Categoria: Infrastrutture, territorio

Le miscele bituminose riciclate a freddo (CRAM) rappresentano un’alternativa diffusa alle conglomerate bituminose a caldo, con vantaggi documentati in termini di logistica, costi e impatto ambientale. Il loro impiego resta tuttavia limitato da due criticità note: la suscettibilità all’azione dell’acqua e prestazioni inadeguate nelle prime fasi di indurimento, quando il legante è costituito da emulsione bituminosa. Uno studio pubblicato su CivilEng (doi: 10.3390/civileng7020025) da Zainab Al Qraiti, Anmar Dulaimi, Marisa Sofia Fernandes Dinis de Almeida e Luís Filipe Almeida Bernardo affronta il problema introducendo ceneri di biomassa nel sistema legante, in combinazione con fresato di pavimentazione (RAP).

Ceneri di palma e di canna come additivi del legante

La ricerca esplora l’impiego di due materiali di scarto provenienti dalla combustione di biomassa: la cenere di foglie di palma (PLA) e la cenere di canna (RA). I due additivi sono stati inseriti con ruoli differenti nel composto. La PLA è stata utilizzata in sostituzione del filler, con dosaggi pari a 0%, 1,75%, 3,5%, 5,25% e 7% rispetto al peso degli aggregati. La RA, impiegata come attivatore, è stata dosata al 0,25%, 0,5%, 1% e 2% in peso sugli aggregati.

Accanto alle ceneri, la matrice incorpora anche cemento Portland ordinario (OPC), la cui quota di filler conferma il ruolo del legante idraulico nel consolidamento delle miscele a freddo.

La variabile RAP: dallo 0 al 100%

Il secondo asse della ricerca riguarda il contenuto di fresato. Il RAP è stato inserito in cinque livelli percentuali rispetto al peso della miscela: 0%, 25%, 50%, 75% e 100%. Questa scala completa consente di isolare l’effetto della frazione riciclata sul comportamento meccanico del sistema, un aspetto rilevante per chi deve dimensionare miscele ad alto contenuto di materiale recuperato.

I mieccoli con il 75% di RAP hanno mostrato la stabilità Marshall più elevata tra le configurazioni studiate.

Il dato merita attenzione: contrariamente a quanto spesso assunto in fase di pregiudizio progettuale, un’elevata percentuale di fresato non si traduce necessariamente in una penalizzazione della resistenza, almeno in termini di stabilità Marshall.

Programma sperimentale

Le proprietà meccaniche sono state valutate con tre prove consolidate nella pratica dei laboratori bitumi:

• prova di suscettibilità all’umidità, per quantificare la durabilità in presenza di acqua;
• prova di trazione indiretta (ITS), riferimento per la resistenza a rottura;
• prova Marshall, per la caratterizzazione della stabilità.

I risultati indicano che la formulazione ottimale si colloca in corrispondenza di 1,5% di PLA, 0,45% di RA e 5,5% di cemento OPC come filler. Con questa combinazione, la durabilità e le caratteristiche meccaniche delle miscele a freddo risultano efficacemente migliorate, con particolare beneficio sul fronte del danno da umidità, storicamente il punto debole di questi materiali.

Implicazioni per la progettazione delle sovrastrutture stradali

Per il progettista di pavimentazioni, lo studio fornisce un riferimento quantitativo su due leve operative: la sostituzione parziale del filler con ceneri di biomassa e la massimizzazione del riciclo. La disponibilità di una miscela a freddo con il 75% di RAP, caratterizzata da stabilità elevata, apre scenari interessanti dove il fresato è abbondante e la filiera del riciclo deve essere valorizzata. Il ricorso a sottoprodotti della combustione di biomassa aggiunge inoltre un profil Ambientale, trasformando rifiuti in componenti del sistema legante.

Restano da verificare, in ottica applicativa, i comportamenti a lungo termine e l’adattabilità delle formulazioni alle specificità dei materiali locali, come di consueto in questo campo. Il quadro emerso conferma comunque che le CRAM con ceneri di biomassa possono costituire un’alternativa attendibile per le applicazioni stradali, in particolare laddove si richiedano soluzioni sostenibili ed economicamente competitive.

L’impiego di binder ringiovaniti per miscele bituminose ad alto contenuto di RAP trova un punto di riferimento quantitativo nello studio pubblicato su Construction Materials (Vol. 6, articolo 40, doi: 10.3390/constrmater6040040), firmato da Bushra S. Mankhi, Saja A. Sead, Noha Shakir Kadhim, Zainab Al-Khafaji, Tameem Mohammed Hashim, Mohammed Salah Nasr e Ali Shubbar. La ricerca mette a confronto dieci oli di scarto a chimica differenziata, impiegati come rigeneranti in miscele HMA riciclate, e individua in base ai risultati quali prodotti restituiscano le prestazioni del legante con i dosaggi minimi.

Dieci rigeneranti da rifiuto a confronto

Il panel esaminato copre uno spettro ampio di sottoprodotti: olio motore usato (WEO), olio di cottura esausto (WCO), yellow grease (YG), olio idraulico di scarto (WHO), olio da trasformatori elettrici dismessi (WETO), slop oil (SO), bio-olio da fanghi (SDBO), olio di pirolisi da pneumatici (TPO), olio di pirolisi da plastica (PPO) e olio da residui algali (ARO). L’approccio metodologico collega la composizione chimica di ciascun olio alla capacità di rigenerazione del legante invecchiato e, di conseguenza, al comportamento della miscela riciclata.

La logica di fondo è nota ai tecnici delle pavimentazioni: l’invecchiamento irrigidisce il binder e l’impiego di RAP nelle miscele a caldo richiede una rigenerazione efficace per riportare il sistema entro le prestazioni attese, con il beneficio aggiuntivo di ridurre il consumo di materiali vergini e il relativo impatto ambientale.

Caratterizzazione reologica del legante: RV, DSR e BBR

Sul versante binder, lo studio integra tre strumenti consolidati della prassi Superpave: viscosità rotazionale (RV) per il comportamento a temperature di lavorazione, dynamic shear rheometer (DSR) per le prestazioni a temperature intermedie e elevate, bending beam rheometer (BBR) per il regime a basse temperature. Le valutazioni del performance grade restituiscono un risultato distintivo: WETO e WEO ripristinano rispettivamente leganti RAP al 50% e al 75% fino a una classe prossima a PG 64-16, e lo fanno con i dosaggi più bassi tra tutti i rigeneranti testati.

Risposta della miscela: volumetria, solcamento e fessurazione a freddo

Le proprietà volumetriche Superpave delle miscele rigenerate risultano confrontabili con quelle della miscela di controllo, a indicare di un bilanciamento e di un livello di compattazione corretti indipendentemente dal rigenerante impiegato.

Sul piano meccanico, il test Hamburg wheel-tracking (HWTT) fornisce la graduatoria della resistenza alla traccia da orbita: a 50% di RAP la miscela rigenerata con WETO mostra la profondità di solcamento minore, mentre a 75% di RAP il primato passa a WEO, entrambi dopo 20000 passaggi. I dati di BBR sulla miscela confermano la stessa tendenza sul fronte della fessurazione a bassa temperatura: WETO a 50% di RAP, e la coppia WEO/WETO a 75%, registrano la riduzione più marcata della rigidezza di creep e il miglioramento più significativo del creep rate.

Correlazioni e analisi predittive

La parte di elaborazione statistica rafforza il quadro sperimentale: le analisi di correlazione, di regressione e gli indici PI concordano con i risultati di laboratorio, individuando WETO come miglior opzione complessiva a 50% di RAP e WEO a 75%. Un elemento che emerge con chiarezza è la dipendenza dell’efficacia del rigenerante dal contenuto di RAP: non esiste un prodotto ottimale universale, ma la scelta va calata sulla percentuale di riciclato della miscela di progetto.

Implicazioni per la progettazione di miscele ad alto RAP

Per chi opera nella progettazione di riciclaggi in stabilimento o in sito, i risultati puntano a due candidati fattibili ed ecologicamente rilevanti per miscele HMA riciclate ad alto contenuto di RAP: WETO e WEO. La lezione metodologica riguarda il workflow di caratterizzazione: la selezione del rigenerante dovrebbe fondarsi su una verifica combinata di PG del binder rigenerato, HWTT per il solcamento e BBR di miscela per la resistenza a freddo, modulando il dosaggio in funzione della percentuale di RAP prevista in miscela.

Un impalcato composito a travi I in curva orizzontale, portato a 15° di angolo centrale, restituisce dai modelli agli elementi finiti una domanda di momento sulle travi esterne superiore del 21% al 29% rispetto al valore calcolato con le equazioni di distribuzione del carico vivo delle AASHTO LRFD. Il dato proviene dalla ricerca di Oday Mohammed Albuthbahak, pubblicata su Infrastructures (vol. 11, pagina 306, DOI: 10.3390/infrastructures11090306).

Equazioni nate su ponti diritti, applicazione vincolata in curva

Le equazioni dei coefficienti di distribuzione (DF) del carivo vivo delle AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, giunte alla decima edizione nel 2024, derivano da una calibrazione condotta su geometrie rettilinee. Per gli impalcati a travi I con curvatura in piano orizzontale, l’Articolo 4.6.1.2.4b ne delimita l’impiego tramite il criterio ( \mathrm{Las}/R < 0.06 ) rad. La domanda cui lo studio risponde è diretta: quale accuratezza mantengono quelle equazioni una volta superato il limite, e con quali differenze tra le grandezze di verifica.

La matrice di calcolo: 35 modelli CSiBridge da 0° a 25°

La campagna numerica si articola in 35 modelli tridimensionali sviluppati in CSiBridge, ciascuno accompagnato da verifiche di consistenza numerica. Le geometrie spaziano su tre disposizioni di travi composite plate girder:

• numero di travi variabile da 4 a 6;
• impalcato largo 9.0 m;
• angoli al centro da 0° a 15°, con estensioni near-limit, span-transfer, di sensitività e out-of-range che arrivano a 25°.

Due gli schemi di carico confrontati: il modello veicolare HL-93 delle AASHTO LRFD e il veicolo militare iracheno su ruote di Classe 100, HB115, da 1150 kN.

Momento esterno non conservativo oltre la soglia, taglio interno ancora prudente

Alla soglia di 0.06 rad l’amplificazione dovuta alla curvatura si misura tra l’1.8% e il 2.6%. Oltre, il comportamento si separa per grandezza. Le equazioni del momento per le travi esterne diventano non conservative quasi immediatamente: a 15° la domanda FEM eccede la previsione normativa del 21% al 29%. Quelle del taglio per le travi interne mantengono invece un margine dal lato della sicurezza anche oltre il limite.

Nell’inviluppo testato, l’amplificazione sulla trave esterna è governata principalmente dal rapporto ( L/R ). Il tipo di carico incide sul tasso di crescita: con HB115 la velocità di amplificazione risulta circa la metà di quella registrata con HL-93.

Un fattore di correzione in funzione di S/L e L/R

Per ricondurre le previsioni normative alla domanda effettiva viene proposto un fattore di correzione (CF) a due parti, della forma

[ CF = R_0 \left[ 1 + (a + a_1 S/L)(L/R) \right] ]

con coefficiente di determinazione ( R^2 \approx 0.97 ). Applicato ai casi out-of-range riservati alla verifica, il fattore riproduce i valori con scarti entro il 3.3%.

Il riscontro sui provini in scala 1/10 e i limiti della validazione

Due provini di laboratorio pubblicati, realizzati in scala 1/10, sono stati ricostruiti direttamente in CSiBridge per sondare la qualità del modello numerico. Il confronto restituisce un buon accordo sulle deflessioni globali e un accordo moderato sulla distribuzione trasversale ricavata dalle deformazioni. Il perimetro resta però parziale: la configurazione di riferimento da 38 m non dispone di misure a piena scala, così che l’evidenza sperimentale è assunta come benchmark esterno della metodologia di modellazione e non come validazione dell’intera matrice parametrica.

Per chi verifica impalcati curvi, il quadro risultante separa con nettezza le grandezze. Il rapporto Las/R resta il primo parametro da controllare, ma la sua copertura non è uniforme: oltre la soglia normativa è il momento flessionale delle travi esterne a esaurire il margine, mentre il taglio interno conserva una previsione prudente. Dove la curvatura eccede l’inviluppo, il fattore di correzione proposto offre una stima quantificata; la conferma su misure a piena scala della configurazione di riferimento resta il punto ancora aperto.

Un potenziale di riscaldamento globale ridotto fino a circa il 48% e danni ecologici complessivi, a livello di endpoint, inferiori oltre il 60% in alcuni scenari: sono i margini quantificati dal confronto tra sistemi di pavimentazione con strati di suolo stabilizzato a calce e sezioni granulari non legate convenzionali. Numeri che assumono rilievo operativo perché derivano da una verifica congiunta di impatti ambientali e costi di costruzione, condotta su combinazioni diverse di sottofondo e traffico. Lo studio, firmato da Caroline Castilhos Rezende, Mônica Regina Garcez, Thaís Radünz Kleinert e Washington Peres Núñez, è pubblicato su Infrastructures (DOI 10.3390/infrastructures11090301).

Tre sottofondi tropicali incrociati con cinque livelli di traffico

Il campo di confronto è costruito su tre sottofondi tipici delle regioni tropicali, Argisol, Latosol e Luvisol, ciascuno accoppiato con cinque livelli di traffico, dal basso all’alto. Per ogni combinazione sono state elaborate sezioni di pavimentazione con strati di suolo stabilizzato, trattati con il 3% e con il 5% di calce idrata calcitica, poste a confronto con stratigrafie di riferimento costituite da materiali granulari non legati, secondo la prassi convenzionale.

La logica di fondo è duplice. Da un lato la stabilizzazione a calce consente di impiegare il suolo di sottofondo come strato portante, riducendo la quantità di granulare da quarriare e trasportare. Dall’altro, il vantaggio va dimostrato caso per caso, perché il comportamento del trattamento dipende dalla natura pedologica del materiale e dalle sollecitazioni previste.

Dal dimensionamento meccanicistico-empirico all’analisi del ciclo di vita

La progettazione delle sezioni è svolta con un approccio meccanicistico-empirico. La valutazione ambientale si fonda invece sull’analisi del ciclo di vita, con confini cradle-to-construction, ovvero dalla culla alla costruzione: un perimetro che ingloba le fasi a monte della realizzazione, senza estendersi alla gestione dell’opera in esercizio.

Sono stati adottati indicatori midpoint ed endpoint, così da restituire sia impatti intermedi riferiti a categorie specifiche, sia danni complessivi a livello di danno finale. Gli esiti ambientali sono stati quindi letti insieme ai costi di costruzione relativi delle diverse sezioni, secondo un’impostazione orientata alla sostenibilità che evita di giudicare il trattamento solo sulla base delle emissioni.

Dove i benefici ambientali si concentrano davvero

Le sezioni con suolo stabilizzato riducono impatti ambientali e costi relativi di costruzione per livelli di traffico bassi e intermedi, con risultati particolarmente marcati sui sottofondi Argisol e Latosol. Sul global warming potential le riduzioni arrivano a circa il 48%, mentre i danni valutati in endpoint scendono oltre il 60% in alcuni scenari.

Il dato critico è la tendenza al crescere del traffico: il vantaggio ambientale si assottiglia progressivamente man mano che i livelli di sollecitazione aumentano. Il rapporto tra strato stabilizzato e stratigrafia granulare, conveniente a bassi traffici, va quindi ricalibrato quando la pavimentazione deve servire traffici elevati.

Il caso del Luvisol: una stratigrafia che ridisegna il bilancio

Sul Luvisol il quadro cambia. La minore idoneità di questo suolo alla stabilizzazione con calce impone l’inserimento di uno strato aggiuntivo di pietrisco graduato nella sezione, un apporto che riduce sensibilmente i vantaggi ambientali del sistema stabilizzato rispetto alla soluzione convenzionale.

È l’aspetto più utile per chi progetta: l’efficacia della stabilizzazione non è una proprietà del trattamento in sé, ma l’esito dell’equilibrio tra materiale di sottofondo, dosaggio di legante e stratigrafia necessaria a raggiungere le prestazioni richieste. Su suoli poco idonei, la quantità di materiale aggiuntivo può erodere fino a compromettere il bilancio ambientale che il trattamento era chiamato a migliorare.

Indicazioni per la pratica di progetto

• La stabilizzazione a calce si conferma alternativa ambientalmente vantaggiosa ed economicamente competitiva nelle regioni tropicali, in particolare per traffici da bassi a moderati.
• Benefici restano raggiungibili anche ad alti livelli di traffico, ma dipendono dalle caratteristiche del sottofondo e non possono essere generalizzati.
• La valutazione congiunta di impatti midpoint, danni endpoint e costi relativi di costruzione è il criterio con cui discriminare tra sezione stabilizzata e sezione granulare.
• La risposta del sottofondo alla calce condiziona la stratigrafia: dove servono strati integrativi, il vantaggio si riduce.

Il valore aggiunto del lavoro sta nella metodologia ripetibile: dimensionamento meccanicistico-empirico, LCA con confini definiti e confronto economico relativo, applicati su matrici di sottofondo e traffico. Un percorso che permette di decidere l’adozione della stabilizzazione a calce sulla base di quantità verificabili, anziché di presunzioni generali sul minor impatto del trattamento.