Pavimentazioni
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Pavimentazioni

Con il termine “pavimentazione” si intende quella parte di sede stradale che ne garantisce la transitabilità da parte del traffico di progetto nel rispetto delle condizioni di sicurezza richieste dai regolamenti

IL RINFORZO DELLE SOVRASTRUTTURE STRADALI: IL CONTRIBUTO OFFERTO DAI PRODOTTI GEOSINTETICI

Massimiliano Nart *
Paolo M. Bianco **

Dal punto di vista tecnico, le pavimentazioni sono indicate con il termine più conosono di “sovrastrutture”, poiché si tratta effettivamente di vere e proprie strutture soggette a carichi di vario tipo e sollecitazioni piuttosto complesse. Tralasciando le pavimentazioni di viabilità minori o temporanee, esistono essenzialmente due soluzioni possibili: le sovrastrutture flessibili e le sovrastrutture rigide. In realtà, in alcuni casi si adottano anche soluzioni miste che prendono nome, appunto, di sovrastrutture semirigide.

La differenza che intercorre fra le due soluzioni è sostanzialmente il diverso meccanismo di trasferimento del carico sovrastante al terreno naturale (sottofondo).Nelle pavimentazioni rigide il comportamento è essenzialmente fissionale: la struttura equilibra il carico chiamando in causa una porzione significativa di pavimentazione, cioè coinvolgendo anche una parte significativa di pavimentazione al di fuori dell’area di carico; in questo modo il carico è ripartito su un’ampia zona di sottofondo. Nel caso di pavimentazioni flessibili, invece, il meccanismo fissionale è minimo, e il carico è trasferito al sottofondo attraverso una serie di strati di rigidezza decrescente man mano che si procede dalla superficie verso il sottofondo.
E’ bene precisare che le pavimentazioni rigide, ancorché più efficienti in termini prestazionali rispetto a quelle flessibili, risultano nel contempo più fragili. A fronte di un miglior meccanismo di equilibratura del carico, presentano un’elevata sensibilità alle variazioni di portanza del sottofondo, essendo costituite da materiali di elevata rigidezza. Quindi, anche in presenza di modeste riduzioni di portanza del sottofondo, o peggio, in caso di cedimenti/assestamenti, possono riportare gravi danneggiamenti.

Le caratteristiche e le problematiche delle pavimentazioni flessibili
Gli strati superiori delle sovrastrutture flessibili sono realizzati in conglomerato bituminoso. Questi strati, che possono essere due o tre a seconda dell’importanza della strada, presentano caratteristiche peculiari, differenti in relazione alla loro posizione nella sovrastruttura e quindi al regime di sollecitazione cui devono essere assoggettati durante la vita utile della pavimentazione.

figura 1I vari strati prendono nomi specifici ormai consolidati in letteratura. Il primo strato, partendo dalla fondazione, è lo strato di base (o base bituminosa), costituito da un conglomerato bituminoso a masse aperte. Sulla base bituminosa è realizzato uno strato (binder) costituito da conglomerato bituminoso a masse semiaperte, cioè confezionato con inerti sia grossolani (pietrisco e graniglia) sia da materiale fine (filler). Completa la sovrastruttura lo strato di usura, eseguito in conglomerato bituminoso a masse chiuse, ovvero confezionato con inerti privi di frazione grossa (pietrisco), e cioè soltanto con graniglia, sabbia e filler. La Figura 2 rappresenta graficamente la posizione e l’ubicazione dei vari strati, il cui spessore dipende da vari fattori: la portanza del sottofondo, il tipo e lo spessore della fondazione e, infine, il tipo di traffico per il quale è progettata la sovrastruttura. In termini di proprietà meccaniche, gli strati più superficiali (binder e usura) presentano maggiore rigidezza e resistenza al taglio rispetto allo strato di base; tali proprietà si rendono necessarie per fronteggiare la componente radente dei carichi applicati in superficie.
Nello strato di base le sollecitazioni tangenziali arrivano attenuate e quindi le sollecitazioni che è chiamato a sopportare sono essenzialmente di trazione derivanti dal comportamento fissionale globale degli strati legati.
figura 2Il pacchetto degli strati “neri” poggia su uno strato (fondazione) che, in casi particolari, può essere costituito da anche due sottostrati. La fondazione è costituita di norma da materiale inerte, di opportuna granulometria e adeguatamente compattato. Tale strato ripartisce ulteriormente i carichi provenienti dalla superficie prima di applicarli al terreno naturale. La Tabella 1 riporta, indicativamente, il range di variabilità degli spessori dei vari strati che costituiscono una pavimentazione di tipo flessibile.
Le problematiche strutturali delle pavimentazioni flessibili sono piuttosto complesse. L’interazione sovrastruttura-terreno presenta, infatti, le problematiche classiche della geotecnica, soprattutto in presenza di terreni sensibili all’umidità (ovvero con caratteristiche che cambiano con le stagioni). La parte legata della sovrastruttura presenta le problematiche tipiche dei multistrati aggravate dall’enorme sensibilità dei materiali (conglomerati bituminosi) alla temperatura che ne modifica in modo
tabella 1sostanziale il comportamento.
A tutto questo va aggiunto, infine, l’aspetto dinamico, ovvero mobile, dei carichi applicati, che aumenta il grado di indeterminazione qualunque sia l’approccio analitico/razionale al problema progettuale, e richiede di includere nelle analisi numeriche anche problematiche di fatica. Sarebbero, quindi, necessari modelli di calcolo estremamente sofisticati con modellazioni e simulazioni pesanti ed onerose, non sempre giustificate. Non a caso, nella pratica i metodi ricorrenti per il dimensionamento e il calcolo di verifica delle pavimentazioni stradali, si appoggiano a modelli estremamente semplificati integrati da parametri empirici desunti da sperimentazioni dirette, e cioè da monitoraggi e rilevamenti di strutture reali. Tale approccio consente previsioni di massima sul comportamento di sovrastrutture, talvolta di discreta attendibilità. Tali modelli consentono però di esaminare un solo problema strutturale: quello del traffico che applica alla pavimentazione forze essenzialmente verticali. Una buona progettazione deve tenere conto anche delle situazioni non ordinarie. Il dissesto di una sovrastruttura può sopraggiungere, infatti, per cause diverse: per problemi geotecnici del sottofondo, per effetto di infiltrazioni superficiali attraverso gli strati legati, nonché per sollecitazioni straordinarie come di fatto avviene in corrispondenza di tratti particolari del tracciato stradale. Si possono poi avere problematiche puntuali particolari, come ad esempio un’imperfezione costruttiva o un dissesto localizzato che si può verificare durante la vita utile della sovrastruttura. In queste zone il passaggio dei mezzi induce sollecitazioni impulsive molto elevate che si traducono in sgretolamenti fino alla rottura completa della pavimentazione, con formazione di vere e proprie buche che innescano poi fenomeni di dissesto su scala più ampia (infiltrazione, danneggiamento del sottofondo o degli strati di fondazione, ecc.) Queste ultime considerazioni evidenziano come il risultato di una pavimentazione non sia solo un buon progetto e una corretta esecuzione, ma anche una corretta e tempestiva manutenzione. Soltanto lo stato “integro” della pavimentazione, ovvero nella condizione ipotizzata dal modello di calcolo, può fornire una prestazione (vita utile) coerente con i risultati del calcolo stesso. Inquadrate le varie problematiche che investono la progettazione, realizzazione e manutenzione delle pavimentazioni stradali, si intuisce il successo registrato in questo settore da parte dei geosintetici, e l’interesse generale per materiali speciali, laddove portino nuovi ed efficaci accorgimenti costruttivi. Lo sviluppo del settore dei geosintetici ha reso disponibili parecchi materiali e soluzioni che, nell’ambito delle costruzioni di sovrastrutture stradali, consentono di ottenere migliori prestazioni attraverso un effetto di rinforzo globale della sovrastruttura. Si sottolinea il termine “rinforzo globale”. Nell’ambito delle costruzioni stradali, il termine “rinforzo” non è da considerare solo in accezione strutturale, ma va inteso in senso più generale, cioè come accorgimento capace di prolungare la vita utile dei manufatti. Nel capitolo successivo vengono esaminate le principali problematiche della pavimentazioni stradali, fornendo alcune indicazioni per conseguire un incremento di durabilità.

Considerazioni generali sul dimensionamento delle sovrastrutture stradali

figura 3-4

Nel dimensionamento e nel calcolo di verifica di sovrastrutture stradali, ci si riferisce a un unico carico, un asse standard il cui peso varia a secondo delle normative o istruzioni di riferimento. L’asse standard più diffuso e quello da80kN. Nel nostro Paese le istruzioni di riferimento sono quelle contenute nel Bollettino del CNR n.178 del 15 Settembre 1995 secondo le quali l’asse standard è da 121 (120 kN). Indipendentemente dal modulo dell’asse di riferimento, va evidenziato che i modelli di calcolo normalmente utilizzati sottintendono che la condizione di carico più gravosa per una sovrastruttura stradale sia costituita dalla componente verticale del carico, e cioè dal peso degli automezzi. Il peso dei veicoli, e quindi quello del singolo asse, è sicuramente importante, ma non è l’unico problema. Giova ricordare che i veicoli sono generalmente in movimento e, pertanto, l’asse che in condizioni statiche applica un carico pressoché verticale ed egualmente ripartito fra i semiassi, può applicare anche carichi diversi che, come vedremo, in alcuni casi risultano più importanti di quello ordinario. Nei tratti in curva, infatti, l’azione centrifuga sul veicolo induce un incremento di peso sul semiasse esterno e un alleggerimento del semiasse interno alla curva. La forza centripeta necessaria a mantenere il veicolo su traiettoria curva induce, poi, azioni radenti fra pneumatici e pavimentazione. In prossimità degli incroci, soprattutto se regolati da semaforizzazione o da segnaletica che impone l’arresto dei veicoli (STOP), anche nei tratti rettilinei si hanno condizioni di carico particolari. Per l’arresto un veicolo necessita di un’accelerazione negativa, e quindi una forza che nasce all’interfaccia fra pneumatici e pavimentazione. Pertanto, ogni semiasse applica alla pavimentazione, oltre al carico verticale, figura 5una forza radente di entità derivante dall’incisività dell’azione frenante. In corrispondenza degli stessi punti (incroci) in fase di partenza, si ha una nuova condizione di sollecitazione. L’avvio del veicolo richiede un’accelerazione positiva. Compare, quindi, nuovamente una forza orizzontale applicata alla pavimentazione. In questo caso, però, la forza (in direzione inversa al moto) nasce soltanto all’interfaccia fra la pavimentazione e le ruote motrici; rispetto al caso precedente può risultare, in generale, di maggiore intensità. Condizioni di carico straordinarie si verificano anche fuori dagli incroci, in presenza di pendenze importanti. In salita, infatti, il veicolo per mantenere costante la velocità, scambia con la pavimentazione azioni radenti a livello delle ruote motrici per indurre un’accelerazione positiva che compensi il rallentamento che altrimenti subirebbe salendo. Analogamente in discesa, l’azione frenante necessaria per rallentare la discesa induce sollecitazione radenti fra pneumatici e pavimentazione. Laddove l’automezzo ricorra al freno-motore, l’azione radente è localizzata solo fra ruote motrici e pavimentazioni.

Il rinforzo delle sovrastrutture stradali: il contributo dei geosintetici

figura 6Molto spesso quando si parla di rinforzi si pensa a un’azione di tipo strutturale e cioè un effetto armatura. Questo deriva dalla letteratura anglosassone poiché il termine “reinforced” è utilizzato anche con il significato di “armato” (per esempio “Reinforced Concrete”). Nell’ambito delle pavimentazioni stradali il concetto di rinforzo va inteso in senso più ampio. Atteso che una sovrastruttura stradale è progettata per resistere per un certo numero di anni (e cioè per sopportare un certo numero di cicli di carico), qualsiasi materiale o accorgimento capace di modificarne il comportamento e prolungarne in particolare la vita utile può considerarsi un rinforzo. In quest’ottica si giustifica l’uso, e l’efficacia di fatto, di materiali dotati di scarsa resistenza meccanica e rigidezza. Un materiale che, ad esempio, sia capace di mantenere invariate le proprietà meccaniche dei vari strati della pavimentazioni, o di ridurne le perdite nel tempo, sicuramente procurare beneficio a tutta la sovrastruttura e quindi ha globalmente un effetto di rinforzo. La Figura 6 sintetizza tale concetto. Fissata una soglia di deformazione o di degrado che decreta la fine della vita utile di una pavimentazione, qualunque materiale o accorgimento che consente un aumento del numero di cicli di carico necessari a produrre tale danneggiamento può considerarsi “rinforzo”.

Il rinforzo della fondazione

figura7-8

Un problema frequente delle pavimentazioni stradali è la riduzione di portanza della fondazione. Tale fenomeno può essere locale, per plasticizzazione del sottofondo, oppure diffuso per effetto di una perdita di proprietà meccanica dello strato di fondazione. Laddove il sottofondo presenti punti particolarmente cedevoli, ovvero punti che nel tempo possano perdere una parte significativa della propria portanza, si possono avere sfondamenti localizzati della sovrastruttura (Figura 7). Tali fenomeni sono frequenti in presenza di sottofondi argillosi per i quali anche piccole infiltrazioni/filtrazioni di acqua possono modificarne le caratteristiche. In presenza di sottofondi argillosi (e vale la pena di sottolineare che nel nostro paese tale condizione è quella ordinaria), soprattutto in presenza di elevati tassi di umidità, si possono verificare anche risalite di materiale argilloso verso i vuoti dello strato di fondazione con conseguente contaminazione di quest’ultimo materiale. La contaminazione del materiale arido della fondazione ne riduce le proprietà meccaniche con conseguente calo della rigidezza flessionale dell’intera pavimentazione. A parità di carico, pertanto, aumentano le sollecitazioni, ovvero, si riduce il numero di cicli di carico sopportabili dalla sovrastruttura. Il rinforzo della fondazione si ottiene interponendo fra il sottofondo e lo strato di fondazione un geotessile non tessuto di adeguata grammatura capace di evitare la contaminazione del materiale di fondazione. Risultano idonei geotessili fa fiocco, agugliati, poiché poco rigidi e piuttosto resistenti ad azioni di punzonamento. Infatti, durante la posa e l’installazione, geotessili rigidi come quelli termosaldati possono riportare rotture e lacerazioni che ne compromettono la funzione di anticontaminante.

Il rinforzo degli strati legati

Il rinforzo degli strati legati è più complesso a causa delle peculiarità del materiale.figura 9 Il conglomerato bituminoso ha proprietà meccaniche fortemente dipendenti dalla temperatura. Pertanto, in presenza di medesime condizioni di carico, reagisce in modo differente. A bassa temperatura presenta un’elevata rigidezza con modulo elastico elevato (E = 4.00-10.00 MPa); in tali condizioni il comportamento degli strati legati è assimilabile a quello di una piastra inflessa con sollecitazione di trazione sotto il carico all’intradosso (nella strato di base) e all’estradosso (nello strato di usura) esternamente all’impronta di carico. Tali sollecitazioni sono estremamente pericolose poiché a bassa temperatura il conglomerato bituminoso diviene fragile e perde buona parte della resistenza a fatica. All’aumentare della temperatura si riduce sensibilmente il modulo elastico (E = 1,00-2,00 MPa) e il comportamento tende a quello di terreni coesivi: anche la diffusione del carico all’interno della sovrastruttura si modifica con maggiore impegno della fondazione e del sottofondo. Il materiale recupera in fragilità, ma si accresce la deformabilità, incluso quella viscosa. Pertanto, superando la soglia di resistenza del materiale crescono le deformazioni permanenti dovute al ripetersi dei carichi (ormaiamento) e in presenza di carichi importanti possono verificarsi apprezzabili rifluimenti lateralmente all’area di carico. Il rinforzo degli strati bituminosi richiede l’inserimento al loro interno di una geogriglia dotata di elevata rigidezza a trazione caratterizzata da uno spessore contenuto e da un elevato rapporto vuoto/pieni in modo da non introdurre discontinuità strutturalifigura 10
nello strato in cui è inserita (o fra gli strati tra i quali è interposta). Il posizionamento della geogriglia dipende dalla problematica che si intende affrontare. Il rinforzo per le basse temperature va localizzato nello strato di base in modo da innalzare la rigidezza flessionale (e cioè di ridurre le massime sollecitazioni) e, nel contempo, per conferire duttilità flessionale in caso di fessurazione (cioè innalzare il numero di cicli di carico necessari per portare a rottura la sovrastruttura). Laddove, invece, si debba rinforzare la sovrastruttura per fronteggiare le problematiche tipiche delle alte temperature, la geogriglia va posta in prossimità dell’estradosso della pavimentazione (per esempio all’interfaccia usura/binder) in modo che possa contrastare immediatamente le espansioni laterali del conglomerato (e, quindi, ridurre il fenomeno dell’ormaiamento), e aumentare le capacità di diffusione dei carichi da parte degli strati superficiali. Una geogriglia posta all’estradosso della pavimentazione costituisce un importante rinforzo anche per i carichi a componente radenti. Infatti, le tensioni tangenziali, diffondendosi negli strati legati, quando incontrano un elemento resistente di adeguata rigidezza, sono assorbite da tale elemento con evidente riduzione di impegno degli strati sottostanti. Risultano idonee per queste applicazioni geogriglie in fibra di vetro poiché dotate effettivamente di elevata rigidezza (la deformabilità massima è dell’ordine del 2-3%) e, soprattutto, di proprietà meccaniche che non dipendono dalla temperatura.

Le tipologie di rinforzo sintetico

figura11Le geogriglie utilizzate per il rinforzo delle pavimentazioni sono tipo Italgrid® B e sono ottenute per tessitura bidirezionale di filamenti sintetici in poliestere alta tenacità o fibra di vetro (Italgrid® BV), rivestite con SBR (Styrol Buta-dien Rubber). Il rivestimento in SBR consente al prodotto di essere posato a contatto del conglomerato bituminoso senza subire deterioramento e compromissione delle caratteristiche meccaniche. La geogriglia può essere accoppiata ad un geotessile in poliestere (Italgrid® B-C), ottenendo un geocomposito avente la duplice funzione di rinforzo e di anticontaminante. Il prodotto è indicato in applicazioni per cui occorre incrementare la portanza delle fondazioni, posizionandolo all’interfaccia sottofondo-fondazione. La combinazione del geotessile non tessuto con la griglia di rinforzo infatti offre significativi incrementi di resistenza a trazione rispetto a i convenzionali geotessili, soprattutto in corrispondenza di sottofondi interessati da caratteristiche geomeccaniche scadenti. Contrariamente all’uso a cui è chiamato il geocomposito, la geogriglia Italgrid® B invece, nella versione in poliestere o fibra di vetro (a seconda che si tratti di pavimentazioni rigide o flessibili), rappresenta una valida soluzione tecnica sia nell’ambito nuove realizzazioni che nel settore manutenzioni. In corrispondenza per esempio di sovrastrutture flessibili, è possibile prevedere l’inserimento di un elemento di rinforzo in poliestere, all’interfaccia tra strato di base e strato superficiale (Italgrid® B), ed un ulteriore elemento di rinforzo tra binder e strato di usura (Italgrid® BV). La scelta di un elemento di rinforzo di adeguata rigidezza in corrispondenza degli strati più superficiali quale la geogriglia in fibra di vetro (e dell’ordine del 2-3% contro un 12-13% del PET) deve essere interpretata alla luce del manifestarsi di azioni tangenziali radenti che tendono nel medio breve periodo ad ammalorare il tappeto di usura (Figura 11).

I principali vantaggi che si registrano applicando l’elemento di rinforzo sintetico sono quindi riassumibili nei seguenti items:
– Incremento sensibile della vita media della pavimentazione;
– Riduzione delle spese da manutenzione;
– Installazione semplice, veloce, economica;
– Ridotto lavoro di preparazione;
– Resistente al restringimento alle alte temperature; è stato testato fino a temperature di 218°C senza contrazioni significative;
– Può essere utilizzato anche a temperature fredde.

Le fasi e le modalità di posa

figura 12L’installazione di Italgrid® B, nell’ambito di interventi di ripristino di sottofondi stradali in cui debba venire sostituito lo strato superficiale bituminoso ammalorato, è relativamente semplice ed equiparabile alla posa in opera dei comuni tessuti non tessuti. Le principali fasi di posa sono di seguito riassunte:

1) Stoccare Italgrid® B in un luogo asciutto e pulito possibilmente non a contatto diretto con il terreno. Evitare deformazioni dovute all’impilaggio dei rotoli;

figura132) Preparare il piano di posa, colmando le fessure e provvedendo a livellare il piano stesso. Le fessure più estese, i sottoservizi non utilizzati, le depressioni ed altre irregolarità andranno sigillate con una miscela bituminosa fredda/calda;

3) Il piano di posa deve presentarsi asciutto e privo da ogni impurità;

4) Preparare il piano di stesa mediante spruzzatura uniforme di circa 1,15 kg/m2 di emulsione bituminosa (Figura 12). Emulsioni cationiche o anioniche di asfalto non sono raccomandate; Ovviamente le indicazioni fornite rappresentano una metodologia standard. E’ chiaro che, secondo le specifiche di intervento, si dovrà operare in modo differente come nel caso di superfici porose che richiedono una maggiore quantità di emulsione. La macchina operatrice per la distribuzione dell’emulsione deve essere in grado di lavorare alle prescritte temperature e in maniera il più uniforme possibile e comunque a temperatura non eccedente i 150°C. Un distributore calibrato idrostatico è raccomandato, così come una lancia spruzzatrice manuale. L’area da trattare con l’emulsione dovrà essere più larga di circa 50/150 mm della larghezza di Italgrid® B.

figura145) Rimuovere spargimenti o bave di emulsione;

6) Posare Italgrid® B a contatto della superficie di posa. La stesa dei teli può essere eseguita meccanicamente oppure manualmente per lavori di modesta entità (Figura 13). E’ consigliabile ricorrere all’utilizzo di appositi puntali per consentire un elevato grado di adesione del prodotto al sottofondo (Figure 14.a e 14.b). Il pretensionamento del prodotto costituisce infatti una premessa indispensabile per ottenere una lavorazione eseguita a regola d’arte. L’ancoraggio dei teli deve avvenire inizialmente a monte del tratto da trattare in modo da poter porre in tensione il telo e quindi proseguire con il picchettamento. In corrispondenza della mezzeria, per completare la stesura del prodotto, occorre prevedere, in funzione dei casi, il taglio del rotolo in cantiere (Figura 15);

 figura157) Italgrid® B deve essere posato avendo l’accortezza di ridurre al minimo le pieghe dei teli. In corrispondenza dei tratti in curva, o per eseguire delle configurazioni speciali, occorre procedere al taglio del telo (Figura 16) e sovrapporlo opportunamente (Figura 17). Potrebbe risultare opportuno prevedere la stesura di modeste quantità di conglomerato bituminoso localizzate al disopra della geogriglia, per garantire una lavorazione ottimale nel corso della fase successiva di stesura degli strati finali (Figura 18).

figura16-17

figura19

figura18

figura20

8) Eseguita la posa della geogriglia, è consigliabile utilizzare del filler per evitare che i pneumatici delle macchine operatrici interaiscano con il prodotto emulsionato, determinando delle trazioni nel prodotto possibilmente da evitare (Figure 19 e 20);

9) Procedere alla posa del manto di asfalto e alla successiva rullatura (figure 21 e 22)

Conclusioni

L’inserimento della geogriglia (in fibra di vetro o in poliestere alta tenacità) all’interno della stratigrafia stradale riesce a migliorare sensibilmente la vita utile della pavimentazione, distribuendo in profondità i carichi trasmessi agli strati superficiali e incrementando, nel contempo, la resistenza degli strati di usura a seguito delle azioni di ammaloramento dovute agli stress termici e meccanici.

* Ufficio Tecnico della Italdreni SpA, Divisione di GreenVision SpA
** Libero Professionista
*** Ingegnere e Responsabile Commerciale della Italbeton di Verona

Si ringrazia l’impresa Itaibeton di Verona, realizzatrice dell’intervento presso l’area autostradale tratto A22 casello di Affi, per la valida e qualificata collaborazione finalizzata alla definizione ottimale delie procedure di posa del geosintetico di rinforzo, suggerendo accorgimenti tecnico-operativi relativi la posa del prodotto che sono risultati estremamente utili ed efficaci, visti i tempi ristretti con cui si sono dovuti realizzare i lavori di manutenzione dell’area autostradale.