Il fenomeno della fatica nei leganti bituminosi: approccio reologico per la valutazione dei processi di danneggiamento e autoriparazione

One of the most common distresses occurring in asphalt pavements is fatigue cracking, which is taken into account both in pavement design and in the selection of base materials and mixtures. In particular, care must be taken in evaluating the fatigue resistance of bituminous binders, in which cracks actually form and propagate. As postulated within the currently accepted approach, the development of fatigue cracks results from the combination of two competing phenomena: microcrack damage, due to repeated stress application, and healing, which may occur during rest periods. As a consequence, it is essential to thoroughly understand both mechanisms and to define appropriate laboratory tests which can be used for a true performance-related selection and characterization of the binders. In the present work the results of an extensive laboratory investigation, carried out in order to understand the behaviour of a wide range of bituminous binders employed for paving applications, is presented. Specific test protocols were adopted in order to show the effects of several factors on fatigue and healing response such as binder type, ageing, and modification. Complex materials, like styrene-butadiene-styrene, crumb rubber, industrial paint sludge and carbon nanotubes, have been selected as modifying agents and have therefore been thoroughly analysed. Polymer-modified binders proved to be the material exhibiting the highest anti-cracking performance with respect to the other binders, in terms of both fatigue resistance and ductility. Healing properties are also enhanced by the presence of specific polymers, as evident from the comparison of the modified binder with the base one. It was observed that ageing produces an increment of fatigue resistance of the material without significant variation of the relative extent of the crack propagation phase, while the effect on healing phenomenon seemed to be largely dependent on the typology of binder analysed.

Una delle più comuni tipologie di degrado che si esplica nelle pavimentazioni in conglomerato bituminoso è la fessurazione per fatica, fenomeno posto alla base dei criteri adottati per la progettazione e la selezione dei materiali nelle pavimentazioni flessibili. Lo sviluppo dello stato fessurativo, che si genera e propaga nella fase legante della miscela bituminosa, è il risultato di due manifestazioni contrastanti: il danneggiamento per fatica, causato dall’applicazione di carichi ripetuti, e l’autoriparazione, che può palesarsi durante i periodi di riposo. Risulta quindi essenziale comprendere a fondo entrambi i meccanismi al fine di definire prove di laboratorio atte a garantire una caratterizzazione dei leganti di tipo prestazionale. Nel presente lavoro di tesi sono esposti i risultati di un’approfondita indagine sperimentale, finalizzata allo studio dei processi di danneggiamento e di autoriparazione di una vasta gamma di leganti bituminosi ad uso stradale. Specifici protocolli sono stati sviluppati con lo scopo di mettere in luce l’influenza di diversi fattori sulla risposta a fatica, quali la tipologia di bitume, l’invecchiamento e la presenza di agenti modificanti di tipo tradizionale (stirene-butadiene-stirene) ed innovativo (polverino di gomma di pneumatico, melme di verniciatura industriale, nanotubi di carbonio). I leganti modificati con materiali di natura polimerica hanno esibito le migliori prestazioni in termini di resistenza e duttilità a fatica, oltre che nel recupero delle proprietà meccaniche che si manifesta durante i periodi di riposo. I trattamenti di invecchiamento hanno determinato un miglioramento della resistenza dei bitumi testati senza indurre variazioni significative nel meccanismo di dissipazione energetica che definisce il processo di accumulo del danno; mentre gli effetti sui fenomeni di autoriparazione sono parsi ampiamente dipendenti dalla tipologia di legante impiegato.