Daniele Cazzuffi CESI SpA, Milano. Tipologie, definizioni e funzioni dei geosintetici

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1 Daniele Cazzuffi CESI SpA, Milano Tipologie, e funzioni dei geosintetici Seminario AGI-IGS SAIE Bologna, 14 Ottobre 2015

2 Geosintetici: Materiali sintetici prodotti dall industria, generalmente in forma di rotoli, per applicazioni in opere di Ingegneria Geotecnica. Nella famiglia dei geosintetici rientrano vari tipi di prodotti dell industria tessile, della gomma e delle materie plastiche, nonché di quella delle membrane bitume-polimero e della bentonite.

3 Tipologie di geosintetici Geotessili - tessuti - nontessuti - a maglia - estruse Geogriglie - tessute - a nastri saldati Biotessili e biostuoie Geostuoie Geocelle Georeti Geosintetici per drenaggio Geocompositi bentonitici Geomembrane - sintetiche plastometriche - sintetiche elastometriche - bituminose

4 Geotessili (GT) Geotessili Geotessili nontessuti Geotessili tessuti Geotessili a maglia

5 Geotessili (GT) Geotessili nontessuti Strutture piane composte da fibre sintetiche disposte casualmente e coesionate con metodi meccanici (agugliati) o termici (termosaldati). Storicamente sono stati i primi tipi di materiali prodotti dall industria tessile che hanno avuto un largo uso in opere di Ingegneria Geotecnica e ancora oggi rappresentano la tipologia quantitativamente più utilizzata.

6 Geotessili (GT) Esempi di geotessili nontessuti

7 Geotessili (GT) Struttura di geotessile nontessuto, del tipo agugliato Struttura di geotessile nontessuto, del tipo termosaldato

8 Geotessili (GT) Geotessili tessuti Strutture piane e regolari formate dall intreccio di due o più serie di fili (di ordito, paralleli al senso di produzione, e di trama, perpendicolari), costituiti da fibre sintetiche, che consentono di ottenere aperture regolari e di piccole dimensioni. In relazione alla sezione della fibra ed alla tipologia di tessitura, si suddividono in due principali famiglie: - geotessili tessuti monofilamento; - geotessili tessuti a bandelette (nastri appiattiti).

9 Geotessili (GT) Esempio di geotessile tessuto, del tipo monofilamento

10 Geotessili (GT) Esempio di geotessile tessuto a bandelette (nastri appiattiti)

11 Geotessili (GT) Geotessili a maglia Strutture piane con sistema maglieria in catena con inserzione di trama, definite anche DOS ( directionally oriented structures ).

12 Geotessili (GT) Geogriglie Geogriglie estruse Geogriglie tessute Geogriglie a nastri saldati

13 Geogriglie (GG) Geogriglie Svolgono soprattutto una funzione di rinforzo, che viene favorita dalla loro particolare struttura, tale da esercitare un effetto cerchiante rispetto alle particelle di terreno che trovano alloggio nelle aperture della geogriglia stessa. Interazione terreno-geogriglia

14 Geogriglie (GG) Si possono distinguere le seguenti tipologie di geogriglia: geogriglie estruse: strutture piane realizzate con materiali polimerici (in genere polietilene ad alta densità HDPE o polipropilene PP) mediante un processo di estrusione e successiva stiratura, che può essere svolto in una sola direzione (geogriglie monodirezionali, resistenza a trazione in senso longitudinale kn/m) o nelle due direzioni principali (geogriglie bidirezionali, resistenza circa uguale nei due sensi kn/m).

15 Geogriglie (GG) Esempi di geogriglie estruse

16 Geogriglie (GG) geogriglie tessute: strutture piane a forma di rete costituite da fibre sintetiche ad elevato modulo (in genere poliestere PET) ricoperte da un ulteriore strato protettivo, sempre in materiale sintetico, in grado di garantire une resistenza strutturale delle giunzioni.

17 Geogriglie (GG) geogriglie a nastri saldati: strutture piane, in cui due o più serie di fibre o altri elementi sintetici vengono connessi ad intervalli regolari per mezzo di saldatura. In genere sono costituite da un nucleo di filamenti in poliestere PET ad alta tenacità e da un rivestimento in polietilene PE e sono caratterizzate da resistenze molto variabili tra le due direzioni ( kn/m).

18 Biotessili e biostuoie (BT) Biotessili Sono costituiti da fibre naturali (tipo juta e cocco) assemblate in modo da formare una struttura tessuta o nontessuta, relativamente deformabile, in grado di ben adattarsi al supporto. Proprio per la natura dei materiali costituenti, possono assolvere esclusivamente funzioni provvisionali, quali il controllo dell'erosione di pendii e scarpate durante la fase di crescita della vegetazione.

19 Biotessili e biostuoie (BT) Esempi di biotessili

20 Biotessili e biostuoie (BT) Biostuoie Sono costituite da fibre naturali (paglia, cocco, sisal, etc.), in genere contenute tra reti in materiale sintetico (tipo polipropilene PP o poliammide PA) o naturale (tipo juta). Le biostuoie hanno uno spessore di qualche decina di mm, sono disponibili in rotoli e, analogamente ai biotessili, possono essere impiegate su pendii e scarpate per facilitare la crescita della vegetazione definitiva e migliorare dunque le caratteristiche di resistenza all'erosione nella fase immediatamente successiva alla posa in opera.

21 Biotessili e biostuoie (BT) Esempio di biostuoia

22 Geostuoie (GA) Geostuoie Sono costituite da filamenti di materiali sintetici (polietilene ad alta densità HDPE, poliammide PA, polipropilene PP o altro), aggrovigliati in modo da formare uno strato molto deformabile dello spessore di mm, caratterizzato inoltre da un indice dei vuoti assai elevato (mediamente superiore al 90%). Possono essere impiegate su pendii e scarpate per migliorare la resistenza all'erosione provocata dall'impatto delle gocce di pioggia e dalle acque di ruscellamento, in modo da fungere da elemento di controllo dell erosione superficiale nella fase di crescita della vegetazione.

23 Geostuoie (GA) Esempi di geostuoie

24 Geocelle (GL) Geocelle Sono costituite da celle giustapposte prodotte per assemblaggio o estrusione di strisce di materiali sintetici di altezza pari a circa 100 mm, che realizzano una struttura a nido d'ape o similare. La loro funzione principale è quella di contenimento del terreno o di altri materiali sciolti. Tale funzione consente alle geocelle, una volta riempite di terreno, o di altri materiali sciolti, di evitare lo scivolamento del terreno superficiale su scarpate e pendii e soprattutto di migliorare globalmente il processo di controllo dell erosione.

25 Geocelle (GL) Esempio di geocella

26 Georeti (GN) Georeti Strutture a maglia costituite da due serie sovrapposte di fili (spessore complessivo 3-15 mm) che si incrociano con angolo costante in modo da formare aperture regolari costanti (ampiezza mm). Sono prodotte per estrusione di polimeri termoplastici (in genere polietilene ad alta densità HDPE) e la saldatura delle due serie di fili viene realizzata per parziale compenetrazione nei punti di contatto, quando il polimero è ancora allo stato semifluido. Possono generalmente assolvere la funzione di drenaggio, cioè di trasmissione dei fluidi nel proprio spessore.

27 Georeti (GN) Esempio di georete

28 Geosintetici per drenaggio (GCD) Geosintetici per drenaggio Possono essere costituiti da: elementi omogenei: elementi sintetici stampati con profilo particolare (in genere bugnato ), in modo da consentire la massima capacità drenante nel caso siano poste a contatto con superfici piane; elementi composti: costituiti dall associazione, in fase di produzione, di uno strato di georete, (o di geostuoia o di elemento stampato) con funzione drenante, racchiuso tra due strati di geotessile, con funzione filtrante (spessore complessivo 5-30 mm). Per espletare la funzione di drenaggio (o trasmissione dei fluidi), di fondamentale importanza risulta lo studio del comportamento sotto carico e nel tempo.

29 Geosintetici per drenaggio (GCD) Esempi di geocompositi per drenaggio Geocomposito drenante costituito da una geostuoia tridimensionale con struttura a cuspide ad elevato indice dei vuoti accoppiata con uno o due geotessili con funzione di filtro Geocomposito drenante costituito da una geostuoia tridimensionale con struttura a canali paralleli accoppiata termicamente con uno o due geotessili con funzione di filtro

30 Geocompositi bentonitici (GCL) Geocomposti bentonitici Sono così definiti quei prodotti costituiti da bentonite sodica e geosintetici; essi consistono di un sottile strato di argilla (bentonite) racchiuso tra 2 geotessili o laminato ad una geomembrana sintetica. Sono disponibili in commercio tre tipi di geocompositi bentonitici: primo tipo: realizzato fissando meccanicamente uno strato di bentonite interposto tra due geotessili: tale sistema di vincolo determina un incremento di resistenza al taglio all'interfaccia bentonite-geotessile. In corrispondenza delle giunzioni in sito, i materiali vengono semplicemente sovrapposti. La sigillatura si realizza quando la bentonite viene idratata, senza la necessità di alcuna cucitura meccanica;

31 Geocompositi bentonitici (GCL) secondo tipo: realizzato mescolando polvere di bentonite sodica a granulometria controllata con un collante solubile in acqua che è poi posto tra i due geotessili. Il collante ha lo scopo di tenere insieme il materiale durante le operazioni di trasporto e di posa. Il geotessile inferiore è molto sottile e con tessitura larga, cosicché in corrispondenza delle sovrapposizioni la bentonite fuoriesce dalle aperture del geotessile quando si idrata, realizzando in tal modo la sigillatura della sovrapposizione; terzo tipo: realizzato mescolando la bentonite con un collante che la fa aderire ad una geomembrana di polietilene ad alta densità HDPE.

32 Geocompositi bentonitici (GCL) geotessile nontessuto bentonite Esempio di geocomposito bentonitico geotessile tessuto

33 Geocompositi bentonitici (GCL) Esempio di geocomposito bentonitico

34 Geomembrane Geomembrane (GM) Geosintetici con funzione barriera, disponibili in forma di manufatti laminari, che possono essere: sintetiche plastomeriche elastomeriche bituminose Si differenziano inoltre in omogenee o rinforzate, a seconda che esista o meno un elemento di rinforzo all interno dello spessore.

35 Geomembrane sintetiche (GMS) Geomembrane sintetiche plastomeriche Sono fogli con spessore compreso tra 0.5 e 2.5 mm, fabbricati con diversi metodi produttivi (estrusione, calandratura e spalmatura) e caratterizzati da coefficienti di permeabilità molto ridotti. - Estrusione: la miscela costituita dal polimero termoplastico (LDPE, HDPE, PVC, PP) e da una serie di additivi vari con specifiche funzioni, viene fusa e spinta in pressione attraverso una testa di estrusione circolare; il foglio tubolare così lavorato viene mantenuto gonfio da una pressione d'aria, raffreddato, tagliato e aperto, in modo da ottenere un foglio piano (larghezza 2-6 metri);

36 Geomembrane sintetiche (GMS) - Calandratura: la miscela costituita dal polimero termoplastico (LDPE, HDPE, PVC, PP) e da una serie di additivi vari con specifiche funzioni, viene fusa e ridotta allo spessore voluto con l'azione di rulli riscaldati, in modo da ottenere un foglio piano (larghezza 1-2 metri); - Spalmatura: (processo di lavorazione tipico del PVC) la miscela, costituita dal PVC (allo stato di plastisol) e da una serie di additivi vari (principalmente plastificanti), viene spalmata a freddo e successivamente portata a fusione, in modo da ottenere un foglio piano (larghezza 1-2 metri).

37 Geomembrane sintetiche (GMS) Geomembrane sintetiche elastomeriche Sono fogli con spessore compreso tra 0.5 e 2.0 mm, caratterizzati da coefficienti di permeabilità molto ridotti e fabbricati mediante una lavorazione che si sviluppa in due fasi: - una prima fase, in cui si produce un impasto omogeneo, costituito dal polimero non vulcanizzato (gomma cruda) e da una serie di additivi vari con specifiche funzioni; - una seconda fase (calandratura), durante la quale la mescola omogenea così ottenuta viene lavorata con l'azione di rulli riscaldati, ridotta allo spessore voluto e vulcanizzata, in modo da ottenere un foglio piano (larghezza 1-2 metri).

38 Geomembrane sintetiche (GMS) Esempio di geomembrana sintetica

39 Geomembrane bituminose (GMB) Geomembrane bituminose Sono fogli (spessore mm, larghezza m) fabbricati mediante la lavorazione di una mescola fusa (costituita da bitumi, polimeri plastomerici e/o elastomerici e cariche minerali) e caratterizzati da coefficienti di permeabilità molto ridotti. In fase di produzione, generalmente si parte da un supporto (nontessuto o tessuto, in poliestere PET o fibra di vetro) che, nel corso di un processo continuo, viene impregnato nella mescola fusa, successivamente raffreddato ed accoppiato a fogli antiaderenti, prima dell avvolgimento. In Italia la loro produzione è concepita quasi esclusivamente per l impiego come impermeabilizzazione di coperture di fabbricati civili ed industriali.

40 Geomembrane bituminose (GMB) Esempio di geomembrana bituminosa

41 Impossibile visualizzare l'immagine. Polimeri utilizzati nella produzione dei geosintetici GEOSINTETICI Geotessili (GT) Geogriglie (GG) Georeti (GN) Geocompositi bentonitici (GCL) Geomembrane (GMS) POLIMERI PP, PET, PE, PA PE, PET, PP PE, PP PE, PET, PP, PA PE, PVC, PP PET = poliestere PP = polipropilene PA = poliammide PVC = polivinilcloruro PE = polietilene Tecniche di analisi termica per la definizione del tipo di polimero

42 Influenza delle proprietà dei polimeri: Densità POLIMERO DENSITA (kg/m 3 ) Poliestere (PET) 1380 Polipropilene (PP) 910 Poliammide (PA) 1140 Polivinilcloruro (PVC) 1250 Polietilene alta densità (HDPE) 950 Influenza sull installazione in acqua: opportuno l impiego di geosintetici realizzati con polimeri aventi densità superiore a 1000 kg/m 3

43 Influenza delle proprietà dei polimeri: Temperatura di fusione POLIMERO TEMPERATURA DI FUSIONE ( C) Poliestere (PET) 260 Polipropilene (PP) 165 Poliammide (PA) 250 Polivinilcloruro (PVC) 235 Polietilene alta densità (HDPE) 130 Influenza sul contatto con bitume steso a caldo ( C): opportuno l impiego di geosintetici realizzati con polimeri aventi una temperatura di fusione ben superiore a 200 C

44 Influenza delle proprietà dei polimeri: Resistenza ai raggi UV POLIMERO LUNGHEZZA D ONDA CRITICA (nm) Poliestere (PET) 325 Polipropilene (PP) <300, Poliammide (PA) Polivinilcloruro (PVC) 320 Polietilene alta densità (HDPE) Irradianza (W/m 2 -nm) Regione UV Spettro visibile Regione IR Lunghezza d onda (nm) Degradazione dei polimeri: i legami chimici si rompono a quelle lunghezze d onda che generano un energia uguale o superiore alla loro energia di legame.

45 Influenza delle proprietà dei polimeri: Resistenza ai raggi UV La maggior parte dei geosintetici non sono direttamente esposti ai raggi UV e dunque non richiedono l impiego di sostanze stabilizzanti in fase di produzione. In caso di esposizione prolungata (discariche) o addirittura permanente ai raggi UV (dighe e bacini), è necessario ricorrere all impiego di sostanze stabilizzanti nella fase di produzione dei geosintetici: Nero di carbonio (per prodotti scuri): assorbe i raggi UV e ne dissipa l energia in forma di calore Schermi UV (per tutti i prodotti non scuri): funzionamento simile al nero di carbonio Antiossidanti: reagiscono con i radicali liberi e ne minimizzano la formazione