MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI - …. Nicolosi - Corso di Progetto di Sovrastrutture Viarie...
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CORSO DI PROGETTO DELLE SOVRSTRUTURE VIARIE
MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI
Prof. Ing. Vittorio Nicolosi
UNIVERITÀ DEGLI STUDI DI ROMA “TOR VERGATA”
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE
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MIX DESIGN
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CONGLOMERATIBITUMINOSI
AGGREGATI LAPIDEI
LEGANTE BITUMINOSO
VUOTI
DEFORMAZIONI PERMANENTI
FESSURAZIONE PER FATICA
FESSURAZIONE DOVUTA A FENOMENI TERMICI
USURASUPERFICIALE
DISTACCO DI INERTI IN SUPERFICIE
SUSCETTIBILITA’ INVECCHIAMENTO
SUSCETTIBILITA’ACQUA
MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI
BITUMINOSI
CARATTERISTICHE DELLE MISCELE
Quantità masticeQualità mastice% dei vuoti
Suscettibilità termica della miscela
Consistenza e Suscettibilità termica del legante
Angolarità degli inertiFrazione di aggregato grosso
% leganteCaratteristiche
legante
Caratteristiche e natura inerti grossiDimensioni inerti
Adesione inerti legante
% di legante
COMPORTAMENTO DELLE SOVRASTRUTTURE
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SCELTA DEI COMPONENTI
STUDIO DELLE MISCELE
MIX DESIGN DELLE MISCELE DI CONGLOMERATO BITUMINOSO
LEGANTE
AGGREGATI
CARATTERISTICHE INTRINSECHE
DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA
STUDIO DELLE CARATTERISTICHE
VOLUMETRICHE
PROVE SULLE MISCELE
Previsione del comportamento nella
sovrastrutturaModelli di degrado
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OSIMIX DESIGN
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METODI PER IL MIX DESIGN DEI CONGLOMERATI BITUMINOSI
CRR
“Code de bonne pratiqe pour la formulation des enrobés
bitumineux”
ASTM 1560 e 1561 SUPERPAVE
Superior Performing Asphalt Pavements
METODO MARSHALL METODO HVEEM METODO SHRP
PRESTAZIONALIPRESCRITTIVI
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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – IL LEGANTE
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CRITERI TRADIZIONALI
PENETRAZIONE VISCOSITA’
TEMP. DI RAMMOLLIMENTO ROTTURA FRAAS
SUSCETTIBILITA’ TERMICAINDICE DI PENETRAZIONE IP
Svantaggi: La viscosità fornisce informazioni solo sul
comportamento ad altissime temperature; La Consistenza fornisce informazioni solo ad una
temperatura intermedia 25°C; Le proprietà dei leganti a bassa temperatura non
vengono direttamente misurate; Le prestazioni ed il comportamento elastico e viscoso
non viene adeguatamente rappresentato; Non evidenzia in maniera adeguata i vantaggi derivanti
dalla modifica dei leganti attraverso polimeri; Prove di caratterizzazione effettuate sul bitume tal‐
quale senza considerare gli effetti dell’invecchiamento
Modulo Complesso S Duttilità
(allungamento a rottura)
CRITERIO SHRP SPECIFICHE PER IL LEGANTE FUNZIONE DELLE
TEMPERATURE DI ESERCIZIO LE CARATTERISTICHE FISICO-MECCANICHE RICHIESTE
SONO SEMPRE LE MEDESIME MA CAMBIANO LETEMPERATURE ALLE QUALI DEVONO ESSEREASSICURATE
NUOVE PROVE DI CARATTERIZZAZIONE
CLASSI DI LEGANTEPG XX ‐YY (p.e. PG58‐34)
XX massima temperatura di esercizio di progettoYY minima temperatura di esercizio di progetto
DEFINIZIONE DELLE TEMPERATURE DI ESERCIZIO IN FUNZIONE DELL’AFFIDABILITA’ RICHIESTA
INDIVIDUAZIONE DELLA CLASSE DI LEGANTE PXX-YY
Temp. Max. Pavimentazione a 20mm di profondità
Correzione delle max temperature effetti dei tempi di carico
(velocità del traffico); Volumi di traffico. Temp. Min.
a) T min ambienteb) T min pavimentazione
Intervallo di temperatura stabilito in funzione dell’affidabilità
Aumento di Tmax di due gradi per Velocità < 90 km/h
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LE CARATTERISTICHE DEL LEGANTE SONO MISURATE SUL LEGANTE CHE E STATO SOTTOPOSTO A PROCESSI DI INVECCHHIAMENTO
RTFO (Rolling Thin Film Oven) ‐miscelazione
PAV (Pressare Pressure Aging Vessel) –lungo termine
APPARECCHIATURA DIPROVA
PARAMETRI MISURATI GRANDEZZE IMPIEGATE SIGNIFICATO DELLA PRESCRIZIONE
REOMETRO A TAGLIO(dynamic shear rheometer)
G* = max / maxModulo Complesso a
Taglio
G* / sen ( T>46°C)
Assicurare un comportamento in campo elasticoalle alte temperature ed il contributo allarigidezza globale della miscela (ormaie)
Angolo di fase
G* sen (7°C<T<34°C) Limitare l’energia dissipata alle temperatureintermedie (fessurazione per fatica)
VISCOSIMETRO ROTAZIONALE
(rotational viscometer)Viscosità [Pa sec]
Viscosità a 135 °C Assicurare le necessarie caratteristiche diviscosità durante le fasi di confezionamento,messa in opera e costipamento delle miscele
REOMETRO A FLESSIONE
(bending beam rheometer)
Modulo di Creep S(Creep Stiffness)
S alla min. temperature di esercizio
Bassi valori di S assicurano maggiore resistenzaalla fessurazione alle basse temperature (persollecitazioni di elevata frequenza)
Tasso di Deformazione logaritmico m
(Logarithmic creep rate)
m alla min. temperature di esercizio Alti valori di m assicurano maggiore resistenza
alla fessurazione dovuta alle variazioni termiche
PROVE A TRAZIONE DIRETTA
(direct tension tester)
Deformazione a rottura max max
Alti valori di assicurano un migliorecomportamento nei confronti della fessurazionealle basse temperature (viene impiegato per tenerconto del comportamento dei leganti modificatiche benché caratterizzati da valori elevati dellarigidezza presentano un comportamentoadeguato nei confronti dei fenomeni descritti)
PARAMETRI PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI LEGANTI BITUMINOSI E RELATIVE PROVE
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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – IL LEGANTE
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APPARECCHIATURA DIPROVA
PARAMETRI MISURATI GRANDEZZE IMPIEGATE
REOMETRO A TAGLIO
(dynamic shear rheometer)
G* = max / maxModulo Complesso a
Taglio
G* / sen ( T>46°C)
Angolo di fase
G* sen (7°C<T<34°C)
VISCOSIMETRO ROTAZIONALE
(rotational viscometer)
Viscosità [Pa sec]
Viscosità a 135 °C
REOMETRO A FLESSIONE(bending beam
rheometer)
Modulo di Creep S(Creep Stiffness)
S alla min. temperature di esercizio
Tasso di Deformazione logaritmico m
(Logarithmic creep rate)
m alla min. temperature di esercizio
PROVE A TRAZIONE DIRETTA
(direct tension tester)
Deformazione a rottura max max
PARAMETRI PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI LEGANTI BITUMINOSI E RELATIVE PROVE
Prova di Trazione DirettaTensione
Deformazione
Reometro flessionale
PDeflessione
Tempo
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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – GLI AGGREGATI
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CARATTERISTICHE INTRINSECHE
ANGOLARITA’RESISTENZA
ALL’ABRASIONELos Angeles
FORMA INERTI (>3 CNR ,>5 ASTM
D479)
SENSIBILITA’ AL GELO(CNR 80/80 AASHTO
T104)
CONTENUTO DELLA FRAZ. LIMO-ARGILLOSA
VALORI PRESCRITTI FUNZ. TGM
VALORI PRESCRITTI FUNZ. PROND.
QUANTITATIVO DI MATERIALE FINO
(CNR 75/80 AASHTO T112)
DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA
CURVA DI MAX DENSITA’Passante=d^0.45
PUNTI VINCOLATI
ZONA RISTRETTA
Aumentare resistenza ormaie
FUSI GRANULOMETRICI
I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI
TIPO DI STRATO / PROFONDITA’ - VOLUMI DI TRAFFICO
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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – GLI AGGREGATI
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CARATTERISTICHE INTRINSECHE
ANGOLARITA’RESISTENZA
ALL’ABRASIONELos Angeles
FORMA INERTI (>3 CNR ,>5 ASTM
D479)
SENSIBILITA’ AL GELO(CNR 80/80 AASHTO
T104)
CONTENUTO DELLA FRAZ. LIMO-ARGILLOSA
VALORI PRESCRITTI FUNZ. TGM
VALORI PRESCRITTI FUNZ. PROND.
QUANTITATIVO DI MATERIALE FINO
(CNR 75/80 AASHTO T112)
DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA
I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI
TIPO DI STRATO / PROFONDITA’ - VOLUMI DI TRAFFICO
ULTERIORI PROVE NEI METODI PRESCRITTIVIFillerVuoti Ridgen (CNR 123/88)Influenza sul legante (CNR 122/88)Suscettibilità all’acqua (spogliamento)% acqua
SabbieResistenza al consumo (CLA 140/92)Composizione chimica (p.e. FeO)
Inerti GrossiResistenza al consumo CLA (CNR 140/92)Resistenza all’Usura “Micro Deval” (CNR 109/85)Indice dei vuoti endogranulari (CNR 65/78)
Massa volumica apparente
Massa volumica reale
Massa volumica effettiva
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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – GLI AGGREGATI
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CARATTERISTICHE INTRINSECHE DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA
CURVA DI MAX DENSITA’Passante=d^0.45
PUNTI VINCOLATI
ZONA RISTRETTA
Aumentare resistenza ormaie
FUSI GRANULOMETRICI
I CRITERI RISULTANO ESSERE SOSTANZIALMENTE SIMILI SIA PER I METODI PRESCRITTIVI CHE PRESTAZIONALI
TIPO DI STRATO / PROFONDITA’ - VOLUMI DI TRAFFICO
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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Pass
ante
[%]
d^045 [mm]
Classi SHARP
Dimensione massima nominale
dell’aggregato [mm]
Dimensione massima
dell’aggregato [mm]37.5 37.5 5025 25 37.519 19 25
12.5 12.5 199.5 9.5 12.5
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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA
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METODI TRADIZIONALI
METODI PRESTAZIONALI -SHRP
STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELA
COMPATTATORE MARSHALL
Difetti:– Non riproduce adeguatamente il
processo di costipamentorealmente subito dalle miscele
Pregi– Basso costo– Portatile
NUOVO METODO DI ADDENSAMENTO DEI
CAMPIONISuperpave Gyratory
Compactor
Texas gyratory
compactor
Pressa giratoria Francese
DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE
VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE
Lo SHARP fissa VMA (vuoti nell’aggregato) e VFA (vuoti occupati dal legante) nonché un valore di
progetto dei vuoti nella miscela pari al 4%
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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA
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METODI PRESTAZIONALI - SHRP
STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELANUOVO METODO DI
ADDENSAMENTO DEI CAMPIONISuperpave Gyratory Compactor
Texas gyratory
compactor
Pressa giratoria Francese
DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE
VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE
600 kPa
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METODI PRESTAZIONALI - SHRP
STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELANUOVO METODO DI
ADDENSAMENTO DEI CAMPIONISuperpave Gyratory Compactor
Texas gyratory
compactor
Pressa giratoria Francese
DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE
VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE
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METODI PRESTAZIONALI - SHRP
STUDIO VOLUMETRICO DELLA MISCELANUOVO METODO DI
ADDENSAMENTO DEI CAMPIONISuperpave Gyratory Compactor
Texas gyratory
compactor
Pressa giratoria Francese
DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE
VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE
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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA COMPATTAZIONENumero di passaggi di assi equivalenti in 20 anni (in milioni)
Numero di giri
Ninitial Ndesign Nmax
< 0.3 6 50 75
0.3 to < 3 7 75 115
3 to < 10* 8 (7) 100 (75) 160 (115)
10 to < 30 8 100 160
30 9 125 205
Numero di passaggi di assi equivalenti in 20
anni (in milioni)
Densità espressa in % del Gmm
Ninitial Ndesign Nmax
< 0.3 91.5
96.0 98.0 0.3 to < 3 90.5 3 to < 10
89.0 10 to < 30 > 30
miscmm
s b
se b
WG P PG G
N GIRI FUNZIONE DELLA TEMPERATURA
E DEL TRAFFICO
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STUDIO DELLE MISCELE - VOLUMETRIA
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VOLUME DEI VUOTI
Specifiche di
capitolato per Pb e Vv
IncrementoTpa nel mastice
Specifiche capitolato sui
fusi granulometrici
CRITERIO CRR (Tradizionale)
Scelta del tipo di miscela (strato, impiego)
Scelta dei costituenti la miscela,
Scelta della distribuzione granulometrica,
Determinazione del volume disponibile per ilmastice bituminoso (bitume+filler) Vq,
Determinazione delle composizione delmastice (rapporto filler/bitume),
Determinazione della percentuale di legantePb
CRITERIO SHRP
Definizione del volume di traffico e delletemperature Max. e min. e della massimadimensione degli aggregati,
Determinazione della classe di legante bituminoso,
Definizione di tre miscele di aggregati (rispettodelle specifiche),
Determinazione del contenuto di bitume iniziale(Vb=Vba +Vbe).
DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE
0.8se sb sa sbG G G G
1 1 1s aba
sb seb s
b se
P VV
G GP PG G
0.81 0.02931 lnbe nV S
100b be babi
b be ba s
G V VP
G V V W
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STUDIO DELLE MISCELE -VOLUMETRIA
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VOLUME DEI VUOTI
CRITERIO SHRP
Definizione del volume di traffico edelle temperature Max. e min. edella massima dimensione degliaggregati,
Determinazione della classe dilegante bituminoso,
Definizione di tre miscele diaggregati (rispetto dellespecifiche),
Determinazione del contenuto dibitume iniziale (Vb=Vba +Vbe).
DEFINIZIONE PRELIMINARE DELLA COMPOSIZIONE
Numero di passaggi di assi equivalent in 20 anni (in milioni)
Minimo VMA (%)
Intervalli VFA (%)9.5 mm
(0.375 inch)12.5 mm(0.5 inch)
19.0 mm(0.75 inch)
25.0 mm(1 inch)
37.5 mm(1.5 inch)
< 0.3
15.0 14.0 13.0 12.0 11.0
70 - 80
0.3 to < 3 65 - 78
3 to < 10
65 - 7510 to < 30
30
+VOLUME DEI VUOTI 4%
+RAPPORTO 0.6 ≤ P00.75 / Pbit 1.2
P00.75 = percentuale in peso del filler
Pbit = percentuale in peso del legante
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MIX DESIGN - SCELTA DEI COMPONENTI – VOLUMETRIA
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VERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONEVERIFICA SPERIMENTALE DELLA COMPOSIZIONE
CRITERIO SHRP Determinazione delle temperature di miscelazione (viscosità= 0.17 0.02
Pa*sec) e di compattazione (viscosità= 0.28 0.03 Pa*sec) Determinazione del N. di giri max. , di progetto e iniziale in funzione delle
temperatura max e del volume di traffico, Miscelazione, Invecchiamento a breve termine (135°C 4 ore), Costipamento (pressa giratoria N=Nmax.), Determinazione della densità (geometrica e corretta) al grado di
compattazione corrispondente a Nmax. e Nprogetto, Calcolo delle seguenti grandezze in corrispondenza della densità raggiunta a
Nprogetto: Volume vuoti, Volume dei vuoti nella miscela di aggregati,Volume riempito dal legante,
Verifica che la densità a Nin <89% della Densità max assoluta e che ladensità a Nmax < 98% Densità max assoluta.
Confronto delle grandezze sopra calcolate con le specifiche, Controllo 0.6 < Filler / bitume < 1.2 Scelta della miscela di aggregati più idonea e stima della percentuale di
bitume che nella miscela scelta realizza il volume dei vuoti del 4% Confezionamento di 4 serie di campioni impiegando la miscela di inerti
individuata e la % di bitume: stimata, stimata 0.5%, stimata+1%:costipamento, e calcolo delle grandezze per la miscela individuata.
Vengono determinate le proprietà volumetriche dei campioni confezionaticon le percentuali di legante prima individuate e viene scelta quella cherealizza la % dei vuoti del 4%
Controllo della sensibilità all’acqua AASHTO T 283 (riduzione della resistenzaa trazione indiretta <20% su provini confezionati al 7% dei vuoti ).
CRITERIO CRR (Tradizionale)Costipamento con il metodomarshall
Controllo dei vuoti residuiControllo della percentuale dibitume
Controllo della stabilità MarshallControllo della Rigidezza Marshall
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STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE
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METODI TRADIZIONALI CRR% DEI VUOTI MARSHALL% VUOTI OCCUPATI DA BITUME(MARSHALL)
MISCELE CON GRANULOMETRIA
CONTINUASTABILITÀ MARSHALLSCORRIMENTORIGIDEZZA MARSHALLPROVA DI ORMAIAMENTO
MISCELE CON GRANULOMETRIA
DISCONTINUA(SMA; DRENANTI ECC.)
PROVA CANTABROPROVA SCHELLENBERG(segregazione)
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SHRP2 LIVELLI DI ANALISI IN FUNZIONE DEL
TRAFFICO
SUPERPAVE SHEAR TESTER
PROVA A TRAZIONE INDIRETTA
2APPARECCHIATURE
6 TIPI DI PROVA (con la stessa app.)
– PROVA VOLUMETRICA– PROVA DI DEFORMAZIONE MONOASSIALE– PROVA A TAGLIO CICLICA A TENSIONE
COSTANTE– PROVA A TAGLIO CICLICA AD ALTEZZA
COSTANTE– PROVA A TAGLIO SEMPLICE AD ALTEZZA
COSTANTE– PROVA A TAGLIO CICLICO A VARIE
FREQUENZE
3 TIPI DI PROVA (con la stessa app.)
– CREEP COMPLIANCE A BASSATEMPERATURA
– RESISTENZA A ROTTURA A BASSATEMPERATURA
– RESISTENZA A ROTTURA ATEMPERATURA INTERMEDIA
CARICO
CAMPIONE
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SUPERPAVE SHEAR TESTER
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LIVELLO DEGRADO
DI DEFORMAZIONI PERMANENTI FESSURAZIONE PER FATICA FESSURAZIONE DI ORIGINE TERMICA
ANALISI PROVA TEMPERATURA PROVA TEMPERATURA PROVA TEMPERATURA
Prova atagliosemplice adaltezza costante
Teff(DP) Prova a tagliosemplice ad altezzacostante
Teff(FF) Prova di CreepCompliance atrazione indiretta
0° -10° , -20°C
INTERMEDIO
Prove dinamichea taglio(sinusoidale) avarie frequenzedi carico e adaltezza costante
Teff(DP) Prove dinamiche ataglio (sinusoidale)a varie frequenze dicarico e ad altezzacostante
Teff(FF) Resistenza arottura a trazioneindiretta
-10 °C
Resistenza a rotturaa trazione indiretta
Teff(FF)
Prove sinusoidalia taglio a variead altezzacostante e (variefrequenze dicarico)
4°, 20° e40°C
Prove sinusoidali ataglio a varie adaltezza costante e(varie frequenze dicarico)
4°, 20° e40°C
Prova di CreepCompliance atrazione indiretta
0° -10° , -20°C
COMPLETOProve adeformazioneuniassiale
4°, 20° e40°C
Resistenza allatrazione indiretta
-10°, 4° e20°C
Resistenza arottura a trazioneindiretta
-10 °C
Provevolumetriche
4°, 20° e40°C
Prove a tagliosemplice adaltezza costante
4°, 20° e40°C
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STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE
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PROVA DI CREEP COMPLIANCE
Si applica un carico che produce unadeformazione orizzontale compresatra 50 e 750 Si misurano le deformazioni orizzontali e verticali durante la prova
RESISTENZA ALLA TRAZIONE INDIRETTA
MISURATA DURANTE LE PROVE DI CREEP
Al termine della prova di Creep ilcampione viene caricato fino allarottura.Il carico corrisponde alla velocità dispostamento verticale di 12.5mm/minuto
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RESISTENZA ALLA TRAZIONE INDIRETTA
Il campione viene sottoposto ad unadeformazione controllatacorrispondente ad una velocità dispostamento verticale di 50 mm/minuto.Si misura il carico e la deformazioneindividuando il max carico applicato
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STUDIO DELLE MISCELE – PROVE SULLE MISCELE
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DATI DI PROGETTO: Strato, Traffico, Clima
MODELLI RELATIVI
AGLI EFFETTI
CLIMATICI
MODELLI DI RISPOSTA DELLE
SOVRASTRUTTURE
MODELLI DI DEGRADO
PREVISIONE DEL COMPORTAMENTO
Deformazioni permanenti (ormaie)Fessurazione a faticaFessurazione termica
CARATTERISTICHE DEI MATERIALI
RISULTATI DELLE PROVE PRESTAZIONALI
DALLO STUDIO DELLE MISCELE ALLA PREVISIONE DEL COMPORTAMENTO COME COSTITUENTI DELLE SOVRASTRUTTURE