essi assumano la configurazione che genera il desiderato livello di densità [1].
I conglomerati bituminosi, così come tutti i materiali granulari, quando si trovano nelle
condizioni di materiale sciolto sono caratterizzati dal possedere una bassissima capacità
portante, per la quale l’applicazione di carichi anche modesti ha come effetto quello di
produrre significative deformazioni permanenti.
Attraverso il processo di compattazione è possibile compiere un’azione di ridistribuzione e
riavvicinamento gli aggregati, in modo tale da favorirne l’ingranamento reciproco e ottenendo
una conseguente riduzione di volume e aumento di densità e stabilità.
Figura 2.1 – Ingranamento reciproco degli aggregati in un conglomerato bituminoso compattato
Grazie alle forze di attrito intergranulare e all’azione legante del bitume, il conglomerato
bituminoso adeguatamente compattato è in grado di resistere ai carichi del traffico senza
evidenziare significative deformazioni di tipo plastico. L’avvicinamento e l’ingranamento
degli inerti accresce gli attriti intergranulari, conferendo alla miscela le caratteristiche di
stabilità e resistenza.
Il maggiore addensamento degli inerti genera inoltre un maggior numero di punti di contatto
intergranulare, con conseguente riduzione dei valori di pressione a cui sono sottoposti gli
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Capitolo 2 – La compattazione dei conglomerati bituminosi
aggregati. Questo limita notevolmente il rischio di rottura degli inerti, causa ulteriore di
deformazioni plastiche permanenti nella pavimentazione.
La riduzione del volume dei vuoti interni al materiale ha anche come effetto quello di limitare
la suscettività del materiale all’acqua, con minore rischio di deformazioni e fessurazioni
dovute a fenomeni di gelo e disgelo.
Va inoltre sottolineato che se il livello di addensamento previsto non viene raggiunto durante
le operazioni di compattazione, il processo di consolidamento del materiale verrà
inevitabilmente completato dall’azione del traffico, con conseguente generazione di
deformazioni plastiche permanenti durante la fase di esercizio.
2.1 Posa in opera
La posa in opera dei conglomerati bituminosi avviene in due fasi successive: la stesa e la
compattazione. Entrambe le operazioni risultano essere fondamentali per la corretta
realizzazione degli strati della pavimentazione e si dimostrano determinante per il
raggiungimento delle caratteristiche prestazionali finali desiderate.
2.1.1 La stesa
La stesa ha lo scopo principale di depositare il materiale sul piano di posa conferendo alla
miscela una prima compattazione, in modo da assegnare allo strato gli spessori e le pendenze
previsti per la lavorazione [17]. L’addensamento completo della miscela verrà
successivamente portato a termine grazie alla fase di compattazione.
La stesa del materiale avviene generalmente mediante l’uso di una finitrice.
La finitrice è un mezzo dotato di una serie di dispositivi in grado di accogliere il materiale
trasportato dall’impianto e stenderlo secondo sul piano di posa secondo i requisiti geometrici
e plano-altimetrici previsti.
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Capitolo 2 – La compattazione dei conglomerati bituminosi
Figura 2.2 – Operazioni di stesa mediante finitrice
Il materiale, una volta depositato all’interno della tramoggia della finitrice, viene convogliarlo
verso l’elemento compattante, costituito da un banco riscaldato, che, grazie al proprio peso e
alla presenza eventuale di piastre e barre vibranti, conferisce al materiale le caratteristiche di
regolarità, spessore e addensamento necessarie per procedere nella lavorazione.
Per mezzo della stesa mediante l’uso della finitrice, il conglomerato bituminoso raggiunge
circa l’80% del valore finale di grado di compattazione [3, 4, 5, 6, 18].
2.1.2 La compattazione
La compattazione ha come scopo quello di conferire al materiale il previsto grado di
addensamento. Durante questa fase avviene l’incremento del grado di compattazione del
materiale per il restante del 20% del valore finale, quantità che, seppur di entità minore
rispetto a quanto prodotto dalle operazioni di stesa, costituisce il contributo determinante del
lavoro da cui dipendono le caratteristiche prestazionali finali della pavimentazione.
Le operazioni di compattazione sono principalmente finalizzate al riarrangiamento degli
aggregati all’interno dello strato mediante l’applicazione ripetuta di un carico.
La pressione applicata, grazie anche all’effetto lubrificante del legante bituminoso, è in grado
di ingranare reciprocamente gli inerti vincendo le forze di attrito interne.
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Capitolo 2 – La compattazione dei conglomerati bituminosi
Le prime fasi della compattazione dei conglomerati bituminosi sono caratterizzate da notevoli
deformazioni plastiche, dovute principalmente all’avvicinamento reciproco degli inerti. In
seguito, una volta raggiunta una configurazione di maggiore addensamento, le deformazioni
di tipo plastico si riducono ed il materiale assume una maggiore elasticità, dovuta
principalmente alla risposta tenso-deformativa degli inerti stessi.
Figura 2.3 – Compattazione di uno strato in conglomerato bituminoso
Ad eccezione dei casi in cui la condizioni di lavoro non lo consentono, la compattazione viene
normalmente eseguita mediante l’utilizzo di rulli compattatori.
Attualmente esistono sul mercato diverse tipologie di rullo che presentano differenze
sostanziali per quanto riguarda il principio di funzionamento. Le principali categorie possono
essere riassunte nelle seguenti:
- rulli monotamburo;
- rulli tandem;
- rulli pneumatici (o gommati);
- rulli combinati.
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Capitolo 2 – La compattazione dei conglomerati bituminosi
I rulli monotamburo esercitano la loro azione compattante mediante il contatto di un solo
tamburo d’acciaio sul quale grava la quasi totalità del peso della macchina. La restante parte
del carico grava sui due pneumatici posteriori di supporto.
I rulli tandem utilizzano lo stesso principio dei rulli monotamburo, con l’unica differenza che
il carico viene distribuito su due tamburi, anziché uno. A parità di massa operativa, la
pressione trasmessa alla pavimentazione risulta quindi inferiore rispetto a quella dei rulli
monotamburo ed il carico risulta equamente distribuito.
(a) (b)
Figura 2.4 – Rullo monotamburo (a) e rullo tandem (b)
I rulli gommati utilizzano un sistema di trasferimento del carico completamente diverso, che
consiste nell’utilizzo di una serie di pneumatici, distribuiti frontalmente e posteriormente al
mezzo, i quali, oltre a trasmettere le pressioni allo strato da compattare, esercitano anche
un’azione di impastamento del materiale. Per questo tipo di rulli è prevista la possibilità di
modificare sensibilmente il valore del carico trasmesso a terra, sia mediante l’utilizzo di
zavorre da inserire in appositi vani di carico, sia agendo sulla pressione di gonfiaggio dei
pneumatici.
I rulli combinati, come suggerisce il termine, sono il risultato della combinazione di
entrambi i sistemi di trasferimento del carico. Essi montando infatti un rullo d’acciaio nella
parte frontale del mezzo e una serie di pneumatici sul lato posteriore.
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