Effetti della stabilizzazione a calce sulla ritenzione idrica di un

Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2006 - IARG 2006
Pisa, 26-28 Giugno 2006
EFFETTI DELLA STABILIZZAZIONE A CALCE SULLA
RITENZIONE IDRICA DEI TERRENI
Dante Valerio Tedesco
Dipartimento di Meccanica, Strutture, Ambiente e Territorio, Università degli Studi di Cassino, Italia
[email protected]
Giacomo Russo
Dipartimento di Meccanica, Strutture, Ambiente e Territorio, Università degli Studi di Cassino, Italia
[email protected]
Sommario
Nella nota si presentano i risultati di un’indagine sperimentale sulle caratteristiche idrauliche dei terreni stabilizzati
a calce. Lo studio si inquadra in un’ampia attività di ricerca in corso di svolgimento sulle tecniche di
miglioramento dei terreni. La sperimentazione è stata eseguita su campioni di limo sabbioso compattato in
laboratorio e addizionato con calce. I campioni di terreno naturale e stabilizzato sono stati sottoposti a prove di
essiccamento in pressure plate. I risultati analizzati consentono di valutare l’influenza del tempo di maturazione
sulle caratteristiche di ritenzione idrica del terreno stabilizzato.
Introduzione
La stabilizzazione a calce è un tipico esempio di stabilizzazione chimica, nota già ad Egizi e
Romani, i quali utilizzarono tale metodo nella realizzazione della via Appia, che ha trovato
largo impiego nei paesi anglosassoni ed in Francia a partire dagli anni ’50. Tale tecnica di
miglioramento è stata recentemente impiegata, in ambito stradale e ferroviario, nella
realizzazione di rilevati ottenuti riutilizzando materiale di caratteristiche meccaniche non
idonee all’uso come materiale da costruzione (Croce e Russo, 2002) Può essere eseguita sia
utilizzando calce viva che calce idrata e la differenza consiste principalmente nella quantità di
materiale da utilizzare per lo svolgimento delle reazioni di miglioramento: la calce viva, data
la maggiore quantità di ioni calcio disponibili, consente di utilizzare ridotte quantità di
materiale rispetto alla calce idrata. Viene utilizzata prevalentemente nella stabilizzazione di
terreni a grana fina e medio-fina, in cui le particelle limo-argillose reagiscono con gli ioni
calcio ed alluminio formando composti stabili del tutto simili a quelli osservabili nei cementi,
quali silicati idrati ed alluminati idrati di calcio, che tendono a rivestire le particelle di argilla
dapprima in forma di gel e, successivamente, in forma cristallina (Bell, 1998).
All’addizione del terreno con calce viva ed acqua ha luogo la reazione di idratazione della
calce, fortemente esotermica. In seguito due differenti reazioni chimiche si sviluppano
contemporaneamente, ma su scale dei tempi differenti (Boardman et al., 2001): la prima, detta
di modifica, si sviluppa entro pochi giorni dallo spegnimento della calce e provoca la
flocculazione dei grani limo-argillosi (Greaves, 1996), con conseguente riduzione della
quantità di frazione fina e della compressibilità; la seconda, detta di stabilizzazione, avviene
nel lungo periodo e si esplica mediante reazioni pozzolaniche, con formazione di legami di
cementazione. Lo sviluppo di tali reazioni avviene in ambiente basico, con valori che
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raggiungono anche pH 12.6 e si possono ritenere terminate quando si osservano consistenti
riduzioni del pH stesso.
Dal punto di vista meccanico, la stabilizzazione a calce provoca la riduzione del peso secco
massimo ed il contemporaneo aumento del contenuto d’acqua ottimo a parità di energia di
compattamento, l’aumento della resistenza al taglio e la riduzione della compressibilità. Tali
cambiamenti sono diretta conseguenza delle modifiche microstrutturali indotte dall’addizione
della calce e risultano fortemente influenzate dal tempo di maturazione del composto calceterreno.
L’indagine sperimentale è consistita nella determinazione delle curve di ritenzione idrica di
un terreno limo-sabbioso, in condizioni naturali e stabilizzato con il 3% in peso di calce. La
lunga durata delle prove di essiccamento, unitamente alla dipendenza della modifica delle
caratteristiche fisico meccaniche del terreno stabilizzato dal tempo di maturazione, hanno
richiesto lo sviluppo di una particolare procedura di prova che consentisse di determinare
curve di ritenzione a tempo di maturazione costante.
Attività sperimentale
100
Il materiale utilizzato nel corso della
sperimentazione è un terreno limosabbioso di natura alluvionale con
ridotte percentuali di argilla: si tratta del
un terreno utilizzato nella realizzazione
del nucleo di tenuta della diga di terra
zonata sul torrente Locone (Croce e
Catini,
1986).
Durante
la
sperimentazione, tale terreno è stato
stabilizzato mediante l’aggiunta del 3%
in peso di calce viva. In Figura 1 si
riportano le curve granulometriche del
materiale naturale e del materiale
stabilizzato (Croce e Russo, 2003).
Percentage pass
80
60
40
natural
20
0
0,001
3% lime
0,010
0,100
1,000
10,000
Particle size (mm)
Figura 1: curve di distribuzione granulometrica
1,85
3
gd (g/cm)
Il programma di prova ha avuto per
naturale
1,80
oggetto lo svolgimento di misure di
+3%
ritenzione idrica in pressure plate di
1,75
provini di terreno naturale e stabilizzato
1,70
con il 3% in peso di calce viva
1,65
compattati con procedura Proctor
Standard. Sono state preventivamente
1,60
7
9
11
13
15
17
19
21
svolte prove di compattamento sia sul
w (%)
materiale naturale che sul materiale
stabilizzato per individuare i valori di
Figura 2: curve di compattamento
wopt e γdmax relativi al terreno naturale ed
al terreno stabilizzato (Figura 2). Successivamente, i campioni di terreno naturale e
stabilizzato sono stati umidificati e compattati in corrispondenza di contenuti d’acqua iniziali
differenti, rispettivamente dry of optimum, optimum e wet of optimum. Da essi sono stati
ricavati provini del diametro di 60,5 mm e dell’altezza di 20,0 mm che sono stati saturati
mediante filtrazione e posizionati nel pressure plate. Il tempo necessario all’equalizzazione
della suzione è stato pari a circa quattro giorni. Le curve di ritenzione medie ottenute al
termine della prova sono riportate in Figura 3, 4 e 5 (Croce e Russo, 2003). Le curve ottenute
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sono caratterizzate dal fatto che nel
campione, per l’intera durata delle prove
di essiccamento, continuano a procedere le
reazioni di natura chimico fisica (scambio
ionico e reazioni pozzolaniche) che ne
modificano la microstruttura. Per questo
motivo è stata sviluppata una nuova
procedura, denominata preparazione
differita, per osservare gli effetti del
tempo di maturazione sulla capacità di
ritenzione. Nella procedura i provini di
terreno stabilizzato, preventivamente
saturati, vengono sottoposti, a partire dal
100
90
80
Sr (%)
70
60
natural
50
3% lime
40
30
1
10
1000
10000
Figura 3: SWRC di provini dry of optimum
100
90
90
80
80
Sr (%)
70
natural
60
3% lime
70
natural
60
3% lime
50
50
40
40
wopt
wwet
30
30
1
10
100
1000
1
10000
10
Suction (kPa)
10000
1,0
0,9
w/w0
0,8
0,7
DRY-Nat
DRY-Std
DRY - PD (t=7gg)
0,6
0,5
0,4
1
0,9
0,9
0,8
0,8
w/w0
1,0
OPT-Nat
OPT-Std
OPT - PD (t=7gg)
10
100
(ua-uw) (kPa)
1000
10000
Figura 6: SWRC di provini dry of optimum
1,0
0,6
1000
Figura 5: SWRC di provini wet of optimum
momento in cui hanno raggiunto il tempo
di maturazione fissato, ad un unico step di
essiccamento, al termine del quale viene
misurata la perdita di peso. Lo step
successivo viene dunque effettuato con un
provino preparato alla stessa maniera.
Data la variabilità intrinseca del campione
di terreno, è stato necessario determinare
ciascun punto delle curve di ritenzione
idrica come valore medio determinato su
tre provini di terreno stabilizzato, preparati
in eguale maniera.
Nelle Figura 6, 7 e 8 vengono mostrate le
0,7
100
Suction (kPa)
Figura 4: SWRC di provini optimum
w/w0
100
Suction (kPa)
100
Sr (%)
wdry
0,7
WET-Nat
WET-Std
WET - PD (t=7gg)
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
1
10
100
(ua-uw) (kPa)
Figura 7: SWRC di provini optimum
D.V. Tedesco, G. Russo
1000
10000
1
10
100
(ua-uw) (kPa)
1000
Figura 8: SWRC di provini wet of optimum
3
10000
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curve di ritenzione idrica medie, in termini di riduzione del contenuto d’acqua iniziale di
provini naturali (Nat), stabilizzati a tempo di maturazione variabile (Std) e stabilizzati con
preparazione differita (PD) compattati a contenuti d’acqua dry of optimum, optimum e wet of
optimum. I risultati sono stati interpolati mediante la relazione di Fredlund e Xing (1994).
Osservazioni conclusive
Sono state determinate le curve di ritenzione idrica in pressure plate del materiale naturale e
del materiale stabilizzato. L’uso della procedura di prova convenzionale ha permesso di
effettuare misure di ritenzione idrica sia sul materiale naturale, sia su materiale stabilizzato al
variare del tempo di maturazione, mentre lo sviluppo della procedura di preparazione differita
dei provini ha permesso di svolgere prove sul materiale stabilizzato a tempo di maturazione
costante.
Dai risultati si osserva che le curve di ritenzione idrica a tempo di maturazione costante
(t=7gg), per ciascun contenuto d’acqua, risultano molto simili alle curve del terreno naturale.
Le curve di ritenzione a tempo di maturazione variabile, invece, evidenziano un incremento
della ritenzione idrica che si verifica per ciascun valore del contenuto d’acqua di
compattamento. L’incremento della ritenzione idrica è quindi un fenomeno che si manifesta
sul lungo termine, ed è prevalentemente legato alla formazione dei legami di cementazione fra
gli aggregati. Tale osservazione sembra confermare quanto precedentemente osservato
(Russo, 2005), ovvero che il tipo di modifica della microstruttura che le reazioni pozzolaniche
indotte dalla calce provocano nel terreno è tale da trasformare la porosità inter-aggregati da
interconnessa a non interconnessa od occlusa. Tale circostanza induce sul lungo termine un
incremento della capacità di ritenzione idrica del terreno stabilizzato.
Bibliografia
Bell F.G. (1998). Lime stabilisation of clay minerals and soils. Engineering Geology, 42: 223-237.
Boardman D.I., Glendinning S., Rogers C.D.F. (2001). Development of stabilisation and
solidification in lime-clay mixes. Geotechnique, 50(6): 533-543.
Croce A., Catini M. (1986). La diga del Locone. Editori Romani Associati.
Croce P., Russo G. (2002). Reimpiego dei terreni di scavo mediante stabilizzazione a calce. Atti del
XXI AGI – Convegno Nazionale di Geotecnica, L’Aquila. Patron Editore: 211-216.
Croce P., Russo G. (2003). Soil-water characteristic curves of lime stabilised soil. Proc. Int.
Workshop on Geotechnics of Soft Soils, Noordwijkerhout (Vermeer P.A., Schweiger H.F., Karstunen
M. and Cudny M. editors): 575-580.
Fredlund D.G., Xing A. (1994). Equations for the soil-water characteristic curve. Canadian
Geotechnical Journal, 31(3):521-532.
Greaves H.M. (1996). An introduction to lime stabilisation. Lime stabilisation (Rogers C.D.F.,
Glendinning N. and Dixon N. Editors):5-12. Thomas Telford Publishing, London.
Russo G. (2005). Water retention curves of lime stabilised soils. Proc. of Int. Symp. On Advanced
Experimental Unsaturated Soil Mechanics, Trento (Tarantino A., Romero E., Cui Y.J. editors): 391396.
Sherwood P.T. (1967). Views of the Road Research Laboratory on Soil Stabilisation in the United
Kingdom. Cement, Lime and Gravel, 42(9):277-280.
Vanapalli S.K., Fredlund D.G., Pufhal D.E. (1999). The influence of soil structure and stress history
on the soil-water characteristics of a compacted till. Geotechnique, 49(2): pagg.143-159.
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