Analisi sperimentale e teorica della resistenza a fatica di conglomerati bituminosi modificati con fibre e polimeri

The fatigue resistance of materials is one of the key parameters in the structural design of asphalt pavements. The interpretation of fatigue tests through traditional approaches does not allow, however, to uniquely determine the actual fatigue life of a material. Due to this, theoretical models based on the analysis of failure criteria and independent of the test configuration, must be considered. The first part of this work includes a large investigation of major theories related to the concept of fracture energy: total dissipated energy introduced by Van Dijk (1972), the theory of the relative change of dissipated energy between two consecutive cycles proposed by Ghuzlan and Carpenter (2000) and then refined by Shen and Carpenter, the concepts of FEL (Fatigue Endurance Limit) and Healing (or capacity for self-repair of an asphalt material). The second part of this work concerns the study of the fatigue behavior of twelve asphalt mixtures containing respectively: pure bitumen, cellulose and synthetic fibers and two different types of plastomeric polymers. Four-point beam fatigue tests were conducted on prismatic specimens in controlled strain mode (300 με), with haversine load, at 10 Hz and 20°C. The experimental results have shown that the polymer modification induces an increase in fatigue life proportional to the content of additive added; while the addition of fibers did not induce any specific improvement. The results also confirmed the models extracted from the literature, highlighting some issues concerning their correct application. In particular: test length for the extrapolation procedure and dissipated energy curve fitting proved to be the most critical parameters.

La resistenza a fatica dei materiali è uno dei parametri chiave nella progettazione strutturale delle pavimentazioni stradali. L’interpretazione dei risultati delle prove di fatica attraverso gli approcci tradizionali non consente, però, di determinare in modo univoco l’effettiva durata a fatica di un materiale. Per tale motivo è opportuno considerare teorie più complesse e modelli basati sull’analisi dei criteri di danneggiamento caratteristici dei materiali e indipendenti dal tipo di prova impiegata. La prima parte di questo lavoro comprende un ampio approfondimento delle principali teorie legate al concetto di energia di rottura: dall’energia dissipata totale introdotta da Van Dijk (1972), alla teoria della variazione relativa di energia dissipata tra due cicli consecutivi proposta da Ghuzlan e Carpenter (2000) e perfezionata poi da Shen e Carpenter, ai concetti di FEL (Fatigue Endurance Limit) e di Healing (o capacità di autoriparazione di un materiale bituminoso). La seconda parte di questo elaborato riguarda invece lo studio del comportamento a fatica di dodici miscele di conglomerato bituminoso per stati di binder. In particolare, sono state utilizzate miscele contenenti rispettivamente: bitume ordinario, fibre in cellulosa e sintetiche e due diverse tipologie di polimeri plastomerici. Le prove di fatica sono state effettuate in configurazione di flessione su quattro punti in controllo di deformazione (300 με), frequenza 10 Hz, temperatura 20°C e con onda di carico haversine. I risultati sperimentali hanno dimostrato che l’aggiunta di polimeri induce un aumento della durata a fatica proporzionale al contenuto di additivo aggiunto; mentre l’aggiunta di fibre non ha indotto particolari miglioramenti. I risultati ottenuti hanno altresì confermato i modelli estratti dalla letteratura, evidenziando tuttavia alcune problematiche inerenti la loro corretta applicazione. In particolare: durata della prova per la procedura di estrapolazione e adattamento della curva dell’energia dissipata si sono dimostrati i parametri più critici.