Bitumi

Anche se nel linguaggio comune termini come "bitume", "catrame" o "asfalto" sono spesso usati indifferentemente, essi hanno significato diversi. Un motivo di confusione è dovuto al fatto che, fra i diversi Paesi, esistono differenze sostanziali nel significato attribuito allo stesso termine. Per esempio, il bitume da petrolio è chiamato asphalt negli USA, mentre in Europa "asfalto" è la miscela di bitume e aggregati lapidei (conglomerato bituminoso) utilizzata per la pavimentazione stradale. In Europa con il termine bitume si indica il residuo della distillazione del petrolio.
Il bitume è costituito da una miscela d'idrocarburi a elevato peso molecolare. I rapporti percentuali fra i componenti variano, molto, in relazione al petrolio greggio di provenienza e al metodo di distillazione.
In realtà, il bitume era già noto prima dell'inizio dello sfruttamento dei giacimenti petroliferi come prodotto di origine naturale, denominato in questo caso "bitume asfaltico nativo". Era utilizzato dai Romani come legante in edilizia. Depositi di bitume nativo sono presenti in tutto il mondo, in zone con caratteristiche geologiche adeguate, nelle quali l'alta permeabilità delle formazioni rocciose ha permesso un processo di frazionamento naturale del petrolio greggio.
Il bitunie naturale è un prodotto non più utilizzato nell'industria. I processi di raffinazione del petrolio producono, oggi, bitumi di qualità idonea a tutti gli usi per i quali sono destinati, dall'impermeabilizzazione alla pavimentazione stradale.
Il bitume ottenuto come sottoprodotto della distillazione del petrolio può essere utilizzato tal quale oppure sottoposto a processi chimici e fisici che ne variano la composizione, al fine di conferirgli specifiche proprietà.
Le operazioni più comuni sono i processi di ossidazione e la miscelazione con polimeri diversi.
L'asfalto è una miscela di bitume con materiali lapidei (pietrisco, sabbia, polverino).
Il catrame, che corrisponde alla parola inglese tar, è un materiale con aspetto simile al bitume, ma del tutto diverso per origine e composizione, E, infatti, ottenuto dalla distillazione del litantrace (un carbone fossile). Questo materiale, rispetto al bitume, mostra un contenuto più elevato di idrocarburi policiclici aromatici e numerosi altri composti contenenti ossigeno, azoto e zolfo.
In molti Paesi, in passato, il catrame di carbone era spesso sostituito o mescolato al bitume a livello industriale. Tale utilizzo, ora del tutto cessato, ha diffuso l'abitudine di utilizzare indifferentemente i due termini catrame e bitume nell'uso comune.

Caratteristiche

Il petrolio greggio è composto da idrocarburi alifatici, cicloalcani, nafteni. composti aromatici e poliaromatici. Gli ultimi tre composti sono quelli più pesanti e più stabili, che si ritrovano nel prodotto di fondo della colonna di distillazione. Di conseguenza, petroli con più elevate percentuali di questi composti sono i più adatti alla produzione di bitume.
Dal punto di vista qualitativo, il bitume è costituito da due principali classi di composti: gli asfalteni e i malteni.
Gli asfalteni, presenti nel bitume dal 5 al 25% in peso, sono miscele complesse di idrocarburi, costituiti da composti aromatici con anelli condensati e da composti eteroaromatici contenenti zolfo. Sono presenti anche ammine e ammidi, composti ossigenati (chetoni, fenoli o acidi carbossilici), nichel e vanadio.
I malteni possono a loro volta essere suddivisi in due sottogruppi:

• resine;
• oli.

Bitumi ossidati o soffiati

Un netto miglioramento delle proprietà del bitume si consegue mediante insufflazione di aria nel bitume fuso, a temperature superiori a 100 °C. L'ossigeno dell'aria reagisce con i composti aromatici presenti nel bitume trasformandoli in prodotti a maggior peso molecolare: si incrementa in questo modo la frazione degli asfalteni. Ciò conferisce alla struttura una maggiore robustezza, una minore sensibilità alle sollecitazioni termiche e una maggiore elasticità. Il bitume diventa più idoneo per applicazioni su tetti o per rivestimento. Sono utilizzati anche nella fabbricazione di cartoni e feltri bitumati e nella produzione di vernici al bitume.

Bitumi modificati

I bitumi sono materiali termoplastici, ossia sensibili alle variazioni di temperatura. Essi, infatti, tendono a diventare duri con il freddo e fluidi e morbidi con il caldo. Se mescolati con sostanze polimeriche come gomme naturali, stirene ecc. l'intervallo di temperatura entro il quale si possono impiegare, senza che si manifestino inconvenienti legati all'instabilità termica, è maggiore. Sono così nati i cosiddetti bitumi modificati che, oltre a una minore sensibilità termica, hanno anche maggiore resistenza all'usura e a processi d'invecchiamento. I conglomerati bituminosi modificati si impiegano per le pavimentazioni stradali che diventano drenanti e fonoassorbenti.

Conglomerato bituminoso

Sebbene il bitume sia utilizzato nell'edilizia anche per la produzione di guaine di impermeabilizzazione, la maggior parte è utilizzata in campo stradale a formare i cosiddetti conglomerati bituminosi che, stesi in strati di diverso spessore e composizione, costituiscono la pavimentazione.
La funzione primaria di una pavimentazione è di garantire una ripartizione dei carichi sul sottofondo, compatibilmente con le caratteristiche di resistenza di quest'ultimo. Per fare ciò è indispensabile che i materiali costituenti la pavimentazione abbiano rigidezza e contemporaneamente elasticità. L'ossatura del conglomerato è il materiale lapideo, per il quale il bitume funge da legante.
La produzione di conglomerati bituminosi si esegue in appositi impianti nei quali il bitume e l'aggregato sono mescolati a 150 °C circa. Il conglomerato, così preparato, è caricato su macchine stenditrici che, mantenendo la miscela a una temperatura adatta alla lavorazione, raggiungono il luogo della posa in opera. La temperatura di miscela non deve essere inferiore a 100-120 °C. La pavimentazione si può realizzare in vari spessori, da 1-2 cm fino a 15-20. Oggi si utilizzano anche moderni impianti semoventi che, riciclando la vecchia pavimentazione, consentono di ottenere nuovi manti di usura che hanno le stesse caratteristiche di quelli messi in opera con prodotti vergini, con notevole risparmio energetico e riduzione di costi.
I conglomerati bituminosi presentano una composizione e un comportamento reologico complesso. Essi sono, infatti, materiali a tre o addirittura a quattro fasi (aggregati, bitume, aria e in alcuni casi acqua), solo macroscopicamente omogenei. Le loro caratteristiche meccaniche e di durabilità dipendono pertanto dalle interazioni e dai rapporti quantitativi tra le fasi e dalle proprietà degli aggregati lapidei e del bitume.
Gli aggregati forniscono al materiale uno scheletro solido che, attraverso l'addensamento e il contatto tra i granuli, determina lo sviluppo della resistenza al taglio. In tale contesto, tanto le loro caratteristiche granulometriche e di forma quanto quelle meccaniche e chimiche rivestono un ruolo importante.
Gli aggregati sono selezionati in modo tale che i vari strati della pavimentazione siano costituiti da elementi di granulometria via via più fine e più regolare man mano che ci si avvicina alla superficie. Lo strato di usura può richiedere un trattamento superficiale che ne aumenta la ruvidità.
Poiché è fondamentale che gli aggregati non si disgreghino sotto l'azione delle sollecitazioni del traffico veicolare, esistono procedure sperimentali per la valutazione delle loro caratteristiche di resistenza all'abrasione, all'usura e alla frantumazione. La più diffusa tra queste è la prova Los Angeles nella quale un campione del materiale lapideo è sottoposto a 500/1000 cicli di rotazione in un tamburo rotante insieme a sfere metalliche di dimensioni e peso normalizzati. La perdita percentuale in peso del materiale passante a un opportuno setaccio costituisce il cosiddetto coefficiente Los Angeles.
Il legante costituisce mediamente solo il 5% della miscela. Nonostante ciò, dal bitume dipendono, in pratica, tutte le proprietà meccaniche di un conglomerato.
Le caratteristiche fondamentali di un buon bitume sono elencate di seguito.

• Sufficiente rigidità anche alle elevate temperature di esercizio, accompagnata da una non eccessiva fragilità nel periodo invernale, o in climi molto freddi.
• Buona adesività all'aggregato. Ciò conferisce resistenza meccanica alle sollecitazioni, giacché le caratteristiche viscoelastiche del bitume si trasmettono al conglomerato. Inoltre, rende la pavimentazione impermeabile, impedendo all'umidità di penetrare.
• Facilità di mescolamento con l'aggregato. Il bitume legante non deve presentare eccessiva viscosità alle alte temperature altrimenti la miscelazione sarà incompleta.
• Durabilità del conglomerato bituminoso.

• le deformazioni permanenti con formazione di impronte;
• la rottura a fatica con fessurazioni in direzione prevalentemente longitudinale. Uno stadio avanzato di questo tipo di deterioramento porta alla formazione di crepe in tutte le direzioni che danno luogo al distacco di pezzi di conglomerato, generando buche;
• le fessurazioni a basse temperature in direzione trasversale alla direzione del traffico, dovute a ritiro termico.

Principali usi del bitume

Il bitume si utilizza soprattutto per il trattamento superficiale delle strade (asfaltatura). La sua caratteristica impermeabilizzante è sfruttata anche per le coperture e per la preparazione di vernici. Il bitume si adopera anche per proteggere dalla corrosione cavi elettrici e tubazioni metalliche.
Nella costruzione di pavimentazioni per strade con traffico pesante, la miscela calda pietrisco-bitume si sparge su un pietrame fitto e compatto e si cilindra, mentre è ancora calda, per ottenere una superficie liscia. Sulle strade soggette a traffico leggero si applica un manto sottile, poco costoso, spruzzando sulla base stradale bitume fluido e ricoprendolo, senza indugio, con uno strato di graniglia che è assestato mediante leggera rullatura. I cartoni e i feltri bituminati sono formati da un supporto costituito da carta o fibre - di vetro o naturali - impregnate di bitume e da un eventuale materiale di copertura che serve ad aumentare la resistenza e la coibenza termica.