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La tecnica della stabilizzazione a calce dei terreni – prima parte

L’importanza di un’accurata valutazione delle caratteristiche granulometriche dei terreni da trattare per una tecnica sempre più largamente utilizzata e ambientalmente “sostenibile”: uno studio sperimentale sull’applicabilità

sfondo cal

La seconda parte dell’articolo, proposta su “S&A” n° 142 Luglio/Agosto 2020, è online su https://www.stradeeautostrade.it/tecnologie-e-sistemi/la-tecnica-della-stabilizzazione-a-calce-dei-terreni-seconda-parte/.

Il processo di stabilizzazione di terre con calce è noto fin dall’antichità. Fu impiegato per la costruzione della Grande Muraglia cinese (250 a.C.), fu utilizzato dai Romani per alcuni tratti della Via Appia, fu studiato negli Stati Uniti nei primi decenni del Novecento e, a partire dal primo Dopoguerra (anni Cinquanta), trovò largo impiego nei Paesi anglosassoni, in Germania e in Francia.

In Italia, la tecnica della stabilizzazione a calce dei terreni è attualmente ancora relativamente poco diffusa a causa dei costi eccessivi richiesti per gli studi teorici e di laboratorio necessari per l’applicazione di tale tecnologia.

L’esigenza di limitare lo sfruttamento delle cave esistenti, evitando il rapido esaurimento di materie prime non rinnovabili costituite da “inerti di pregio” (misto frantumato, ghiaia e sabbia), sempre più rari e costosi, nonché gli oneri economici legati allo smaltimento delle terre da scavo, spinge verso scelte maggiormente “sostenibili”, sia da un punto di vista economico che ambientale.

La tecnica della stabilizzazione a calce dei terreni può fornire un’adeguata risposta a tale esigenza, consentendo l’impiego di terreni con una forte componente argillosa (> 35% in peso), dalle scarse caratteristiche fisico-meccaniche e, perciò, destinati al conferimento a rifiuto, rendendoli idonei per l’impiego nell’ambito della realizzazione di opere stradali e ferroviarie.

Tuttavia, è necessario eseguire preliminarmente accurate analisi di laboratorio finalizzate all’individuazione delle esatte percentuali della miscela terra-calce da utilizzare, in grado di produrre i desiderati miglioramenti delle prestazioni meccaniche, sia in termini di deformabilità che di resistenza meccanica.

Infatti, errate valutazioni sulle caratteristiche fisico-meccaniche dei terreni stabilizzati possono condurre, da un lato, al manifestarsi di cedimenti di entità superiore a quella prevista in fase di progetto, dall’altro, alla sottostima delle sollecitazioni che si instaurano all’interno del terreno, determinando, potenzialmente, situazioni di instabilità delle opere.

Muraglia cinese
1. Il processo di stabilizzazione di terre con calce è noto fin dall’antichità poiché fu impiegato anche per la costruzione della Grande Muraglia cinese (250 a.C.)

Lo scopo del presente studio è valutare l’influenza della granulometria sui parametri fisico-meccanici di tre differenti miscele terreno-calce.

La stabilizzazione può essere definita come il consolidamento permanente di un suolo mediante materiali adatti ad aumentare la sua capacità portante e la sua resistenza meccanica, diminuendo la sua sensibilità all’azione dell’acqua e al cambiamento di volume durante cicli di imbibizione e asciugatura.

Lo scopo della stabilizzazione è di rendere fruibile un terreno, migliorandone le caratteristiche fisiche, chimiche, meccaniche e aumentando nel tempo la conservazione delle sue proprietà, mediante la miscelazione con un legante idraulico (calce).

Il trattamento con calce “viva” (CaO, adatto a terreni umidi) o calce “idrata” (Ca(OH)2, adatto a terreni asciutti) di un sistema costituito da suolo e acqua provoca vari fenomeni chimico-fisici, concomitanti o consecutivi tra loro, che determinano modifiche permanenti, microscopiche e macroscopiche, e causano variazioni nelle caratteristiche fisico-meccaniche, attivando un processo di reazioni chimiche che porta a un prodotto più stabile con effetti sia a breve che a lungo termine.

In particolare, all’aggiunta del terreno con calce e acqua si verificano due diverse reazioni chimiche che producono effetti su scale temporali diverse [1]: il primo effetto, detto “modifica”, si sviluppa in pochi giorni e provoca la flocculazione dei granelli del terreno [2], con una conseguente riduzione della quantità di frazione fine e della compressibilità; il secondo, detto “stabilizzazione”, avviene a lungo termine attraverso reazioni pozzolaniche, con la formazione di legami di cementazione.

Gli aspetti più rilevanti dei cambiamenti strutturali che avvengono nella miscela terra-calce sono i seguenti:

  • variazioni nel contenuto di acqua naturale, principalmente a causa della reazione esotermica della calce, particolarmente evidente quando si usa la calce viva (CaO);
  • variazione della distribuzione granulometrica e dell’indice di plasticità, dovuta all’aggregazione delle particelle di argilla e alla conseguente riduzione della frazione fine;
  • variazione delle caratteristiche di compattazione, dovuta all’aumento del valore di umidità ottimale e alla diminuzione del valore della massima densità del suolo;
  • variazione delle caratteristiche meccaniche: riduzione della compressibilità e aumento della resistenza al taglio del terreno;
  • durabilità sotto l’azione di acqua e gelo.

Preliminarmente, è necessaria una prima fase di prequalifica del materiale per verificarne l’idoneità al trattamento. In particolare, tale fase prevede:

  • la classificazione dei suoli secondo la Norma CNR-UNI 10006 “Costruzione e manutenzione di strade”, che richiede due prove: l’analisi granulometrica e la determinazione dei limiti di Atterberg;
  • l’analisi delle caratteristiche chimiche, che ha un duplice scopo: valutare l’attitudine del terreno per il trattamento con leganti idraulici e fornire una prima indicazione sulla quantità di calce necessaria per il trattamento.

L’idoneità di un terreno da stabilizzare con la calce dipende in gran parte dalla quantità e dal tipo di frazione argillosa presente. In generale, l’efficacia della stabilizzazione della calce aumenta con la plasticità del terreno.

  • caratteristiche granulometriche
    2 cal
    2. Il pHmetro Crison Basic 20
  • stabilizzazione a calce
    3 cal
    3. La determinazione del C.I.C. per i campioni A, B e C

Poiché l’effetto di stabilizzazione può essere ridotto dalla presenza di sostanza organica o solfati, il materiale organico potenzialmente dannoso deve essere inferiore al 3-4%, mentre la percentuale non nociva di solfati deve essere inferiore allo 0,3%.

Al fine di valutare l’influenza della dimensione delle particelle sui parametri fisici e di deformabilità e resistenza meccanica, sono state preparate miscele con diverse percentuali di calce su tre campioni di terreno di differente granulometria:

  • argilla con limo;
  • sabbia ghiaiosa debolmente limosa;
  • sabbia argillosa debolmente ghiaiosa.

Sui campioni, sia al naturale che miscelati con calce, sono stati effettuati i seguenti test:

  • determinazione del Consumo Iniziale di Calce (C.I.C.);
  • determinazione del contenuto di sostanza organica;
  • determinazione del contenuto di solfati e nitrati;
  • analisi granulometrica;
  • determinazione dei limiti di Atterberg;
  • prova di taglio diretto;
  • prova Proctor modificata;
  • determinazione dell’indice CBR.

Le analisi geotecniche sono state condotte presso l’Istituto Prove Geotecniche (I.P.G.) di Castrolibero (CS), mentre le analisi chimiche presso il laboratorio del Dipartimento di Biologia, Ecologia e Scienze della Terra (DiBEST) dell’Università della Calabria. 

Le prove di laboratorio 

La determinazione del Consumo Iniziale di Calce (C.I.C.)

Preliminarmente, è stato determinato il Consumo Iniziale di Calce (C.I.C.) utilizzando campioni con diverse percentuali di calce; il contenuto minimo identificato per la stabilizzazione del suolo è quello fornito dal campione che produce un pH di 12,4, secondo la Norma ASTM D 6276-99a: 2006, nota anche come “test del pH di Eades & Grim”.

Il pH per ciascun campione è stato misurato per mezzo di un pHmetro Crison Basic 20 (Figura 2 sopra).

Sono state preparate le seguenti miscele:

  • campione A con 1%, 2%, 3% di Ca(OH)2;
  • campione B con 1%, 2%, 4% di Ca(OH)2;
  • campione C con 1%, 2%, 4% di Ca(OH)2.

In Figura 3 (sopra) sono riportati i risultati ottenuti per ogni campione e per ogni percentuale di Ca(OH)2.

  • sostanza organica
    4 cal
    4. Il forno a muffola
  • sostenibile
    5 cal
    5. I contenuti (%) di sostanza organica per i campioni A, B e C

Il C.I.C. per i diversi campioni è risultato:

  • campione A: 2% di Ca(OH)2;
  • campione B: 1% di Ca(OH)2;
  • campione C: 1,8% di Ca(OH)2.

In termini operativi, per la stabilizzazione è stato utilizzato un minimo quantitativo di calce pari al 2% per tutti i campioni.

La determinazione del contenuto di sostanza organica

Per definire meglio l’idoneità del terreno da trattare con la calce, è necessario identificare l’eventuale presenza di materiale organico potenzialmente dannoso, che deve essere inferiore al 3-4% per non interferire con il trattamento di stabilizzazione.

La determinazione del contenuto di sostanze organiche è stata eseguita utilizzando un forno a muffola (Figura 4 sopra), portando un campione di 10 g, precedentemente essiccato, fino alla temperatura di 750 °C ed effettuando un raffronto tra il peso finale e quello iniziale. Nella Figura 5 (sopra) sono riportati i risultati ottenuti.

La determinazione del contenuto di solfati e nitrati

I contenuti di solfati (SO4–) e nitrati (NO3–) delle miscele sono stati determinati poiché può accadere che il calcio contenuto nella calce reagisca con i solfati e i nitrati formando nuovi minerali, causando una diminuzione della quantità di calce come composto solubile destinato alla flocculazione delle particelle.

In via preliminare, è stata determinata la conducibilità elettrica dei campioni. Le misure sono state eseguite con un conducimetro Crison 30 (Figura 6) a una temperatura di 20 °C.

In Figura 7 sono riportati i valori rilevati della conducibilità elettrica. Una volta noti i valori di conducibilità elettrica, è stata eseguita l’analisi dei sali solubili (anioni e cationi) utilizzando un cromatografo Dionex DX-120 (Figura 8).

I risultati ottenuti per gli anioni sono riportati in Figura 9. Si può osservare che nessuno dei campioni analizzati presenta percentuali significative di solfati e nitrati, per cui non vi sono fattori chimici che limitino la flocculazione delle particelle. 

  • tecnologia
    6 cal
    6. Il conducimetro Crison 30
  • terre da scavo
    7 cal
    7. I valori della conducibilità elettrica per i campioni A, B e C
  • rifiuto
    8 cal
    8. Il cromatografo Dionex DX-120
  • granulometria
    9 cal
    9. Le percentuali degli anioni presenti nei campioni A, B e C
L’analisi granulometrica

L’analisi granulometrica è stata condotta per i tre campioni studiati prima della miscelazione con calce, sia per stacciatura che per sedimentazione (Figure 10A e 10B).

Nella Figura 11 sono riportate le curve granulometriche ottenute. Nota la composizione granulometrica dei campioni A, B e C nel loro stato naturale, è stata preparata una miscela per ogni campione con il 2% di calce.

Una volta definite le miscele di prova, sono state eseguite le analisi granulometriche per sedimentazione per analizzare i cambiamenti fisici nel terreno mescolato con calce (Figure 12A, 12B e 12C).

Il campione A mostra una diminuzione della percentuale di argilla a favore di quella limosa, il che consente di ottenere un terreno diverso dal punto di vista granulometrico, passando da “argilla con limo” (in condizioni naturali) a “limo con argilla” (in presenza di calce).

I campioni B e C mostrano, invece, una diminuzione trascurabile della già scarsa componente argillosa.

  • stacciatura
    10A cal
    10A. L’analisi granulometrica per stacciatura
  • sedimentazione
    10B cal
    10B. L’analisi granulometrica per sedimentazione
  • miscelazione
    11 cal
    11. Le curve granulometriche dei campioni A, B, C prima della miscelazione con calce
  • cromatografo
    12A cal
    12A. La curva granulometrica del campione A miscelato con il 2% di calce
  • conducibilità elettrica
    12B cal
    12B. La curva granulometrica del campione B miscelato con il 2% di calce
  • conducimetro
    12C cal
    12C. La curva granulometrica del campione C miscelato con il 2% di calce

Bibliografia

[1]. D.I. Boardman, S. Glendinning, C.D.F. Rogers – “Development of stabilisation and solidification in lime-clay mixes”, Geotechnique, 533-543, 2001.

[2]. H.M. Greaves – “An introduction to lime stabilization. Proceedings, seminar on lime stabilization”, Loughborough University, Thomas Telford, London, pp. 5-12, 1996.

La seconda parte dell’articolo è online da mercoledì 16 Settembre.

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