Correlazioni tra indici/indicatori chimici e reologici dell’invecchiamento dei leganti bituminosi ad alte temperature

Perché l’invecchiamento delle strade riguarda tutti

Chiunque abbia guidato su pavimentazioni incassate o screpolate sa cosa succede quando le strade invecchiano. Al centro di ogni strada asfaltata c’è un materiale appiccicoso, simile al catrame, chiamato legante, che tiene insieme gli aggregati. Con anni di esposizione al sole, al calore e all’aria, questo legante indurisce e diventa più fragile, modificando il comportamento della strada sotto il traffico. Questo studio esplora come i cambiamenti chimici all’interno del legante si manifestino come variazioni nel suo scorrimento e nella sua rigidità, con l’obiettivo di rendere più prevedibile quando le strade si deformeranno o fessureranno e come gestire i materiali riciclati in modo più sicuro.

Come cambia l’asfalto nel tempo e con il traffico

Il legante bituminoso è composto da molte molecole organiche diverse che reagiscono con l’ossigeno dell’aria. Durante la miscelazione e la stesa, il legante è esposto ad alte temperature e all’aria, provocando una prima ondata di invecchiamento che rende già più rigido il manto nuovo prima ancora che vi transiti il traffico. Poi, nel corso degli anni di servizio, continua un invecchiamento più lento sotto l’azione combinata di calore, ossigeno, luce solare e umidità. Questo processo a lungo termine aumenta ulteriormente la rigidità: le strade possono opporre maggiore resistenza alle deformazioni permanenti da ruota nelle calde estati, ma diventano anche meno flessibili e più soggette a fatica e fessurazione da freddo. Con i cambiamenti climatici che portano ondate di calore più intense e con l’uso crescente di asfalto riciclato (RAP), comprendere questo equilibrio tra invecchiamento “buono” e “cattivo” è diventato sempre più importante.

Indagare la chimica e la sensazione del legante

I ricercatori hanno studiato tre leganti bituminosi comuni di diverse classi di morbidezza sottoponendoli a invecchiamento a breve e lungo termine controllato in laboratorio. Hanno usato un forno a film sottile rotante per simulare il riscaldamento e l’esposizione all’aria durante la miscelazione, quindi da uno a tre cicli in un recipiente di invecchiamento sotto pressione per riprodurre anni di servizio. Per seguire i cambiamenti chimici, hanno impiegato la spettroscopia infrarossa per misurare la crescita di specifici gruppi ricchi di ossigeno che si formano durante l’ossidazione del legante. Questi segnali sono stati combinati in un unico “indice di invecchiamento” che aumenta man mano che la chimica del legante si allontana dallo stato fresco. Parallelamente, hanno misurato quanto facilmente il legante scorre e si deforma a temperature elevate usando strumenti che torcono o ruotano piccoli campioni di legante, estraendo grandezze relative alla viscosità, alla rigidità sotto carichi oscillanti e a modelli viscoelastici più complessi.

La prima fase provoca la maggior parte dei danni

Per tutti e tre i leganti, ogni indicatore di invecchiamento si è mosso nella stessa direzione: l’ossidazione chimica è aumentata, la rigidità alle alte temperature è cresciuta e la resistenza al flusso del legante è aumentata. Il salto è stato particolarmente marcato dopo il primo ciclo di invecchiamento a lungo termine; i cicli successivi hanno aumentato ancora l’invecchiamento ma in misura minore. Questo schema è emerso nell’indice basato sull’infrarosso, nella cosiddetta viscosità a zero gradiente di taglio che rappresenta come il legante scorrerebbe sotto carichi molto lenti, e in un parametro di progettazione contro l’improntamento (rutting) ampiamente usato che riflette quanto una pavimentazione resisterà alle depressioni permanenti delle sedi di rotolamento. Anche i parametri di un avanzato modello viscoelastico, che descrivono come il legante passi da un comportamento elastico a uno viscoso, sono aumentati sistematicamente con l’invecchiamento e si sono dimostrati sensibili al processo di indurimento.

Pattern semplici collegano chimica e prestazioni

Analizzando tutte le misure, il team ha trovato relazioni chiare e matematicamente semplici tra indicatori chimici e meccanici. Per una data classe di legante, l’indice di invecchiamento all’infrarosso aumentava in modo lineare rispetto al logaritmo della viscosità a zero gradiente di taglio e rispetto a un parametro chiave del modello che definisce la curva di rigidità. Il parametro di rutting mostrava una forte relazione di tipo legge di potenza con l’indice chimico e un legame esponenziale con la viscosità a zero gradiente di taglio. La viscosità rotazionale alle alte temperature — relativamente semplice e comune da misurare in pratica — si allineava strettamente con il parametro di rutting per tutti i leganti testati ed era anche fortemente connessa alla misura di viscosità più complessa. Queste tendenze si sono mantenute costanti all’interno di ogni classe di legante e alcune, come il legame tra viscosità semplice e rigidità al rutting, sono rimaste forti anche combinando tutte le classi ottenute dalla stessa materia prima petrolifera.

Trasformare le tendenze in strumenti pratici

Per un lettore non specialistico, il messaggio principale è che la stessa chimica dell’ossidazione che gradualmente indurisce i leganti stradali lascia un’impronta chiara nel modo in cui quei leganti scorrono e si deformano sotto carico. Dimostrando che un tipo di misura (per esempio, un rapido test di viscosità) segue in modo affidabile altre misure (come spettri chimici dettagliati o modelli avanzati di rigidità) all’interno di una famiglia di leganti, questo lavoro crea le basi per controlli più semplici e basati sui dati sull’invecchiamento delle strade. Gli ingegneri potrebbero calibrare queste relazioni con poche misure e poi usare test più accessibili come sostituti di quelli più difficili o costosi. In ultima analisi, ciò può aiutare le amministrazioni stradali a progettare pavimentazioni, scegliere le percentuali di RAP e pianificare la manutenzione in modo da bilanciare la resistenza all’improntamento con il rischio di fessurazione, estendendo la vita delle pavimentazioni e migliorando l’uso dei materiali.

Citazione: Taheri, A., Khodaii, A. & Hajikarimi, P. Correlations among chemical and rheological aging indices/indicators of asphalt binder at high temperatures. Sci Rep 16, 9186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40007-6

Parole chiave: invecchiamento del bitume, durabilità delle pavimentazioni, ossidazione del legante, reologia, asfalto riciclato