Premessa

Prima di considerare l’esecuzione delle sovrastrutture stradali è opportuno esaminare brevemente le principali caratteristiche fisiche e meccaniche dei terreni per valutarne capacità di resistenza e condizioni di stabilità: ciò che modernamente costituisce la meccanica delle terre.

CLASSIFICAZIONE DELLE TERRE

Dal punto di vista tecnico il suolo è sempre costituito da terre, mentre è noto che scientificamente esso è composto da rocce e, nel linguaggio comune, per terra s’intende un materiale che sottoposto a carico si comprime, si assesta, subisce un cedimento più o meno grande nel tempo, mentre roccia è un materiale praticamente incompressibile.

Quindi i terreni si distinguono come:

• INCOMPRESSIBILI: sottoposti a carico non subiscono alcun cedimento apprezzabile;
• COMPRESSIBILI: sottoposti a carico subiscono una prima deformazione senza variazione di volume (rifluimento elastico laterale) e quindi una variazione di volume per la diminuzione dei pori fra i granuli (dipende dalla permeabilità del terreno stesso), tale assestamento può essere maggiore o minore secondo il volume dei vuoti e può protrarsi a lungo nel tempo.

Un’altra distinzione si usa fare fra i terreni:

• OMOGENEI: si presentano in banchi di notevole estensione e spessore;
• NON OMOGENEI: possono essere stratificati in banchi di modesto spessore, inclinati o letteralmente eterogenei.

Si usa classificare le terre, che si sono formate secondo il noto processo di disgregazione delle rocce per opera degli agenti atmosferici, trasporto ad opera delle acque e del vento e deposito a distanze più o meno grandi, secondo le dimensioni granulometriche:

• ghiaie: ad di sopra di mm 2, sono le prime a depositarsi;
• sabbie: fra mm 2 e mm 0.1, generalmente silicee, ma anche calcaree e miste;
• limo: fra mm 0.1 e mm 0.02
• fango: sotto di mm 0.02, che è priva di consistenza se immersa in acqua;
• argilla: sotto di mm 0.02 e associata a particelle colloidali di dimensioni inferiori a mm 0.002 aventi funzione di legante.

Le argille sono terre coerenti, vale a dire dotate di una certa resistenza a trazione, mentre ghiaia e sabbia sono terre incoerenti, cioè sciolte, senza legante. Le caratteristiche fisiche e meccaniche che interessa conoscere sono diverse per le terre coerenti e per quelle incoerenti, perché diverso è il loro comportamento sotto carico. Un’argilla sotto carico si deforma dapprima istantaneamente e poi lentamente per rifluimento dell’acqua nei pori. Entro un certo limite queste deformazioni scompaiono al cessare del carico, cioè si possono considerare a comportamento elastico, oltre quel limite le deformazioni sono dovute a spostamenti dei granuli e sono quindi irreversibili, cioè di tipo plastico.

Per le terre coerenti la caratteristica fondamentale è il contenuto d’acqua (umidità), perché da esso dipende il consolidamento e la coesione della terra.

L’acqua nel terreno può essere presente sotto forma di:

• acqua igroscopica: avvolge i vari granuli con uno strato pellicolare e li comprime per effetto della tensione superficiale;

Granuli di terra con acqua pellicolare.

• acqua capillare: si trova a pressione inferiore a quella atmosferica e sale nei pori per effetto della tensione superficiale (capillarità);
• acqua di falda: si trova libera in certi terreni dove riempie parzialmente o totalmente i pori per gravità; quindi a pressione superiore a quella atmosferica.

CARATTERISTICHE FISICHE DEI TERRENI

Il contenuto d’acqua è definito dal rapporto del peso dell’acqua contenuta nei pori al peso della materia secca, e si esprime in %:

 Si definisce indice dei pori il rapporto fra il volume dei vuoti e quello dei granuli (cioè della materia secca e supposta compatta:

 Si dice invece percentuale dei pori o porosità il rapporto fra il volume dei vuoti e quello della terra allo stato naturale:

 La densità o peso specifico apparente è il rapporto fra il peso assoluto del campione ed il suo volume:

 essa non è una caratteristica costante di un terreno ma varia con il suo contenuto di acqua (fra il minimo della terra secca e il massimo della terra satura) e con la sua compattezza.

L’indice di compattezza o di assestamento è il rapporto fra il volume della sostanza solida e quella totale (complementare rispetto alla percentuale dei pori):

 Il peso specifico apparente varia fra un minimo di 14 KN/m³ per la sabbia asciutta sciolta, ad un massimo di 23 KN/m³ per la sabbia bagnata e compatta.

Al contenuto d’acqua sono legati i passaggi fra i diversi stati fisici:

• limite di liquidità (L_l): segna il passaggio fra lo stato fluido e lo stato plastico; si determina sperimentalmente con l'apparecchio di Casagrande e varia molto da terra a terra (dal 20% per le sabbie all'80% per le argille grasse);

Apparecchio di Casagrande per la determinazione del limite di liquidità

• limite di plasticità (L_p): segna il passaggio dallo stato plastico a quello semisolido o polverulento;
• indice di plasticità (I_p): è la differenza fra il limite di liquidità e il limite di plasticità

• ritiro: è il rapporto fra la diminuzione di volume per essiccamento e il volume iniziale

 esso fornisce un criterio di massima circa la compressibilità delle terre soprattutto argille: buone con ritiro inferiore al 5%, discrete se inferiore al 10%, cattive per ritiro fino al 15%, pessime oltre il 15%;

• permeabilità: rappresenta la proprietà della terra di lasciarsi attraversare dall’acqua, essa dipende dalla compatezza, dalla granulometria, dalla pressione.

Poiché in natura raramente i terreni risultano suddivisi nei componenti granulometrici tipici, ma risultano variamente assortiti, ed anzi a questo si tende tecnicamente nella formazione dei rilevati o sottofondi stradali, le terre si classificano mediante l’indice di gruppo I.G., cioè dal numero risultante dalla seguente espressione:

 L'Indice di Gruppo qualifica il comportamento statico di una terra, con portanza tanto migliore quanto più basso è l'indice.

Se risulta I.G.=0        il terreno si classifica buono

1<=I.G.<=10            il terreno risulta mediocre

10<I.G.<=20            il terreno risulta cattivo o pessimo.

Esempio:

Passante al setaccio 0.075 UNI 2332  = 52%

Limite di liquidità (LL)    = 47

Indice di plasticità (IP)   = 23

Per cui: a = 52-35         = 17

b = 52-15         = 37

c = 47-40         = 7

d = 23-10         = 13

I.G.=0.2*17+0.005*17*7+0.01*37*13=8.805=9

Oltre che analiticamente i valori dell’indice di gruppo possono essere ricavati graficamente da appositi diagrammi in cui:

- in ascisse si riporta la percentuale del passante al setaccio 200 A.S.T.M.;

- nella parte destra si rappresentano le linee del limite liquido;

- nella parte sinistra si rappresentano le linee dell’indice plastico;

- in ordinate si leggono due valori dell’I.G. e si sommano.

	Determinazione grafica dell'indice di gruppo di una terra

Esempio:

Passante al setaccio 0.075 UNI 2332   = 52%

Limite di liquidità (LL)                           = 47

Indice di plasticità (IP)                          = 23

Nella parte sinistra del diagramma, in ascissa si riporta la percentuale di passante e si traccia una verticale sino al valore che individua l'IP della terra, leggendo il valore dell'ordinata in corrispondenza del punto trovato.

Nella parte destra del diagramma, in ascissa si riporta la percentuale di passante e si conduce una verticale sino al valore del LL posseduto dalla terra, leggendo il valore dell'ordinata in corrispondenza del punto trovato.

La somma dei due valori delle ordinate fornisce l'indice di gruppo della terra.

Per cui:                     I.G = 4.8 + 4.1 = 8.99

 Il setaccio della serie americana ASTM 200, corrispondente al setaccio della serie italiana UNI, si definisce 0.075 UNI 2332.

 Altra classificazione più completa risulta quella americana dell’Istituto di ricerca Highway Research Board (H.R.B.) che raggruppa i terreni in 8 classi in base alle stesse caratteristiche dell’indice di gruppo (granulometria, limite di liquidità e indice di plasticità) indicandoli con la lettera A ed un numero indice da 1 a 8. I numeri più bassi A₁- A₂- A₃ indicano i terreni a grani grossi (ghiaia e sabbia), quelli intermedi A₄- A₅ rappresentano i limi, quelli più alti A₆- A₇ le argille, infine A₈ indica i terreni organici o torbosi di nessun interesse pratico.

Classificazione dei terreni per fondazioni di sovrastrutture stradali secondo H.R.B.

Una classificazione simile alla H.R.B. è stata effettuata anche in Italia (Norme CNR-UNI 10006) in cui sono indicate (oltre l’I.G., il limite di liquidità e l’indice di plasticità) la qualità portante del terreno di sottofondo in assenza di gelo, l’azione del gelo sulle qualità portanti del sottofondo, il ritiro, la permeabilità, gli aspetti identificativi dei terreni in sito.

Classificazione delle terre secondo le Norme italiane CRN-UNI 10006

Interessante la classificazione, mediante rappresentazione grafica in un triangolo equilatero, delle terre composte da sabbia, limo e argilla, studiata dalla Public Road Administration (P.R.A.) americana: i vertici del triangolo rappresentano il 100% di ciascuno dei tre componenti, i punti sui lati le diverse miscele binarie ed i punti interni miscele ternarie le cui percentuali si ottengono mandando le parallele ai lati.

		Classificazione dei terreni secondo la P.R.A.

COMPATTEZZA E COSTIPAMENTO

Notevole importanza hanno assunto le nozioni di costipamento e compattezza dei terreni nella costruzione dei rilevati stradali, specialmente di grandi dimensioni, in previsione di limitarne il calo o l’assestamento con tutte le problematiche che si possono collegare a tale fenomeno ed i difficili e onerosi lavori di sistemazione e ripristino. Il grado di costipamento di un terreno è misurato con prove di penetrazione che non sono altro che prove di carico su aree limitate. Si impiegano diversi metodi che differiscono fra loro per le diverse modalità del costipamento e dell’infissione. Le prove più usate sono:

- A.A.S.H.O.: consiste nel determinare l’indice di compattezza di un campione di terra passato al setaccio di 20 mm entro un contenitore cilindrico, costipato mediante un pestello di determinata massa, lasciato cadere un certo numero di volte da un’altezza prestabilita;

Schemi per la prova AASHO Standard (a) e modificata (b)

- Proctor: si impiega un ago di Proctor, un cilindretto con punta più o meno allargata, che si fa penetrare nel campione a velocità prefissata, lo sforzo di penetrazione, riferito alla superficie della punta, viene misurato con un dinamometro ed espresso in N/mm²;

Apparecchio per la prova di penetrazione Proctor con due particolari dell'ago

- C.B.R.: consiste in una prova di penetrazione di un cilindretto metallico di data sezione in un campione di terra entro un contenitore pure cilindrico di data sezione, sotto carichi crescenti; si determina l’indice C.B.R. come rapporto del carico in libbre a 0.1 pollici di penetrazione con un carico convenzionale di 3000 libbre, espresso in percentuale (1 lb = 453.59 g); 

Apparecchiatura per la prova C.B.R.

- in sito: prove rapide eseguite con apparecchi portatili, detti penetrometri, costituiti da aghi con punta conica o cilindrica che si fanno penetrare nel terreno in misura prefissata (6 – 10 mm), leggendo su un dinamometro la pressione necessaria per l’affondamento.

Penetrometro portatile a cono (soiltest).

CAPACITÀ PORTANTE DEI SOTTOFONDI STRADALI

Quanto detto in precedenza mira a determinare la capacità portante dei terreni, cioè la possibilità per la sovrastruttura stradale poggiante su di essi di resistere ai carichi mobili senza eccessive deformazioni, e quindi senza danni permanenti. Gli spessori e i tipi della sovrastruttura saranno perciò funzione dei carichi e della natura del sottofondo. Le valutazioni sinora fatte si riferiscono soltanto alle caratteristiche di un campione di un dato terreno o strato, senza considerare la presenza di strati diversi, la natura del terreno sottostante, l'eventuale presenza di falde d’acqua, ecc.

Per questo occorre eseguire delle prove di carico in sito che permettono di determinare la portanza di un terreno come carico unitario che provoca un prefissato cedimento, variabile da 0.1 a 0.5 pollici. Si ritiene accettabile un cedimento di 0.5 pollici ma, se si considera che i carichi sono ripetuti, si consiglia un cedimento massimo di 0.2 pollici. Occorre fissare forma e superficie della piastra nonché la modalità di applicazione dei carichi; si impiegano piastre circolari di diametro 16-30-50-76 cm o piastre quadrate circoscritte equivalenti, che si caricano mediante martinetto idraulico, rilevando pressioni e cedimenti mediante un comparatore. Molta importanza ha la dimensione della piastra, nel senso di interessare strati più o meno profondi. I risultati delle prove si possono riportare in diagrammi cartesiani pressioni-cedimenti, in cui si distinguono la freccia elastica da quella plastica, da cui si può risalire al potere portante del terreno. Determinato il cedimento f corrispondente alla pressione p, si ottiene il modulo di reazione K di Winkler e Westergaard:

a titolo indicativo K risulta compreso fra 9-20 per terreni A₁- A₃, fra 5-15 per A₂, mentre varia tra 1.5 –6 Kg/cm³ per terreni A₄-A₅-A₆-A₇. Nell’ipotesi di comportamento elastico si può ricavare il modulo elastico E del terreno:

STABILIZZAZIONE DEI TERRENI

Per stabilizzazione dei terreni s’intende ogni procedimento che mira a migliorare le proprietà meccaniche di un terreno, quale attrito interno e coesione, resistenza all’acqua e al gelo, al fine di aumentare la portanza. La stabilizzazione può essere:

• meccanica: il terreno viene costipato mediante rulli compressori ad azione statica (rulli lisci o a piede di montone), ad azione dinamica (battente o vibrante), ad azione combinata. I rulli a ruote lisce sono adatti per terreni ghiaiosi e sabbiosi, rullando strati di spessore variabile da 15 a 45 cm, secondo il peso del rullo. I rulli a pneumatici si impiegano su terreni a granulometria fine, anche argille magre. Su terreni coerenti argillosi sono efficaci i rulli ad aghi o piede di montone, cioè rulli cilindrici muniti di punte tronco-coniche che, esercitando una forte pressione, penetrano nel terreno dove lo spessore dello strato da costipare non deve superare di 5 cm la sporgenza delle punte. I rulli ad azione dinamica sono costituiti da masse battenti a forma di piastra o cilindro sollevate alternativamente mentre avanzano. I costipatori ad azione combinata sono costituiti da rulli cilindrici lisci ai quali è applicato un vibratore per aumentare l’azione statica del peso. Il costipamento dinamico si dimostra conveniente per le terre incoerenti, quali sabbie e ghiaie.
• granulometrica: si combina le proprietà dei terreni a grana grossa (stabili agli agenti atmosferici, alta resistenza di attrito ma privi di coesione e quindi facili a rifluire lateralmente sotto carico) con quelli a grana fine (dotati di coesione ma fortemente sensibili all’azione dell’acqua); si tratta perciò di proporzionare la miscela in modo da conservare le proprietà positive e da eliminare quelle negative. La scelta delle terre da mescolare dipende dalla disponibilità delle cave prossime al cantiere, si farà l’analisi granulometria per poi proporzionarle in modo da avvicinarsi alla curva di massima compattezza (formula di Fuller)

dove

p% = rappresenta la percentuale di inerte passante al setaccio con fori di diametro d

d = diametro dei fori del setaccio per quella percentuale di passante

D = diametro massimo dell'inerte

•  chimica: realizzata con aggiunta di leganti o di altre sostanze; è più costosa e perciò vi si ricorre solo quando non si trova sul luogo materiale adatto. Si usa cemento normale a lenta presa in quantità del 4-12% in peso, i cui provini devono avere una resistenza a rottura maggiore di 17 Kg/cm² ma non troppo alta per non avere pavimentazioni rigide soggette a fessurazione; si impiega bitume a caldo o emulsione bituminosa la cui quantità in peso varia tra 3 e 6% in modo da non saturare i pori; si usa resine naturali, in ragione del 1-2%, o cloruro di calcio (1-1.5 Kg/m²), in aggiunta ad una normale stabilizzazione granulometria, con lo scopo di fissare il contenuto di acqua e quindi la coesione nonché di abbassare il punto di congelamento (nei climi freddi).

MOVIMENTI DI TERRA E MACCHINE OPERATRICI

Per la formazione del corpo stradale è necessario intervenire sul terreno naturale effettuando scavi, riporti, trasporti di terra in modo da realizzare la strada secondo le caratteristiche geometriche e planimetriche previste in progetto. Queste operazioni richiedono prima di tutto la conoscenza della natura dei terreni, sia per stabilire i mezzi da impiegare per eseguire gli scavi sia per la scelta della terra da utilizzare per la formazione dei rilevati che devono presentare doti di stabilità e indeformabilità nel tempo. Note le caratteristiche dei terreni, devono essere scelti i mezzi da utilizzare per effettuare gli scavi e i trasporti. Le macchine comunemente usate nella costruzione delle strade si possono così classificare:

- macchine destinate allo scavo e carico della terra sui mezzi di trasporto, quali escavatori e pale meccaniche;

- macchine destinate al trasporto, quali gli autocarri, generalmente con cassone ribaltabile, e i dumper;

- macchine destinate allo scavo e al trasporto, quali i vari tipi di apripista;

- macchine destinate allo scavo, carico, trasporto e scarico della terra, quali le motoruspe;

- macchine destinate al livellamento del terreno, quali le autolivellatrici;

- macchine destinate a costipare il terreno, quali i rulli costipatori.

 Analizziamo brevemente le loro possibilità d’impiego, ritenendo inutile addentrarci sulle caratteristiche meccaniche e tecniche delle varie macchine presenti sul mercato.

Macchine destinate allo scavo e al carico

Possono essere ad azione continua o discontinua; al primo gruppo appartengono gli escavatori a tazze, montate su un nastro in movimento continuo, che raschiando sul terreno lo asportano e lo trasportano in una zona di accumulo; sono adatti per scavi a sezione costante e in presenza di terreni poco duri, ma quasi mai utilizzati per le strade. Al secondo gruppo appartengono gli escavatori universali, così definiti in quanto possono avere equipaggiamenti diversi e sono dotati da un braccio articolato montato su una piattaforma girevole; possono essere montati su cingoli (adatti per terreni accidentati e poco resistenti) e su ruote gommate (adatti per terreni resistenti e quasi orizzontali). Gli escavatori possono essere dotati di cucchiaio diritto, cucchiaio rovescio, benna mordente, benna trascinata (dragline), martello demolitore, benna per la formazione di pozzi. A questo tipo di macchine appartengono anche le pale meccaniche, costituite da un trattore su cingoli o ruote su cui è montato un cucchiaio anteriore adatto per lo scavo, il livellamento del terreno e il carico sugli autocarri.

Macchine destinate al trasporto

Sono gli autocarri con cassone a ribaltamento posteriore e/o laterale; per trasporti nell’ambito del cantiere sono impiegati i dumper, veicoli a trazione totale e cassone ribaltabile.

Macchine destinate allo scavo e al trasporto

Sono trattori a cingoli muniti nella parte anteriore di una lama trasversale concava, inferiormente tagliente, detti apripista; si distinguono in bulldozer (a lama fissa), angledozer (lama orientabile con rotazione intorno all’asse verticale) e tiltdozer (lama inclinabile con rotazione intorno all’asse orizzontale).

 Macchine destinate allo scavo, carico, trasporto e carico

Sono macchine gommate, dette motoruspe, dotate di un cassone che in fase d’avanzamento viene abbassato e con la sua lama raschia il terreno riempiendosi; terminato il carico il cassone viene sollevato e chiuso e la motoruspa avanza velocemente verso la zona di scarico.

Macchine destinate al livellamento

Sono macchine gommate, dotate al centro di una lama orientabile sul piano orizzontale e sul piano verticale, dette motolivellatrici; sono impiegate nel taglio di fossi e cunette, per rifiniture di scarpate e per il livellamento del terreno.

Macchine destinate al costipamento

Hanno la funzione di aumentare la densità del terreno con la riduzione dei vuoti e l’assestamento dei granuli; sono i rulli compressori ad azione statica, dinamica o combinata.

IL SOLIDO STRADALE

Costruttivamente una strada è formata da un solido stradale; con esso si individuano i vari strati con i quali si trasmettono sia i pesi propri sia i carichi transitanti al terreno di sottofondo, con il minimo di deformabilità e di usura della strada. È affidato alla sovrastruttura il compito di proteggere il corpo stradale dall’usura determinata dal passaggio veicolare e dalla infiltrazione delle acque meteoriche (pavimentazione) nonché di distribuire i carichi al terreno di sottofondo (fondazione). La sovrastruttura s’intende costituita da tre strati:

1. strato di fondazione
2. strato di base
3. pavimentazione;

per ognuno dei quali vengono impiegati materiali lapidei e materiali leganti.

Materiali lapidei

Nella costruzione delle sovrastrutture stradali vengono impiegati inerti di granulometria variabile di origine naturale oppure provenienti dalla frantumazione delle rocce:

- naturali: sono ghiaie e sabbie ricavate da depositi alluvionali, dal letto di fiumi o spiagge, che devono essere puliti e tenaci, cioè resistenti all’usura. Tout-venant sono gli inerti già assortiti granulometricamente in natura, misto granulare se ottenuti da miscelazione artificiale;

- artificiali: sono pietrischi e graniglie di calcari e dolomie molto usati nei lavori stradali, si ottengono per estrazione dalle cave e frantumazione successiva.

Gli inerti vengono suddivisi in classi in funzione della loro pezzatura, ossia delle dimensioni massime e minime dei grani che costituiscono una determinata classe; sono definiti additivi o filler i materiali molto fini che vengono impiegati per riempire i vuoti tra i materiali più grossi.

Materiali leganti

Hanno la funzione di collegare gli inerti realizzando una coesione fra i vari elementi; possono essere:

- bitumi naturali: se formatisi in natura da petrolio affiorato in superficie ed evaporazione delle parti volatili;

- bitumi artificiali: se derivati dalla distillazione frazionata del petrolio;

- bitumi liquidi: ottenuti dai precedenti semisolidi con l’aggiunta di solventi, per cui possono essere impiegati a freddo;

- emulsioni bituminose: si ottengono disperdendo bitume puro, in percentuale del 50-65%, in acqua calda; venendo a contatto con la superficie da trattare l’acqua evapora e il bitume si coagula formando una pellicola;

- asfalti: si ottengono per frantumazione di rocce calcaree naturali impregnate finemente di bitume in percentuale del 10-20%;

- catrami: sono ottenuti per distillazione del carbone fossile e successiva ridistillazione per eliminare l’acqua ed altri componenti volatile; sono più fluidi dei bitumi ma chimicamente instabili per cui vengono miscelati con bitumi semisolidi o polveri di asfalto;

- cementi: sono i cementi normali o ad alta resistenza, anche se meno rapidi.

Sia i leganti bituminosi sia i cementi devono sottostare a particolari requisiti di accettazione e di prove, che permettono la loro classificazione.

Strato di fondazione

Terminati i movimenti di terra, il sottofondo stradale deve essere convenientemente ripulito e costipato con rullo compressore; se l’ultimo strato di sottofondo non è soddisfacente (limo o argilla) occorre preparare uno strato di fondazione, esteso a tutta la lunghezza della strada o a particolari tratti con spessori anche variabili; ha lo scopo di ridurre le sollecitazioni del traffico sul sottofondo e di migliorare il drenaggio. Può essere realizzato in:

• macadam: costituito da grosse pietre posate secondo guide laterali e trasversali e riempimento dei quadri che vengono a formarsi; i vuoti fra le pietre vengono intasati con ghiaia, sabbia e argilla e si procede poi alla rullatura, in modo da ottenere uno strato perfettamente piano di circa 20-25 cm;
• macadam all’acqua: formato da strati di ghiaia e pietrisco con pezzatura decrescente dal basso verso l’alto e aggiunta di sabbia, argilla e materiali calcarei in superficie, realizzato a strati di 15 cm, abbondantemente innaffiati per facilitare l’assestamento e rullati sino a totale penetrazione e frantumazione delle pietre in superficie; per rendere più efficace il costipamento, si procede rullando dai bordi della strada verso il centro con passate parallele all’asse della strada;
• macadam bitumato: il macadam viene rullato in misura minore per ottenere notevoli vuoti superficiali e quando la superficie è asciutta si applica bitume, riscaldato a 170°-180° in modo da renderlo fluido, che penetra nei vuoti legando gli inerti, ed infine si spande la graniglia di intasamento che deve essere rullata;
• macadam con emulsioni bituminose: sulla superficie in pietrame, appena inumidita, viene stesa l’emulsione bituminosa a freddo;
• macadam cementizio: sulla massicciata in pietrame viene steso uno strato di malta cementizia, con limitato quantitativo di cemento e pietrisco, procedendo quindi alla rullatura;
• misti granulari stabilizzati: sono costituiti da inerti con limitata quantità di legante.

Strato di base

Ha uno spessore di 15-20 cm e viene realizzato impiegando gli stessi materiali usati per lo strato di fondazione, ed anzi può sostituirlo quando lo strato di sottofondo del terreno possiede buone capacità portanti. Costituendo il supporto alla pavimentazione, deve essere in grado di ripartire i carichi trasmessi dai veicoli in transito e possedere una buona rigidezza, i materiali vengono generalmente stabilizzati con leganti bituminosi (misti bitumati) o leganti cementizi (misti cementati). La rullatura è solo parziale, in modo da ottenere una superficie con sufficienti cavità che migliori la possibilità di attacco dello strato di collegamento (binder) o direttamente del tappeto di usura.

Pavimentazione

La pavimentazione, detta anche strato superficiale di usura, ha la funzione di realizzare un piano viabile con caratteristiche tali da assicurare lo svolgimento del traffico in condizione di sicurezza e confort, proteggere gli strati sottostanti dall’azione degli agenti atmosferici (acqua e ghiaccio) e ottenere così una buona durata della strada. La scelta del tipo di pavimentazione dipende essenzialmente dall’intensità del traffico, dall’andamento altimetrico del tracciato e da analisi economiche. Le pavimentazioni stradali si suddividono in:

• flessibili: dotate di scarsa rigidezza flessionale, si deformano anche di alcuni millimetri per effetto dei carichi transitanti e sono costituite dai mac-adam e dalle pavimentazioni bituminose;
• rigide: presentano deformazioni quasi trascurabili, ottenendo una buona distribuzione dei carichi sul terreno di sottofondo e, resistendo alle sollecitazioni per la loro elevata rigidezza flessionale, richiedono sottofondi poco deformabili o almeno uniformemente cedevoli; sono realizzate in calcestruzzo non armato, debolmente armato o con armatura continua.

Pavimentazioni flessibili

• macadam: realizzate come strato di fondazione e usate direttamente come pavimentazione; vennero ideate nel 1820 dall’ingegnere scozzese Mac Adam, da cui prendono il nome. Per le loro caratteristiche possono essere usate per strade con modesto traffico. Dopo aver realizzato il cassonetto, cioè uno scavo di circa 40 cm largo quanto l’intera carreggiata, viene costruita la fondazione di circa 20 cm, steso il pietrisco a riempimento totale del cassonetto e costipato mediante cilindratura; per evitare la polvere, tipica di queste strade, la superficie viene trattata con un velo di emulsione bituminosa o di bitume fluido in modo da ottenere una maggiore durata;
• con catrame: sulla massicciata ben costipata viene realizzato un sottile manto di catrame, riscaldato a circa 100°C, sul quale viene steso uno strato di pietrisco che viene fatto penetrare mediante rullatura fino a saturazione. In Italia il catrame viene poco usato perché presenta maggiori costi e durata più limitata rispetto al bitume, però ha il vantaggio di non essere solubile in benzina e quindi può essere usato nelle aree di sosta dei veicoli;
• malte bituminose: sono costituite da sabbia, filler, ghiaietto e bitume riscaldato a circa 170°C e preparate negli impianti di miscelazione di tipo fisso o semifisso; la miscela viene trasportata sul luogo di impiego e stesa a caldo con macchine distributrici e finitrici in grado di regolare lo spessore e lisciare la pavimentazione, appena stesa la miscela. Lo spessore varia normalmente fra i 4 e 6 cm, ma per spessori maggiori, sopra lo strato di base, viene realizzato uno strato di collegamento (binder) costituito da conglomerato bituminoso di tipo aperto, avente la funzione di migliorare l’ancoraggio fra la base e il tappeto, di spessore di 5-7 cm, sul binder viene realizzato lo strato d’usura in malta bituminosa di spessore non superiore a 3 cm; tutto viene cilindrato in senso ortogonale e trasversale;
• conglomerato bituminoso: presentano quantità di bitume inferiore rispetto alle malte bituminose e sono quindi più economiche; sono costituite da binder di tipo aperto, con spessore di 7 cm, e strato di usura in conglomerato bituminoso ma di tipo chiuso, con spessore di 2.5-3 cm; la preparazione e la posa avviene con macchine simili a quelle impiegate per le malte bituminose;

• in polvere d’asfalto: la miscela è formata da graniglia (40%-50% in peso), bitume (3%-3.5%) e polvere di asfalto (40%-50%); la superficie che si ottiene presenta una notevole scabrosità, quindi adatta per strade con elevato traffico pesante e per tracciati in zona montana, soggetti al gelo ed a pendenze sensibili;
• in cubetti di pietra: sono costituite da cubetti di porfido, diorite o sienite posti in opera, su una fondazione sulla quale viene disteso uno strato di sabbia con spessore 6-10 cm, ad archi contrastanti e battitura degli stessi con abbondante bagnatura per favorire l’assestamento; presenta una elevata durata e resistenza ma notevole costo;
• asfalto compresso: su una fondazione in calcestruzzo, avente spessore non inferiore a 15-20 cm, viene steso uno strato di circa 5 cm di polvere di roccia asfaltica, riscaldata a 120°-140°C, e cilindrato con rulli leggeri; la superficie presenta numerosi vuoti che saranno gradualmente chiusi per effetto del peso dei veicoli in transito, e per diminuire la scivolosità in caso di pioggia si può eseguire una asfaltatura superficiale.

Pavimentazioni rigide o in calcestruzzo

Le pavimentazioni in calcestruzzo sono formate di uno strato superficiale ottenuto con lastre di idoneo spessore, delimitate da giunti in grado o meno di trasferire i carichi su fondazioni stabilizzate con leganti. Le prime applicazioni si ebbero in Gran Bretagna e Francia nella seconda metà dell’800 ed in Italia agli inizi del 900. queste pavimentazioni, in Italia, sono state abbandonate con l’arrivo delle pavimentazioni con strati di bitume (flessibili), mentre in altri Stati sono state mantenute a fianco di quelle flessibili in quanto nessuna delle due soluzioni è riuscita a prevalere, tecnicamente ed economicamente, sull’altra. Si ritiene, però, che le pavimentazioni in calcestruzzo presentino dei vantaggi in termini di sicurezza stradale così riassunti:

• maggior resistenza a fatica, all’usura e al traffico pesante;
• maggior vita utile, in particolare nel caso di condizioni ambientali particolarmente severe (resistenza al gelo e agli agenti chimici, come olii e carburanti);
• minor numero di interventi di manutenzione, quindi bassi costi di esercizio e beneficio indiretto sulla sicurezza stradale per i minori intralci alla circolazione;
• maggior luminosità generale, in quanto le proprietà riflettenti sono influenzate dalla composizione dello strato di scorrimento con legante cementizio, e migliore visibilità notturna, in galleria e all’imbocco delle gallerie (riduzione del colpo di buio);
• possibilità di ottenere valori di aderenza variabili a seconda delle necessità e del tipo di aggregato disponibile nella zona; ciò è possibile grazie ai diversi trattamenti cui può essere sottoposta la superficie di scorrimento stradale: dalla semplice rigatura con scopa metallica alla striatura più profonda con particolari pettini, dalla messa a nudo degli aggregati, mediante un ritardante di presa, alla infissione di aggregati duri sulla superficie del calcestruzzo dopo la sua stesa, ottenendo così valori di aderenza non molto diversi in condizioni di asciutto e bagnato;
• maggiore sicurezza di guida e comfort di marcia grazie anche ai giunti tecnologicamente avanzati (pavimentazioni in calcestruzzo ad armatura continua);
• materie prime di produzione nazionale e vantaggi per la bilancia commerciale italiana.

Punto debole delle pavimentazioni rigide è la presenza dei giunti, necessari, oltre che per ragioni costruttive in corrispondenza della sospensione dei getti, per l’assorbimento degli effetti del ritiro e degli abbassamenti di temperatura (giunti di contrazione), e per l’assorbimento degli effetti degli aumenti di temperatura (giunti di dilatazione); se la larghezza della carreggiata è superiore a 5.00 m, circa, occorre un giunto continuo longitudinale. Tali giunti possono essere ottenuti nel calcestruzzo plastico mediante una lama vibrante, mentre nel calcestruzzo indurito si ottengono mediante fresatura; successivamente si procede alla sigillatura mediante mastici di bitume colati a caldo, polimeri a più componenti colati a freddo, neoprene o gomme sintetiche a strisce. La funzione dei giunti è quella di mantenere la fessurazione entro valori ammissibili e sono classificati in trasversali e longitudinali; entrambe le categorie possono essere di contrazione, di costruzione e di dilatazione in relazione alla loro funzione. I giunti di contrazione vengono realizzati tagliando la lastra per circa 1/3 – 1/4 del suo spessore; i giunti di dilatazione sono realizzati a tutto spessore, sono sempre dotati di armatura di compartecipazione e risultano essere questi a causare il principale degrado della pavimentazione; i giunti di costruzione hanno funzione analoga a quelli di contrazione e vengono realizzati in corrispondenza di opere d’arte e ogni volta che le operazioni di stesa del calcestruzzo vengono sospese.

La durata di queste pavimentazioni e i bassi costi di manutenzione dipendono essenzialmente da una loro perfetta realizzazione, così descritta:

• strato di base, dello spessore di 25-40 cm, con funzione di fondazione atta a ripartire sul sottofondo gli effetti degli spostamenti rigidi delle lastre di calcestruzzo; la fondazione viene realizzata in misto cementato allo scopo di far raggiungere allo strato di base una rigidezza intermedia tra sottofondo e pavimentazione, nonché di evitare l’allontanamento “pumping“ delle particelle di terra trascinate dall’acqua spostata dai movimenti alternativi delle lastre determinati dai passaggi dei veicoli; qualora lo strato di base venga realizzato in misto granulare, occorre predisporre dei cordoli in calcestruzzo in corrispondenza dei giunti fra le lastre per evitare il fenomeno del pompaggio;
• pavimentazione in calcestruzzo classe R_ck 20-25, formato da ghiaia, ghiaietto, cemento Portland e acqua con rapporto A/C non superiore a 40%-50%, impiegando eventualmente dei fluidificanti per ottenere la consistenza necessaria; confezionamento del calcestruzzo in impianti di betonaggio controllati e trasporto con autobetoniere sul luogo d’impiego, stesa dello strato mediante macchine vibro-finitrici, maturazione regolare del calcestruzzo evitando la sottrazione dell’acqua da parte dello strato di base, stendendo su questo dei teli di polietilene, e impedendo la evaporazione dell’acqua con bagnatura e protezione dello strato superficiale.

Esempio:

Dati - Traffico veicoli industriali = 180 veic/g --------- Sottofondo I.G. = 5

Si traccia la verticale dall'ascissa "traffico" in corrispondenza del valore 180, limitatamente all'ordinata corrispondente I.G.=5; si individua sul diagramma

- strato di usura e base legata             = 7 cm

- base granulare                                 = 10 cm

- fondazione                                      = 12 cm

Spessore totale                               =29 cm                                    

Le pavimentazioni in calcestruzzo possono essere schematicamente riassunte in tre diversi tipi:

1.non armate: nella lastra di calcestruzzo, il cui spessore risulta in media di circa 20 cm, non vengono disposte armature in acciaio, per cui la resistenza è affidata unicamente al calcestruzzo stesso; i giunti trasversali di contrazione vengono realizzati ogni 5-6 m circa e solitamente si prevedono delle barre di compartecipazione fra una lastra e l’altra, in modo da renderle collaboranti; nei giunti longitudinali si dispone una armatura con funzione di legatura per evitare un successivo distacco fra le lastre;

2.armate: le lastre possono avere uno spessore leggermente inferiore alle precedenti, con una distanza tra i giunti trasversali di circa 10-20 m, e presentano una leggera armatura superiore in senso longitudinale e trasversale, con lo scopo di mantenere chiuse le fessure che spontaneamente si formano causa la lunghezza delle lastre, di evitare il danneggiamento della pavimentazione e di ottenere la compartecipazione fra i diversi elementi;

3.con armatura continua: la pavimentazione risulta essere continua, senza giunti trasversali, e nello strato di calcestruzzo viene disposta una armatura abbastanza pesante in modo da mantenere chiuse le fessure, che si producono naturalmente, e comunque di limitarne l’apertura a 0.5 mm, in modo da evitare pericoli di corrosione delle armature e infiltrazione di acqua negli strati inferiori, oltre ad incrementare ulteriormente la resistenza ai carichi; lo spessore varia tra 18-23 cm, l’armatura longitudinale è formata da tondini F16 o F18 disposti ad interasse di15 cm circa, l’armatura trasversale è formata da tondini F12 ad interasse di 60 cm circa; tale pavimentazione è difficilmente distinguibile da quella bituminosa se non per il colore più chiaro. Gli studi hanno affrontato anche il problema relativo alla qualità della finitura superficiale per ottenere una ottimale aderenza ai fini della sicurezza,ridurre il rumore al rotolamento per migliorare il comfort di guida, accrescere la resistenza superficiale per aumentare la durata di vita utile della strada. La determinazione dello spessore dalla lastra in calcestruzzo può avvenire applicando metodi differenti,ognuno dei quali fornisce un diagramma di tipo empirico per il dimensionamento in funzione del numero di assi transitanti e del CBR del sottofondo. L’area d’acciaio occorrente, per ogni metro di lunghezza della lastra, è fornita dalla relazione

                dove

f = coefficiente d’attrito del letto di fondazione, pari a 1.5

p = peso specifico del calcestruzzo armato

h = spessore della lastra

L = lunghezza della lastra

s_am = tensione ammissibile nell’acciaio

In linea generale l’area metallica vale circa lo 0.5%-0.7% della sezione trasversale in calcestruzzo, con armatura trasversale pari a circa il 25%-30% di quella longitudinale.

Negli USA, in Belgio, in Francia e anche in Spagna queste pavimentazioni sono largamente usate ottenendo risultati significativi. In Italia, ultimamente, si sta diffondendo una moderna tecnologia: la pavimentazione composita polifunzionale (PCP), utilizzata per la prima volta sul tratto autostradale A24-A2 della “Bretella Fiano-S. Cesareo”. Si tratta di una pavimentazione che affida la funzione portante alla lastra di calcestruzzo ad armatura continua (senza giunti), sulla quale viene applicato uno strato di usura in conglomerato bituminoso drenante (spessore di circa 4 cm) con caratteristiche fonoassorbenti e tali da ridurre il velo idrico (fenomeno dell’acquaplanning) e di diminuire gli spruzzi d’acqua (spray) contro il parabrezza dei veicoli.

Per allontanare l’acqua dagli strati sottostanti si realizzano drenaggi in calcestruzzo poroso ubicati al di sotto della superficie della corsia di sosta, nella parte in cui la pavimentazione non viene realizzata monoliticamente, e nello spartitraffico; in questo modo si evita che l’acqua ristagni sullo strato di misto cementato, in corrispondenza del bordo esterno della lastra, e che possa essere richiamata per depressione sotto la corsia di marcia lenta innescando, in presenza di inerti fini non legati, il fenomeno del pompaggio; l’acqua allontanata mediante i drenaggi viene raccolta in tubi drenanti longitudinali e recapitata in punti opportuni del sistema di raccolta delle acque superficiali. La scelta dello spessore, dal quale dipende la rigidezza flessionale della lastra, viene fatta in funzione del traffico che la pavimentazione è destinata a sopportare durante la vita di progetto (25-30 anni); l’ammontare dell’armatura longitudinale viene determinato in base ai limiti fissati per la spaziatura fra le fessure (tra un max di 1.5 m e un min di 1.0 m) e per la loro apertura (max 0.1 mm). Lo strato superficiale, in conglomerato bituminoso drenante, avendo uno spessore contenuto, può essere trascurato dal punto di vista della resistenza strutturale della pavimentazione. Per la determinazione dello spessore della lastra possono essere utilizzate le procedure di calcolo per le pavimentazioni ad armatura continua.

4.in calcestruzzo precompresso: per eliminare i giunti trasversali e gli inconvenienti da essi prodotti, una soluzione può essere quella di aumentare la resistenza a trazione del calcestruzzo mediante la sua precompressione; sui bordi dei giunti trasversali e longitudinali dei tronchi, con lunghezza non superiore a 100 m, vengono ancorati i cavi rettilinei disposti nel piano baricentrico e si procede ad una tesatura, ottenendo una precompressione secondo due direzioni ortogonali.

Opere d’arte di completamento

• cunette: hanno la funzione di raccogliere le acque superficiali che defluiscono dalla piattaforma stradale e dalle scarpate; vengono costruite ai bordi della carreggiata e sono di norma in terra naturale ma, per assicurare maggiore durata ed efficienza, è consigliabile rivestirle in calcestruzzo; le sezioni più comuni sono trapezoidali e talvolta triangolari, il bordo superiore della cunetta dista dal bordo stradale almeno 50 cm e questa striscia, chiamata banchina di sicurezza, è normalmente ricoperta di un tappeto erboso, in essa sono collocate le tacche ettometriche e chilometriche e gli eventuali guardrails;

• fossi di guardia: sono cunette poste a monte del corpo stradale ed hanno la funzione di raccogliere le acque superficiali scorrenti dai pendii naturali verso la carreggiata stradale;
• tombini: sono cunicoli per lo più a sezione circolare, costituiti da manufatti cementiti tubolari, atti a raccogliere le acque delle cunette a monte della piattaforma stradale e sottopassando la stessa; consentono inoltre l’attraversamento del corpo stradale a piccoli corsi d’acqua naturali e artificiali. Nel caso si dovessero smaltire notevoli quantità d’acqua il tombino acquista dimensioni maggiori ed assume una sezione rettangolare con caratteristiche simili a quelle di un ponticello;
• barriere di sicurezza: dette anche guardrails o sicurvia, sono barriere di protezione destinate a impedire la fuoriuscita dalla carreggiata stradale di autoveicoli e automezzi a causa di incidenti, guasti o malori del conducente, riducendo in questo modo i danni ai passeggeri. Le barriere sono posate lungo i cigli esterni delle curve o in corrispondenza di tratti che presentano una particolare pericolosità; possono essere di tipo flessibile e di tipo rigido. Le prime sono costituite da sostegni verticali in profilato a doppio T, disposti ad interasse di 3-4 m, infissi sul terreno o fissati al suolo con un blocco di fondazione in calcestruzzo, sui quali è montata una lama di acciaio con sezione a W in modo che il suo centro disti dal piano stradale di 45 cm e quindi sia in grado di ricevere l’urto dei veicoli in corrispondenza dei paraurti. Se l’urto non è violento e il telaio del veicolo risulta deformabile, la barriera flessibile funziona bene, però se l’urto è violento o il veicolo presenta un telaio rigido la barriera può deformarsi in modo considerevole spanciandosi, per cui il veicolo può anche uscire dalla carreggiata.

Con la barriera rigida non si hanno questi inconvenienti: essa è realizzata in calcestruzzo e in relazione alle sue dimensioni può assumere la funzione di semplice spartitraffico per autoveicoli, di spartitraffico per mezzi pesanti e antiabbagliamento. I pregi offerti dalle barriere in calcestruzzo sono:

1. per effetto dell’urto la barriera non si deforma e quindi l’uscita di strada è rara;
2. se l’angolo d’impatto è limitato (circa 25°), il veicolo conserva la direzione di marcia, anche se con danni, mentre quelli alla barriera sono minimi;
3. le spese di manutenzione sono molto limitate.

 Le barriere in calcestruzzo possono essere prefabbricate con elementi semplicemente posati sul terreno, oppure possono essere realizzate in sito con apposite macchine a casseforme scorrevoli. La soluzione principale è costituita da prefabbricati di calcestruzzo, collegati fra loro, contraddistinti da un profilo geometrico, nella parte rivolta al traffico, denominato New Jersey, che è in grado di interagire con il veicolo che urta e di mantenerlo in carreggiata, ridirigendone la traiettoria secondo il meccanismo di "compensazione dinamica". La barriera New Jersey monofilare è prevista come protezione nelle zone con spartitraffico di larghezza inferiore a 2.40 m. La forza massima cui può resistere è di 500 KN (valore ottenuto con prove "crash test"): dà un'ottima ridirezione del veicolo dopo l'urto e dissipa molta energia per spostamento laterale. La sua altezza e la spostabilità riducono notevolmente le probabilità di scavalcamento (roll-over) che si hanno con barriere simili, fissate sulla pavimentazione. La barriera bifilare simmetrica con terra può essere considerata la soluzione più comune. La forza massima sperimentata cui può resistere è di 900 KN. La terra è disposta in modo da permettere lo spostamento in caso d'urto; nella parte inferiore c'è, infatti, una resina ureica trattata che la alleggerisce ed ha anche la funzione di assorbire e trattenere l'acqua di pioggia, da restituire alle radici delle siepi in periodi secchi. La siepe serve per miglioramento estetico e come frangiluce anche per veicoli con fari alti. Nei tratti autostradali a spartitraffico minimo (90 cm circa), con frequenti curve e sedi fortemente sfalsate che non permetterebbero un buon impiego degli elementi New Jersey, è possibile utilizzare la barriera metallica, con zoccolo di forma New Jersey e doppia lama contrapposta; l'infittimento dei paletti di fissaggio e la maggiore altezza rende la barriera resistente anche al roll-over, però può generare pericoli di bloccaggio della ruota anteriore del veicolo (imputamento), con conseguente "incremento istantaneo di decelerazione" molto pericoloso. Per questo motivo è previsto il montaggio, all'altezza media del mozzo ruota vetture, di una protezione che può essere: un profilato metallico a C di 7-10 cm di altezza, una lama a W di almeno 2 mm di spessore oppure uno zoccolo spostabile in calcestruzzo forma New Jersey ridotta.

Strutture antirumore

Quello della sicurezza, anche se resta il più attuale, non è l’unico problema posto dall’incremento della circolazione stradale in questi anni; infatti, il traffico ha generato un’altra fonte di pericolo per la società: l’inquinamento acustico. Il rumore ha raggiunto oggi livelli tali da rendere necessario un intervento deciso e risolutivo sia nelle città sia lungo i percorsi stradali extraurbani; un sostanziale contributo può venire dall’adozione di accorgimenti e tecnologie in grado di attenuare le emissioni di rumore. Possono essere usate pavimentazioni fonoassorbenti capaci di riduzioni pari a 3-4 dB o barriere vegetali in grado di fornire attenuazioni pari a 5-6 dB; ma in presenza di fonti di rumore notevole, come quelli provocati dal traffico autostradale, occorre installare barriere artificiali fonoassorbenti, capaci di riduzioni superiori a 10 dB. Le barriere antirumore più usate sono in calcestruzzo (60%), in materiali trasparenti (20%), argilla espansa (10%), metallo (10%).

Le caratteristiche che una barriera antirumore deve possedere, oltre naturalmente alle capacità fonoassorbenti, sono

·        sicurezza, cioè materiali non pericolosi in caso di urto;  

·        funzionalità nel tempo e poca manutenzione;

·        resistenza agli agenti esterni, compresi atti vandalici e fuoco;

·        flessibilità di progettazione e costruzione in funzione dell’ambiente in cui il manufatto viene inserito;

·        costi contenuti.

 Particolare attenzione occorre mettere nell’inserimento delle barriere nel paesaggio naturale (impatto ambientale) studiando materiali, forme e colori al fine di ottenere un buon abbinamento con la vegetazione e paesaggio circostante.

Bibliografia:

Giacomo Torelli - Costruzioni stradali - Calderini

Furiozzi, Messina - Corso di Costruzioni - Le Monnier

Alasia - Corso di Costruzioni - SEI

Camomilla, Feroci, Malgarini - Barriere di sicurezza - estratto da "L'industria Italiana del Cemento"

Camomilla, Marchionna - Pavimentazione composita polifunzionale - estratto da "Autostrade"

Tognon, Tomasi - Il calcestruzzo per le strade - estratto da "Le strade".

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