Caratterizzazione multi-scala del danno da fatica nell'asfalto a miscela tiepida basata su test di linear amplitude sweep e prove di flessione a quattro punti

Sommario

Questo studio stabilisce un solido quadro interdisciplinare che collega la meccanica del danno del legante alla resistenza alla fatica della miscela, dimostrando che i parametri del test di ampiezza lineare sweep–danno viscoelastico continuo semplificato (LAS–S-VECD) forniscono una base affidabile e meccanicamente fondata per prevedere e progettare sistemi di conglomerato bituminoso a miscelazione calda durevoli.

Abstract

La fatica da incrinazione è un fattore cruciale che determina la durabilità a lungo termine delle pavimentazioni in asfalto, mentre la relazione su scala incrociata tra il comportamento a fatica del legante e le prestazioni a fatica della miscela non è ancora sufficientemente compresa nel caso degli asfalti a caldo ridotto (WMA). In questo studio, le caratteristiche a fatica del WMA sono state analizzate sistematicamente sia a livello di legante che di miscela al fine di stabilire correlazioni quantitative su scala incrociata. Sono stati impiegati test di reometro a taglio dinamico (DSR) e test di ampiezza lineare (LAS), interpretati mediante il modello semplificato della meccanica viscoelastica continua (S-VECD), per caratterizzare le proprietà reologiche e l'evoluzione del danno nei leganti bituminosi provenienti da diverse origini di greggio. Le prestazioni a fatica a livello di miscela sono state valutate mediante test di fatica a flessione a quattro punti con controllo della deformazione. I risultati indicano che l'invecchiamento aumenta significativamente la rigidità del legante e accelera la degradazione a fatica, con un incremento del fattore di fatica G*·sin δ di circa il 150–250% dopo un invecchiamento a lungo termine. L'efficacia della modifica per la produzione a caldo ridotto a livello di legante è risultata fortemente dipendente dal tipo di legante: si è osservata una riduzione del coefficiente di velocità di danno compresa tra l'8% e il 13% per i Leganti A e B, ma un aumento di circa l'11% per il Legante C. Indicatori reologici convenzionali come sin δ hanno mostrato una capacità limitata e dipendente dal materiale nel prevedere la vita a fatica della miscela, mentre i parametri di danno derivati dai test LAS–S-VECD hanno mostrato correlazioni costantemente forti con le prestazioni a fatica della miscela. Nel complesso, questo studio dimostra che la caratterizzazione del danno del legante basata su LAS–S-VECD fornisce una base solida per prevedere la resistenza a fatica della miscela e ne supporta l'applicazione nella progettazione delle miscele basata sulle prestazioni, al fine di ottenere pavimentazioni WMA durevoli e sostenibili.

Introduzione

La costruzione convenzionale di pavimentazioni in asfalto si basa su processi ad alta temperatura, tipicamente compresi tra 160 °C e 180 °C, e superiori a 190 °C per leganti modificati come l'asfalto gommoso e il bitume polimerico ad alte prestazioni. In applicazioni specializzate, come le pavimentazioni per ponti metallici, le temperature di posa in opera della miscela possono superare i 200 °C¹. Queste condizioni termiche estreme comportano un elevato consumo di combustibili fossili e generano significative emissioni atmosferiche, compresi gas serra e fumi tossici di asfalto ricchi di composti solubili nel benzene e idrocarburi policiclici aromatici cancerogeni (ad esempio, benzo[a]pirene)^2,3. Studi precedenti hanno dimostrato costantemente che la riduzione delle temperature di produzione e compattazione dell'asfalto può ridurre il consumo di carburante, le emissioni di CO₂ e l'esposizione professionale ai fumi di asfalto, sebbene l'entità di questi benefici dipenda dal tipo di miscela, dalla configurazione dell'impianto, dalla dose di additivi e dalle condizioni di costruzione in campo. Studi recenti hanno ulteriormente approfondito la comprensione del comportamento dell'asfalto sotto diverse modifiche e condizioni di servizio. È stato riportato che l'introduzione di lignosolfonato di calcio nelle miscele asfaltiche può ritardare efficacemente l'invecchiamento termo-ossidativo inibendo le reazioni di ossidazione e stabilizzando la struttura colloidale dei leganti bituminosi.

Per quanto riguarda il comportamento alla frattura, studi sull'asfalto a miscela calda (HMA) e sull'asfalto a miscela tiepida (WMA) in condizioni di carico puramente in modo I e modo II hanno dimostrato che il tipo di carico svolge un ruolo fondamentale nel determinare la tenacità alla frattura a basse temperature e la dissipazione dell'energia. La suscettibilità all'umidità è stata inoltre ampiamente studiata nei sistemi di asfalto modificato con gomma, nei quali materiali di gomma riciclati migliorano la resistenza ai danni indotti dall'umidità, e il contenuto ottimale di gomma può essere determinato mediante approcci combinati di valutazione meccanica ed economica. Per quanto concerne le prestazioni ad alta temperatura, l'asfalto modificato a matrice lapidea (SMA) è stato valutato mediante test di creep dinamico e con il dispositivo Hamburg Wheel Tracking, confermando che la modifica della miscela migliora significativamente la resistenza al rutting. Inoltre, studi basati sulla prova di flessione semicircolare (SCB) su miscele bituminose contenenti additivi riciclati hanno evidenziato notevoli miglioramenti nella resistenza alla frattura in modo I e nella resistenza ai danni da umidità, evidenziando gli effetti sinergici dei materiali riciclati sulle prestazioni a fatica e sulla durabilità. Di conseguenza, lo sviluppo di tecnologie asfaltiche a basse temperature si è affermato come una via fondamentale verso la costruzione sostenibile di pavimentazioni e sistemi infrastrutturali ecocompatibili.

La tecnologia dell'asfalto a caldo (WMA), ottenuta attraverso l'incorporazione di additivi chimici, cere organiche o tecniche di schiumatura, consente una produzione efficace della miscela a temperature tipicamente comprese tra 90 °C e 130 °C, con una riduzione di 30–50 °C rispetto all'asfalto a caldo convenzionale (HMA)⁴. Oltre ai ben documentati vantaggi nella riduzione del consumo energetico e delle emissioni inquinanti, il WMA svolge un ruolo fondamentale nel mitigare l'invecchiamento termo-ossidativo dei leganti bituminosi durante la produzione e la posa. L'invecchiamento del bitume è regolato dalla cinetica chimica dipendente dalla temperatura, con velocità di ossidazione che raddoppiano approssimativamente ogni aumento di 10 °C^5,6. Temperature elevate accelerano le reazioni di volatilizzazione, ossidazione e polimerizzazione, trasformando progressivamente le maltene in asfalteni rigidi, aumentando così la rigidità del legante e riducendone la duttilità⁷. Riducendo le temperature di produzione, il WMA inibisce queste reazioni dannose, preservando la viscoelasticità del legante e potenzialmente migliorando la resistenza a fatica a lungo termine⁸.

Sebbene i vantaggi ambientali e costruttivi dei materiali bituminosi a temperatura ridotta (WMA) siano stati ampiamente documentati, le indagini sistematiche sulle loro prestazioni a fatica in condizioni di invecchiamento rimangono relativamente limitate. In particolare, i leganti bituminosi derivati da diverse fonti di greggio—come Karamay, CNOOC offshore e materie prime CNPC—presentano marcate variazioni nella composizione chimica, inclusi il contenuto di asfalteni, la distribuzione delle resine, le frazioni aromatiche e i livelli di saturi⁹. Tali differenze composizionali sono ampiamente riconosciute come determinanti fondamentali del comportamento reologico, della suscettibilità all'invecchiamento e della durata a fatica¹⁰. Tuttavia, gli studi esistenti sulla fatica raramente distinguono i leganti in base all'origine del greggio, portando a una comprensione incompleta di come la chimica dipendente dalla fonte influenzi le prestazioni a fatica, specialmente in condizioni di invecchiamento cumulativo rappresentative di quelle operative^11,12. Da un punto di vista ingegneristico, un metodo affidabile di valutazione della fatica a scala del legante sarebbe particolarmente utile per la selezione preliminare dei materiali, la scelta degli additivi per la miscelazione a caldo, la valutazione della sensibilità all'invecchiamento e il controllo di qualità prima della verifica a livello di miscela. Tuttavia, il metodo LAS–S-VECD non deve essere considerato un sostituto completo dei test di fatica sulla miscela, poiché la granulometria degli aggregati, i vuoti d'aria, l'interazione tra legante e aggregato, la qualità della compattazione e l'invecchiamento in opera possono anch'essi influenzare le prestazioni a fatica della pavimentazione. Inoltre, la relazione tra gli indicatori di fatica a scala del legante e il comportamento a fatica a scala della miscela non è stata definitivamente stabilita per diverse fonti di bitume¹³. Sebbene prove reologiche come lo sweep di ampiezza lineare (Linear Amplitude Sweep, LAS) abbiano mostrato potenzialità nella caratterizzazione del danno a fatica del legante, la loro affidabilità predittiva riguardo alla vita a fatica della miscela—specialmente per leganti con origini chimiche diverse—rimane insufficientemente validata¹⁴. Questa mancanza di correlazione limita l'accuratezza delle previsioni di prestazione basate su laboratorio e ostacola una selezione razionale dei materiali nella pratica ingegneristica¹⁵.

Per colmare queste lacune fondamentali, lo studio effettua un'indagine completa e multiscala sul comportamento a fatica di leganti bituminosi modificati a miscela calda ottenuti da tre diverse fonti di greggio¹⁶. Integrando l'analisi mediante reometro a taglio dinamico (DSR), prove di ampiezza lineare (LAS) nel contesto del modello semplificato di danno viscoelastico continuo (S-VECD) e prove a fatica su miscela mediante flessione a quattro punti, questo lavoro valuta sistematicamente l'influenza dell'origine del greggio, della modifica a miscela calda e dell'invecchiamento sulla resistenza a fatica^17,18,19. I risultati mirano a stabilire solide correlazioni tra le proprietà reologiche del legante e le prestazioni della miscela su diverse scale, fornendo una base meccanicistica per la previsione della durata a fatica e indicazioni pratiche per la progettazione e la selezione di materiali bituminosi sostenibili.

Questo studio presenta un quadro di caratterizzazione della fatica su scala incrociata per l'asfalto a miscela calda, integrando l'analisi LAS–S-VECD a livello del legante con test di fatica a flessione a quattro punti a livello della miscela. Rispetto agli studi precedenti, che si sono concentrati principalmente o sull'analisi reologica a livello del legante o sulla valutazione delle prestazioni a livello della miscela in modo isolato, il presente lavoro stabilisce un collegamento meccanicistico diretto tra la chimica del legante dipendente dal greggio, la modifica per miscela calda e il comportamento a fatica della miscela in condizioni di invecchiamento. La novità di questo studio risiede in tre aspetti: (i) l'inclusione esplicita dell'origine del greggio come variabile determinante per le prestazioni a fatica; (ii) la correlazione sistematica su scala incrociata tra l'evoluzione del danno ottenuta tramite LAS–S-VECD e la vita a fatica della miscela; e (iii) la valutazione unificata degli effetti della modifica per miscela calda a livello del legante e della miscela. I risultati dimostrano che i parametri di danno derivati dal LAS–S-VECD forniscono predittori robusti delle prestazioni a fatica della miscela, offrendo un'alternativa più fondata dal punto di vista meccanicistico rispetto agli indici reologici convenzionali. Questi risultati stabiliscono una base scientifica per la valutazione e la progettazione orientate alle prestazioni di sistemi sostenibili di asfalto a miscela calda.

Protocollo

Materiali
I tre leganti bituminosi selezionati in questo studio, riassunti nella Tabella 1, sono leganti stradali rappresentativi derivati da diverse fonti di greggio e sono stati ampiamente utilizzati nell'ingegneria stradale pratica in Cina. Il bitume di Karamay, il bitume CNOOC 36-1 e il bitume PetroChina differiscono notevolmente per origine del greggio, composizione chimica, suscettibilità all'invecchiamento e caratteristiche reologiche, fornendo una base materiale adeguata per lo studio del comportamento a fatica dipendente dalla fonte del petrolio. La loro selezione consente una valutazione comparativa di come la composizione intrinseca del legante influenzi l'efficacia della modifica a miscela calda e le prestazioni a fatica a scala della miscela, aumentando così la rilevanza ingegneristica del quadro proposto per la caratterizzazione della fatica su scala incrociata. Le caratteristiche geologiche e chimiche dettagliate di ciascun legante sono le seguenti:

Legante A: Derivato da una materia prima oleosa pesante della zona 9, prodotto mediante un processo di miscelazione tra residuo sotto vuoto e asfalto disoleato. Il materiale di base presenta proprietà distintive, tra cui un contenuto ridotto di paraffina (<2%), una concentrazione minima di zolfo e un'elevata composizione di resine. In particolare, l'asfalto di Karamay è l'unico legante per pavimentazioni con una densità specifica inferiore a 1 g/cm³ nelle attuali applicazioni ingegneristiche, e si contraddistingue per un'elevata viscosità dinamica e un'eccellente conservazione della duttilità dopo invecchiamento. Queste caratteristiche lo rendono particolarmente adatto per regioni soggette a forti escursioni termiche giornaliere e a intensa esposizione ai raggi ultravioletti.

Binder B: Deriva dal petrolio greggio pesante raro estratto dal giacimento offshore di Suizhong 36-1, con una resa elevata di bitume del 56% ottenuta tramite raffinazione. La materia prima è classificata come greggio pesante povero di zolfo e a base naftenica, con alto valore acido, il che conferisce al binder processato un'elevata densità (1,012 g/cm³), un contenuto ridotto di paraffina (1,8%) e proporzioni elevate di resine. Tali proprietà dotano il binder di un'eccellente flessibilità a basse temperature, rendendolo vantaggioso per applicazioni in ambienti freddi.

Binder C: formulato principalmente utilizzando il greggio pesante venezuelano Boscan come materia prima di base, ottenendo una resa produttiva del 60% mediante processi di raffinazione specializzati. Questo petrolio greggio presenta caratteristiche geochimiche uniche, tra cui un elevato contenuto di acidi, significative concentrazioni di metalli pesanti e un forte potenziale di formazione di residui carboniosi. Il legante mostra una composizione atipica di idrocarburi, caratterizzata da basse frazioni di idrocarburi saturi, complessi resina-asfalteni arricchiti e un contenuto di paraffina notevolmente basso (1,3%).

In questa indagine, i tre leganti bituminosi di base sono stati designati come AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) e CO (PetroChina). I corrispondenti leganti WMA sono stati preparati incorporando l'additivo Evotherm M1, codificati rispettivamente come AP, BP e CP²⁰. Gli indici completi di prestazione, inclusi la penetrazione, il punto di rammollimento e la duttilità, sono stati testati secondo le specifiche JTG E20-2011²¹, con i dati comparativi dettagliati riportati nella Tabella 1. Tutte le procedure sperimentali sono state rigorosamente seguite secondo i protocolli standardizzati indicati nelle Specifiche Tecniche per i Leganti Bituminosi e le Miscele Bituminose nell'Ingegneria Stradale.

Progetto	Unità	Karamay	CNOOC	CNPC
Penetrazione	0.1 mm (15 °C)	22	22	24
	0.1 mm (25 °C)	72	68	71
	0.1 mm (30 °C)	112	110	116
PI	－	-1.14	-1.2	-0.81
TR&B	°C	46	46.5	47.5
Viscosità dinamica (60 °C)	Pa·s	223.5	230	256.9
Duttilità (10 °C, 5 cm/min)	cm	>100	>100	52
Contenuto di cera	%	1.9	1.8	1.3
Punto di infiammabilità (COC)	℃	278	287	312
Solubilità	%	99.5	99.7	99.8
Densità (15 °C)	g/cm³	0.977	1.012	1.049
RTFOT	Variazione di massa (%)	0.05	0.06	-0.07
	Rapporto di penetrazione residua (%)	66.2	67.4	64.8
	Duttilità residua (10 °C, cm)	13	12	9

Tabella 1: Parametri tecnici principali dei leganti bituminosi. La Tabella 1 riassume i parametri tecnici principali dei leganti bituminosi, inclusi le proprietà fisiche, la suscettibilità termica, le caratteristiche reologiche e le prestazioni invecchiamento a breve termine, al fine di valutarne le proprietà fondamentali e la durabilità.

Il processo di preparazione del WMA prevedeva un protocollo rigorosamente controllato in più fasi, progettato per garantire la riproducibilità della modifica del legante. Il legante bituminoso di base è stato prima riscaldato in un forno a circolazione forzata a 135 ± 2 °C per 60 minuti per raggiungere uno stato fuso stabile, seguito da 30 minuti di equilibrazione per eliminare i gradienti termici. Tutti i processi di riscaldamento sono stati effettuati in contenitori sigillati con protezione di azoto (portata: 0,5 L/min) per minimizzare l'invecchiamento ossidativo durante la stabilizzazione della temperatura.

L'additivo Evotherm M1 è stato quindi incorporato a 135 ± 2 °C sotto agitazione meccanica continua a 300 giri/min per 5 minuti prima della lavorazione ad alto taglio, assicurando una dispersione iniziale della fase tensioattiva. Successivamente, è stata effettuata una miscelazione ad alto taglio utilizzando un omogeneizzatore a rotore-statore a 3000 giri/min per 25 minuti, mantenendo la temperatura del legante compresa tra 135 e 140 °C mediante un sistema di controllo termico a bagno d'olio esterno (accuratezza ±1 °C). Durante l'intero processo di miscelazione, la temperatura è stata monitorata continuamente mediante una termocoppia calibrata di tipo K inserita nella matrice del legante, e ogni fluttuazione superiore a ±2 °C ha innescato automaticamente un aggiustamento del riscaldamento. Il legante modificato è stato quindi sottoposto a un procedimento controllato di raffreddamento fino a 25 °C a una velocità di 5 °C/min prima dei successivi test o dello stoccaggio a breve termine. La progettazione del protocollo di taglio ha seguito la relazione viscosità-temperatura dei leganti bituminosi, garantendo che tutti i campioni fossero preparati in condizioni comparabili di storia di taglio. Questo rigoroso controllo termo-meccanico assicura un'elevata ripetibilità e riduce al minimo la variabilità nella preparazione dei leganti WMA.

Prove con reometro a taglio dinamico (DSR)
Per caratterizzare la risposta reologica e le proprietà legate alla fatica di leganti bituminosi modificati con additivi per miscela a caldo, sono state effettuate prove con reometro a taglio dinamico (DSR) utilizzando un reometro rotazionale a temperatura controllata secondo la norma ASTM D7175²². La valutazione reologica si è concentrata sul comportamento a fatica a temperatura intermedia, strettamente associato all'innesco e alla propagazione di fessurazioni nei pavimenti in asfalto.

Il fattore di fatica G*sin δ²³, ampiamente riconosciuto come indicatore della suscettibilità alla fatica a livello del legante, è stato adottato per quantificare le variazioni nel comportamento di dissipazione viscoelastica indotte dalla modifica con miscela a caldo e dall'invecchiamento. Sono stati eseguiti test di variazione della temperatura in un intervallo compreso tra 58 e 82 °C, con incrementi di temperatura di 6 °C. A ciascuna temperatura obiettivo, i campioni sono stati lasciati equilibrare per 10 minuti prima dell'acquisizione dei dati, al fine di garantire la stabilità termica. Per studiare l'influenza dell'invecchiamento sulle proprietà reologiche, i campioni di legante sono stati sottoposti a tre condizioni di invecchiamento: non invecchiato, invecchiamento mediante prova in forno a pellicola sottile rotante (RTFOT) e invecchiamento combinato RTFOT e mediante apparecchio di invecchiamento a pressione (PAV) ²⁴. Questi protocolli di invecchiamento sono stati progettati per simulare l'invecchiamento a breve termine durante la produzione e la posa in opera, nonché l'invecchiamento a lungo termine durante il normale utilizzo della pavimentazione. L'evoluzione di G*sin δ in funzione della temperatura e delle condizioni di invecchiamento è stata analizzata per valutare la resistenza alla fatica di diversi leganti.

Prima di ogni prova DSR, il campione di legante è stato accuratamente rifinito dopo il posizionamento tra le piastre parallele, per garantire un profilo uniforme dei bordi. Il campione è stato condizionato alla temperatura obiettivo per 10 min prima della misurazione. Le prove sono state eseguite nell'intervallo di 58–82 °C con incrementi di 6 °C. Una prova è stata considerata valida quando la coppia misurata e lo spostamento sono rimasti entro il campo operativo raccomandato dallo strumento, e non si è verificato alcuno slittamento visibile del campione.

Prova di sweep in ampiezza lineare (LAS)
La caratterizzazione del comportamento viscoelastico è stata condotta secondo le specifiche ASTM D7175 per l'analisi meccanica dinamica²⁵. La metodologia sperimentale ha incluso sweep in ampiezza di deformazione per stabilire i limiti viscoelastici lineari, seguiti da prove controllate in frequenza a 10 rad/s²⁶. Le valutazioni dipendenti dalla temperatura hanno coperto lo spettro termico operativo delle pavimentazioni in asfalto (58–82°C), eseguite a incrementi di 6°C con 10 minuti previsti per raggiungere l'equilibrio termico in ogni segmento isoterma. Il protocollo AASHTO T391 è stato impiegato per quantificare l'accumulo di danno del legante attraverso l'evoluzione dell'energia dissipata, monitorando in particolare il fattore di dissipazione viscoelastica (|G*|sin δ) durante il carico ciclico ^27,28. Il modello semplificato di danno viscoelastico continuo (S-VECD) è stato adottato per prevedere i modelli di degrado dei compositi bituminosi²⁹. Il protocollo LAS esegue uno sweep oscillatorio in ampiezza a frequenza fissa di 10 Hz, applicando un incremento controllato di deformazione dallo 0,1% al 30% con incrementi di risoluzione dello 0,1%.

I principali parametri viscoelastici sono stati ricavati utilizzando le seguenti equazioni:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

dove G''(ω) è il modulo di perdita, ω è la frequenza angolare, m e b sono coefficienti di adattamento, G'(ω) è il modulo di immagazzinamento, G*(ω) è il modulo complesso, δ(ω) è l'angolo di fase e è l'indice di viscoelasticità.

La quantificazione del danno ha impiegato la relazione fondamentale espressa nell'Equazione (4):

(4)

Nella formula: C(t)—il parametro di integrità, C(t)=G^* (t)/G^* (iniziale), G^*—modulo complesso (MPa);

γ_0—Applicazione della deformazione (%);
t—Durata del test (s)

L'evoluzione temporale del parametro di danno D(t) e del coefficiente di integrità strutturale C(t) è parametrizzata matematicamente attraverso una relazione costitutiva di tipo potenza (Yuan 2024):

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

Nella formula: C0​ rappresenta il parametro iniziale di integrità (normalmente pari a 1), C1, C2 — parametri di adattamento.

Calcolare il valore del danno da fatica utilizzando il concetto di punto di picco della tensione di taglio:

(6)

Cpeak è il parametro di integrità che corrisponde al punto di massimo sforzo di taglio.

La formula per il calcolo della durata a fatica è:

N_f = A(γ_max)^-B (7)

Nella formula: A, B—coefficiente relativo all'affaticamento,

A = f × (Df)^{[1 + (1 - C₂ )a] / {[1 + (1 - C₂ )a] × (πC₁ C₂ )a}} (8)

B=2a, frequenza di carico;
γ_max — livello di deformazione massimo previsto (%)

Per garantire l'affidabilità e la riproducibilità dei risultati sperimentali, tutti i test su scala del legante e su scala della miscela sono stati eseguiti con almeno 3 repliche indipendenti (n = 3) per ogni condizione. I risultati riportati rappresentano i valori medi delle misurazioni replicate. La variabilità dei dati sperimentali è stata valutata mediante la deviazione standard (SD), e le barre di errore sono state riportate in tutte le figure pertinenti per indicare la dispersione statistica. Per i parametri LAS–S-VECD, gli indici reologici del DSR e la vita a fatica ottenuti dai test di flessione a quattro punti, è stato calcolato inoltre il coefficiente di variazione (COV) per valutare la coerenza dei dati.

In tutti i casi, sono state esaminate le differenze statistiche tra i leganti modificati e non modificati per assicurare che le tendenze osservate non siano dovute a dispersione sperimentale, ma rappresentino differenze statisticamente significative nel comportamento a fatica e reologico.

Prova di fatica a quattro punti
Per convalidare gli indicatori di fatica a livello del legante e stabilire correlazioni tra diverse scale, sono state condotte prove di fatica a flessione a quattro punti su miscele di asfalto preparate utilizzando una granulometria AC-16C^30,31. La granulometria degli aggregati, la densità apparente, la gravità specifica apparente e l'assorbimento d'acqua di ciascuna dimensione degli aggregati, insieme alle proprietà della polvere minerale, sono riportate nella Tabella 2. Il contenuto di asfalto di tutte le miscele è stato fissato al 4,8% per garantire coerenza tra le diverse formulazioni di asfalto a bassa temperatura (WMA).

Dimensione del setaccio (mm)	Categoria dell'aggregato					Gradazione sintetica (%)
	1# (10~20 mm. 29%)	2# (5~10 mm. 29,2%)	3# (3~5 mm. 17%)	4# (0~3 mm. 19%)	Polvere minerale (5,8%)
0,075	0	0,1	0	0,9	90,8	5,5
0,15	0,1	0,1	0	4,9	95,3	6,5
0,3	0,1	0,2	0	13	98,7	8,3
0,6	0,1	0,2	0	25,2	99,7	10,6
1,18	0,1	0,2	0	47,8	100	15
2,36	0,1	0,5	0	100	100	25
4,75	0,8	15,5	98,9	100	100	46,4
9,5	15,2	99,5	100	100	100	75,2
13,2	68,4	99,8	100	100	100	90,8
16	94,8	100	100	100	100	98,5
19	100	100	100	100	100	100
Densità relativa apparente	2,899	2,918	2,845	2,754	2,872	2,865
Densità relativa SSD	2,854	2,847	2,816	2,691	－	2,814
Gravità specifica apparente	2,829	2,81	2,8	2,655	－	2,787
Tasso di assorbimento dell'acqua dell'aggregato (%)	0,85	1,32	0,56	1,36	－	－

Tabella 2: Classificazione degli aggregati nella miscela di conglomerato bituminoso a temperatura ridotta. La Tabella 2 mostra la granulometria degli aggregati nella miscela di conglomerato bituminoso a temperatura ridotta, inclusi i rapporti tra le diverse frazioni di aggregato, il contenuto di polvere minerale, la curva granulometrica sintetica e le proprietà fisiche degli aggregati. La tabella riporta la distribuzione granulometrica progettata e le caratteristiche fondamentali degli aggregati utilizzati nella miscela bituminosa.

Sono stati eseguiti test di fatica a quattro punti utilizzando un apparato di prova Cooper in condizioni di carico controllato per deformazione, al fine di valutare la durata a fatica di miscele di conglomerato bituminoso a caldo (WMA)³². Il criterio di rottura è stato definito come il numero di cicli di carico necessari affinché la rigidezza flessionale diminuisse al 50% del suo valore iniziale. In conformità con il protocollo di prova stabilito³³, è stato applicato un carico ciclico sotto forma di un’onda sinusoidale continua a una frequenza di 10 Hz in condizioni isoterme di 15 °C. Tutti i test sono stati condotti senza periodi di riposo per garantire un apporto energetico ininterrotto durante il carico a fatica^34,35.

I provini a trave sono stati realizzati conformemente ai requisiti dimensionali standard, con una lunghezza di 381 ± 6,35 mm, una larghezza di 63,5 ± 6,35 mm e un'altezza di 50,8 ± 6,35 mm³⁶³⁷. In condizioni di deformazione controllata, le prestazioni a fatica sono state caratterizzate tracciando curve caratteristiche di fatica per provini con diverse formulazioni di WMA in un sistema di coordinate doppio-logaritmico³⁸. È stata successivamente stabilita una relazione costitutiva di tipo potenza, e un'analisi di regressione non lineare è stata impiegata per adattare i dati di fatica delle varie miscele di asfalto, fornendo la base per la modellazione della vita a fatica e per analisi comparative successive^39,40,41. Il provino a trave è stato montato simmetricamente nel dispositivo di flessione a quattro punti, e il contatto tra le ganasce di carico e la superficie del provino è stato verificato prima dell'applicazione del carico. La prova è stata condotta a 15 °C sotto carico sinusoidale a deformazione controllata a 10 Hz, senza periodi di riposo. Il termine della prova è stato definito come il numero di cicli al quale la rigidezza flessionale è diminuita al 50% del suo valore iniziale. Le prove sono state considerate valide quando la rottura si è verificata all'interno della sezione utile, e non è stato osservato un anomalo slittamento delle ganasce né una frattura improvvisa non legata alla fatica. Tutti i dati quantitativi sono presentati come media ± deviazione standard (media ± DS), con una dimensione del campione n = 3 per tutti i gruppi sperimentali, salvo diversamente specificato.

Risultati

Proprietà reologiche dei materiali bituminosi a temperatura ridotta (WMA)
La zona interfacciale tra bitume e aggregato è ampiamente riconosciuta come il sito primario di innesco delle fessurazioni da fatica. Di conseguenza, il parametro reologico correlato alla fatica Gseno δ, misurata a temperature intermedie di servizio, è stata utilizzata per valutare le prestazioni a fatica dei leganti per conglomerati bituminosi a caldo (WMA). Figura 1 presenta la variazione di Gseno δ per i leganti originali e modificati a caldo delle asfalti A, B e C. Tutti i risultati quantitativi sono espressi come media ± SD basato su tre misurazioni ripetute (n = 3). Confronti statistici tra leganti originali e leganti modificati a miscelazione calda alla stessa temperatura sono stati effettuati mediante un test t per campioni indipendenti, e le differenze sono state considerate significative per p < 0,05. Come mostrato in Figura 1, Gseno δ diminuisce continuamente all'aumentare della temperatura per tutti i leganti bituminosi, indicando una riduzione della rigidezza legata alla fatica a temperature intermedie più elevate. Per l'asfalto A, l'AP presenta un valore significativamente più alto Gseno δ valori superiori rispetto all'AO nell'intervallo di temperatura testato di 16–25 ˚ Cp = 0,025 (intervallo: 0,018–0,032), in diminuzione da 7685 ± 126 a 2480 ± 84 kPa, mentre AO diminuisce da 5580 ± 112 a 1535 ± 76 kPa. Analogamente, la PA mostra un aumento significativamente maggiore Gseno δ valori superiori rispetto al BO da 22 a 28 (p = 0,021 (intervallo: 0,011–0,027), con una diminuzione della PA da 7980 ± 138 a 3985 ± 105 kPa e BO che diminuisce da 6120 ± 120 a 1725 ± 82 kPa. Questi risultati indicano che l'additivo per miscela a caldo aumenta il fattore di fatica degli asfalti A e B, determinando una maggiore dissipazione di energia di tipo viscoso e una potenziale maggiore suscettibilità alla fatica a livello del legante. Al contrario, l'asfalto C mostra solo una lieve differenza tra CO e CP; sebbene CP sia marginalmente superiore a CO alla stessa temperatura, la differenza non è statisticamente significativa nella maggior parte delle temperature (p = 0,086–0,214). In particolare, il CP diminuisce da 13,420 ± 185 a 4420 ± 96 kPa, mentre il CO diminuisce da 13.080 ± 172 a 4350 ± 91 kPa, indicando che l'additivo per miscela a caldo ha un'influenza limitata sul comportamento reologico legato alla fatica dell'asfalto C. Nel complesso, i tre leganti mostrano risposte diverse alla modifica con miscela a caldo, riflettendo l'influenza della provenienza dell'asfalto sulle prestazioni a fatica. Gli asfalti A e B sono più sensibili all'additivo per miscela a caldo, mentre l'asfalto C mantiene una resistenza a fatica relativamente stabile dopo la modifica.

Al contrario, l'asfalto C non mostra alcun cambiamento significativo in G*sin δ dopo la modifica con miscela a caldo, indicando che l'additivo per miscela a caldo esercita un'influenza limitata sulle sue proprietà reologiche legate alla fatica. Questa osservazione suggerisce che la composizione chimica intrinseca dell'asfalto C domina la sua risposta viscoelastica, riducendo così la sensibilità dei parametri legati alla fatica alla modifica con additivi. Questi risultati evidenziano la natura dipendente dalla fonte del petrolio dell'effetto della modifica con miscela a caldo. I risultati del test in funzione della temperatura rivelano tendenze reologiche coerenti per tutti i leganti testati. All'aumentare della temperatura, il fattore di deformazione permanente G*/sin δ diminuisce continuamente, mentre l'angolo di fase δ aumenta gradualmente, indicando una transizione progressiva verso un comportamento dominato dalla viscosità. Le temperature elevate intensificano il moto molecolare all'interno del legante, indeboliscono le strutture elastiche e riducono la resistenza alla deformazione. Al contrario, l'aumento della severità dell'invecchiamento porta a valori più elevati di G*/sin δ e a angoli di fase più bassi, riflettendo un aumento della rigidità e della risposta elastica dovuto all'indurimento indotto dall'invecchiamento.

Figura 1. Fattore di fatica (G*sin δ) di diversi leganti bituminosi in funzione della temperatura. (A) Bitume A (Karamay); (B) Bitume B (CNOOC 36-1); (C) Bitume C (PetroChina/Venezuelan Boscan). AO, BO e CO indicano i leganti bituminosi originali, mentre AP, BP e CP indicano i corrispondenti leganti bituminosi a miscela calda. Il valore di G*sin δ diminuisce all'aumentare della temperatura per tutti i leganti, mentre l'influenza della modifica per miscela calda varia a seconda della provenienza del legante. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Queste evoluzioni reologiche possono essere attribuite alle variazioni composizionali dei leganti bituminosi durante l'invecchiamento termo-ossidativo. I componenti a basso peso molecolare vengono gradualmente trasformati in strutture ad alto peso molecolare attraverso reazioni di ossidazione e polimerizzazione, con conseguente aumento del modulo complesso G*. Allo stesso tempo, l'accumulo di prodotti ossidativi polari potenzia l'immagazzinamento dell'energia elastica, evidenziato da una riduzione dell'angolo di fase. Procedendo l'invecchiamento, il legante diventa sempre più sensibile alle variazioni di temperatura e la dipendenza dalla temperatura dei parametri reologici legati alla fatica si accentua ulteriormente.

Nel complesso, i risultati dimostrano che l'influenza della modifica a miscela calda sulle proprietà reologiche del legante correlate alla fatica dipende fortemente dall'origine del greggio. Mentre l'additivo per miscela calda modifica il comportamento di dissipazione viscoelastica di alcuni leganti, la sua efficacia è limitata dalla composizione intrinseca e dalle caratteristiche di invecchiamento dell'asfalto di base. Questi risultati sottolineano la necessità di considerare le proprietà specifiche della fonte petrolifera nell'interpretazione dei fattori di fatica basati sul DSR e nella valutazione delle prestazioni a fatica dei leganti per asfalto a miscela calda. L'aumento correlato all'invecchiamento di G·sin δ è stato quantificato utilizzando i dati grezzi del DSR riassunti in Figura 1. Le variazioni percentuali sono state calcolate rispetto alla condizione corrispondente del legante non invecchiato.

Prova di ampiezza lineare
I parametri chiave derivati dal quadro S-VECD sono riassunti nella Tabella 3. L'indice di integrità C caratterizza quantitativamente il degrado progressivo dei leganti bituminosi sotto carichi meccanici ciclici, dove C = 1 rappresenta lo stato iniziale, indanneggiato, e C = 0 corrisponde al completo fallimento strutturale. Inoltre, i coefficienti di regressione C₁ e C₂ descrivono l'evoluzione dell'integrità del materiale con l'aumento del danno. Valori più bassi di C₁ e C₂ indicano una maggiore stabilità strutturale a parità di livello di danno, il che è direttamente associato a una migliore resistenza alla fatica a scala del legante. Come mostrato nella Tabella 3, l'invecchiamento generalmente aumenta C₁ e riduce C₂, suggerendo un peggioramento nell'evoluzione dell'integrità del legante e nella resistenza alla fatica. Il bitume di Karamay mostra la maggiore resistenza all'accumulo di danno, con i valori più bassi di C₁ e valori relativamente alti di C₂, mentre il bitume CNPC mostra un andamento opposto, indicando prestazioni inferiori in termini di resistenza alla fatica.

Tipo di asfalto	α	C₀	C₁	C₂	A	B
Karamay	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
Karamay invecchiato	1434103	1	0.0132	0.7412	3.00 × 10⁵	2.87 × 10⁶
CNOOC	1415228	1	0.0178	0.7112	2.25 × 10⁵	2.83 × 10⁶
CNOOC invecchiato	1400364	1	0.0155	0.7349	2.28 × 10⁵	2.80 × 10⁶
CNPC	1537043	1	0.0335	0.6077	4.38 × 10⁵	3.07 × 10⁶
CNPC invecchiato	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

Tabella 3: Parametri relativi al metodo VECD. La Tabella 3 riassume i parametri del modello interpolato per tre leganti bituminosi in condizioni non invecchiate e invecchiate. Le variazioni dei parametri riflettono gli effetti del tipo di bitume e dell'invecchiamento sulle caratteristiche del modello.

Figura 2 illustra le curve di evoluzione del danno per diversi leganti bituminosi in condizioni modificate tradizionali e a miscela calda. A parità di livello di sollecitazione, i sistemi a miscela calda (WMA) mostrano una velocità di accumulo del danno notevolmente inferiore rispetto ai corrispettivi sistemi tradizionali, indicando un'evoluzione del danno più favorevole. Questo comportamento suggerisce che la modifica a miscela calda ottimizza il meccanismo di dissipazione dell'energia interna durante il carico ciclico, migliorando così la resistenza alla fatica. Le variazioni percentuali dei coefficienti di velocità del danno sono state calcolate a partire dai parametri S-VECD interpolati elencati nella Tabella 3, utilizzando il legante non modificato come condizione di riferimento.

Figura 2: Caratteristiche di resistenza alla fatica in diverse formulazioni di legante bituminoso. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. AO, BO e CO rappresentano i campioni originali di asfalto, mentre AP, BP e CP indicano i corrispondenti campioni di asfalto a miscelazione a caldo. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Un'esame dettagliato dei profili di evoluzione del danno rivela evidenti differenze dipendenti dal legante. L'asfalto A modificato a caldo dimostra una resistenza alla fatica superiore rispetto al legante non modificato, come indicato dalla posizione più favorevole della sua curva di evoluzione del danno. Questo risultato conferma che l'additivo a caldo migliora efficacemente la durabilità dell'asfalto A sotto carichi ripetuti. Al contrario, l'asfalto B mostra una risposta trascurabile alla modifica a caldo, con entrambi i leganti, modificato e non modificato, che seguono traiettorie di progressione del danno quasi identiche. Per l'asfalto C, si osserva un miglioramento dipendente da una soglia: il legante modificato a caldo supera l'asfalto base solo quando la variabile del danno supera le 100 unità, indicando che l'efficacia dell'additivo si attiva principalmente in fasi avanzate di danno.

Confronti quantitativi della vita a fatica derivati dal test LAS sono presentati in Figura 3. Le variazioni osservate nel comportamento a fatica evidenziano ulteriormente la natura specifica del materiale relativa all'interazione tra additivo per miscela a caldo e legante, la cui efficacia è fortemente determinata dalle caratteristiche compositive intrinseche dell'asfalto di base. Tra i materiali esaminati, l'asfalto di Qinhuangdao PetroChina mostra la maggiore resistenza alla fatica, riflettendo vantaggi intrinseci associati alla composizione della materia prima di base. Al contrario, l'asfalto di Karamay mostra il miglioramento più pronunciato dopo la modifica con miscela a caldo, sottolineando il ruolo fondamentale delle proprietà dell'asfalto di base nel determinare il potenziale di miglioramento delle prestazioni degli additivi per miscela a caldo.

Figura 3. Confronto della vita a fatica tra conglomerato bituminoso a caldo (HMA) e conglomerato bituminoso a caldo ridotto (WMA) per i tre leganti bituminosi. La vita a fatica differisce solo leggermente tra WMA e HMA per tutti e tre i tipi di legante. L'asfalto C mostra la vita a fatica più elevata, seguito dall'asfalto A e dall'asfalto B. Nel complesso, i risultati indicano che la modifica a caldo ridotto produce un effetto solo modesto sulla vita a fatica, la cui entità e direzione dipendono dal tipo di legante. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Sebbene la modifica con miscela a caldo abbia generalmente migliorato le prestazioni a fatica, l'entità del miglioramento è risultata relativamente modesta per alcuni leganti. Questo comportamento può essere attribuito al meccanismo di Evotherm M1, che principalmente riduce la temperatura di produzione e attenua l'invecchiamento ossidativo a breve termine, piuttosto che rinforzare chimicamente la struttura del legante. Pertanto, ci si aspetta un miglioramento moderato della resistenza a fatica, fortemente dipendente dalle caratteristiche intrinseche dell'asfalto di base. La coerenza tra le misurazioni replicate indica che le tendenze osservate sono riproducibili, nonostante l'entità limitata del miglioramento. Per interpretare ulteriormente il comportamento a fatica dipendente dal legante da un punto di vista chimico, è stata analizzata l'influenza della composizione del greggio sui parametri S-VECD e sulle prestazioni a fatica. I tre leganti mostrano caratteristiche composizionali distinte: rapporti aromatici/saturi più elevati sono generalmente associati a un migliore ripristino delle sollecitazioni e a un ritardo nell'accumulo di danni, mentre sistemi più ricchi di asfalteni tendono ad accelerare l'aumento della rigidità e a ridurre la resistenza a fatica.

In questo studio, l'asfalto proveniente da Karamay presenta una frazione aromatica relativamente più elevata e un contenuto di saturi inferiore, il che corrisponde a tassi di evoluzione del danno più bassi (valori di C₁ ridotti) e una vita a fatica migliorata sia nei test LAS che a scala di miscela. Al contrario, il legante derivato da PetroChina mostra una proporzione di saturi più equilibrata ma relativamente più alta, determinando un comportamento intermedio di accumulo del danno S-VECD. L'asfalto derivato da CNOOC, con frazioni correlate a maggiore polarità dedotte dalle caratteristiche del greggio di origine, mostra un incremento più rapido della rigidezza sotto carichi ciclici, riscontrabile in valori più elevati di C₁ e una vita a fatica ridotta. Questi risultati indicano che l'equilibrio tra aromi e saturi regola i percorsi di dissipazione dell'energia viscoelastica e l'evoluzione del danno microstrutturale, influenzando quindi direttamente i parametri S-VECD e la resistenza alla fatica. Nel complesso, i risultati attuali devono essere considerati come un quadro concettuale basato su meccanismi ma condizionato da specifiche condizioni al contorno, piuttosto che come un modello predittivo pienamente universale per tutti i sistemi asfaltici.

Resistenza alla fatica a scala di miscela
La resistenza alla fatica di miscele bituminose contenenti diverse tecnologie di conglomerato a caldo (WMA) è stata valutata sistematicamente, e i corrispondenti risultati dei test di fatica sono riassunti nella Tabella 4. Questi dati quantificano la resistenza delle miscele bituminose sotto carichi ciclici e rivelano differenze evidenti nella durata a fatica tra le formulazioni WMA analizzate. La variabilità osservata indica che le prestazioni a fatica a scala di miscela dipendono fortemente dalla composizione del materiale e dalla tecnologia WMA impiegata.

Tipo di asfalto	ID campione	Porosità (%)	Livello di deformazione (με)	Durata a fatica (Cicli)
Karamay	1	4.5	100	22,36,902
	2	4.3	100	18,30,625
	3	3.7	100	19,49,138
	4	4.5	150	3,06,655
	5	5.3	150	3,97,762
	6	4.9	150	2,98,042
CNOOC	1	4.2	200	52,315
	2	5.1	200	58,828
	3	5.3	200	67,762
	4	3.8	75	6,47,145
	5	4.3	75	5,63,675
	6	4.5	75	6,91,698
CNPC	1	3.6	100	47,343
	2	4.1	100	24,149
	3	4.7	100	18,495
	4	3.5	200	4,412
	5	4.1	200	2,269
	6	4.7	200	3,299

Tabella 4: Risultati dei test di fatica su miscele di asfalto con diverse tecnologie di WMA. La Tabella 4 riassume i risultati dei test di fatica su miscele di asfalto con diverse tecnologie di miscelazione a caldo ridotto, inclusa la vita a fatica e i parametri di prestazione correlati in varie condizioni di prova. I risultati evidenziano le differenze nella resistenza alla fatica tra le miscele di asfalto a miscelazione termica ridotta e forniscono una base per la valutazione delle loro prestazioni a fatica.

La prestazione a fatica dei compositi bituminosi è modellata matematicamente attraverso l'Equazione (9), che quantifica il degrado dello sforzo ciclico nei materiali per pavimentazioni. Questa relazione formalizza la risposta a fatica delle formulazioni di asfalto sotto condizioni di carico ripetuto, fungendo da quadro computazionale per l'analisi della durabilità:

(9)

Nella formula: N_f——Vita a fatica della miscela bituminosa;
ε——deformazione;
k, n——coefficiente.

Sulla base dell'equazione (9), è stata eseguita un'analisi di regressione per ciascuna miscela di asfalto al fine di calibrare i parametri corrispondenti del modello di fatica. I coefficienti risultanti k e n forniscono una rappresentazione quantitativa delle caratteristiche di degrado da fatica specifiche per ciascuna miscela e consentono un confronto diretto delle prestazioni a fatica tra diverse formulazioni di asfalto a bassa temperatura (WMA). I parametri calibrati dell'equazione di fatica sono riassunti nella Tabella 5.

Tipi di asfalto	Equazione di fatica	k	n	R2
A	y = 2.463 × 1016x−5.029​	2.463 × 1016	5.029	0.993
B	y = 1.713 × 1015x−5.120​	1.713 × 1015	5.12	0.965
C	y = 1.233 × 1019x−5.975​	1.233 × 1019	5.975	0.964

Tabella 5: Parametri dell'equazione di fatica di miscele bituminose con diverse tecnologie di WMA. La Tabella 5 riassume i parametri dell'equazione di fatica di miscele bituminose con diverse tecnologie di miscelazione a caldo ridotto, inclusi i coefficienti di regressione e i parametri del modello utilizzati per descrivere la relazione tra vita a fatica e condizioni di carico. Questi parametri forniscono una base quantitativa per prevedere le prestazioni a fatica e confrontare la resistenza alla fatica di diverse miscele bituminose a miscelazione termica ridotta.

Figura 4 mostra le relazioni tra vita a fatica e deformazione per miscele di asfalto con diversi tipi di WMA, basate sui modelli di fatica interpolati. Come previsto, la vita a fatica di tutte le miscele diminuisce sistematicamente all'aumentare dell'ampiezza della deformazione, in accordo con il comportamento classico a fatica dei compositi bituminosi. L'analisi comparativa delle curve di fatica rivela una chiara gerarchia nella resistenza a fatica delle miscele, con un ordine complessivo delle prestazioni determinato come Materiale C > Materiale A > Materiale B. Questa classificazione riflette la capacità relativa di ciascuna miscela di sopportare cicli ripetuti di carico prima del cedimento ed è coerente con i parametri di regressione riassunti nella Tabella 5.

Figura 4: Modelli di fatica di miscele bituminose con diversi tipi di miscelazione a caldo. Come mostrato nella Figura 4, la vita a fatica di tutte le miscele bituminose è diminuita all'aumentare del livello di deformazione. Tra le tre miscele bituminose ottenute con miscelazione a caldo, la miscela C ha mostrato la maggiore resistenza alla fatica, seguita dalle miscele A e B. La vita a fatica significativamente più elevata della miscela C indica che questa tecnologia di miscelazione a caldo migliora efficacemente la resistenza delle miscele bituminose all'accumulo di danni da fatica. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

In condizioni equivalenti di vuoti d'aria, la tecnologia WMA offre notevoli vantaggi in termini di resistenza alla fatica riducendo le temperature di produzione e compattazione di circa 20–30 °C. Questa riduzione termica attenua l'invecchiamento ossidativo a breve termine dei leganti bituminosi, che rappresenta il principale fattore di indurimento a lungo termine. Preservando la viscoelasticità del legante e la capacità di dissipazione delle sollecitazioni, la WMA inibisce l'innesco e la propagazione di microfessurazioni sotto carichi ciclici. Di conseguenza, il danno cumulativo da fatica è ridotto, portando a una maggiore vita in fatica della miscela e a una migliore durabilità della pavimentazione. Questi vantaggi sono fondamentali per estendere la vita utile, ridurre le esigenze di manutenzione e consentire lo sviluppo di infrastrutture stradali più durevoli ed economiche. Per esaminare la coerenza tra il comportamento in fatica a livello di legante e a livello di miscela, sono state analizzate le correlazioni tra il fattore di fatica del legante G*sin δ e la vita in fatica della miscela N_f, come mostrato in Figura 5. Si osserva una relazione statisticamente significativa per tutti i leganti, indicando che le proprietà reologiche del legante esercitano un'influenza misurabile sulle prestazioni in fatica della miscela. In particolare, il Legante B mostra una correlazione eccezionalmente elevata (R² = 0.99, p < 0.001), suggerendo che G*sin δ rappresenta un predittore affidabile della vita in fatica della miscela per questo materiale. Al contrario, i Leganti A e C mostrano correlazioni relativamente più deboli (R² = 0.6051 e 0.7933), il che implica che la reologia del legante da sola non riesce a descrivere completamente il comportamento in fatica della miscela per questi sistemi.

Figura 5: Correlazione tra il fattore di fatica dell'asfalto G*sin δ e la vita a fatica della miscela N_f. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. La Figura 5 indica che G∗sinδ mostra una correlazione positiva con la vita a fatica della miscela, con l'asfalto B che presenta la maggiore coerenza, seguito dall'asfalto C e da quello A. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

È stata condotta un'ulteriore validazione su scala incrociata correlando i parametri di evoluzione del danno del legante ottenuti dai test LAS, interpretati mediante il modello del Danno Continuo Viscoselastico Semplificato (S-VECD), con la vita a fatica della miscela. Come illustrato nella Figura 6, si osservano forti correlazioni lineari tra il degrado progressivo del legante e le prestazioni a fatica della miscela. Per tutti e tre i leganti, i coefficienti di correlazione superano 0,9, dimostrando un collegamento solido e coerente tra le caratteristiche del danno a livello di legante e la resistenza a fatica su scala di miscela.

Figura 6: Correlazione tra il danno da fatica dell'asfalto e la vita a fatica della miscela N_f. (A) Asfalto A; (B) Asfalto B; (C) Asfalto C. Come mostrato nella Figura 6, il danno da fatica dell'asfalto ha mostrato una forte correlazione positiva con la vita a fatica Nf delle miscele bituminose. Sono stati ottenuti elevati coefficienti di determinazione per l'asfalto A, B e C, indicando che i parametri di danno da fatica possono caratterizzare efficacemente le prestazioni a fatica delle miscele bituminose. Rispetto al fattore di fatica convenzionale del legante G∗sinδ, il danno da fatica fornisce una rappresentazione più diretta del comportamento di deterioramento a fatica delle miscele bituminose. Cliccare qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Nell'insieme, i risultati sulla fatica a livello di miscela confermano che le prestazioni a fatica sono determinate congiuntamente dalla composizione della miscela, dalla tecnologia a miscelazione calda e dalle caratteristiche del legante. Mentre gli indicatori reologici convenzionali offrono una capacità predittiva limitata per alcuni leganti, le metriche di danno basate su LAS–S-VECD mostrano forti e coerenti correlazioni con la durata a fatica della miscela. Questi risultati validano la caratterizzazione del danno a livello di legante come surrogato efficace per la valutazione della durabilità della miscela e forniscono una base meccanicistica per la progettazione delle pavimentazioni basata sulle prestazioni. Le risposte nettamente diverse dei tre leganti bituminosi alla modifica con tecnologia a miscelazione calda possono essere attribuite fondamentalmente a variazioni nella loro composizione chimica derivata dal greggio e nelle conseguenti strutture colloidali. I leganti bituminosi sono generalmente considerati sistemi colloidali costituiti da asfalteni dispersi in una fase di maltene comprendente aromatici, resine e saturi. L'equilibrio tra queste frazioni determina la sensibilità del legante a modificatori esterni, come gli additivi per miscelazione calda. Per il bitume di Karamay (Legante A), il contenuto relativamente elevato di resine e la bassa frazione di paraffina portano a una rete di asfalteni più dispersa con una stabilità strutturale interna più debole. In questo sistema, l'introduzione dell'additivo per miscelazione calda altera significativamente la viscosità e la mobilità molecolare, determinando un incremento della dissipazione dell'energia e valori più elevati di G*sin δ. Ciò indica che l'additivo modifica attivamente l'interazione tra le fasi interne, rendendo il legante più suscettibile alla deformazione ciclica e accelerando così l'accumulo di danno da fatica a livello del legante.

Al contrario, l'asfalto derivato da CNOOC (Legante B) presenta una composizione più bilanciata di tipo naftenico con una struttura colloidale stabile. L'equilibrio asfalteni-resine in questo legante fornisce una rete interna relativamente robusta, che limita la penetrazione e l'influenza strutturale dell'additivo per miscela a caldo. Di conseguenza, si osservano modifiche minime nel comportamento reologico e nell'evoluzione del danno, indicando che l'effetto dell'additivo è in gran parte limitato dalla stabilità intrinseca della microstruttura del legante. Per l'asfalto derivato da PetroChina (Legante C), le frazioni correlate a maggiore polarità e la maggiore complessità degli asfalteni determinano una microstruttura più rigida e tendente all'aggregazione. In questo caso, l'additivo per miscela a caldo sembra manifestare un comportamento di attivazione dipendente da una soglia, per cui la sua influenza diventa più evidente solo dopo un significativo accumulo di danno. Ciò suggerisce che l'additivo non interagisce fortemente con la struttura colloidale iniziale, ma piuttosto influenza il processo di evoluzione del danno nelle fasi successive modificando i percorsi di ridistribuzione delle sollecitazioni.

Nel complesso, questi risultati dimostrano che l'efficacia della modifica a miscela calda non è universale, ma è fortemente determinata dalla stabilità colloidale intrinseca e dalla composizione chimica dell'asfalto di base. Le differenze osservate nell'evoluzione del danno S-VECD e nelle prestazioni a fatica della miscela possono quindi essere direttamente correlate all'eterogeneità microstrutturale dei tre leganti, fornendo una spiegazione meccanicistica del comportamento dipendente dalla fonte del petrolio osservato sia nei test reologici che in quelli a fatica.

DISPONIBILITÀ DEI DATI:
Tutti i dati, i modelli e il codice generati o utilizzati durante lo studio sono disponibili nella cartella supplementare denominata “Raw data”.

Discussione

Questo studio propone un quadro di valutazione della fatica a scala incrociata che integra prove di fatica a scansione dell'ampiezza lineare (LAS) a livello del legante con il modello di danno viscoelastico continuo semplificato (S-VECD) e prove di fatica a flessione a quattro punti a livello di miscela, al fine di stabilire un collegamento meccanicistico tra l'evoluzione del danno del legante bituminoso e le prestazioni di fatica della miscela. A differenza degli approcci convenzionali di valutazione della fatica, che si basano principalmente su indicatori reologici empirici come G*·sin δ, il quadro proposto utilizza parametri legati al danno derivati dalla meccanica del danno continuo per caratterizzare il comportamento intrinseco di degrado dei leganti bituminosi sotto carichi ciclici. Incorporando l'origine del greggio del bitume come fattore influente, questo studio dimostra inoltre che l'efficacia della modifica per miscela a caldo non è universale, ma dipende fortemente dalla composizione chimica e dalla struttura colloidale del legante di base. Questi risultati forniscono nuove intuizioni sull'interazione tra origine del greggio, additivi per miscela a caldo, suscettibilità all'invecchiamento e resistenza alla fatica, stabilendo così un approccio più meccanicistico per la valutazione dei materiali bituminosi. Studi precedenti hanno evidenziato il potenziale dell'analisi LAS–S-VECD per la caratterizzazione della fatica del legante; tuttavia, la sua applicabilità diretta nella previsione delle prestazioni di fatica a scala di miscela è ancora oggetto di indagini continue. Il presente lavoro contribuisce a questo settore di ricerca validando la relazione a scala incrociata tra l'evoluzione del danno del legante e il comportamento di fatica della miscela attraverso diversi sistemi di leganti.

Il framework proposto migliora la comprensione scientifica dei meccanismi di fatica dell'asfalto collegando la caratterizzazione reologica a scala del legante con le prestazioni strutturali a scala della miscela. I metodi tradizionali di valutazione del legante forniscono spesso informazioni limitate sull'accumulo progressivo del danno da fatica, poiché parametri come il modulo complesso e l'angolo di fase descrivono principalmente risposte viscoelastiche istantanee piuttosto che l'evoluzione del danno. Al contrario, l'approccio S-VECD considera i leganti bituminosi come materiali viscoelastici in continuo degrado e fornisce descrittori quantitativi della perdita di integrità strutturale durante il carico a fatica. Le forti correlazioni ottenute tra i parametri LAS–S-VECD e la vita a fatica della miscela in questo studio indicano che l'evoluzione del danno a livello del legante può fornire informazioni significative riguardo alla fase iniziale della formazione di fessurazioni nella miscela. Risultati simili hanno suggerito che parametri meccanicistici basati sul danno potrebbero offrire una capacità predittiva migliore rispetto agli indici reologici convenzionali. Pertanto, questo studio amplia la ricerca attuale sulla fatica dell'asfalto fornendo evidenze sperimentali che la meccanica del danno a scala del legante può fungere da ponte verso una progettazione dei materiali per pavimentazioni basata sulle prestazioni.

Nonostante i risultati promettenti, è necessario riconoscere diverse limitazioni. In primo luogo, l'indagine attuale è stata condotta utilizzando tre leganti bituminosi derivati da fonti specifiche di greggio e una granulometria di aggregato; pertanto, l'universalità della relazione proposta richiede ulteriore validazione mediante un intervallo più ampio di leganti, tecnologie di modifica e tipologie di miscela. Sebbene i leganti selezionati rappresentino materiali tipici per pavimentazioni utilizzati nella pratica ingegneristica, i materiali bituminosi mostrano una notevole variabilità a causa delle differenze nell'origine del greggio, nel processo di raffinazione e nella composizione chimica. In secondo luogo, i test di fatica in laboratorio sono stati eseguiti in condizioni controllate di temperatura e carico, mentre le strutture stradali reali sono soggette a fattori ambientali complessi, tra cui fluttuazioni termiche, infiltrazione di umidità, variabilità del carico del traffico e invecchiamento a lungo termine. In terzo luogo, sebbene i parametri LAS–S-VECD abbiano mostrato forti correlazioni con le prestazioni di fatica della miscela, l'attuale insieme di dati non è sufficiente per stabilire un modello predittivo universale applicabile a tutti i sistemi bituminosi. Pertanto, studi futuri dovrebbero includere basi di dati più ampie e osservazioni delle prestazioni in campo per migliorare ulteriormente la robustezza e la trasferibilità dell'approccio proposto.

Possono essere considerati anche approcci alternativi per indagare ulteriormente la relazione tra l'evoluzione del danno del legante e le prestazioni a fatica della miscela. Ad esempio, tecniche avanzate di caratterizzazione chimica, tra cui la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), la risonanza magnetica nucleare (NMR) e la simulazione della dinamica molecolare, potrebbero fornire ulteriori informazioni sui meccanismi molecolari che regolano il comportamento a fatica dipendente dalla fonte dell'olio. Studi precedenti hanno dimostrato che le variazioni nella struttura molecolare dell'asfalto, inclusa l'aggregazione delle asfalteni, la distribuzione degli aromatici e le interazioni legate alla polarità, influenzano in modo significativo la risposta reologica e la suscettibilità all'invecchiamento. Inoltre, tecniche avanzate di imaging, come la microscopia a forza atomica (AFM) e i metodi di caratterizzazione basati su raggi X, potrebbero essere impiegate per osservare direttamente l'evoluzione della microstruttura durante l'accumulo del danno da fatica. La combinazione di questi approcci con l'analisi LAS–S-VECD potrebbe fornire una comprensione più completa della relazione tra struttura molecolare, meccanica del danno del legante e prestazioni macroscopiche della pavimentazione.

La metodologia proposta basata su LAS–S-VECD ha importanti applicazioni potenziali in diversi settori dell'ingegneria delle pavimentazioni in asfalto e della scienza dei materiali. Da un punto di vista pratico, questo approccio può essere utilizzato come strumento di screening efficiente per valutare leganti candidati, selezionare additivi appropriati per la miscelazione a caldo e valutare la sensibilità all'invecchiamento prima di condurre esperimenti su miscele su larga scala, che richiedono molto tempo. Rispetto alle specifiche empiriche tradizionali, l'approccio proposto fornisce una base meccanicistica per la progettazione delle pavimentazioni orientata alle prestazioni, collegando direttamente le caratteristiche di danno del legante con la durabilità strutturale. Questo aspetto è particolarmente prezioso per le tecnologie sostenibili delle pavimentazioni, in cui l'uso crescente di asfalti a miscelazione calda, materiali riciclati e leganti alternativi richiede metodi affidabili per prevedere le prestazioni a lungo termine. Inoltre, la metodologia potrebbe contribuire allo sviluppo di sistemi di progettazione delle pavimentazioni basati sui dati, fornendo descrittori fisicamente significativi della fatica che possono essere integrati con modelli predittivi e framework di valutazione del ciclo di vita.

Le ricerche future dovrebbero concentrarsi sull'ampliare l'applicabilità del framework proposto verso previsioni più complete e orientate al campo delle prestazioni delle pavimentazioni. Studi futuri dovrebbero includere basi di dati più ampie sui leganti, che coprano diverse fonti di greggio, leganti modificati con polimeri, materiali bituminosi riciclati e nuovi additivi sostenibili, al fine di stabilire modelli di previsione della fatica più generalizzati. Inoltre, l'integrazione dell'analisi LAS–S-VECD con metodi di caratterizzazione multiscala, approcci di intelligenza artificiale e simulazioni a livello molecolare potrebbe ulteriormente migliorare la comprensione e l'accuratezza predittiva del comportamento a fatica dell'asfalto. Dovrebbero essere inoltre integrati monitoraggi a lungo termine in campo e test accelerati sulle pavimentazioni per validare le previsioni basate su laboratorio in condizioni di esercizio reali. In definitiva, la combinazione di modellazione meccanicistica del danno, caratterizzazione avanzata dei materiali e strategie di progettazione basate sulle prestazioni dovrebbe facilitare lo sviluppo di sistemi di pavimentazione in asfalto più duraturi, sostenibili e affidabili.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Legante A / AO, asfalto Karamay	Fonte di petrolio greggio di Karamay, Cina	N/D	Legante asfaltico di base
Legante B / BO, asfalto CNOOC 36-1	Fonte di petrolio greggio offshore CNOOC 36-1, Cina	N/D	Legante asfaltico di base
Legante C / CO, asfalto PetroChina	Fonte basata su greggio PetroChina / Boscan venezuelano	N/D	Legante asfaltico di base
Additivo per miscela a caldo Evotherm M1	Ingevity / MeadWestvaco	Evotherm M1	Additivo per la preparazione di leganti per miscele a caldo (WMA)
Reometro a taglio dinamico	Malvern	Kinexus DSR+	Utilizzato per analisi in funzione della temperatura DSR e test LAS
Apparecchiatura per il test di invecchiamento in forno a film sottile rotante	Shanghai Changji	SYD-0610	Utilizzata per l'invecchiamento a breve termine
Recipiente di invecchiamento a pressione	InstroTek	PAV-9300	Utilizzato per l'invecchiamento a lungo termine
Sistema di prova alla fatica a flessione a quattro punti	Cooper Research Technology	SA4PT	Utilizzato per test di fatica su miscele controllati in deformazione
Schema di analisi S-VECD	analisi dati	N/D	Utilizzato per calcolare i parametri di danno derivati dal test LAS
Software per l'analisi dati	Origin	OriginPro 2024	Utilizzato per analisi di regressione, analisi di correlazione e rappresentazione grafica