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Stabilizzazione a calce: chimismo dell’acqua e caratteristiche di resistenza
tecnologie&sistemi
STABILIZZAZIONE A CALCE:
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(Photo credit: www.ecovie.it)
LA QUALITÀ DELL’ACQUA IMPIEGATA PUÒ INFLUENZARE L’EFFICACIA DEL TRATTAMENTO DI STABILIZZAZIONE A CALCE? È INDISPENSABILE PROCEDERE PRELIMINARMENTE ALLA SUA CARATTERIZZAZIONE CHIMICA?
La tecnica di stabilizzazione a calce dei terreni, il cui scopo è migliorare il comportamento meccanico delle terre originarie - in termini di deformabilità e di resistenza, sia nel breve che nel lungo periodo - presenta numerosi vantaggi, principalmente connessi con la possibilità del riutilizzo di materiali derivanti, ad esempio, dalla realizzazione di gallerie. Nella pratica cantieristica, tuttavia, possono fisiologicamente verificarsi degli scostamenti rispetto alle previsioni progettuali a causa delle ineludibili incertezze legate alle modalità di confezionamento delle miscele. Una problematica che può presentarsi è quella legata alla natura e provenienza dell’acqua impiegata per la preparazione del terreno stabilizzato. Prima delle operazioni di cantiere è necessario procedere con opportune prove di laboratorio che consentano di caratterizzare il terreno da un punto di vista chimico e fisico e valutarne quindi l’idoneità al trattamento di stabilizzazione e, nel contempo, valutare la composizione ottimale della miscela. Nel presente studio viene valutata l’influenza del chimismo dell’acqua sui parametri di resistenza meccanica su un terreno, granulometricamente classificato come “limo argilloso”, considerando tre diverse tipologie di acque: acqua distillata, acqua erogata da acquedotto, acqua di sorgente particolarmente carica di nitrati. Parallelamente, è stata condotta un’analisi della variazione delle caratteristiche di resistenza della miscela in funzione del diverso tempo di maturazione su provini miscelati con le diverse acque ma con il medesimo tenore di calce e lasciati maturare per periodi di tempo pari a 7, 14 e 28 giorni.
IL TRATTAMENTO DEI TERRENI CON CALCE
Il trattamento dei terreni con calce è possibile con tutti i terreni argillosi, più o meno limosi, non dotati all’origine delle caratteristiche meccaniche e prestazionali richieste per la realizzazione di un’opera in terra. Il processo di miglioramento dei terreni mediante l’aggiunta di calce, per poter essere efficace, deve rispettare le indicazioni che la Normativa fornisce, in particolare per ciò che riguarda le caratteristiche del terreno. In quest’ottica riveste un’importanza fondamentale lo studio preliminare del terreno dal punto di vista della caratterizzazione fisica e chimica. Nel presente studio sono stati preparati provini di terreno miscelati con tre diverse tipologie di acqua, aventi provenienza e caratteristiche chimiche diverse, al fine di valutare l’eventuale effetto del chimismo sul processo di stabilizzazione. Preliminarmente, sulle acque utilizzate nelle successive prove, sono state eseguite analisi chimiche mediante cromatografia ionica.
1. (Photo credit: www.ecovie.it)
Il terreno naturale è stato caratterizzato sia dal punto di vista mineralogico, tramite diffrattometria ai raggi X, che chimico, mediante la determinazione del contenuto di sostanza organica e di solfati/nitrati. Successivamente, dopo l’individuazione del tenore ottimale di calce, tramite la determinazione dell’indice C.I.C. (consumo iniziale di calce), è stata condotta la classificazione geotecnica (analisi granulometrica, limiti di Atterberg). Infine, al fine di valutare l’efficacia del trattamento di stabilizzazione, sono state condotte prove di tipo meccanico (prova Proctor, prova di resistenza CBR, prova di taglio diretto) su provini preparati con le diverse tipologie di acqua e con differenti tempi di maturazione. La caratterizzazione chimica e mineralogica del terreno e l’analisi chimica sulle acque sono state condotte presso i laboratori del Dipartimento di Biologia, Ecologia e Scienze della Terra dell’Università della Calabria (DiBEST), mentre le prove geotecniche sono state eseguite presso l’Istituto Prove Geotecniche di Castrolibero (CS).
L’ANALISI CHIMICA DELLE ACQUE
Al fine di valutare l’influenza del chimismo dell’acqua sui parametri di resistenza meccanica, sono state prese in esame tre diverse tipologie di acque: acqua distillata, acqua erogata da acquedotto, acqua di sorgente particolarmente carica di nitrati. Le analisi chimiche (sull’acqua da acquedotto e di sorgente) sono state eseguite mediante cromatografia ionica, un procedimento analitico che consente la separazione delle specie chimiche presenti in una miscela, ne permette l’identificazione in modo univoco fornendone inoltre una valutazione quantitativa. Il principio su cui si basa consiste nella ripartizione che subiscono i componenti della miscela, quando questa venga posta a contatto con due fasi, dalle caratteristiche chimicofisiche diverse e per le quali tali componenti abbiano affinità differenziate. L’analisi è stata condotta con un cromatografo Thermo Fisher Dionex (Figura 2). Per effettuare l’analisi dei sali solubili in cromatografia ionica è stato necessario calcolare la conducibilità elettrica delle soluzioni attraverso l’utilizzo del conducimetro Crison Basic 30 (Figura 3). Definita la conducibilità elettrica del campione, si è proceduto all’analisi dei sali solubili in cromatografia ionica che ha permesso di quantificare la presenza di solfati e nitrati. L’acqua distillata utilizzata in fase di esecuzione delle prove è stata prodotta direttamente in laboratorio a partire dalla normale acqua della rete idrica mediante il processo di “osmosi inversa”, tecnologia che sfrutta la capacità di alcune membrane semi-permeabili di separare l’acqua dalle sostanze in essa disciolte, siano esse sali e sostanze inorganiche oppure sostanze organiche aventi specifiche caratteristiche chimiche. Lo strumento utilizzato per il processo di depurazione è l’OSMO 36-50-75-100 HF (Figura 4). La seconda tipologia di acqua utilizzata per l’esecuzione delle prove è stata prelevata direttamente dalla rete idrica. Le analisi chimiche per la determinazione delle concentrazioni di solfati e nitrati sono state effettuate su due campioni. La terza tipologia di acqua utilizzata in fase di sperimentazione è stata prelevata da una sorgente notoriamente caratterizzata da un alto contenuto in nitrati, situata nel comune di Montalto Uffugo (CS). In Figura 5 sono riportati i valori di nitrati (NO3) e solfati (SO4) rilevati per le tipologie di acque sottoposte a cromatografia ionica. Il confronto tra i risultati mostra una concentrazione di solfati molto simile nei tre campioni. Diversamente, la concentrazione di nitrati riscontrata nel campione prelevato dalla sorgente risulta estremamente elevato, specie se confrontato con i valori dell’acqua della rete idrica.
L’ANALISI MINERALOGICA DEL TERRENO MEDIANTE DIFFRATTOMETRIA A RAGGI X
La diffrattometria a raggi X è una tecnica di indagine che permette di effettuare analisi qualitative per individuare le diverse fasi mineralogiche presenti all’interno di un campione solido massivo, granulare o in polvere. La tecnica si basa sullo studio dell’interazione tra i raggi X e i cristalli che compongono il campione da esaminare. L’analisi diffrattometrica è stata effettuata per mezzo del diffrattometro di Bragg (Figura 6). Il risultato della prova è un diffrattogramma che evidenzia valori di picco in corrispondenza dei minerali argillosi. Per poter individuare il maggior numero di minerali, la prova è
2. Il cromatografo Thermo Fisher Dionex 3. Il conducimetro Crison Basic 30 4. Lo strumento OSMO 36-50-75-100 HF
STABILIZZAZIONE A CALCE
ACQUA DELLA RETE IDRICA ACQUA DI CAMPIONE 1 CAMPIONE 2 SORGENTE
NO3 1,547 1,575 82,350
SO4 6,927 6,908 7,514 5. I contenuti in nitrati e solfati (ppm)
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6. Il diffrattometro di Bragg
stata effettuata su quattro provini sottoposti a trattamenti diversi: • terreno tal quale (SC1); • terreno trattato con Glicole (SC1_GL); • terreno trattato in forno a 335 °C (SC1_335); • terreno trattato in forno a 550 °C (SC1_550). Nelle Figure 7A, 7B, 7C e 7D sono mostrati i diffrattogrammi ottenuti. L’analisi dei picchi dei diffrattogrammi ha permesso di individuare la presenza di caolinite, illite, smectite, clorite.
LA CARATTERIZZAZIONE CHIMICA DEL TERRENO
Com’è noto, l’effetto della stabilizzazione può essere ridotto dalla presenza di sostanza organica o di solfati. In alcuni casi, la sostanza organica, se presente in percentuale superiore al 3%, può ritardare o completamente inibire lo sviluppo delle reazioni pozzolaniche, rendendo i terreni non adatti alla stabilizzazione. Il contenuto di solfati può manifestarsi, invece, sul lungo termine, agendo sui prodotti delle reazioni pozzolaniche fra calce e minerali argillosi, dando potenzialmente luogo alla diminuzione della resistenza al taglio del terreno stabilizzato al crescere del tempo di maturazione. Per tale motivo, ai fini dell’efficacia del trattamento di stabilizzazione, è opportuno che esso si mantenga inferiore allo 0,3%. Per la determinazione del contenuto di sostanza organica è stato utilizzato un forno a muffola, effettuando un raffronto tra il peso di un campione prima e dopo un trattamento termico a 450 °C, secondo le indicazioni della Normativa ASTM D 2974 [1]. La prova ha fornito un contenuto di sostanza organica pari a 2,30% (Figura 8), valore ritenuto accettabile per la formazione di piani di posa di rilevati. Il contenuto di solfati (SO4--) e nitrati (NO3--) è stato determinato con una procedura analoga a quella impiegata per l’analisi chimica delle acque, misurando prima la conducibilità elettrica, risultata pari a 485μS/cm, ed eseguendo poi l’analisi cromatografica per la valutazione della presenza di anioni.
ACQUA DELLA RETE IDRICA 1A MISURA 2A MISURA
Massa del campione secco (g) Massa del campione incenerito (g) 50,0
48,8 50,0
48,9
Contenuto in cenere (%) 97,60 97,80
Contenuto in sostanza organica (%) 2,30 8. La determinazione del contenuto di sostanza organica
7A, 7B, 7C e 7D. I diffrattogrammi ottenuti per i campioni analizzati
STABILIZZAZIONE A CALCE
ppm
SOLFATI (SO4--) NITRATI (NO3--) 239 assenti
9. Il contenuto in solfati e nitrati
I risultati sono riassunti in Figura 9, dalla quale può evincersi che il valore ottenuto per i solfati risulta alquanto elevato, pur mantenendosi < 0,3%.
Secondo la Norma ASTM D 6276-99a [2], nota anche come test del pH di Eades & Grim, il contenuto minimo di calce identificato per la stabilizzazione del suolo è quello fornito da un campione che produce un pH di 12,4. Sono stati preparati e sottoposti a misurazione del pH tre diversi campioni con percentuali dell’1%, 2% e 3% di Ca(OH)2. Il C.I.C. è risultato pari al 2% (Figura 10), tenore di calce, successivamente utilizzato per la sperimentazione.
L’ANALISI GRANULOMETRICA
L’analisi granulometrica, per stacciatura e sedimentazione, è stata eseguita sia sul terreno naturale sia sul terreno trattato con il 2% di calce con lo scopo di verificare la composizione granulometrica dei due campioni, secondo le specifiche della Norma UNI CEN ISO/TS 17892-4 [3]. Per entrambi i campioni, la classificazione granulometrica è risultata essere Limo con Argilla Sabbioso, presentando il terreno stabilizzato, rispetto al terreno naturale, una diminuzione di dell’1% di argilla e un aumento della stessa quantità di limo. In Figura 11 sono riportate entrambe le curve granulometriche ottenute.
LA DETERMINAZIONE DEI LIMITI DI ATTERBERG
Al fine di valutare la variazione degli indici di plasticità e di attività in conseguenza del trattamento di stabilizzazione, sia per il terreno al naturale che per quello miscelato con calce, sono stati determinati i valori del limite liquido e del limite plastico, in accordo con le Norme CNR-UNI 10014.64 [4]. In Figura 12 sono riportate le determinazioni del limite liquido per entrambi i terreni. In Figura 13 sono riportati i valori ottenuti per i limiti di plasticità e di liquidità e per gli indici di plasticità e di attività. Com’è possibile osservare, sia l’indice di plasticità che l’indice di attività subiscono un decremento in conseguenza del trattamento a calce.
LA PROVA DI TAGLIO DIRETTO
Il terreno oggetto di studio, al naturale e miscelato con il 2% di calce, è stato sottoposto a prova di taglio diretto, applicando, sia in fase di consolidazione che di rottura, un carico verticale σ v di 98,1 kPa, 196,1 kPa, 294,2 kPa (Normativa di riferimento: UNI CEN ISO/TS 17892-10 [5]). In Figura 14 sono mostrati gli inviluppi di rottura di Mohr-Coulomb ottenuti, mentre in Figura 15 sono riportati i valori dei parametri di resistenza ottenuti. È possibile osservare come il trattamento a calce conduca ad un aumento sia della coesione che, meno marcatamente, dell’angolo d’attrito.
LA PROVA PROCTOR MODIFICATA
Al fine di ottenere la percentuale ottimale di acqua (WOPT%) che fornisce il massimo grado di compattazione alla miscela (gd max), nel presente studio sono state eseguite prove Proctor sul terreno naturale e sul ter-
10. La determinazione del C.I.C. 12. I limiti di liquidità (colore nero = terreno naturale; colore rosso = terreno +2% Ca(OH)2)
WL (%) WP (%) IP (%) A Terreno naturale 33,51 23,25 10,26 0,33 Terreno naturale + 2% calce 34,64 25,83 8,81 0,28
13. I limiti di Atterberg e gli indici di plasticità e di attività
11. Le curve granulometriche (colore nero = terreno naturale; colore rosso = terreno +2% Ca(OH)2)
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14. Gli inviluppi di rottura (colore nero = terreno naturale; colore rosso = terreno +2% Ca(OH)2)
16. La determinazione di W opt tramite la prova Proctor
COESIONE (kPa)
Terreno naturale 8,505 Terreno naturale + 2% calce 11,377
15. I parametri di resistenza al taglio
ANGOLO DI ATTRITO (°) 27,22
28,82
reno miscelato con il 2% di calce variando, nel caso del terreno miscelato, la tipologia di acqua. Il processo di costipamento è stato condotto mediante prova Proctor Modificata, eseguita secondo la procedura CNR XII/69 [6], utilizzando la fustella da 944 cm3 . Per ciascun campione, sono stati preparati cinque provini con diversi gradi di umidità. Nelle Figure 16 e 17 sono riportati i risultati ottenuti per ciascun campione in termini di contenuto d’acqua ottimale.
LA DETERMINAZIONE DELL’INDICE CBR
La determinazione dell’indice di portanza californiano CBR consente di ottenere una misura della capacità portante di un terreno, in determinate condizioni di densità e umidità. Noti i valori del tenore d’acqua ottimale per i diversi campioni forniti dalla prova Proctor, sono stati calcolati gli indici di portanza californiana CBR per il campione naturale e per il campione miscelato a calce con tre diverse tipologie di acqua: acqua distillata, acqua della rete idrica, acqua di sorgente. La prova è stata effettuata secondo le indicazioni della CNR UNI 10009 [7], previo costipamento. I provini miscelati con calce con le diverse acque considerate sono stati sottoposti a prova con diversi tempi di maturazione (7, 14 e 28 giorni in condizioni protette e quattro giorni di imbibizione per ogni periodo). Nella Figura 18A è mostrato l’andamento della curva carico/penetrazione per il campione di terreno naturale. Nelle Figure 18B, 18C e 18D sono riportate le analoghe curve ottenute per i campioni stabilizzati con il 2% di Ca(OH)2 miscelati con i diversi tipi di acqua e per i diversi tempi di maturazione. Nelle Figure 19 e 20 sono riepilogati i valori dell’indice CBR per tutti i provini esaminati, per ogni tipologia di acqua e per ogni tempo di maturazione. Come si evince dai risultati, il processo di stabilizzazione ha considerevolmente incrementato i valori dell’indice CBR, passato dal 12,50% del terreno naturale al 35% per il terreno stabilizzato miscelato con acqua di sorgente e con un tempo di maturazione di 28 giorni. Dalla Figura 20 è inoltre evidente come l’aumentare del periodo di maturazione produca un incremento dell’indice di portanza, più marcato per le miscele confezionate con acqua di sorgente. Da un punto di vista qualitativo, considerando la variazione dell’indice CBR al variare del tipo di acqua a parità di tempo di maturazione, si può osservare come non emerga una tendenza chiara: infatti, per un tempo di maturazione di sette giorni, l’indice diminuisce passando dall’acqua distillata a quella di sorgente, ricca in nitrati, mentre a 14 e 28 giorni si osserva dapprima una diminuzione dell’indice CBR, seguita, successivamente, da un incremento del suo valore.
CONCLUSIONI
La sperimentazione condotta, la cui finalità ultima era quella di valutare l’influenza del chimismo dell’acqua sulle prestazioni di un terreno stabilizzato a calce, ha fornito risultati di interesse, soprattutto ai fini della pratica cantieristica. Il terreno sottoposto al trattamento con il 2% di Ca(OH)2 ha mostrato una minima variazione dal punto di vista granulometrico, una diminuzione degli indici di plasticità e attività e un aumento dei parametri di resistenza al taglio rispetto al terreno tal quale.
TERRENO NATURALE TERRENO NATURALE + 2% CALCE + H2O DISTILLATA TERRENO NATURALE + 2% CALCE + H2O RETE IDRICA TERRENO NATURALE + 2% CALCE + H2O SORGENTE
Wopt (%) 10% gd (g/cm3) 1,931
17. I risultati della prova Proctor 12%
1,911 12%
1,916 12%
1,911
STABILIZZAZIONE A CALCE
18A, 18B, 18C e 18D. La curva carico/penetrazione per i diversi tipi di campione: naturale (18A), stabilizzato e miscelato con acqua distillata (18B), stabilizzato e miscelato con acqua della rete idrica (18C) e stabilizzato e miscelato con acqua di sorgente (18D)
Gli indici di portanza CBR, valutati sui provini trattati miscelati con le acque di differente chimismo e lasciati maturare per 7, 14 e 28 giorni, hanno mostrato un sensibile miglioramento della portanza rispetto al terreno tal quale, mentre non è emersa una chiara linea di tendenza rispetto alla qualità dell’acqua impiegata. Tale ultimo risultato indica come, nella pratica esecutiva, maggiore rilevanza, rispetto al chimismo dell’acqua di miscelazione, assumano gli aspetti legati al tenore di calce e ai tempi di maturazione. Si evidenzia, infine, l’importanza dei controlli ex post, finalizzati alla valutazione di eventuali discostamenti dei parametri di resistenza rispetto ai valori di laboratorio. n
20. La variazione dell’indice CBR con il tempo di maturazione per i vari tipi di acqua (colore blu = 7 giorni; colore rosso = 14 giorni; colore verde = 28 giorni)
PROVINO NATURALE: 12,50%
Provini stabilizzati con il 2% di calce Tipologia di acqua Acqua distillata Acqua rete idrica Acqua sorgente
Periodo di maturazione
7 giorni 26,47% 21,47% 20,49% 14 giorni 29,51% 24,22% 25,49% 28 giorni 32,01% 30,49% 35,00% 19. I valori dell’indice CBR ottenuti (1) Ingegnere Geotecnico, Ricercatore in Geologia applicata del Dipartimento di Biologia, Ecologia e Scienze della Terra presso l’Università della Calabria (2) Ingegnere Ambientale Libero Professionista (3) Geologo presso l’I.P.G. Istituto Prove Geotecniche
Bibliografia
[1]. ASTM D2974 - Standard Test Methods for Determining the Water (Moisture) Content, Ash Content, and Organic Material of Peat and
Other Organic Soils. [2]. ASTM D6276 - 99a - Standard Test Method for Using pH to Estimate the Soil-Lime Proportion Requirement for Soil Stabilization. [3]. UNI CEN ISO/TS 17892-4:2005 - Indagini e prove geotecniche - Prove di laboratorio sui terreni - Parte 4: Determinazione della distribuzione granulometrica. [4]. CNR UNI 10014:1964 - Prove sulle terre. Determinazione dei limiti di consistenza (o di Atterberg) di una terra. [5]. UNI CEN ISO/TS 17892-10:2005 - Indagini e prove geotecniche -
Prove di laboratorio sui terreni - Parte 10: Prove di taglio diretto. [6]. CNR ANNO XII N°69, 1978 - Prova di costipamento. [7]. CNR UNI 10009:1964 - Prove sui materiali stradali. Indice di portanza CBR di una terra.
