Supermodificanti a base di grafene per allungare la vita delle strade

Ing. LORETTAVENTURINI Direttore Scientifico e dello Sviluppo Strategico, Iterchimica S.r.l.

Per la gestione della propria rete stradale, l'Area Infrastrutture di Città Metropolitana di Milano si pone come obiettivo la realizzazione di pavimentazioni stradali prestazionali e a ridotta manutenzione, cercando di garantire allo stesso tempo la massima sostenibilità ambientale. Alla luce di tali propositi, nel settembre 2019 Città Metropolitana e Iterchimica hanno condotto la realizzazione di una trial section che ha previsto la sperimentazione di un supermodificante innovativo a base di grafene per la produzione di conglomerati bituminosi modificati con "metodo dry" . Il tratto selezionato per la sperimentazione è parte della Strada Provinciale ex SS 35 "dei Giovi" (tratta Milano-Meda, tra il km 133+300 e il km 132+850 in direzione Milano) e il test ha avuto due scopi principali: da un lato, lo studio di materiali innovativi per soddisfare gli obiettivi prefissati da Città Metropolitana di Milano, dall'altro, la verifica su strada del supermodificante a base di grafene messo a punto da Iterchimica. Scoperto nel 1947 da P.R Wallace e isolato nel 2004 da A. Geim e K. Novoselov (premio Nobel per la fisica nel 2010), il grafene è un singolo strato monoatomico di atomi di carbonio ed è isolato dal materiale "genitore" tridimensionale (grafite). La peculiare simmetria della sua struttura e la distribuzione chimica a nido d'ape sono gli ingredienti base che ne determinano le ineguagliabili prestazioni, tra le quali: eccellenti proprietà meccaniche (carico a rottura molto maggiore di quello dell'acciaio), estrema leggerezza, elevata conducibilità termica ed elettrica. Il supermodificante Gipave® (Fig. 1) è il frutto di una ricerca durata tre anni all'interno del progetto ECOPAVE 2014 - 2020, finanziato da un bando dell'Unione Europea e di Regione Lombardia. Il grafene utilizzato è l'ITC1, (Fig. 2) ed è prodotto dall'azienda comasca Directa Plus. La ricerca è stata svolta in collaborazione con l'Università degli Studi di Milan o - Bicocca (studio della Life Cycle Assessment), Directa Plus (produzione del grafene) e G.Eco (recupero e selezione delle plastiche dure). Il nuovo prodotto brevettato è stato appositamente studiato per migliorare notevolmente le prestazioni fisico - meccaniche delle pavimentazioni, nello specifico è composto da: - plastiche di recupero selezionate derivanti dal recupero di oggetti di "plastica dura" (ad esempio giocattoli, bidoni, cassette, tubi, tavoli, sedie...),

1. Supermodificante a base di grafene Gipave® 2. Grafene ITC1 in fiocchi 3. Stesa di conglomerato bituminoso con supermodificante al grafene

Gipave® lungo la SP 35 Milano -

Meda 4. Tab. 1 - Miscele per il campo prove SP 35 Milano - Meda

trattate industrialmente secondo un processo brevettato che comprende anche la "tecnoselezione" in funzione delle caratteristiche fisico-chimiche (infatti, non tutte le plastiche dure possono essere utilizzate, ma solo una quota parte), evitandone lo smaltimento presso gli impianti di termovalorizzazione; - base funzionale: composta da additivi di diversa natura che costituiscono una quota parte del supermodificante. La composizione chimico-fisica è coperta da segreto industriale. - Grafene G+. La tecnologia per la produzione dei CB consiste nella relativa modifica diretta (Polymer Modified Asphalt PMA con Metodo Dry) attraverso l'aggiunta del compound polimerico a base di grafene, durante la fase di mescolazione della miscela: dopo gli aggregati e prima del bitume tal quale. La Life Cycle Assessment (LCA), ovvero l'analisi dell'intero ciclo di vita utile, è stata condotta secondo le norme UNI EN ISO 14040 e UNI EN ISO 14044, confrontando il nuovo supermodificante con le altre tecnologie produttive (bitume tal quale o PMB - Polymer Modified Bitumen) e analizzando i potenziali impatti ambientali lungo tutta la catena produttiva sino al riutilizzo della pavimentazione a fine vita utile. I risultati di quest'analisi mostrano come, grazie al significativo aumento delle prestazioni meccaniche e, di conseguenza, all'incremento della vita utile stimata, la tecnologia metodo dry con supermodificante a base di grafene risulti essere meno impattante rispetto alle altre prese in esame. Oltre all'analisi di LCA, sono stati valutati anche i rilasci in ambiente, le emissioni in atmosfera, il rilascio in acqua e di microplastiche, nonché la carbon footprint. In particolare, il campo prove sulla SP 35 è consistito nel rifacimento dei tre strati della pavimentazione stradale di due tratti: 200 m utilizzando bitume altamente modificato per alti moduli e 250 m con conglomerato bituminoso contenente il supermodificante a base di grafene. La sezione stradale ha compreso: 10 cm di base, 5 cm di binder e 4 cm di usura. Un Laboratorio Ufficiale ha eseguito le prove di prequalifica e di post-produzione. Tali prove hanno messo a confronto miscele base, binder e usura con pari proporzionamento granulometrico e: - una serie con bitume ad elevata modifica per miscele alto moduloBHM; - una serie con bitume tal quale 50/70 e 6% Gipave® (sul peso del bitume). In Tabella 1 si trovano le miscele per il campo prove SP 35 Milano - Meda. I test eseguiti hanno evidenziato i seguenti risultati: • le curve granulometriche delle coppie di base e binder risultano confrontabili e le usure sono leggermente differenti; • il contenuto di bitume è confrontabile per tutte le coppie di miscele; • il contenuto di vuoti per provini compattati con pressa giratoria sono nei limiti (la differenza per le usure è dovuta alla differenza della curva granulometrica); • tutte le resistenze a trazione indiretta sono superiori a 2,11 Mpa (solo il binder con Gipave® risulta maggiore rispetto a quello con bitume modificato per CB ad elevato modulo); • tutte le miscele sono di tipo alto modulo, solo la base con Gipave® presenta un valore inferiore del 12,7% rispetto a quella di riferimento (probabilmente sarebbe stato necessario incrementare Gipave® per equilibrare la rigidezza); • tutte le miscele hanno confrontabile resistenza alle deformazioni permanenti, ma l'usura con Gipave® ha una diminuzione del 29% per quanto riguarda la profondità dell'ormaia rispetto alla BHM; • tutte le miscele con Gipave® hanno un elevato incremento alla resistenza ai cicli a fatica rispetto alla BHM (confronto con pneumatico a 8 atm): o BASE GIPAVE vs. BHM = 170% (2,70 volte i cicli di carico pesante); o BINDER GIPAVE vs. BHM = 245% (3,45 volte i cicli di carico pesante); o USURA GIPAVE vs. BHM = 109% (2,09 volte i cicli di carico pesante). In conclusione, quest'esperienza realizzata in collaborazione con Città Metropolitana di Milano ha dimostrato che il supermodificante a base di grafene consente di aumentare notevolmente la vita utile delle pavimentazioni bituminose anche rispetto ai bitumi modificati ad alto modulo per conglomerati bituminosi. Allo stesso tempo, l'utilizzo di Gipave® consente di recuperare una tipologia di plastiche dure che altrimenti sarebbero destinate ai termovalorizzatori. Infine, oltre ai benefici ambientali che deriveranno dall'incremento della vita utile della pavimentazione e dalla minore necessità di interventi manutentivi nel medio-lungo periodo, i risultati positivi di LCA confermano l'ecosostenibilità del prodotto.

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