Anche se nel linguaggio comune termini come “bitume”, “catrame” o “asfalto” sono spesso usati indifferentemente, essi hanno significati diversi. Un motivo di confusione è dovuto al fatto che, fra i diversi Paesi, esistono differenze sostanziali nel significato attribuito allo stesso termine. Per esempio, il bitume da petrolio è chiamato asphalt negli USA, mentre in Europa “asfalto” è la miscela di bitume e aggregati lapidei (conglomerato bituminoso) utilizzata per la pavimentazione stradale.
Cos'è il Bitume?
Il bitume è costituito da una miscela d’idrocarburi a elevato peso molecolare. In realtà, il bitume era già noto prima dell’inizio dello sfruttamento dei giacimenti petroliferi come prodotto di origine naturale, denominato in questo caso “bitume asfaltico nativo”. Era utilizzato dai Romani come legante in edilizia. Il bitume naturale è un prodotto non più utilizzato nell’industria.
L’asfalto è una miscela di bitume con materiali lapidei (pietrisco, sabbia, polverino). Il catrame, che corrisponde alla parola inglese tar, è un materiale con aspetto simile al bitume, ma del tutto diverso per origine e composizione. È, infatti, ottenuto dalla distillazione del litantrace (un carbone fossile). In molti Paesi, in passato, il catrame di carbone era spesso sostituito o mescolato al bitume a livello industriale.
Composizione Chimica del Bitume
Il petrolio greggio è composto da idrocarburi alifatici, cicloalcani, nafteni, composti aromatici e poliaromatici. Gli ultimi tre composti sono quelli più pesanti e più stabili, che si ritrovano nel prodotto di fondo della colonna di distillazione. Gli asfalteni, presenti nel bitume dal 5 al 25% in peso, sono miscele complesse di idrocarburi, costituiti da composti aromatici con anelli condensati e da composti eteroaromatici contenenti zolfo. Le resine sono i composti più polari, dal punto di vista strutturale molto simili agli asfalteni. La frazione oleosa è costituita da anelli naftenici e aromatici collegati da lunghe catene alifatiche.
Gli asfalteni sono responsabili della consistenza, della resistenza alle sollecitazioni meccaniche e dell’adesività del bitume. Le resine conferiscono elasticità e duttilità.
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Proprietà Fisiche del Bitume
Il bitume è un materiale caratterizzato da elevatissima sensibilità termica. A temperatura ambiente e fino a circa 70 °C, il comportamento è viscoelastico. Oltre questa temperatura avviene la transizione da liquido viscoelastico a fluido.
- Penetrazione: La penetrazione è la profondità alla quale un ago standard affonda nel bitume a determinate condizioni di carico, tempo e temperatura.
- Temperatura di rammollimento (TR): La temperatura di rammollimento (TR) indica il passaggio graduale dallo stato solido a quello liquido. Essa è determinata mediante il metodo della palla e dell’anello. Il bitume è fuso e lasciato solidificare in un anello. Su di esso si appoggia una biglia standard e si sospende il tutto su una piastrina posta a una determinata distanza da esso. Il bitume, riscaldato con una velocità costante, si deforma sempre più e, sospinto dalla biglia, tocca la piastrina. La temperatura a cui avviene il contatto è il punto di rammollimento. Più un bitume è consistente, maggiore è il valore TR.
- Indice di penetrazione (IP): L’indice di penetrazione (IP) fornisce un’indicazione sulla suscettibilità di un bitume al calore e si ottiene dalla combinazione dei risultati delle prove precedenti.
- Punto di rottura Fraass: Il punto di rottura Fraass corrisponde alla temperatura alla quale un film di bitume dello spessore di 0,5 mm, disposto su una piastrina metallica, presenta sulla superficie le prime screpolature per effetto di ripetute flessioni di ampiezza costante. Queste sono provocate mediante un’apparecchiatura all’interno della quale la temperatura è fatta decrescere con un gradiente di 1°C/min.
- Duttilità: La duttilità è misurata dalla lunghezza alla quale è possibile allungare il bitume prima che arrivi alla rottura.
- Saggio relativo all’infiammabilità: Il saggio relativo all’infiammabilità indica se un bitume è stato inquinato con prodotti leggeri, aggiunti per migliorarne la stabilità.
Miglioramento delle Proprietà del Bitume
Un netto miglioramento delle proprietà del bitume si consegue mediante insufflazione di aria nel bitume fuso, a temperature superiori a 100 °C. L’ossigeno dell’aria reagisce con i composti aromatici presenti nel bitume trasformandoli in prodotti a maggior peso molecolare: si incrementa in questo modo la frazione degli asfalteni. Ciò conferisce alla struttura una maggiore robustezza, una minore sensibilità alle sollecitazioni termiche e una maggiore elasticità. Il bitume diventa più idoneo per applicazioni su tetti o per rivestimento.
I bitumi sono materiali termoplastici, ossia sensibili alle variazioni di temperatura. Essi, infatti, tendono a diventare duri con il freddo e fluidi e morbidi con il caldo. Se mescolati con sostanze polimeriche come gomme naturali, stirene ecc. l’intervallo di temperatura entro il quale si possono impiegare, senza che si manifestino inconvenienti legati all’instabilità termica, è maggiore. Sono così nati i cosiddetti bitumi modificati che, oltre a una minore sensibilità termica, hanno anche maggiore resistenza all’usura e a processi d’invecchiamento.
Applicazioni del Bitume
La funzione primaria di una pavimentazione è di garantire una ripartizione dei carichi sul sottofondo, compatibilmente con le caratteristiche di resistenza di quest’ultimo. Per fare ciò è indispensabile che i materiali costituenti la pavimentazione abbiano rigidezza e contemporaneamente elasticità.
La produzione di conglomerati bituminosi si esegue in appositi impianti nei quali il bitume e l’aggregato sono mescolati a 150 °C circa. Il conglomerato, così preparato, è caricato su macchine stenditrici che, mantenendo la miscela a una temperatura adatta alla lavorazione, raggiungono il luogo della posa in opera. La temperatura di miscela non deve essere inferiore a 100-120 °C. La pavimentazione si può realizzare in vari spessori, da 1-2 cm fino a 15-20.
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Conglomerati Bituminosi: Composizione e Comportamento
I conglomerati bituminosi presentano una composizione e un comportamento reologico complesso. Essi sono, infatti, materiali a tre o addirittura a quattro fasi (aggregati, bitume, aria e in alcuni casi acqua), solo macroscopicamente omogenei. Gli aggregati forniscono al materiale uno scheletro solido che, attraverso l’addensamento e il contatto tra i granuli, determina lo sviluppo della resistenza al taglio.
Gli aggregati sono selezionati in modo tale che i vari strati della pavimentazione siano costituiti da elementi di granulometria via via più fine e più regolare man mano che ci si avvicina alla superficie. Poiché è fondamentale che gli aggregati non si disgreghino sotto l’azione delle sollecitazioni del traffico veicolare, esistono procedure sperimentali per la valutazione delle loro caratteristiche di resistenza all’abrasione, all’usura e alla frantumazione. La più diffusa tra queste è la prova Los Angeles nella quale un campione del materiale lapideo è sottoposto a 500/1000 cicli di rotazione in un tamburo rotante insieme a sfere metalliche di dimensioni e peso normalizzati.
Il legante costituisce mediamente solo il 5% della miscela e deve avere:
- Buona adesività all’aggregato. Ciò conferisce resistenza meccanica alle sollecitazioni, giacché le caratteristiche viscoelastiche del bitume si trasmettono al conglomerato.
- Facilità di mescolamento con l’aggregato.
Deterioramento del Bitume
Lo strato superficiale è il più sottoposto a deterioramento, non solo a causa del traffico, ma anche delle condizioni ambientali, portando alla rottura a fatica con fessurazioni in direzione prevalentemente longitudinale. La penetrazione di acqua all’interfaccia aggregato-bitume può avvenire mediante diffusione attraverso i film di bitume o attraverso le fessure presenti nella matrice legante. In ambedue i casi l’acqua entra in competizione con il bitume e porta all’indebolimento e di conseguenza alla perdita del legame di adesione tra aggregato e bitume. Il fenomeno, detto spogliamento, determina uno scadimento delle proprietà meccaniche del conglomerato bituminoso.
Questi stessi deterioramenti e altri di tipo strutturale sono favoriti dal progressivo indurimento e infragilimento che il bitume subisce nel tempo, a seguito di una serie di fenomeni che ne alterano la composizione chimica e la struttura. Le caratteristiche chimiche e fisiche del bitume possono variare nel tempo, in particolare nei primi due-tre anni dalla messa in opera. Dopo questo periodo l’invecchiamento del materiale procede in maniera più lenta. L’entità del fenomeno dipende molto dalle modalità di preparazione del conglomerato. Nella camera di miscelazione, infatti, il bitume è esposto a un flusso di aria calda (150 °C) e poi miscelato con gli aggregati.
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Utilizzi Comuni del Bitume
Il bitume si utilizza soprattutto per il trattamento superficiale delle strade (asfaltatura). La sua caratteristica impermeabilizzante è sfruttata anche per le coperture e per la preparazione di vernici. Nella costruzione di pavimentazioni per strade con traffico pesante, la miscela calda pietrisco-bitume si sparge su un pietrame fitto e compatto e si cilindra, mentre è ancora calda, per ottenere una superficie liscia. Sulle strade soggette a traffico leggero si applica un manto sottile, poco costoso, spruzzando sulla base stradale bitume fluido e ricoprendolo, senza indugio, con uno strato di graniglia che è assestato mediante leggera rullatura.