capitolo iii 3. modalita` di preparazione del materiale
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capitolo iii 3. modalita` di preparazione del materiale
Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale CAPITOLO III 3. MODALITA’ DI PREPARAZIONE DEL MATERIALE 3.1 INTRODUZIONE Le tecniche adoperate per preparare il materiale oggetto di studio, costituiscono l’argomento intorno al quale si sviluppa questa sezione della tesi. In un lavoro di ricerca prevalentemente sperimentale, è infatti necessario prestare particolare attenzione alla descrizione delle procedure di laboratorio adoperate, oltre che, alla descrizione delle apparecchiature che sono state utilizzate. E’ evidente che, su materiali preparati artificialmente, le modalità di preparazione possono avere un ruolo determinante sul comportamento osservato, così come un peso non trascurabile è rappresentato dalle sequenze di prova, di cui si darà conto nel prossimo capitolo. Essendo obiettivo di questa ricerca valutare il comportamento meccanico di un materiale costipato ed addizionato con bentonite, portato successivamente in condizioni di totale saturazione, in questo capitolo saranno descritte nel dettaglio sia le procedure di costipamento che di addizionamento e di saturazione. Al fine di studiare gli effetti meccanici della compattazione è stato utilizzato come materiale di riferimento il materiale preparato per sedimentazione, secondo una tecnica che è descritta sempre in questo capitolo. 3.2 CONSIDERAZIONI PRELIMINARI PREPARAZIONE DEI PROVINI COSTIPATI SUI SISTEMI DI A monte dell' adozione di una particolare tecnica di preparazione del materiale, è stato effettuato uno studio delle metodologie, riportate in letteratura, relative alla preparazione di provini costipati e che è qui di seguito, sinteticamente riportato. Si noti che tra queste, solo alcune tecniche sono appropriate per riprodurre in laboratorio, quanto più fedelmente possibile, quelle che sono le caratteristiche strutturali dei terreni naturali non facilmente campionabili, mentre altre, sono mirate all' analisi sperimentale dei terreni utilizzati come materiale da costruzione. Dalla letteratura reperita emergono due criteri generali per preparare campioni costipati: il primo prevede di preparare il materiale ad un' assegnata densità secca o ad un assegnato indice dei vuoti, indipendentemente dall’energia di compattazione necessaria, il secondo 3-1 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale viceversa, si basa esclusivamente sul fornire al terreno un’energia di compattazione prefissata. Il primo criterio è facilmente perseguibile, una volta che si è fissata la densità del materiale e note che siano le dimensioni della fustella entro cui si prepara il campione. Per il secondo criterio è indispensabile invece seguire delle procedure standardizzate, poiché esse condizioneranno direttamente la densità che sarà raggiunta del materiale. La procedura utilizzata nella presente ricerca, tende ad adottare contemporaneamente entrambi i metodi. Quanto poi alle tecniche specifiche, esse variano secondo la capacità o meno del materiale di autosostenersi e di essere maneggiato con facilità e quindi sono legate alle sue caratteristiche di plasticità, al contenuto d’acqua e alla densità cui lo si vuole preparare. I sistemi più comunemente adottati prevedono di utilizzare un "formacampioni" avente le dimensioni interne pari a quelle del provino. In altri casi i provini sono tagliati da blocchi più grandi di materiale compattato. E’ giocoforza sottolineare come, pur richiamandosi ad alcuni criteri generali comuni, in ogni lavoro di ricerca analizzato vengono adottate delle procedure di preparazione del materiale "personalizzate". I metodi di compattazione che generalmente sono riportati in letteratura, possono essere sostanzialmente raggruppati in quattro classi. In primo luogo esistono sistemi di compattazione di tipo statico che prevedono di addensare il materiale per mezzo della pressione fornita da un pistone, e sistemando il materiale in strati successivi in un formacampioni aventi le dimensioni interne pari a quelle del provino (ASTM D2850-87; Daniel e Olson, 1974; Wilson, 1970; Ciu, 1993). Esistono poi metodi del tipo “a deposizione” che comprendono due sottoinsiemi. Il primo è la deposizione pluviale in acqua (ASTM D3999-91) che consiste nel saturare il terreno in un contenitore, versarlo in una membrana piena d' acqua, sistemata in un formacampioni ed addensare il terreno tramite la vibrazione, in modo da simulare il processo di formazione dei terreni per sedimentazione. Il secondo è il metodo della crivellatura (screening) a secco che consiste nel versare una sabbia asciutta uniforme in un tubo, alla cui estremità è sistemato uno staccio. Sollevando il tubo, la sabbia viene a depositarsi all' interno di una membrana, tesa per mezzo di un formacampioni (ASTM D3999-91; Miura e Toki ,1982; Lo Presti et al., 1993). Il terzo tipo di procedura è il metodo della vibrazione, che consiste generalmente nel sistemare diversi strati di materiale, secco o umido, in un formacampioni dotato di membrana, e sistemato sul piatto inferiore della cella triassiale. Dopo aver sistemato l' ultimo strato si vibra tutto il provino per raggiungere la densità desiderata (ASTM D3999-91; Mulilis et al., 1977). Esistono infine una serie di procedure classificabili come “compattazione ad impatto” (ASTM D2850-87; ASTM D4015-87; ASTM D4015-87; Daniel e Olson, 1974; Mulilis 3-2 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale et al., 1977; Tatsuoka et al., 1979) in cui gli strati di materiale vengono addensati a seguito dei colpi forniti da un pestello. I colpi possono essere forniti sulla superficie superiore del terreno, all’interno del terreno ovvero sulla superficie laterale del formacampioni (v. Fig. 3-1 da Tatsuoka et al., 1979). E’ a quest’ultima classe che appartengono i metodi di preparazione adottati nella presente ricerca. Va anticipato fin da ora, che la metodologia di preparazione del materiale adottata, ne sembra influenzare alcuni aspetti particolari del comportamento meccanico. Ciò è confermato da quelle che sono alcune indicazioni che emergono da un' analisi della letteratura geotecnica, secondo la quale, per alcuni materiali, alcune proprietà meccaniche non dipendono dalle modalità di preparazione mentre altre ne sono fortemente influenzate. Ad esempio, confrontando il metodo della deposizione pluviale a stacci multipli con altri metodi di preparazione, quali deposizione pluviale da un contenitore e compattazione ad impatto, è possibile dimostrare (Miura e Toki, 1982) la notevole influenza che i metodi di preparazione hanno sulle caratteristiche meccaniche delle sabbie ed in particolare sulla dilatanza e sulla anisotropia strutturale. Nell' analizzare le caratteristiche di liquefazione di alcune sabbie, è possibile osservare (Ladd, 1977) l' influenza non trascurabile dei metodi di preparazione adoperati sulla stabilità ciclica del materiale, cosa che è rilevata anche in altri lavori di ricerca (Mulilis et al., 1977) secondo cui, le caratteristiche di liquefazione di campioni di sabbie sature, ricostituite attraverso diverse procedure di compattazione ma alla stessa densità, possono essere significativamente diverse. E’ interessante osservare che, in uno studio mirato a valutare l' influenza sul comportamento meccanico della struttura iniziale delle miscele compattate di sabbia e bentonite RBM, cui si è fatto riferimento nel capitolo 2 (Wan et al., 1990), si rileva come la compressibilità e la risposta tensione-deformazione del materiale sia fortemente influenzata dalle tecniche di preparazione dei provini di laboratorio, pur rimanendo immutato il valore dell' angolo di attrito ultimo. D' altronde, sempre nell' ambito delle miscele compattate di sabbia e bentonite si può osservare (Kenney et al., 1992) che la modalità di mescolamento degli "ingredienti" e di aggiunta dell' acqua, e quindi i caratteri di omogeneità tessiturale, assumono un rilievo primario sulle caratteristiche di compattazione e di permeabilità. Di contro, il modulo di taglio ed il fattore di smorzamento della Toyoura sand, ricavati in un ampio intervallo deformativo tramite prove di colonna risonante e di taglio torsionale, risultano pressoché indipendenti dai numerosi metodi di preparazione adottati (Tatsuoka et al., 1979). Inoltre, le sovrappressioni neutre che si sviluppano nelle sabbie pulite a seguito di deformazioni cicliche (Ladd et al., 1989), sono indipendenti dalla struttura iniziale del materiale. 3-3 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale 3.3 TRATTAMENTO PRELIMINARE DEL MATERIALE Il materiale oggetto di studio in questa tesi, è un materiale proveniente da una cava. Per ottenere il materiale adoperato nella sperimentazione, è stato necessario eseguire su di esso alcune operazioni preliminari. In primo luogo, è stata eseguita una disgregazione grossolana delle parti raggrumate tramite pestellatura. Il materiale è stato poi accuratamente mescolato e, dal totale, è stato estratto un campione di oltre 27 kg, rappresentativo del tutto, tramite quartazione. Per ricostruire la granulometria del materiale inviato, tale campione è stato separato nelle sue frazioni granulometriche, totalmente per le frazioni di diametro maggiore, e con riferimento a circa 300 grammi rappresentativi del terreno per il passante allo staccio di 2 mm. Fino allo staccio di 2 mm, il materiale trattenuto ad ogni diametro è stato disgregato tramite un pestello di marmo, applicando sulle particelle esclusivamente un' azione di tipo torsionale, di modo che esse si separino tra di loro senza rompersi (v. es. ASTM D42185). Il materiale di cava, è risultato omogeneo da punto di vista granulometrico e classificabile come una sabbia ghiaiosa, limosa ed argillosa, come sarà meglio specificato nel successivo § 5.2.2. Tale materiale presenta quindi dimensioni massime delle particelle tanto elevate (dmax=30 mm) da pregiudicare l' esecuzione di prove meccaniche con apparecchiature di dimensioni usuali. In diverse norme e raccomandazioni è infatti richiesto che il diametro massimo delle particelle di terreno da provare, sia minore di 1/6 del diametro del provino. Tale restrizione è legata al fatto che un provino di laboratorio deve essere visto come un mezzo continuo e tale da poter essere trattato come un singolo elemento, ovvero analizzato come un semplice problema al contorno (Yudhbid e Muir Wood, 1989). Per tale ragione, considerando che le apparecchiature prevalentemente adoperate per la sperimentazione richiedono provini di diametro di circa 35 mm, è stata eliminata la frazione ghiaiosa, limitando il diametro massimo delle particelle a 2 mm. Per ottenere infine il materiale di prova, sono state modificate le proporzioni sul totale della frazione granulometrica [0.4¸2 mm], e di conseguenza della frazione < 0.4 mm, in modo da ottenere un materiale granulometricamente analogo a quello effettivamente utilizzato nella realizzazione del nucleo della diga sul fiume Metramo1. 1 Va sottolineato che la significatività di tali scelte non condiziona gli obiettivi della tesi, in cui non si è voluto vincolare lo studio del comportamento del materiale a quello del nucleo della diga del Metramo. 3-4 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale 3.4 PREPARAZIONE DEL MATERIALE COSTIPATO Il criterio generale adottato per preparare i provini di materiale costipato è stato quello di compattare il materiale in un contenitore standard (ad esempio quello dell' apparato del Proctor) e, di seguire le procedure relative al prelievo di provini indisturbati, così come si fa a partire da un blocco di terreno naturale. In tale ambito (Head, 1992) possono seguirsi due strade: la prima è quella di campionare il terreno con tre o quattro fustelle contemporaneamente all' estrusione del materiale dal contenitore, la seconda è quella di estrudere il terreno dal contenitore e preparare il singolo provino tagliandolo a mano. 3.4.1 PROCEDURE SEGUITE PRESSO L’UNIVERSITA’ DI NAPOLI Note che siano le caratteristiche di contenuto d’acqua e densità secca richieste, è data la quantità di terreno umido da costipare in una fustella di volume noto. Tale quantità di terreno, incrementata di almeno un 10% necessario per controllare il contenuto d’acqua iniziale, è lasciata in un contenitore chiuso per almeno sedici ore in modo da ottenere una distribuzione quanto più possibile uniforme del contenuto d' acqua, come consigliato in letteratura. Il materiale così ottenuto, viene costipato in cinque strati, per mezzo dell’apparecchiatura predisposta per eseguire le prove di tipo Proctor modificato utilizzando un martello meccanico (ASTM D1557-91), fornendo al terreno un' energia per unità di volume pari a 2700 kN-m/m3. Tale energia viene prodotta colpendo in maniera uniforme ogni strato di terreno per venticinque volte con un martello dal diametro di 5.1 cm e dal peso di 44.5 N (4.54 kg) che cade da un' altezza di 45.7 cm. Per evitare che la compattazione degli strati successivi addensi ulteriormente gli strati sottostanti, è stata adottata la tecnica della sottocompattazione (Ladd, 1978). Tale tecnica è stata applicata in maniera semiempirica, facendo variare la quantità di materiale relativa ad ogni stato delle seguenti percentuali: +5%; +3%; 0%; -3%; -5%, rispetto al valor medio del peso di ogni strato. Il materiale costipato viene fustellato con saturatori a volume costante, dalle dimensioni pari a quelle dei provini utilizzati. Tali saturatori sono costituiti da un cilindro in acciaio (di diametro d=35.5 mm ed altezza h=72 mm), recante in corrispondenza delle basi due pietre porose in ottone forato, bloccate da un' intelaiatura d' acciaio costituita da una coppia di basi anulari e aste filettate di serraggio. I provini sono saturati immergendo gli interi saturatori in una camera a tenuta piena di acqua: tramite un sistema di pozzetti a mercurio è applicata una back-pressure di 220 kPa 3-5 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale alla base inferiore del provino, mentre la camera è mantenuta ad una pressione di 200 kPa, così da permettere l’instaurarsi di un moto di filtrazione all’interno del materiale. E’ noto che nei casi reali, l’eventuale saturazione del materiale avviene approssimativamente a stato tensionale totale costante. Nella presente ricerca, per studiare il comportamento di un terreno costipato si è adottato invece un sistema di saturazione a volume costante, affinché la fase di saturazione stessa, non induca delle modifiche apprezzabili nella struttura del materiale. Oltre alla modalità di preparazione appena descritta (che sarà indicata come “procedura standard”), nella tesi saranno presentati alcuni risultati sperimentali ottenuti da provini costipati direttamente nella fustella del saturatore attraverso il tapping method. Tali provini sono stati preparati senza controllare l’energia di compattazione utilizzata. In particolare, in un caso (prova MR01), il materiale è stato compattato in cinque strati, di spessore uguale, tramite un pestello di diametro leggermente inferiore a quello del saturatore. L’energia di compattazione necessaria è stata fornita attraverso un martello. Nell’altro caso (prove MR02 e MR03) il materiale è stato compattato, sempre in cinque strati, tramite un pestello di dimensioni inferiori (d=1.6 cm) ed utilizzando la caduta da un’altezza fissa (h= 9.8 cm) di un piccolo peso (p=0.16 kg). 3.4.2 PROCEDURE SEGUITE PRESSO L’UNIVERSITA’ DI TOKYO Il principio di base adottato nella realizzazione dei provini costipati presso l’Istitute of Industrial Science dell’Università di Tokyo è stato quello di seguire, quanto più fedelmente possibile, il sistema di preparazione utilizzato a Napoli, compatibilmente con la disponibilità delle attrezzature. In particolare, non esistendo un' apparecchiatura automatica per l’esecuzione di prove Proctor, il materiale è stato costipato per mezzo di un sistema manuale, con il quale è comunque possibile fornire la stessa quantità di energia per ogni colpo del martello e quindi la stessa quantità di energia per unità di volume di terreno. Per ricavare dei provini per le prove triassiali, di dimensioni pari a 12.5 cm di altezza e 5 cm di diametro, è stata utilizzata una fustella di diametro pari a 10 cm (diametro analogo a quello della fustella del Proctor meccanico). Il materiale è stato costipato in sette strati per un’altezza complessiva di circa 14 cm. Le percentuali di sottocompattazione utilizzate sono le seguenti: +7%; +3%; +1%; 0%; -1%; -3%; -7%. Per ricavare invece dei provini di altezza pari a 10 cm e diametro di 5 cm (è il caso dei provini tagliati secondo una giacitura orizzontale) è stata utilizzata una fustella di diametro pari a 15 cm. Sono state utilizzate altezze di materiale costipato e percentuali di sottocompattazione analoghe al caso precedente. Per estrarre il materiale costipato è stato adoperato un sistema di estrusione a pistone, non essendo la fustella apribile. 3-6 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale Per ricavare i provini è stato utilizzato un dispositivo che permette di ridurre il blocco di materiale costipato, tagliandolo ad un cilindro di diametro pari a quello richiesto. Il cilindro di altezza pari a quella del blocco di materiale costipato di partenza, viene trasferito in un' apposita fustella semiapribile per tagliarne le due estremità, in modo tale che il provino abbia le basi parallele e sia dell’altezza opportuna. I provini così ricavati sono stati saturati direttamente nell’apparecchiatura triassiale utilizzando il dry setting method che sarà descritto in seguito. 3.5PREPARAZIONE DEL MATERIALE SEDIMENTATO Per la preparazione mediante sedimentazione si è partiti dal materiale costipato a wopt, disgregandone quella parti non utilizzate per ricavare i provini costipati. Assolvendo il materiale sedimentato alla funzione di materiale di riferimento rispetto al terreno costipato, si è ritenuto opportuno, per la sua preparazione, impiegare un materiale che avesse subito l’effetto del costipamento e quindi le eventuali stesse modifiche granulometriche. La tecnica di preparazione adottata prende spunto da quella che convenzionalmente è adoperata per la preparazione di provini ricostituiti di argilla (Burland, 1990). Il materiale di risulta del Proctor viene opportunamente disgregato e quindi impastato con un appropriato quantitativo di acqua distillata. Questo è fissato a w=35.6% (Santucci de Magistris, 1992) che è leggermente superiore al wL ma che è tale da non indurre macroscopici fenomeni di segregazione delle particelle. Il terreno è stato fatto consolidare in maniera unidimensionale in un consolidometro, per incrementi di carico successivi, fino ad una tensione verticale di σ’v=25 kPa e successivamente campionato con fustelle metalliche dalle dimensioni interne pari a quelle del provino di laboratorio. 3.6 MODALITA’ DI ADDIZIONAMENTO DELLA BENTONITE Il metodo di addizionamento della bentonite si basa sul presupposto che, in laboratorio, vengano riprodotte quanto più fedelmente possibile le tecniche adoperate in cantiere, onde minimizzare l' influenza delle modalità di addizionamento sul comportamento meccanico del materiale. Nello specifico, l' addizionamento viene effettuato gradualmente sul materiale secco, steso su di un supporto e quindi miscelato a mano tramite una spatola. Tale sistema sembra riprodurre al meglio le modalità di preparazione effettivamente utilizzate nella costruzione del nucleo della diga sul fiume Metramo (Baldovin et al., 1991). 3-7 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale Da indicazioni reperite in letteratura risulta che, il mescolamento manuale, protratto fino a che la miscela assume caratteri di omogeneità tessiturali, fornisce un materiale di caratteristiche geotecniche migliori rispetto a quella che si otterrebbe dal mescolamento tramite apparecchiature meccaniche. Alcuni autori, (Kenney et al., 1992) nello studiare la permeabilità delle miscele di sabbia e bentonite, seguono due procedure per l' aggiunta di acqua: la prima prevede di unire insieme la sabbia asciutta con la bentonite asciutta e poi di aggiungere l' acqua continuando a mescolare (che è la tecnica adoperata nella presente sperimentazione); la seconda prevede di umidificare prima la sabbia, di aggiungere poi la bentonite asciutta e di aggiungere poi l' ulteriore quantitativo d’acqua continuando a mescolare. Entrambe le procedure comunque conducono agli stessi risultati una volta che si è provveduto ad un opportuno mescolamento e si è lasciato alla bentonite il tempo necessario ad idratarsi. 3.7 EFFICACIA ADOPERATE DELLE MODALITA’ DI PREPARAZIONE Una considerazione conclusiva sui sistemi di preparazione adottati è relativa alla omogeneità ed alla riproducibilità dei provini ottenuti. Mentre i provini di materiale sedimentato sono alquanto omogenei tra loro, due aspetti devono essere tenuti in conto per i provini costipati all’ottimo. Per ottenere un materiale costipato omogeneo occorre innanzitutto assicurare una distribuzione uniforme dell’energia di compattazione sul terreno, ed in questo, i sistemi meccanici sembrano offrire maggiori garanzie rispetto ai sistemi manuali. Inoltre è necessario controllare accuratamente il contenuto d’acqua e la sua uniformità di distribuzione nel terreno. Indicazioni quantitative sull’omogeneità dei provini ottenuti in laboratorio derivano sia dalla ripetibilità dei risultati delle prove meccaniche che, più semplicemente, dalla misura della densità secca dei singoli provini. In Fig. 3-2 (a) sono riportati i valori della densità secca misurata sui provini di sabbia limosa ed argillosa del Metramo costipati a wopt, utilizzati nel corso della presente ricerca. Dalla figura si può osservare come il peso secco dell’unità di volume, misurato sui provini, è sistematicamente inferiore al valore medio atteso dalle prove Proctor di costipamento (v. il successivo §5.2.3). E’ possibile, seguendo le indicazioni riportate negli standard ASTM, che ciò sia da attribuirsi al rigonfiamento che subisce il materiale quando rimosso dalla fustella formacampioni o più in generale ad disturbo che subisce il materiale quando viene ridotto alle dimensioni del provino di laboratorio. In ogni caso i provini ottenuti sono relativamente omogenei per quanto riguarda la loro densità, come si può osservare dalla Fig. 3-2 (b). 3-8 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale E’ opportuno considerare che, se le procedure di costipamento di laboratorio producono un materiale non del tutto omogeneo, esso avrà, ragionevolmente, una omogeneità ancora più bassa quando è costipato in sito per la realizzazione di un manufatto. Occorre considerare infine che l’efficienza dei sistemi di compattazione ad impatto è regolata dalla quantità di energia che il martello riesce a trasferire al terreno. In tal caso, quanto più elevato è il rapporto tra diametro della fustella e diametro del martello, tanto migliore dovrebbe risultare l’efficienza della compattazione, in quanto è minore l’energia globalmente dissipata in prossimità delle pareti del contenitore. 3.8 DISCUSSIONE E SOMMARIO Nel capitolo sono state presentate le tecniche utilizzate per la preparazione del materiale. In primo luogo sono illustrati i sistemi di “pre-trattamento” adottati sul materiale di cava. Si è poi considerata la preparazione del materiale costipato. Tra i sistemi proposti dalla letteratura, nella ricerca si sono utilizzati i metodi di compattazione ad impatto. In particolare la tecnica prevalentemente impiegata prevede di costipare il materiale al contenuto d’acqua prefissato tramite l’apparecchiatura Proctor automatica e di saturare i provini a volume costante, in appositi saturatori. In casi particolari, il materiale è stato costipato tramite il tapping method. Le prove eseguite presso l’Università di Tokyo sono state effettuate su provini ottenuti tagliando opportunamente dei cilindri di materiale costipato a wopt, tramite un apparecchiatura Proctor manuale e saturati direttamente nelle celle triassiali. Il materiale sedimentato è stato preparato invece consolidando in maniera unidirezionale fino ad una pressione di σ' v = 25 kPa il materiale preventivamente costipato, opportunamente disgregato e impastato con un opportuno quantitativo di acqua distillata. La bentonite viene addizionata spargendola sul materiale secco, steso su di un supporto e quindi miscelato tramite una spatola. Successivamente viene aggiunto l’adeguato quantitativo di acqua distillata. Dal controllo effettuato sulla densità secca dei provini costipati al contenuto d’acqua ottimo e non addizionati, emerge che: 1. la densità secca è sistematicamente inferiore rispetto alla densità relativa alle curve di costipamento 2. occorre assicurare una distribuzione uniforme dell’energia di compattazione sul terreno, controllare accuratamente il contenuto d’acqua e la sua uniformità di distribuzione per avere dei provini sufficientemente omogenei. 3-9 Cap. 3 Modalita’ di preparazione del materiale FIGURE CAPTION Fig. 3-1 Rappresentazione schematica di diversi metodi di compattazione ad impatto (da Tatsuoka et al., 1979). Fig. 3-2 Densità secca dei provini di materiale costipato a wopt. (a) espresso in termini di diagramma di frequenza (b). 3-10