Nozioni di base sulle attrezzature di compattazione: la meccanica della compattazione del terreno tramite vibrazione e carico ripetuto.

A differenza di altri macchinari edili – che scavano, trasportano o accatastano – le attrezzature per la compattazione sono macchine che "modificano il terreno o il materiale di pavimentazione senza spostarlo". Un rullo o una piastra applicano ripetutamente un carico al terreno, comprimendo l'aria tra le particelle di terra, aumentando la densità e di conseguenza la resistenza, la capacità portante e la durabilità. È un processo poco appariscente, ma una compattazione insufficiente del sottofondo o del rilevato si manifesta sempre in seguito, sotto forma di cedimenti o solchi.

Un rullo vibrante in servizio

Immagine: CAT CS563E (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Non si tratta dei modelli specifici Sakai Heavy Industries o Mikasa Sangyo discussi nel testo, bensì di un esempio rappresentativo della configurazione di un rullo vibrante a tamburo singolo.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figura 1 - La rotazione della massa eccentrica genera eccitazione; insieme al peso della macchina, produce un carico di contatto che varia in ogni ciclo. La qualità dipende anche dalla velocità di avanzamento, dal tipo di terreno, dall'umidità e dallo spessore dello strato, pertanto prove e misurazioni dovrebbero definire sia le condizioni operative che la regola di arresto.

Riepilogo di 0,30 secondi

• Per la compattazione del terreno, esiste un "contenuto di umidità ottimale" in corrispondenza del quale si ottiene la massima densità secca per un dato contenuto di umidità. Il test di laboratorio che individua questo Il test Proctor (la prova di compattazione del terreno mediante compattatore a percussione) è organizzato come una curva di compattazione.

Un rullo vibrante fa ruotare un peso eccentrico all'interno del tamburo per generare una forza centrifuga (la forza di eccitazione). Questa forza di eccitazione è spesso impostata a circa 2-3 volte il peso proprio del tamburo, combinando il carico statico dovuto al peso proprio con il carico dinamico dovuto alle vibrazioni per compattare il terreno.

Un'ampiezza elevata con bassa frequenza è adatta a strati spessi e terreni a grana grossa; un'ampiezza ridotta con alta frequenza è adatta a strati sottili e alla rullatura di finitura. Questa differenza determina sia il tipo di macchina che la progettazione del sistema di commutazione delle modalità.

Le piastre vibranti e i compattatori a percussione sono macchine di piccole dimensioni che si occupano della compattazione in luoghi in cui un rullo di grandi dimensioni non può entrare: pendii, aree vicino a strutture, trincee di scavo strette e simili.

Nella pavimentazione in asfalto, un rullo per macadam (rullatura iniziale), un rullo tandem (rullatura di finitura) e un rullo a pneumatici (rullatura/lisciatura secondaria) vengono utilizzati in sequenza per ogni fase del processo.

1. Perché compattare: Il test di Proctor e il contenuto ottimale di umidità

La resistenza, la resistenza al cedimento e la permeabilità di un rilevato o di un sottofondo sono strettamente legate alla densità secca del terreno (la massa delle particelle di terreno per unità di volume). Nel 1933, il ricercatore americano Proctor scoprì che, quando lo stesso terreno viene compattato a diversi contenuti di umidità, la densità secca raggiunge un valore massimo a un particolare contenuto di umidità. In Giappone, per studiare questa relazione si utilizza il "test di compattazione del terreno con pestello" (un test di laboratorio conforme alla norma JIS, equivalente al test di Proctor).

Nel test, un campione di terreno viene posto in un contenitore chiamato stampo e un pestello (peso) di massa specificata viene ripetutamente lasciato cadere in caduta libera da un'altezza specificata per compattarlo. Compattando il terreno a circa 6-8 diversi contenuti di umidità e rappresentando graficamente la relazione tra contenuto di umidità e densità secca come una "curva di compattazione", si ottiene una curva a forma di montagna. Il contenuto di umidità al quale la densità secca è massimizzata è chiamato contenuto ottimale di umidità e la densità secca in quel punto è il valore ottimale. densità secca massima \rho_{d,max} . Per terreni sabbiosi grossolani e ben gradati, la curva di compattazione assume un picco pronunciato, con \rho_{d,max} tendenzialmente elevato e w_{opt} basso (come indicazione approssimativa, w_{opt} intorno all'8-20% e \rho_{d,max} intorno a 1,7-2,1 g/cm³). I terreni coesivi con un elevato contenuto di fini, al contrario, danno una curva più dolce, con \rho_{d,max} inferiore e w_{opt} superiore (come indicazione approssimativa, w_{opt} intorno al 30-70% e \rho_{d,max} intorno a 1,1-1,3 g/cm³, entrambi per il Metodo A).

In loco, lo standard di gestione è la percentuale di questa densità secca massima derivata in laboratorio che corrisponde effettivamente La densità secca del terreno compattato raggiunge un certo valore (grado di compattazione). Un terreno con un contenuto di umidità lontano dal valore ottimale non raggiungerà la densità target, indipendentemente da quanto venga aumentata la forza di eccitazione della macchina. La regolazione del contenuto di umidità tramite irrigazione o aerazione e la capacità di compattazione della macchina devono sempre essere considerate congiuntamente.

2. Il meccanismo di eccitazione di un rullo vibrante

Un rullo vibrante ha un albero rotante con un peso eccentrico (massa non bilanciata) all'interno del tamburo e genera una forza di eccitazione facendolo ruotare ad alta velocità tramite un motore. Indicando con m_e la massa del peso eccentrico, con r_e la sua distanza eccentrica dal centro di rotazione e con \omega la velocità angolare, l'ampiezza della forza centrifuga (forza di eccitazione) è

Poiché la velocità angolare \omega=2\pi f (dove f è la frequenza), maggiore è la frequenza, più bruscamente aumenta la forza di eccitazione, come il quadrato della velocità angolare. La forza che il tamburo trasmette al terreno è data dal carico statico dovuto al peso proprio del tamburo, M_{drum}g, sovrapposto a questa forza di eccitazione rotazionale, F_c\sin(\omega t). In pratica, la forza di eccitazione è spesso impostata a circa 2-3 volte il peso proprio del tamburo, il che significa che il tamburo applica periodicamente un carico dinamico sufficientemente grande da sollevarlo momentaneamente da terra.

L'ampiezza a è determinata da qualcosa di simile a

dividendo il momento statico del peso eccentrico m_e r_e per la massa equivalente M_{eq} del sistema vibrante, incluso il tamburo. Frequenza e ampiezza sono parametri che possono essere progettati e regolati indipendentemente: un'ampiezza elevata e una bassa frequenza consentono all'energia di compattazione di penetrare in profondità negli strati spessi del terreno, risultando adatta alla rullatura iniziale di strati spessi come un rilevato, mentre una piccola ampiezza e un'alta frequenza concentrano l'effetto vicino alla superficie, risultando adatta a scenari come la rullatura di finitura dell'asfalto, che richiede strati sottili e un'elevata planarità. Molte macchine attuali dispongono di modalità che commutano frequenza e ampiezza a fasi, consentendo alla stessa unità di coprire tutte le fasi, dalla sgrossatura alla rullatura di finitura.

Il modello SV160DV di Sakai Heavy Industries pubblica specifiche che mostrano una frequenza di 28,3 Hz (vibrazione elevata) e una forza di eccitazione di 343 kN, che funge da punto di riferimento per la forza di eccitazione riscontrata nei rulli vibranti di medie e grandi dimensioni per lavori di movimento terra.

3. Compattatori a piastra e battipalo: compattazione in spazi ristretti

Su pendii, aree vicino a strutture, intorno a tubazioni interrate e trincee di scavo strette – luoghi in cui un grande rullo vibrante non può entrare – i compattatori a piastra o battipalo portatili (compattatori) vengono utilizzati. Una piastra vibrante ha un meccanismo di vibrazione integrato nella parte inferiore di una piastra piatta, che si muove autonomamente avanti/indietro e lateralmente per compattare l'area. Un martello applica l'impatto rimbalzando verticalmente, risultando adatto per fori verticali stretti e per il riempimento.

La piastra vibrante MVC-40H di Mikasa Sangyo dichiara una massa di 49 kg, una forza centrifuga di 7,2 kN (730 kgf) e una frequenza di 103 Hz (6.200 volte al minuto). La sua forza di eccitazione è di un ordine di grandezza inferiore a quella di un grande rullo vibrante, ma la sua frequenza è, al contrario, più alta, a dimostrazione che è progettata per l'uso in aree ristrette, dove un operatore spinge l'unità per una compattazione fine. La massa ridotta di 49 kg è il risultato della priorità data alla movimentazione manuale e alla portabilità.

4. Rulli per asfalto: usi differenziati in base alla fase del processo

La compattazione della pavimentazione in asfalto non si completa con un singolo Macchina. Il rullo per macadam, con una ruota in acciaio anteriore e due posteriori, è pesante – con un peso proprio di circa 6-16 t – e viene utilizzato per la compattazione di pietrisco e la rullatura iniziale della miscela bituminosa. Il rullo tandem, con ruote in acciaio che coprono l'intera larghezza del veicolo sia all'anteriore che al posteriore, può rullare un'ampia area in una sola volta, risultando adatto alla rullatura di finitura. Il rullo a pneumatici, che utilizza pneumatici in gomma sia sulle ruote anteriori che posteriori, ha una distribuzione della pressione al suolo facilmente regolabile tramite la pressione dell'aria degli pneumatici e viene utilizzato per la rullatura secondaria e la levigatura della superficie. Il rullo combinato, dotato sia di ruote in acciaio che di pneumatici, copre un'ampia gamma di operazioni, dalla rullatura iniziale alla finitura, con un'unica macchina.

In cantiere, la sequenza tipica prevede la rullatura iniziale (rullo per macadam o rullo vibrante) per ottenere la maggior parte della densità, la rullatura secondaria (rullo a pneumatici) per correggere solchi e irregolarità e la rullatura di finitura (rullo tandem) per affinare la levigatezza e la consistenza della superficie. Poiché la miscela bituminosa diventa più difficile da compattare con il calo della temperatura, la tempistica della rullatura e la combinazione delle macchine sono fondamentali. Processo particolarmente rigoroso in termini di tempistiche all'interno del piano di costruzione.

5. La gamma di attrezzature di compattazione presenti nei prodotti attuali

L'ordine di grandezza della forza di eccitazione, della frequenza e della massa differisce notevolmente tra un grande rullo vibrante e una piastra vibrante portatile. Non si tratta semplicemente di "quello più grande può fare anche il lavoro più piccolo", ma dimostra che la filosofia progettuale del sistema vibrante Il valore stesso varia in base allo spessore dello strato da compattare e allo spazio di lavoro disponibile.

6. Riepilogo

Il ruolo delle attrezzature di compattazione è quello di applicare carichi ripetuti al terreno o al materiale di pavimentazione, riducendo i vuoti per raggiungere una densità secca e una capacità portante desiderate. Il contenuto di umidità ottimale e la massima densità secca, determinati dal test Proctor, forniscono il valore target per la regolazione del contenuto di umidità come obiettivo di gestione della costruzione, e la forza di eccitazione, la frequenza e l'ampiezza di un rullo vibrante sono le variabili di progettazione che determinano quanta energia dinamica raggiunge tale obiettivo e a quale profondità. Dalle piastre vibranti ai rulli per asfalto, anche se il tipo di macchina è diverso, il principio di "trasmettere il proprio peso più la forza di eccitazione al terreno, adeguata allo spessore dello strato e al tipo di terreno" è condiviso, e la selezione del modello e la sequenza dei processi in cantiere si basano su questo principio.