Materiali bituminosi innovativi · 5 152535 455565758595 105115 Scattering angle (2θ) Counts...
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Materiali bituminosi innovativiPrima parte
4° Corso di Alta Formazione alla Ricerca ICAR-04Pavimentazioni, materiali e metodi per le infrastrutture stradali ed aeroportuali
Dipartimento di Ingegneria Civile, dell’Ambiente, del Territorio e Architettura
Università degli Studi di Parma
Prof. Ing. Felice Giuliani
Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
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Cosa c’è di innovativo?
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
Materiali Bituminosi Innovativi - I
In questa lezione:Il legante come “soggetto privilegiato”.Il laboratorio come “luogo eletto” della sperimentazione.La struttura della ricerca prevale sul dettaglio del risultato.
1) Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali.
2) Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali.
3) Studio di formulazioni vantaggiose
soluzioni eco-sostenibiliimplicazioni di carattere tecnico-economico
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1) Bitumi e resine resistenti alle aggressioni chimiche (carburanti).
2) Leganti bituminosi trasparenti e colorati.
Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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Materiali Bituminosi Innovativi - I
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1) Infrastrutture stradali ed aeroportuali.
2) Soluzioni Coal free.
3) Soluzioni collaterali
Bitumi e resine resistenti alle aggressioni chimiche (carburanti)
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Materiali Bituminosi Innovativi - I
Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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Classificazione in base alla resistenza al kerosene
Superficie non soggetta al contatto con idrocarburi
Livello di attacco da idrocarburi basso
Livello di attacco da idrocarburimoderato
Livello di attacco da idrocarburi elevato
K0 K1 K2 K3
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
BITUMI E RESINE RESISTENTI ALLE AGGRESSIONI CHIMICHE
Materiali Bituminosi Innovativi - I
Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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(A. Seive & C. Leroux, 2004)Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
Conglomerati bituminosi anticarburante: il ruolo della formulazione
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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Cantabro test (NLT 352-86)
Brush test (EN 12697-43)
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Conglomerati bituminosi anticarburante: le prove di laboratorio
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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Conglomerati bituminosi anticarburante: le prove di laboratorio
6 mm
600 mm
jet fuel A1
silicone sealing PVC ring
asphalt concrete
fuel jet A-1
D
Hmax
DAHav =
A
D
(F. Giuliani & S. Rastelli, 2006)
0123456789
10111213
6h 24h 30h 48htime [h]
ave
rage
pen
etra
tion
dept
h [m
m]
2mm head4mm head6mm head
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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Soluzioni anticarburante: le prove di laboratorio
untreated vinylresin
styrol-acrylicresin
0
5
10
15
20
25
30
35
mas
s los
s afte
r 24
h im
mer
sion
in k
eros
ene
[%] B50/70
PMB50/70-84B
0
5
10
15
20
25
30
35
mas
s los
s [%
]
B50/70PMB50/70-84
air 24 h in water
15 days in water
24 h in kerosene
A
(F. Giuliani & S. Rastelli, 2006)
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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1) Pavimentazioni di strade a basso impatto ambientale.
2) Riconoscibilità di spazi in piattaforma, zone pericolose, piste ciclabili.
Leganti bituminosi trasparenti o colorati
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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0.1
1
10
100
1000
60 80 100 120 140Temperatura [°C]
Visc
osità
[Pa
s]
SINT70/100SOFTHARD
Lavorabilità analoga al bitume 70/100Per t < 60 °C tendenza al modificato SOFT
(F. Canestrari & L. Cerni, 2003)
- Migliore resistenza all’ormaiamento e fatica rispetto ai bitumi tradizionali
- Migliore lavorabilità alle alte temperature rispetto ai bitumi modificati
- Comportamento reologicoassimilabile ai bitumi modificati
- Ottima compatibilità con aggregati di qualsiasi natura
- Alterazione delle proprietàcromatiche T > 130 °C
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Leganti bituminosi trasparenti o colorati
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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Studio del contrasto cromatico, della percezione e della resa illuminotecnica
Conglomerato bituminoso con legante trasparente e/o con aggregato artificiale o naturale chiaro
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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1. Applicazioni in galleria e/o per migliorare la resa illuminotecnica della piattaforma stradale.
2. Percentuale in peso di aggregati chiari > 60%.3. Coefficiente di luminosità retroriflessa 180÷210 mcd/lxm2
4. Basso assorbimento di legante (<0,1%).
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Conglomerato bituminoso con legante trasparente e/o con aggregato artificiale o naturale chiaro
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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Selezione dell’aggregatoPrincipi della retroriflessione
(F. Giuliani & S. Rastelli 2005)
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Conglomerato bituminoso con legante trasparente e/o con aggregato artificiale o naturale chiaro
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Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali
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1) Le emulsioni nel riciclaggio a freddo.
2) I bitumi nelle soluzioni grouted macadam.
Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
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Il cemento costituisce elemento di regolazione della rottura dell’emulsione.
Il cemento incrementa la viscosità del legante bituminoso.
Il cemento esercita una influenza continua sulla rigidezza delle miscele riciclate, anche dopo immersione in acqua.
Le emulsioni nel riciclaggio a freddo
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Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
La miscela emulsione bituminosa e cemento può essere considerata un “nuovo legante”?
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X-Ray Diffraction Analysis
Emulsione bituminosa e cemento
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λ = 1.54Å
incident beam
atomic planes
θ
d
scattered beam
λθ nd sen 2 =
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Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115
Scattering angle 2θ
Cou
nts
Sample P2 - Bit. EmulsionSample P7 - Portland Cement
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(F. Giuliani, 2001)
secondarypeaks
1storder peaks
Sample P2 - Bit. Emulsion
Sample P7 - Portland Cement
Sample P2 - Bit. Emulsion
Sample P7 - Portland Cement
Scattering Angle 2θ
SampleSample P2 P2 –– BituminousBituminous EmulsionEmulsion
SampleSample P7 P7 –– Portland Portland CementCement
d =4.55Å
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Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115
Scattering angle (°2θ)
Cou
nts
Sample P3 - Bit. Emulsion-Filler
Sample P6 - Filler
Sample P3 - Bit. Emulsion-Filler
Sample P6 - Filler
Scattering Angle 2θ
SampleSample P3 P3 –– BitumBitum. . EmulsionEmulsion + Filler+ Filler
SampleSample P6 P6 –– FillerFiller
SampleSample P3 P3 –– BitumBitum. . EmulsionEmulsion + Filler+ Filler
SampleSample P6 P6 –– FillerFiller
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Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
(F. Giuliani, 2001)
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115
Scattering angle (2θ )
Cou
nts
Sample P1 - Bit. Emulsion-Portland CementSample P2 - Bit. EmulsionSample P5 - Portland Cement Paste
Scattering angle (2θ)
SampleSample P1 P1 –– BitumBitum. . EmulsionEmulsion + PC+ PC
SampleSample P2 P2 –– BituminousBituminous EmulsionEmulsion
SampleSample P5 P5 –– Portland Portland CementCement PastePaste
SampleSample P1 P1 –– BitumBitum. . EmulsionEmulsion + PC+ PC
SampleSample P2 P2 –– BituminousBituminous EmulsionEmulsion
SampleSample P5 P5 –– Portland Portland CementCement PastePaste
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(F. Giuliani, 2001)
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Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
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Emulsione bituminosa e cemento
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A. Montepara, F. Giuliani and S. Rastelli (2004)Cement-bituminous emulsion ratio in RAP mixtures RAP different grading curves
(a) Low emulsion content: 3.5%(b) Medium emulsion content: 4.5%
(c) High emulsion content: 5.5%
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Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
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Emulsione bituminosa e cemento
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
Virgin aggregate, 28 days curing
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
3.5%
4.5%
5.5%
3.5%
4.5%
5.5%
stre
ngth
(kg/
cm2 )
modified effortstandard effort
RAP, 28 days curing
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
3.5%
4.5%
5.5%
3.5%
4.5%
5.5%
stre
ngth
(kg/
cm2 )
modified effortstandard effort + 2%
cement+ 2% cement
(F. Giuliani & S. Rastelli, 2004)
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Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
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I bitumi nelle soluzioni Grouted Macadam
Gli obiettivi e le tecniche di esecuzione
Il ruolo del legante
Gli effetti del ritiro
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Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali
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1) I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi.
2) I bitumi modificati con polverino di pneumatico riciclato.
Studio di formulazioni vantaggiose
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I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi
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Materiali Bituminosi Innovativi - I
Studio di formulazioni vantaggiose
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Temperatura di confezionamento
Con
sum
o di
com
bust
ibile
(kg/
t)
H2O
Conglomerati a caldo
Zona di Essiccazione
Zona di Surriscaldamento
Conglomerati semi-caldi
Conglomerati tiepidi
Conglomerati a freddo
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I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi
Warm Mix Asphalt
WAM Foam (Shell - Kolo Veidekke)
Zeolite (Eurovia - Hubbard Construction)
Sasobit (Sasol Int. – Moore and Murger)
Evoterm (MeadWestvaco)
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Studio di formulazioni vantaggiose
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Caso di studio:
Bitume modificato con polverino di pneumatico riciclato
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
- Nasce “per caso” 40 anni fa.- Interesse ambientale.- Nuovi interessi tecnici e scientifici.
1) La via secca (metodo Dry)
2) La via umida (metodo Wet)
Materiali Bituminosi Innovativi - I
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(B. Celauro, C. Celauro, A. Di Francisca, 2003)
“METODO DRY”A0 = 0%CRM
A2 = 2%CRM
--0-10,177
8-1200,075
----0,30
--15-200,42
13-25--0,60
--1001,00
19-321002,00
30-42--6,5
60-80--9,52
100--15,8
PlusRideTM
Dry (passante %)
Gomma (passante %)
Dimensione nominale
(mm)
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“Metodo Wet”
Crumb Rubber Modified Binder
Asphalt Rubber o Rubberized Asphalt (ASTM D-6114)
Tipo I (CRM da pneumatico)
Tipo II (75% CRM e 25% gomma naturale)
Terminal Blend o Refinery Blend Process
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1. Alto contenuto di polverino (15÷22%) ASTM D-6114.2. Tipo e qualità di polverino 0,075<Φ<2 mm.3. Instabile allo stoccaggio.4. Conglomerati con tenori di bitume elevati (8÷10%) con buone caratteristiche di
fonoassorbenza (riduzione fino a 5÷6 dB).5. Conglomerati con notevole resistenza a fatica ed alle deformazioni permanenti.6. Benefici ambientali.7. Impianto specifico semovente.8. Costi da valutare su ampia scala.
Crumb Rubber Modified Binder – ASPHALT RUBBER
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“ASPHALT RUBBER”
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MiscelaTempo [min] 15 30 45 60 120 180 15 30 45 60 120 180 15 30 45 60 120 180
Viscosità [cP] 950 1150 1550 1575 1650 1788 1400 1550 1663 1750 1888 2638 2063 2613 2850 2938 4600 4525Penetrazione [dmm] 31 29 28 26 24 20 30 27 25 20 17 17 22 20 20 18 11 10Resilienza [dmm] 29 31 37 35 38 41 33 35 39 42 41 45 41 47 47 49 59 52Palla Anello [°C] 60 61 63 62 63 65 62 63 63 64 64 66 65 66 68 68 73 73
70/100 (18% CRM) 70/100 (20% CRM) 70/100 (22% CRM)
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Tempo [min]
Viscosità [cP]
70/100+18%70/100+20%70/100+22%
max AASHTO TP48
min AASHTO TP48 (F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, G. Way, 2005)
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(J. Shen & S. Amirkhanian, 2005)Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
“ASPHALT RUBBER”
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“ASPHALT RUBBER”
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, 2006)
Zero Shear Viscosity (CEN prEN15325)
ZSV = ∆t / ∆J = 900 / (Jf – J15) [Pa⋅s]
0
50
100
150
200
250
0 1000 2000 3000 4000
tempo [s]
η [P
a s]
0
4
8
12
16
20
J [1
/Pa]
Viscosidade
Compliance
0% CRM
0
4000
8000
12000
16000
20000
0 1000 2000 3000 4000
tempo [s]
η [P
a s]
0,00
0,06
0,12
0,18
0,24
0,30
J [1
/Pa]
Viscosidade
Compliance
16% CRM
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“ASPHALT RUBBER”
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, 2006)
0
40000
80000
120000
160000
200000
0 5000 10000 15000
tempo [s]
η [P
a s]
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
J [1
/Pa]
Viscosidade
Compliance
20% CRM
0
40000
80000
120000
160000
200000
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
tempo [s]
η [P
a s]
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
J [1
/Pa]
ViscosidadeCompliance
20% CRM
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Zero Shear Viscosity (CEN prEN15325)
ZSV = ∆t / ∆J = 900 / (Jf – J15) [Pa⋅s]
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“ASPHALT RUBBER”
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(F. Giuliani, F. Merusi, I. Antunes, 2006)
Zero Shear Viscosity Analysis
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0 5000 10000 15000
time [s]
J [1
/Pa]
Compliance 10 Pa
Compliance 20 Pa
Compliance 50 Pa
Compliance 100 Pa
CRM 20 t = 4 hours
Test Stress - τ Binder
10 Pa 20 Pa 50 Pa 100 Pa
CRM 0% 214 195 202 207 CRM 16% 32184 31667 15627 14066 CRM 20% 1809160 379010 126945 84583
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“ASPHALT RUBBER”
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(F. Giuliani, F. Merusi, 2006)
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
frequenza [Hz]
visc
osità
com
ples
sa [
Pa
s]
60
70
80
90
ango
lo d
i fas
e [d
eg]
eta*eta* (Cross)eta* (Carreau-Yasuda)angolo di fase
T = 60°C
Zero-Shear Viscosity – ZSV [Pa· s]
G*/ω G’’/ω η0 Cross η0 Careau-Yasuda
CRM0 182 182 185 184 CRM16 13169 12611 13160 12006 CRM20 296178 134235 - -
( ) ∞∞ +
+
−= η
ω
ηηωη
µK1)(* 0
( )[ ]∞−
∞ +
+
−= η
λω
ηηωη
an
a1
0
1)(*
ω*G
=ωη )(*
(Cross Model)
(Careau Model)
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“ASPHALT RUBBER” – Repeated Creep Test
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(F. Giuliani, F. Merusi, 2006)
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
tempo t [s]
defo
rmaz
ione
γ [
%]
T = 60°Cτ = 10 Patcreep = 1 strecovery = 9 s
γacc
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
tempo t [s]
defo
rmaz
ione
γ [%
]
T = 60°Cτ = 10 Patcreep = 1 strecovery = 9 s
γacc
0% CRM
16% CRM
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“ASPHALT RUBBER” – Repeated Creep Test
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(F. Giuliani, F. Merusi, 2006)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
tempo t [s]
defo
rmaz
ione
γ [
%]
T = 60°Cτ = 10 Patcreep = 1 strecovery = 9 s
γacc
16% CRM
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“ASPHALT RUBBER” – Resistenza all’invecchiamento
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(I. Antunes, F. Giuliani, J.B. Sousa, 2004)
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“TERMINAL BLEND”
Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP) o olii estensivi
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
Hn+2(PnO3n+1) con 1 < n < 4
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“TERMINAL BLEND”
Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP)
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(I. Antunes, F. Giuliani, 2006)
50
55
60
65
70
75
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Viscosità @175°C [cP]
Tem
p. r
amm
ollim
ento
[°C
]
50/70 B + 10% CRM + 1% acido polif.
50/70 B + 8% CRM + 0.5% acido polif.
50/70 B + 8% CRM + 1% acido polif
50/70 B + 8% CRM + 1.5% acido polif
50/70 B + 5% CRM + 1% acido polif.
Min. ASTM D6114 - 60°C
Min
. AST
M
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(I. Antunes & F. Giuliani, 2006)
50°C
67°C65°C
0
10
20
30
40
50
60
70
Tem
per
atu
ra d
i Ram
mol
limen
to [
°C]
50/70 B 50/70 B + 8%CRM + 1.5%acido polif.
50/70 B + 10%CRM + 1%acido polif.
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
“TERMINAL BLEND”
Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP)
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“TERMINAL BLEND”
Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP) nella modifica SBS
Felice Giuliani Aeroporto di Olbia Costa Smeralda – 13 Settembre 2006
(I. Antunes, F. Giuliani, 2006)
NDNDND103/100101/83102/78108/75Storage Stability Up-Down (72h @ 180°C) [°C]
NDNDND16809329161140Viscosity @160°C [cP]
NDNDND36374135Penetration @25°C [dmm]
NDNDND103979491Softening Point [°C]
70/100 + 3%SBS +1%AP
73/65101/55103/5570/68109/55114/54105/52Storage Stability Up/Down(72h @ 180°C) [°C]
400340350460370380430Viscosity @160°C [cP]
49464944464553Penetration @25°C [dmm]
60829483867885Softening Point [°C]
70/100 + 3%SBS
+0.5%AP
206320630.5
Tempo di reazione (h)Tempo di reazione (h)
Static storageStirred storage
Conventional TestBitumen
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Contatti
www.studiogiuliani.it/felice
www.unipr.it
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