Mix Design
MIX DESIGN
Con “studio di miscela” (mix-design) si intende l’insieme di attività di studio e di laboratorio che consente di definire la composizione di una miscela, nel rispetto delle prescrizioni di capitolato e delle prestazioni richieste nel progetto esecutivo. La proporzione dei costituenti, nota come “ricetta” di una miscela (mix-proportion), è il risultato finale di una serie di attività complesse che implicano la conoscenza approfondita delle tecnologie produttive e costruttive, delle proprietà dei materiali e delle procedure di prova per la determinazione delle grandezze. Il Capitolato Speciale d’Appalto rappresenta l’anello di collegamento tra il progetto
dell’opera ed il progetto delle miscele poiché in esso vengono identificati i materiali richiesti per la realizzazione dell’opera attraverso opportuni parametri e intervalli di accettazione che sono commisurati alle prestazioni secondo il livello di accuratezza scelto. L’abilità del progettista sta nell’adattare il Capitolato al tipo di intervento, al traffico, alle condizioni climatiche e ambientali, interpretando le esigenze del progetto stradale. Per quanto riguarda i materiali che derivano da un processo di produzione in fabbrica come conglomerati bituminosi, calcestruzzi, misti granulari, misti cementati, o un processo di trattamenti in sito o in impianto come la stabilizzazione delle terre, il Capitolato deve fornire la linea guida su cui si basa lo studio della miscela ottimale in termini di composizione e proprietà meccaniche, precisando la metodologia e le tecnologie necessarie alla composizione del prodotto.
APPLICAZIONI DELLO STUDIO DI MISCELA
In generale il concetto di studio della miscela è applicabile in tutti i casi dove i procedimenti di realizzazione prevedono la scelta dei materiali e la loro miscelazione. Nell’ambito della costruzione e manutenzione dei corpi stradali le categorie di miscele da sottoporre a studio preliminare di formulazione possono essere:
- Conglomerati bituminosi;
- Miscele per strati profondi (miscele legate e miscele non legate).
Per ogni categoria di materiale esistono uno o più approcci metodologici per lo studio della miscela in funzione della natura del materiale e delle funzioni che esso svolge all’interno della costruzione stradale. Nei paragrafi seguenti sono descritte le principali modalità di esecuzione degli studi di miscela con evidenziate le metodologie e le specifiche peculiarità di applicazione.
I PRINCIPALI METODI DI RIFERIMENTO
La realizzazione di una miscela bituminosa prevede la calibrazione delle quantità di tutti i materiali componenti, che parte da un’analisi empirica per la selezione degli aggregati e del quantitativo di legante necessario a ricoprire la loro superficie e passa attraverso un processo sperimentale iterativo di prove di laboratorio per convergere alla ricetta ottimale. Se un approccio teorico risulta sufficiente a proporzionare l’assortimento granulometrico per costituire la curva obiettivo, la scelta del quantitativo di legante non può prescindere da uno studio sperimentale in laboratorio che tiene conto del costipamento del materiale e di prove meccaniche per verificarne il comportamento. Per un capitolato con caratteristica prescrittiva l’accettazione del materiale è subordinata al rispetto dei limiti sugli elementi componenti che sono a garanzia del comportamento meccanico richiesto mentre, per un capitolato prestazionale, il mix design può essere condotto con un maggior grado di libertà sulla composizione della miscela ma è vincolato al raggiungimento della performance. Le procedure di studio che portano alla definizione di una miscela seguono precisi protocolli che provengono dall’esperienza americana e francese del secolo scorso; tra i tanti, hanno avuto maggior applicazione nel nostro Paese il metodo Marshall ed il più recente metodo volumetrico.
Metodo Marshall
Prevede l’impiego di un compattatore ad impatto con caratteristiche e funzionamento standardizzato e una pressa che agisce su uno speciale telaio a ganasce per le prove distruttive. Per il progetto della miscela è necessario realizzare una serie di campioni ognuna con un determinato quantitativo di bitume che varia all’interno di un intervallo di valori calcolato con formule empiriche o derivante dall’esperienza. I campioni, che sono compattati in particolari fustelle di forma cilindrica e diametro interno di 101 mm, vengono sottoposti alla prova di schiacciamento diametrale tra le ganasce del telaio dopo immersione in acqua alla temperatura di 60°C; le condizioni e gli standard di prova sono descritti nella UNI EN 12697 -34.
L’individuazione della quantità di bitume ottimale, per miscela chiuse a curva continua è il risultato che rende massima la resistenza della miscela alla prova di schiacciamento diametrale (definita convenzionalmente stabilità Marshall ) e, al contempo, comporta l’individuazione del valore minimo dei vuoti della miscela dell’aggregato minerale VMA un volume di vuoti nei campioni compattatati che si pone in un intervallo variabile -a seconda del materiale- da 2% a 6%. Un altro parametro che si ritiene importante calcolare per ognuna delle prove condotte è la rigidità Marshall, che corrisponde al rapporto tra la massima resistenza alla deformazione, la stabilità Marshall appunto, e lo scorrimento delle ganasce fino alla rottura del provino; la maggior parte dei capitolati in Italia riporta una soglia minima di accettazione anche per la rigidità Marshall. Risulta difficile fornire una interpretazione univoca del comportamento della miscela e dei risultati della prova Marshall, poiché questi non rappresentano l’effettiva stabilità della miscela in opera, ma sono una misura convenzionale di idoneità all’utilizzo che ha avuto i suoi fondamenti nella pratica costruttiva con l’uso di bitumi non modificati e senza ausilio di RAP. Nonostante ciò, la semplicità della procedura ne ha diffuso l’impiego in tutto il mondo con l’applicazione anche per i controlli durante la messa in opera.
Metodo volumetrico
L’esigenza di fornire un metodo di indagine più accurato per le miscele bituminose ha spinto la ricerca verso un tipo di approccio definito ‘volumetrico’ che consente di spostare l’obbiettivo dell’indagine sulla variazione di volume che interessa il conglomerato bituminoso per gli effetti della realizzazione - stesa e compattazione - e del traffico - deformazione irreversibile sotto carico- fino al momento della sua rimozione dal corpo
stradale. A tale scopo, in laboratorio si utilizza un sistema di compattazione che riproduce i vari stadi di addensamento del materiale dall’azione del rullo, all’effetto di ormaiamento del traffico: la pressa giratoria. Il metodo volumetrico deriva da un più complesso procedimento di mix design americano risultato di un vasto progetto di ricerca (noto come SHRP – Strategic Highway Research Program), che ha conseguito di adattare lo studio delle miscele bituminose in laboratorio alle condizioni del clima ed del traffico, mediante l’ausilio di prove prestazionali accelerate eseguite sul conglomerato bituminoso e sul bitume.
L’apparecchiatura per la compattazione giratoria è caratterizzata da una pressa che svolge un azione di compressione statica associata, per facilitare l’addensamento del materiale, ad un movimento di rotazione su un piano leggermente inclinato rispetto all’asse verticale lungo il quale si esplica la forza; ad ogni giro aumenta l’energia di compattazione e la densità del conglomerato, che viene monitorata in tempo reale. Il tracciamento della curva di compattazione mette in relazione la densità del campione
con il numero di rotazioni e mostra l’attitudine all’addensamento della miscela bituminosa che dipende dalla struttura degli aggregati scelti con la curva granulometrica e la quantità di legante aggiunto. Oltre alla compattazione di progetto, che corrisponde alla condizione volumetrica del materiale al momento dell’apertura al traffico, è possibile studiare la variazione di densità dovuta all’esercizio dell’infrastruttura fino a fine ‘vita utile di progetto’.
La pratica comune suggerisce di valutare 3 istanti del processo di addensamento:
- "Ni" il numero di giri iniziale: numero di giri, convenzionalmente pari a 10 per tutte le miscele, corrispondenti alla densità del conglomerato bituminoso a fine lavorazione e non deve essere inferiore al 89% della densità massima;
- "Np" il numero di giri di progetto: numero di giri, convenzionalmente variabili da 80 a 150 a seconda delle miscele, corrispondenti alla densità del conglomerato bituminoso dopo un certo carico di traffico atteso, valutata in termini di assi standard equivalenti che pari al 96% della densità massima;
- "Nmax" il numero di giri massimo: numero di rotazioni, convenzionalmente variabili da 180 a 220 a seconda delle miscele, necessario a riprodurre la densità massima che si desidera ottenere in opera a fine vita utile e non deve essere inferiore al 98% della densità massima.
RELAZIONE TRA STUDIO DI MISCELA E CONTROLLI SUL PRODOTTO
In linea generale, l’accertamento dell’idoneità di un conglomerato bituminoso da parte dell’ente di controllo, avviene in corso d’opera o, preventivamente alla stesa, attraverso un’attività di qualifica del prodotto presso l’impianto di produzione, riproducendo le prove compositive e meccaniche prescritte in capitolato; per riprodurre i campioni necessari alla verifica, deve essere impiegato lo stesso metodo di compattazione e produzione dei campioni scelto per il progetto della miscela (Marshall o volumetrico).
Per verificare la densità in opera, invece, il controllo avviene sulle carote estratte sulle quali si calcolano le masse volumiche oppure, in casi più rari, può essere richiesto anche lo stesso contenuto percentuale di vuoti, che però impegna un processo di elaborazione più lungo e più complicato. Le informazioni derivanti dalle prove sia dello sciolto, sia delle carote, vengono correlate. La scelta dei metodi di compattazione di laboratorio per lo studio della miscela ottimale, non può inficiare il risultato finale che, altresì, deve corrispondere, con un minimo margine di tolleranza, al grado di compattazione in opera. Un errata scelta di livello di compattazione nella fase di mix design, infatti, potrebbe comportare errori di valutazione nella scelta della curva granulometrica e del legante aggiunto e produrre un comportamento meccanico inatteso del materiale nella fase di esercizio. In relazione ai modelli di studio descritti, per individuare in modo corretto i parametri che vengono presi a riferimento nel processo di controllo, si ritiene necessario che nel mix design siano precisati:
- Il criterio con il quale determinare la densità del conglomerato bituminoso: è opportuno riportare il riferimento normativo e la parte di norma attraverso il quale si intende procedere per il calcolo. Tale parametro è fondamentale nella definizione del volume di vuoti nel campione compattato • l’energia di compattazione necessaria a produrre i provini; per il metodo Marshall la normativa di riferimento suggerisce di applicare 50 colpi per faccia ma, per una consolidata pratica comune, questo numero è stato spostato a 75 per tutti i materiali eccezion fatta per i conglomerati bituminosi per strati drenanti. Per il metodo volumetrico è necessario specificare il numero di giri iniziale Ni, di progetto Np e quello massimo Nmax facendo attenzione che, i valori introdotti per i conglomerati bituminosi americani (10,100 e 180), potrebbero non risultare idonei alle esigenze del progetto (vedasi nota siteb).
- La densità di riferimento alla quale effettuare la caratterizzazione meccanica del materiale: il comportamento del conglomerato bituminoso varia al variare della percentuale di vuoti interni ed le prove meccaniche e simulative dell’azione del traffico devono corrispondere ad un preciso istante di addensamento per poter essere confrontabili con i dati progettuali;
- Il riferimento normativo al quale sono condotte le prove di laboratorio: la caratterizzazione di alcune grandezze fisiche e meccaniche può essere ottenuta con differenti configurazioni di prova, molte delle quali appartenenti alla stessa normativa, ma con risultati molto diversi tra loro.
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