Asfalto Sotto Stress: SBS vs SBR, Chi Vince la Sfida del Gelo e del Tempo?

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un argomento che mi appassiona molto e che riguarda qualcosa che usiamo tutti i giorni: le strade. Nello specifico, voglio addentrarmi nel comportamento dell’asfalto, quel materiale nero e un po’ appiccicoso che ricopre gran parte delle nostre vie di comunicazione, soprattutto quando si trova ad affrontare condizioni climatiche davvero estreme.

Il Problema: Quando il Clima Mette a Dura Prova l’Asfalto

Immaginate le regioni dove l’inverno è rigido, con cicli continui di gelo e disgelo, e magari estati con un sole che picchia forte, caricando l’asfalto di radiazioni UV. Ecco, in queste “regioni a gelo stagionale”, come le chiamiamo noi tecnici, l’asfalto soffre tremendamente. Questi stress ambientali combinati – freddo intenso, caldo, raggi UV – accelerano il suo invecchiamento in modo pazzesco. Parliamo di invecchiamento termo-ossidativo e da UV che, messi insieme, sono una vera mazzata.

Il risultato? L’asfalto diventa fragile, si crepa prematuramente, si sgretola (quello che chiamiamo “raveling”) e, in generale, smette di funzionare come dovrebbe molto prima del previsto. Questo non è solo un fastidio per chi guida, ma rappresenta anche un costo enorme per la manutenzione delle infrastrutture.

La Mia Indagine: SBS vs SBR Sotto la Lente (e Sotto il Cielo!)

Di fronte a questa sfida critica, ho deciso di vederci chiaro. Mi sono chiesto: come possiamo rendere l’asfalto più resistente in queste condizioni difficili? La risposta spesso sta nel “modificarlo”, aggiungendo cioè dei polimeri speciali che ne migliorano le caratteristiche. I più comuni sono l’SBS (Stirene-Butadiene-Stirene) e l’SBR (Stirene-Butadiene Rubber).

Ma quale dei due si comporta meglio nel lungo periodo, esposto al vero clima di una regione a gelo stagionale? Per scoprirlo, ho avviato uno studio comparativo. Ho preso tre tipi di leganti bituminosi:

• Asfalto base AH-90 (lo chiameremo BA, il nostro riferimento “non modificato”)
• Asfalto modificato con SBS (al 3%)
• Asfalto modificato con SBR (al 4%)

Ho preparato dei campioni sottili (spessore 1 mm, per simulare la superficie stradale) e li ho lasciati all’aperto, esposti alle intemperie, a Harbin, in Cina – una zona perfetta per questo test, con i suoi inverni gelidi ed estati calde – per un intero anno, da giugno 2023 a maggio 2024.

Ogni tot mesi (ottobre ’23, febbraio ’24, giugno ’24), prelevavo dei campioni “invecchiati naturalmente” e li analizzavo in laboratorio per vedere come erano cambiate le loro proprietà.

Gli Strumenti del Mestiere: Come Ho “Interrogato” l’Asfalto

Per capire a fondo cosa succedeva a questi leganti, ho usato un arsenale di tecniche:

• Test reologici: Con un reometro a taglio dinamico (DSR), ho misurato come l’asfalto risponde a diverse temperature (sia alte che basse) e a diverse sollecitazioni. Ho guardato parametri come il modulo complesso (G* – una misura della rigidezza) e l’angolo di fase (δ – che indica se l’asfalto si comporta più da solido elastico o da liquido viscoso). Ho anche calcolato delle temperature critiche (T30, T45, T60) legate all’angolo di fase.
• Test di Creep e Recovery (MSCR): Sempre con il DSR, ho simulato il passaggio ripetuto di carichi (come le ruote dei camion) per vedere quanto l’asfalto si deforma permanentemente e quanto è capace di recuperare la forma originale (parametri Jnr e R). Questo è fondamentale per capire la resistenza alla formazione di buche e ormaie ad alte temperature.
• Reometro a Flessione su Barra (BBR): Questo strumento serve a valutare il comportamento a basse temperature, misurando la rigidezza (S) e la capacità di rilassare le tensioni (m-value). Valori bassi di S e alti di m-value indicano una migliore resistenza alla fessurazione da freddo.
• Spettroscopia Infrarossa a Trasformata di Fourier (FTIR): Questa tecnica mi ha permesso di “guardare” dentro la chimica dell’asfalto, vedendo come cambiano i legami chimici a causa dell’invecchiamento, in particolare la formazione di gruppi carbonilici (C=O) e sulfossidi (S=O), tipici segni di ossidazione, e la degradazione dei polimeri aggiunti.
• Microscopia a Fluorescenza (FM): Con un microscopio speciale, ho potuto osservare direttamente la microstruttura dell’asfalto modificato, vedendo come i polimeri (SBS o SBR) sono dispersi nel bitume e come questa struttura cambia con l’invecchiamento.

I Risultati: Cosa Ho Scoperto Dopo un Anno di Intemperie

Ebbene, dopo un anno di esposizione agli elementi, le differenze tra i tre tipi di asfalto sono emerse chiaramente.

Comportamento Generale (Reologia):
Come previsto, con l’aumentare della temperatura, tutti i leganti diventano meno rigidi (G* diminuisce) e più viscosi (δ aumenta). L’invecchiamento, invece, tende a renderli più rigidi (G* aumenta) e più elastici (δ diminuisce). Ma qui arriva il bello:

• L’asfalto base (BA) è diventato progressivamente più rigido con il passare del tempo.
• Gli asfalti modificati (SBS e SBR) hanno mostrato un andamento più complesso: inizialmente sono diventati più rigidi, ma poi, con l’invecchiamento più avanzato, la loro rigidezza ha iniziato a diminuire leggermente. Questo suggerisce che nelle prime fasi l’ossidazione “rinforza” la struttura, ma poi la degradazione del polimero prende il sopravvento.
• La differenza chiave è stata tra SBS e SBR: l’SBR ha subito cambiamenti molto più marcati e rapidi rispetto all’SBS. L’SBS si è dimostrato decisamente più stabile e resistente all’invecchiamento naturale.

Un parametro che si è rivelato molto sensibile all’invecchiamento è stato il T30 (la temperatura alla quale l’angolo di fase δ raggiunge i 30°). Questo valore è aumentato significativamente per tutti i campioni con l’invecchiamento, indicando una maggiore fragilità a basse temperature. Sembra un ottimo indicatore per valutare l’impatto reale dell’invecchiamento sulla performance a freddo, forse anche meglio dei metodi di classificazione standard!

Resistenza a Deformazioni e Fessurazioni:

• Alte Temperature (MSCR): L’SBS ha confermato la sua superiorità. Anche dopo un anno di invecchiamento, l’asfalto con SBS ha mostrato una minore deformazione permanente (Jnr più basso) e una migliore capacità di recupero elastico (R più alto) rispetto sia al BA che all’SBR. L’SBR, dopo un miglioramento iniziale, ha mostrato un peggioramento significativo delle sue prestazioni, segno che il polimero si stava degradando parecchio.
• Basse Temperature (BBR): Prima dell’invecchiamento, entrambi i modificanti miglioravano le prestazioni a freddo rispetto al BA (S più basso, m-value più alto), con l’SBR leggermente migliore dell’SBS. Ma dopo l’invecchiamento naturale, la storia è cambiata radicalmente. La rigidezza (S) dell’SBR è aumentata del 39%! Quella del BA del 21%, mentre quella dell’SBS solo del 10%. Anche l’m-value (capacità di rilassamento) è peggiorato molto di più per l’SBR (-24%) rispetto all’SBS (-6%) e al BA (-17%). Morale della favola: per la resistenza a lungo termine alle fessurazioni da freddo in climi rigidi, l’SBS vince a mani basse.

Dentro la Materia (FTIR e Microscopia):

• Chimica (FTIR): L’analisi FTIR ha confermato l’ossidazione (aumento del picco del sulfossido S=O a 1030 cm⁻¹) in tutti i campioni invecchiati. È interessante notare che il picco del carbonile (C=O a 1700 cm⁻¹) non è cambiato molto, suggerendo che l’ossidazione dello zolfo potrebbe essere predominante nelle prime fasi dell’invecchiamento naturale. Ma la scoperta cruciale è stata la diminuzione dei picchi caratteristici dei polimeri (a 966 cm⁻¹ e 748 cm⁻¹). Questa diminuzione è stata molto più rapida e marcata per l’SBR rispetto all’SBS. Questo è il segno inequivocabile che i polimeri si stanno rompendo (un processo chiamato “scissione della catena”, probabilmente a causa dell’ossidazione del componente polibutadienico insaturo). L’SBS resiste meglio a questa degradazione.
• Microstruttura (FM): Le immagini al microscopio hanno mostrato che, inizialmente, entrambi i polimeri erano ben dispersi nel bitume. Con l’invecchiamento, le particelle di polimero si sono rimpicciolite e degradate. Ancora una volta, questo effetto è stato molto più evidente e veloce nell’SBR. Nell’SBS, anche dopo un anno, rimaneva una struttura polimerica più consistente e distribuita, sebbene anch’essa mostrasse segni di degradazione. Questa maggiore stabilità della struttura spiega perché l’SBS mantiene meglio le sue proprietà nel tempo.

Le Conclusioni: Cosa Portiamo a Casa?

Questa immersione nell’invecchiamento reale dell’asfalto mi ha insegnato alcune cose fondamentali:

1. L’invecchiamento naturale in regioni con climi estremi (gelo-disgelo, UV) è una bestia diversa e più complessa rispetto ai test di laboratorio accelerati. Combina diversi meccanismi di degrado che dobbiamo considerare insieme.
2. I polimeri modificanti cambiano il modo in cui l’asfalto invecchia. Ma non tutti i polimeri sono uguali!
3. In queste condizioni difficili, l’asfalto modificato con SBS ha mostrato una resistenza all’invecchiamento nettamente superiore rispetto sia all’asfalto base che a quello modificato con SBR. L’SBR, pur migliorando inizialmente alcune proprietà, si degrada molto più velocemente sotto l’effetto combinato di ossidazione, UV e cicli termici.
4. L’invecchiamento rende l’asfalto più fragile, soprattutto a basse temperature. Il parametro T30 sembra essere un ottimo modo per quantificare questo effetto e potrebbe aiutarci a prevedere meglio il rischio di fessurazioni precoci.
5. La degradazione del polimero (per ossidazione e rottura delle catene) è un fattore chiave nell’invecchiamento degli asfalti modificati. L’SBS mantiene una struttura più stabile più a lungo rispetto all’SBR.

Quindi, la prossima volta che vedete una strada in costruzione o in manutenzione in una zona fredda, pensateci: la scelta del tipo di asfalto, e in particolare del modificante, può fare una differenza enorme sulla sua durata e sulla nostra sicurezza. Per resistere davvero alla sfida del gelo e del tempo, l’SBS sembra avere una marcia in più!

Spero che questo viaggio nel mondo dell’asfalto vi sia piaciuto!

Fonte: Springer