S t a b i l i z z a z i o n e di terre con trattamenti a calce e cemento Claudio Comastri*, Andrea Gamberini, Luca Montanari**

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1 Applicazione della tecnica per la costruzione dei piazzali industriali e della viabilità nel Centro Logistico di Cascina Nuova a Lacchiarella (MI) S t a b i l i z z a z i o n e di terre con trattamenti a calce e cemento Claudio Comastri*, Andrea Gamberini, Luca Montanari** 60 P re m e s s a Con questo contributo sulla stabilizzazione delle terre, ed in part i c o l a re delle terre di sottofondazione per e pavimentazioni stradali ed industriali, inizia un percorso che PAV I M E N T I INDUSTRIALI intende off r i re ai propri Lettori con la intenzione di aprire un dibattito tecnico su diversi temi che la costruzione dei pavimenti pone, a part i re dalle caratteristiche del terreno sul quale si impostano le strutture fino alla qualità e alla realizzazione delle finiture sup e rficiali. Questo contributo è frutto di un lav o ro condotto in provincia di Milano con il contributo degli ing. Montanari e Gamberini, all epoca laurandi presso la Facoltà di Ingegneria della Università di Ferrara, che hanno seguito direttamente le operazioni di cant i e re e hanno contribuito con la loro passione all ottenimento dell ottimo risultato finale. Nel contributo sono trattati diversi argomenti che * Ti t o l a re Studio Th e s i s **CIR Costruzioni s.r. l. potranno essere approfonditi in eventuali altri articoli se i Lettori lo riterranno di intere s s e. Si ringrazia C o o p s e t t e di Reggio Emilia ed in particolare il geom. Roberto Terenziani e il geom. Carmelo Ballacchino per la disponibilità off e rta, il laboratorio S i n e r g e a di Bologna, D u r o c e m e impresa Montanari di Reggio Emilia. La progressiva acquisizione di sensibilità ambientale, la difficoltà quindi nella apertura di nuove cave di inerti ghiaioso-sabbiosi, il loro costo assai elevato, il problema dello smaltimento in discarica delle terre di rifiuto, ha messo in evidenzia la necessità di identificare materiali e metodiche costruttive che consentano la diminuzione dell utilizzo delle risorse naturali non rinnovabili anche per la realizzazione di opere che richiedano elevate qualità prestazionali. In tale ambito già dal 1960 si sono diffuse negli Stati Uniti ed in alcuni Paesi europei numerose ricerche e sperimentazioni finalizzate alle possibilità di utilizzo di terre trattate con calce e/o cemento per la realizzazione di diverse tipologie di opere. L adozione di detti materiali, oltre ad avere oneri eco-

2 1 1 - Stesa e miscelazione della calce al terreno con p u l v i m i x e r. nomici inferiori rispetto all utilizzo degli inerti ghiaiosi, consente una sensibile diminuzione delle incidenze sull ambiente, in particolare quelle correlate alle attività di escavazione della ghiaia ed alla loro selezione negli impianti di produzione. Di seguito si illustreranno i risultatati ottenuti, sia in fase di progettazione che di Direzione Lavori, della stabilizzazione con apporto di calce e cemento realizzata presso il nuovo Centro Logistico di Lacchiarella (MI). Ubicazione e inquadramento d e l l a re a Il progetto in esame, ha riguardato oltre m 2 di trattamento su una superficie complessiva di circa m 2 destinata alla costruzione di 5 capannoni industriali finalizzati allo stoccaggio delle merci e alla relativa viabilità. Caratterizzazione del terreno naturale Allo scopo, il laboratorio geotecnico Sinergea di Granarolo dell Emilia (Bologna), ha realizzato 31 pozzetti esplorativi ad una profondità variabile fra 0.30 e 1.00 m, con prelievo di campioni disturbati ad una profondità compresa fra m. I campioni prelevati sono stati sottoposti alle seguenti prove di laboratorio: analisi granulometrica, determinazione dei limiti di A t t e r b e rg, determinazione del contenuto di sostanza organica. Secondo tali prove i terreni sono risultati appartenenti alle classi A2-6, A2-7, A7-6 secondo la CNR UNI I risultati riscontrati hanno indotto a raggruppare i terreni in due miscele in funzione dell indice di plasticità medio e del contenuto di sostanza org a n i c a e precisamente: Miscela L con IP 20% e valori di S.O. compresi tra 0-2%; Miscela H con IP > 20% e valori di S.O >2%. In Tabella 1 sono riportate le Tab. 1 Caratteristiche delle miscele preparate Tipo di miscela L H Limite Liquido LL (%) 35,21 44,73 Limite Plastico LP (%) 21,75 29,21 Indice di plasticità IP (%) 13,46 24,80 Sostanza Organica S.O (%) 0 2 > 2 61

3 Planimetria delle aree trattate a calce e cemento caratteristiche sopraccitate delle miscele preparate. Una volta individuate le caratteristiche fisiche del terreno se ne è analizzato il comportamento meccanico mediante le prove Proctor (AASHTO T ), CBR, prova di compressione non confinata, verificandone successivamente la reazione con quantitativi variabili di calce e cemento; in particolare si sono testate le seguenti miscele: - miscela L: trattata con il 2% di Ca(OH) 2 - miscela H: trattata con il 3% di Ca(OH) 2 - miscela L: trattata con il 1.5% di CaO - miscela L: trattata con il 2.5% di CaO - miscela H: trattata con il 1.5% di CaO - miscela H: trattata con il 2.5% di CaO e il 2% di cemento. La scelta dell utilizzo dell ossido o dell idrato di calcio è stata motivata dalla diversa correzione da fornire al terreno in termini di umidità, dal momento che le fasi esecutive si sarebbero sviluppate durante i mesi estivi per concludersi oltre la metà di ottobre. Entrambi i leganti hanno infatti un ottima azione sulla matrice argillosa, ma l ossido determina una maggiore riduzione dell umidità, per effetto della reazione di spegnimento della calce. La preparazione delle miscele è stata affrontata essiccando preventivamente il terreno in forno a 60 C per 24h e correggendone successivamente l umidità in funzione delle probabili condizioni operative. Si è poi aggiunta la calce seguita, a distanza di un paio di ore per permettere al legante di modificare la tessitura del terreno, dal cemento, nella percentuale prefissata del 2%. Sulle miscele così ottenute sono state eseguite le seguenti prove di laboratorio: - limiti di A t t e r b e rg (CNR UNI 10014); - prove di costipamento Proctor modificata (CNR BU n. 69/78); - determinazione dell indice CBR in condizioni di pre e post-saturazione (7 gg. di maturazione + 4 gg. di saturazione - CNR UNI 10009); - prova di compressione semplice non confinata a 7 e 28 gg (ASTM D ); - prova di compressione diametrale Brasiliana (CNR BU n. 97/84). Tutte le prove sono state eseguite a vari valori di umidità di miscelazione con lo scopo di individuare con maggior dettaglio le caratteristiche fisicomeccaniche al variare di questo parametro, che è fondamentale monitorare durante le fasi esecutive. Caratteristiche fisiche delle miscele In Figura 3 sono riportati gli andamenti dell IP p e r la miscela H in funzione del periodo di maturazione del trattamento. È evidente un forte abbattimento nel tempo della plasticità del terreno se confrontato con i valori iniziali riportati nei grafici, che corrispondono alle condizioni del terreno naturale non trattato. Questo fenomeno di inertizzazione consente al terreno trattato di avere un comporta-

4 Andamento dell IP in funzione del tempo di maturazione 4 - Andamento del rigonfiamento in funzione della umidità della miscela H di costipamento Andamento della densità secca in funzione della umidità 6 - Andamento dell indice C. B. R. in funzione della umidità di costipamento di costipamento mento più stabile in condizioni di forte umidità e una minore suscettibilità al rigonfiamento, come è piuttosto evidente in Figura 4. Caratteristiche meccaniche delle miscele P r ova Proctor È una prova di costipamento che permette di valutare come l aggiunta della calce e del cemento comporti uno spostamento verso valori maggiori dell umidità ottimale di compattazione e un appiattimento della curva nel suo intorno, che consente maggiori margini di lavorabilità con ancora buoni risultati di resa e mantenendo alti i valori della densità secca (Figura 5). Queste caratteristiche hanno grande impatto durante le fasi esecutive consentendo una migliore lavorabilità in condizioni altrimenti inaccettabili di umidità del terreno e un dispendio minore di energia di compattazione. Indice di portanza CBR In Figura 6 è evidente il miglioramento della portanza del terreno trattato rispetto a quello naturale, con condizioni di umidità più prossime a quelle riscontrabili durante le lavorazioni in cantiere. Inoltre si osserva come il trattamento con solo cemento non consenta di ottenere risultati parago- 63

5 Tab. 2 Prova di compressione semplice non confinata Miscela H Umidità Press. di Maturazione Terreno Natura (%) Rottura + Leganti 0 gg. 7 gg. 28 gg. Terreno Naturale 7,49 KN/m T. Naturale + 2% cemento 8,71 KN/m ,85 KN/m ,65 KN/m % idrato + 2% cemento 11,52 KN/m ,73 KN/m ,5% ossido + 2% cemento 8,37 KN/m ,26 KN/m ,44 KN/m ,5% ossido + 2% cemento 9,27 KN/m ,56 KN/m ,00 KN/m Tab. 3 Prova di compressione diametrale (Brasiliana) Miscela H Umidità Press. Maturazione Terreno Natura (%) di Rottura + leganti 7gg 28gg T. Naturale 8,89 KN/m 2 98,0 103,0 + 2% cemento 11,77 KN/m 2 23,0 29,0 3% Idrato + 2% cemento 11,28 KN/m 2 53,7 81,0 1,5% ossido 11,16 KN/m 2 26,3 128,1 + 2% cemento 15,18 KN/m 2 15,3 71,0 2,5% ossido 9,18 KN/m 2 113,9 136,9 + 2% cemento 11,7 KN/m 2 23,6 36,7 nabili al trattamento misto calce/cemento, a causa dell elevato contenuto di frazione argillosa presente nel terreno naturale. È infine da notare che un confronto tra i valori di CBR ottenuti nelle prove post-saturazione con quelli rilevati con analoghe prove eseguite su provini non sottoposti a saturazione, ha evidenziato solo un leggero calo di valori, mettendo in evidenza ancora una volta la marcata insensibilità all acqua del materiale ottenuto dopo il trattamento, paragonabile a quella dei materiali aridi più p r e g i a t i. Resistenza a compre s s i o n e semplice non confinata Anche in questo caso è evidente un aumento delle prestazioni del materiale ottenuto dalla stabilizzazione, mentre l aumento dei valori a 7 gg e 28 gg di maturazione, che risulta nel complesso abbastanza modesto, è dovuto all azione del cemento che permette di ottenere gli stessi standard di Resistenza in tempi più brevi. È altrettanto evidente la forte influenza del tenore di umidità, che al di sopra del 12-13% non consente di raggiungere valori di resistenza elevati. P r ova di Resistenza Brasiliana È una prova che permette di valutare la Resistenza di un campione ad uno sforzo di trazione indotto da uno stato di compressione diametrale, ed ha permesso di verificare un netto incremento di Resistenza a trazione che ha subito il terreno già a soli 7 gg dal trattamento. Esecuzione dei lavori I lavori sono stati eseguiti a partire dal 15 di giugno 2000 per concludersi attorno alla metà di settembre e sono stati affidati alla ditta Viastrade di Marmirolo (MN) sotto la direzione dello Studio Thesis Engineering di Sasso Marconi (BO). Inizialmente è stato eseguito un campo prove che

6 Questa esperienza ha confermato come la stabilizzazione delle terre sia un ottima alternativa all impiego dei materiali p regiati tradizionali Bulbo di influenza della piastra da 750 mm e 300 mm. ha fornito utili indicazioni sulle modalità esecutive dei lavori, sul numero e sulle caratteristiche delle macchine operatrici da adottare e che ha permesso di adeguare le miscele sperimentate in laboratorio con le caratteristiche peculiari del luogo, in particolare con l eterogeneità dei terreni aventi contenuti d acqua molto variabili dovuti anche alla presenza di una fitta rete di canalizzazioni disperdenti in più punti. Proprio il continuo monitoraggio del grado d umidità è stata la chiave che ha portato ad una buona riuscita dell intervento. Infatti, si è così potuto limitare puntualmente l influenza della falda e controllare l evaporazione del terreno trattato, mantenendolo in un range ristretto dell umidità ottimale di compattazione, intervenendo eventualmente con una autobotte per umidificare. L e fficacia del trattamento è stata testata a breve termine con l ausilio di prove di densità in sito con volumometro a sabbia e col prelievo di campioni da analizzare in laboratorio (prove Proctor, CBR, compressione non confinata a 7 e 28 gg e trazione indiretta a 7 e 28 gg) e con prove di carico con piastra del diametro di 300 mm a 7 e 28 gg. La portanza dei sottofondi è stata ulteriormente verificata anche 8 8- Fasi esecutive: stesa del cemento, miscelazione e rullatura Vista del sottofondo di un piazzale al termine delle lavorazioni. 65

7 66 con prove di carico con piastra del diametro di 760 mm, che ha permesso di valutare l incidenza dei carichi anche negli strati di terreno naturale sottostanti al trattamento. Tutti i risultati delle prove in sito sono stati confrontati con i precedenti ottenuti con test di laboratorio e tutte hanno fornito risultati nettamente superiori. C o n c l u s i o n i Questa esperienza ha confermato come la stabilizzazione delle terre sia un ottima alternativa all impiego dei materiali pregiati tradizionali, specie nelle opere in cui ne sono richieste grosse quantità, con tutte le prerogative già sottolineate in fase int r o d u t t i v a. Non a caso questa tecnica, all estero, si è particolarmente diffusa anche per altre tipologie di opere come per esempio: la realizzazione di argini e rilevati stradali e ferroviari, l impermeabilizzazione di bacini e canali, sottofondi per centrali nucleari, etc. Inoltre, a coronamento di quanto esposto in precedenza, si vuole ribadire la necessità e l importanza di una normativa a livello nazionale che regolamenti le fasi di messa in opera di questa tecnica al pari di quelle di progettazione così come è stato fatto in altri paesi europei, per esempio la Francia, raccogliendo e confrontando tutte le esperienze condotte in Italia. Tale normativa può fornire un valido punto di riferimento per le imprese neofite, ridurre il rischio d insuccesso e quindi anche i costi di esecuzione. Resta peraltro necessaria la presenza in cantiere di una figura professionale di coordinamento, con conoscenze specifiche della tecnica, che pianifichi adeguatamente lo svolgimento dei lavori e la loro corretta esecuzione. BIBLIOGRAFIA - A. I. I. C. - La stabilizzazione delle terre con calce - A. I. I. C., f u o r i c o m m e r c i o. - A A. V V. - S t ate-of-the-art report on soil cement - ACI A A. V V. - Lime for envirolmental uses (ASTM symposium on lime, L o s A n g e l e s, C A, 25 June ASTM STP 931, F e b r u a ry A A. V V. - Methode des terrassements routiers utilisee en France - SETRA - LCPC novembre A A. V V. - Specifica tecnica: Consolidamento delle terre con calce - U N I C A L C E. - A A. V V. - C ap i t o l ato speciale d'appalto parte II:Norme Te c n i c h e - A N A S. - A A. V V. - CNR Bollettino Ufficiale anno VII-36 (21/02/1973), parte IV: Norme Tecniche - CNR - AA.VV. - Bozza di Norma Tecnica CEN sulle terre stabilizzate a calce - CEN - A A. 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C a r l o, Maurizio Leopardi - Possibilità di impiego della calce per la stabilizzazione dei terreni argillosi - Facoltà di Ingegneria della Facoltà dell'aquila, Bonomo Fabrizio - S t abilizzazione sulla Ferrara-Suzzara - Le Strade, / British Lime A s s o c i ation - Soil stab i l i z ation in building and civil e n gi n e e r i n g - British Lime A s s o c i at i o n. - Bucchi Alberto - La stabilizzazione a calce nella pav i m e n t a z i o n e s t r a d a l e. Valutazioni ed esperienze - Quarry & Construction, nov California Department of Tr a n s p o r t ation - Construction manual-chap t e r V I : construction details:section 6-24 lime treat m e n t - Califo r n i a Department of Tr a n s p o r t ation California Department of Tr a n s p o r t ation - Construction manual-chap t e r V I : construction details:section 6-25 aggr e g ate subb a s e - Califo r n i a Department of Tr a n s p o r t ation California Department of Tr a n s p o r t ation - Construction manual-chap t e r V I : construction details:section 6-26 aggr e g ate bases - Califo r n i a Department of Tr a n s p o r t ation California Department of Tr a n s p o r t ation - Construction manual-chap t e r V I : construction details:section 6-27 cement treated base - Califo r n i a Department of Tr a n s p o r t ation Cariboni Luigi - I n formazione tecnica sugli aspetti ecologici nell'uso della calce per la stabilizzazione delle terre - UNICALCE. - Cariboni Luigi - L'impiego della calce nelle infrastrutture viarie - Le S t r a d e, 9 / Cariboni Luigi - La via della calce - Le Strade, 9 / Cervi Silvano - Utilizzo della calce nella stabilizzazione delle terre nel

8 nuovo asse viario di collegamento tra la SS 9 e la SP 28. E s p e r i e n z e e s e c u t i v e - UNICALCE - Cherubini Carlo, F abio Giovinazzo - Esperienze di stabilizzazione per la MI- B O - Le Strade, 6 / Cicini Pat r i z i a, Pier Luigi Cuppone, R a ffaele Marchisella - Specifiche FS per r i l e v ati con terre stab i l i z z at e Le Strade, 6 / Comastri Ing. Claudio - La stabilizzazione dei terreni con calce - Geotecnica. - Delfaut Abel - Traitement a la chaux vive et au ciment des argi l e s plastiques du Sparnacien et de la region parisienne - LROP, 1 0 / Department of the Environment, Transport and the Regions Research - Improoving poor ground conditions (lime and cement stab i l i z ation of weak c l ay soils) - Department of the Environment, Transport and the Regi o n s Research - digest n 058 (3/1999). - Elabbadi H. - Mecanisme de durcissement des briques en terre stab i l i s e e s à la chaux. Conditions de cure et choix des terres - ENSM Paris et Univ. P a r i s V I, 2 2 / 0 5 / Ferrari Paolo, Franco Giannini - Ingegneria stradale,v o l. II - ISEDI - Festa Bruna, Pernetti Mariano,D'Apuzzo Mauro - Impiego delle miscele a r gilla-calce nelle costruzioni stradali - - Florida Department of Tr a n s p o r t ation - L i m e - t r e ated subgr a d e ( s e c t i o n 165) - Florida Department of Tr a n s p o r t ation Florida Department of Tr a n s p o r t ation - C e m e n t - t r e ated subgrade (section ) - Florida Department of Tr a n s p o r t ation Frontera Massimo - L ' e fficacia di una soluzione "ecologica" per i sottofo n d i s t r a d a l i - Nuovo Corriere dei Costruttori, 7-8 / Giannatasio Pietro, Crispino Maurizio, Pernetti Mariano - Le miscele aggr e g at o - a r gilla-calce nelle sovrastrutture stradali:resistenza e stab i l i t à a l l ' a c q u a - - Giannini Franco, Domenico Burattini - La calce nelle infrastrutture di t r a s p o r t o - Assocemento - Settore calce - Gordon Gen. Sullivan Soil Stabilization for Pavements Dep. of the US Army - Grundler Dario, Paolo Colli - Controlli in corso d'opera (variante di Arceto - R E ) - Sinergea s.r. l. - Grundler Dario, Paolo Colli - Prove e controlli in corso d'opera sulle terre s t ab i l i z z ate con apporto di calce - Sinergea s.r. l. - Indiana Department of Tr a n s p o r t ation - Soil modificat i o n / s t ab i l i z at i o n utilizing chemicals (includes special provisions)-sections Indiana Department of Tr a n s p o r t ation 09/01/ Indiana Department of Tr a n s p o r t ation - Item n T, d e t e r m i n ation of lime content in soil - Indiana Department of Tr a n s p o r t ation 30/01/ Indiana Department of Tr a n s p o r t ation - M aterials details:hydraulic cement and pozzolans (section 901) - Indiana Department of Tr a n s p o r t at i o n 2 8 / 0 3 / Le Roux Andre - Traitement des sols argileux à la chaux - Bull. 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V., A. B u c c h i, G. Dondi - S t abilizzazione a calce per materiali da s o v r a s t r u t t u r a. Dimensionamento e verifica di sovrastrutture sperimentali - Le Strade, 3-4 / Sab ato Francesco - Una pavimentazione stradale con strati di fondazione e base in pozzolana e calce - Le Strade, 7-8 / SaremKalali H., F.H.Wittmann - Essais de stab i l i s ation des terres a r gileuses au ciment et à la chaux - Ciment, B e t o n s, P l at r e s, Chaux n 773 del 4/ Schaeffner Marc - Introduction de la valeur de bleu de methylene d'un sol dans la classification des sols de la Recommandation pour les terrassements routiers - Bull. 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