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Stabilizzazione a calce: chimismo dell’acqua e caratteristiche di resistenza – prima parte

La qualità dell’acqua impiegata può influenzare l’efficacia del trattamento di stabilizzazione a calce? È indispensabile procedere preliminarmente alla sua caratterizzazione chimica?

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Per la foto di sfondo, photo credit: www.ecovie.it

La seconda parte dell’articolo è pubblicata sul fascicolo n° 144 Novembre/Dicembre 2020 e online su https://www.stradeeautostrade.it/tecnologie-e-sistemi/stabilizzazione-a-calce-chimismo-dellacqua-e-caratteristiche-di-resistenza-seconda-parte/.

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.

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1. (photo credit: www.ecovie.it)

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.

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.

  • cromatografo
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    2. Il cromatografo Thermo Fisher Dionex
  • conducimetro
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    3. Il conducimetro Crison Basic 30

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 chimico-fisiche 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.

  • laboratorio
    4 pon
    4. Lo strumento OSMO 36-50-75-100 HF
  • miscela
    5 pon
    5. I contenuti in nitrati e solfati (ppm)

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 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).

  • diffrattometro
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    6. Il diffrattometro di Bragg
  • stabilizzazione
    7A pon
    7A. I diffrattogrammi ottenuti per i campioni analizzati
  • calce
    7B pon
    7B. I diffrattogrammi ottenuti per i campioni analizzati
  • terreni
    7C pon
    7C. I diffrattogrammi ottenuti per i campioni analizzati
  • campioni
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    7D. I diffrattogrammi ottenuti per i campioni analizzati

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.

  • nitrati
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    8. La determinazione del contenuto di sostanza organica
  • solfati
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    9. Il contenuto in solfati e nitrati

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.

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%.

Bibliografia

[1]. ASTM D2974 – Standard Test Methods for Determining the Water (Moisture) Content, Ash Content, and Organic Material of Peat and Other Organic Soils.

La seconda parte dell’articolo è pubblicata sul fascicolo n° 144 Novembre/Dicembre 2020 e sarà online a partire da giovedì 14 Gennaio 2021.

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