UTILIZZO DEL PROCESSO ELETTROSMOTICO A BASSE TENSIONI PER IL RECUPERO DEI CEDIMENTI DEGLI EDIFICI IN TERRENI COESIVI

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1 UTILIZZO DEL PROCESSO ELETTROSMOTICO A BASSE TENSIONI PER IL RECUPERO DEI CEDIMENTI DEGLI EDIFICI IN TERRENI COESIVI Pasquale Armillotta 1 e Giuseppe Mandrone 2 USE OF LOW TENSION ELECTROOSMOTHIC TECHNIQUES TO RECOVER SETTLINGS IN BUILDINGS ON COHESIVE SOILS. 1 Libero professionista. Via San Fermo 5/a - Loc. Bannone Traversetolo (PR) info@thesis-srl.it 2 Ricercatore Dip. Scienze della Terra Università di Parma. Parco area delle scienze, 157/a PARMA Tel mandrone@unipr.it

2 RIASSUNTO Nel presente lavoro sono esposti i risultati di una sperimentazione in cantiere di una tecnica consolidata, ma con principi e metodologia di applicazione completamente nuovi. Infatti, applicando il processo elettrosmotico con basse tensioni in terreni coesivi con componente argillosa attiva, senza drenaggio catodico, in quattro campi sperimentali è stato registrato il recupero parziale dei cedimenti differenziali, la variazioni dei valori di alcune caratteristiche dei terreni tra prima e dopo il trattamento ed, infine, la non ripresa delle oscillazioni stagionali dei cedimenti e dell apertura delle crepe negli edifici su cui è stata testata questa tecnica. In tutti i casi si è applicato il campo elettrosmotico nel tentativo di creare un aumento di volume del terreno generando, quindi alcune variazioni di certe caratteristiche geotecniche dei terreni di fondazione. I risultati, quasi inaspettatamente promettenti, e la mole di dati a disposizione non permette ancora una comprensione precisa del perché avvengono questi recuperi, ma la casistica, seppur su solo quattro casi, dimostra che il procedimento funziona, che non ha controindicazioni, che le trasformazioni non sono reversibili e soprattutto che le modalità di applicazione e la flessibilità della strumentazione garantiscono interventi semplici e spesso risolutivi. TERMINI CHIAVE Elettro-osmosi, basse tensioni, recupero dei cedimenti

3 EXTENDED ABSTRACT In the present paper are exposed the preliminary results of an experimentation in the field of a consolidated technique, but with principles and completely new methodology of application. In fact, applying the elettro-osmotic process with low tensions in cohesive soils with active clayely fraction, without cathodic water-drainage, in four case studies, we recorded a partial recovery of the differentiate settlings and a variations in some geotechnical characteristics after the application of thetreatment. We also registered the blockage of the seasonal oscillations of the settlings and of the opening of leaks in the buildings on which this technique was tested. In all the cases the elettro-osmotic field was applied to create an increase of volume of the terrains and to generate, therefore, some geotechnical variations in the terrains of foundation. The results, nearly unexpectedly promising, and the number of data at disposition still do not allow a complete understanding of how these recoveries happen, but the casuistry, even if on only four cases, demonstrates that the procedure works, than does not have contraindications, than the transformations are not reversible and, above all, that the modalities of application and the flexibility of the instrumentation guarantee simple and often resolutive applications. It is important to note that, in the respect of the natural environment, the tensions had a very low value compared with ones reported by some authors in bibliography, and that it hasn t necessary to add the interstitial fluid with salts. As concerns the electricity consumption of the plant, it is easily supported by the common domestic network. KEYWORDS Electro-osmosis, low tensions, recovering settlings

4 INTRODUZIONE Il processo elettrosmotico, scoperto e studiato fin dalla metà dell 800, consiste nell ottenere la migrazione dell acqua e dei sali sciolti, in un mezzo poroso, attivandone il flusso con l applicazione di un campo elettrico continuo. Esso è stato applicato ai terreni coesivi, studiato sistematicamente per la prima volta da CASAGRANDE (1948), e proposto in diverse altre occasioni da diversi autori sia italiani che stranieri. Il presente è uno studio preliminare finalizzato alla individuazione delle motivazioni tecnico-scientifiche che stanno dietro ad alcuni risultati del tutto superiori alle aspettative, nel campo del recupero dei cedimenti differenziali e totali negli edifici di civile abitazione. Il passaggio di corrente nel terreno coesivo sottoposto ad un campo elettrico, consiste essenzialmente nella migrazione di ioni presenti nel fluido di porosità. In particolare, i cationi coordinano le molecole d acqua e migrano verso il catodo (EVANGELISTA; 1995). La diffusione dei sali agisce prevalentemente sugli elettroliti dei fluidi nei pori e quindi sull impalcatura delle particelle d argilla, mentre l elettrosmosi genera delle trasformazioni nell interstrato dei minerali argillosi aperti, bloccandone la reattività (VENIALE; 1978). In natura, il processo avviene spontaneamente quando materiali coesivi di diversa natura ed umidità sono a contatto: si genera in tal caso una differenza di potenziale che tende a far migrare l acqua dal potenziale più alto verso quello più basso. In campo applicativo, l uso finora fatto del processo elettrosmotico è stato finalizzato al consolidamento dei materiali coesivi (argille, limi argillosi e argille limose), quindi con diminuzione di volume, mediante drenaggio dell acqua al pozzo catodico e modifica della struttura intima dei fillosilicati che, in casi estremi, arriva fino a trasformarli in strutture quasi granulari attraverso l utilizzo di campi elettrici ad alta differenza di potenziale ( V), con valori di V/cm elevati (prossimi all unità) (VENIALE; 1978); i risultati migliori, secondo la bibliografia consultata, sono stato ottenuti su limi argillosi.

5 In laboratorio è stato osservato il comportamento dei terreni coesivi sottoposti a campo elettrico costante, con e senza drenaggio, con e senza aggiunta d acqua; tutte prove, però, che permettevano l eventuale diminuzione di volume del terreno, ma ne impedivano l eventuale espansione. METODOLOGIA APPLICATA La metodologia applicata è innovativa in quanto avviene in assenza di tubo catodico drenante, utilizzando l acqua naturalmente presente nel terreno o artificialmente fornita, non allontanandola, bensì attirandola al di sotto delle aree affette da cedimenti. La metodologia dell intervento non è invasiva e permette la salvaguardia ed il rispetto degli ambienti presenti, soprattutto in ambito urbano. L applicazione qui descritta è coperta da brevetto internazionale (domanda pubblicata in data con il n del bollettino 2001/25) ed è stata utilizzata recentemente in quattro casi (ARMILLOTTA, 2000). La sperimentazione prevede l infissione nel terreno di elettrodi positivi ed elettrodi negativi, senza pozzi catodici drenanti, instaurando un campo elettrico continuo con bassi valori di V/cm entro i terreni coesivi, presenti sotto il piano di fondazione di alcune piccole costruzioni adibite a civile abitazione. Si è sempre trattato di piccole palazzine civili con non più di due solai, mono o bifamiliari. Il metodo è stato applicato ed osservato in un primo cantiere circa tre anni fa con risultati molto promettenti ed addirittura superiori alle attese. In quella sede (Caso A) non è stato possibile mettere in opera il complesso processo di analisi attuato per gli altri tre casi analizzati (Caso 1, Caso 2, Caso 3), ma è stato estremamente utile per la comprensione dell utilità e della funzionalità dell applicazione. Le condizioni a contorno prevedevano la presenza d acqua nel terreno da sottoporre a trattamento, ovvero la sua fornitura in prossimità dei catodi, la non immissione di sali nel

6 terreno, l applicazione del processo ad un sistema aperto, con bassa differenza di potenziale e, come già affermato, dell esclusione del drenaggio catodico. Tutti e quattro i campi prova erano degli edifici di civile abitazione di modesta entità (villette ad 1-2 piani) ed avevano in comune la presenza di cedimenti differenziali evidenziati da fessure che variavano la loro apertura in funzione della stagione: dopo periodi piovosi le fessure tendevano a chiudersi, dopo periodi asciutti ad aprirsi. In tre dei quattro casi (Caso A, Caso 1 e Caso 3), la vicinanza con alberi d alto fusto ha probabilmente influenzato il fenomeno in quanto il loro apparato radicale può essersi spinto fin sotto il piano delle fondazioni. A supporto di tale ipotesi, in un caso è stato rinvenuto un ramo dell apparato radicale di un tiglio sotto le fondazioni di una palazzina, a due metri di profondità, ed a 15 metri dal fusto dell albero: l asportazione di tale ramo, la realizzazione di un sottile ma robusto setto nella parete esterna dello scavo, il riempimento dello stesso fino a 20 cm sotto il piano di fondazione con ghiaietto selezionato, e l apporto di acqua hanno permesso un recupero di circa 1 mm. Nei campi prova, sono stati messi in opera una serie di elettrodi; quelli negativi erano distanziati 1 1,5 metri l uno dall altro lungo una retta parallela al muro esterno di ciascun edificio; quelli positivi anch essi distanziati 1 1,5 metri l uno dall altro lungo una retta parallela a quella degli elettrodi negativi. La distanza tra le due serie è stata anch essa di circa 1,5 metri. Gli elettrodi positivi sono stati infissi verticalmente, mentre quelli negativi obliquamente, in modo tale che la punta dell elettrodo fosse circa un metro sotto il piano di fondazione, interessando così il bulbo degli sforzi. Gli elettrodi così disposti (di lunghezza variabile da 1,5 a 3 m) sono stati collegati ad una centralina che manteneva costante la differenza di potenziale, ma non l intensità di corrente. La bassa umidità naturale di alcuni terreni di fondazione, ha portato al tentativo di innalzarla nel Caso 1 e nel Caso 3, immettendo acqua nei fori poi destinati ad accogliere gli elettrodi al

7 fine di accentuare gli effetti del fenomeno. Comunque, la presenza di una falda acquifera molto prossima alle fondazioni, monitorata nel Caso A prima, durante e dopo l intervento, non ha avuto alcuna influenza sulla sperimentazione, in quanto non è stato registrata alcuna significativa variazione nei piezometri appositamente posizionati. In tutti i casi, si è proceduto ad una inversione del campo elettrico motivata dall intenzione di eliminare la possibile presenza di zone d ombra e di diminuire la resistività del terreno dovuta ad un ph neutro tra gli elettrodi (VENIALE; 1978). a) b) Fig 1 Schema tipo di disposizione degli elettrodi in pianta ed in sezione. I simboli vuoti indicano gli elettrodi negativi, quelli pieni i positivi. Sketch of the electrodes disposition in plan (a) and section (b). Empty and full symbols shows, respectively, negative and positive electrodes RISULTATI OTTENUTI I quattro cantieri analizzati in questa sede si trovano tutti tra la Bassa parmense e quella reggiana, in particolare a San Secondo P.se (PR) ed a Praticello di Gattatico (RE). Siamo, però, a conoscenza di applicazioni svolte in altre parti d Italia. Dal punto di vista geologico, i terreni di fondazione sono tutti costituiti da materiale coesivo autoctono classificato come Alluvioni recenti del Quaternario continentale (R.E.R., 2002). Durante le prime applicazioni di questa metodologia sono stati raccolti una serie di dati, inizialmente in modo non sistematico, poi via via più organico: essi hanno fornito gli stimoli iniziali per questa ricerca, che alla luce dei dati oggettivi raccolti assumono, a nostro parere, un significato non trascurabile.

8 I campi prova sono stati quattro: la metodologia applicata ed i risultati ottenuti sono esposti, in estrema sintesi, in TAB. 1, mentre di seguito sono esposte brevemente le informazioni salienti per ogni cantiere relative alle diverse condizioni di applicazione del metodo elettrosmotico e dei risultati ottenuti. In particolare, nelle ultime colonne è riportato il periodo di osservazione dopo il termine dell applicazione (nei primi due casi decisamente ragguardevole) e la stabilizzazione o meno del sistema, cioè se si sono ripresentati i sintomi ed i cedimenti di prima del trattamento. Visto che i risultati si sono mostrati più incoraggianti di qualsiasi aspettativa, durante i lavori nei casi 1 e 3 sono state fatte molte variazioni nell applicazione del metodo e pertanto non è possibile schematizzare in modo facilmente comprensibile i risultati, ma dalle altre due applicazioni (dove le condizioni sono state mantenute costanti durante tutta la durata) è possibile ricavare interessanti e chiari segni di come funziona questo metodo. V iniziale A iniziale Giorni di applicazione Recupero nell apertura delle crepe (mm; %) Periodo di osservazione Stabilizzazione del sistema Caso A ,8; 66% 3 anni sì Caso (5,5 * ) 30 2,5; 20% 2 anni sì Caso ; 40% 2 mesi sì Caso ,8(3,3 * ) - 3,8 2 1,2; 25% 2 mesi sì TAB. 1 Descrizione delle condizioni in cui si è operato nei quattro casi analizzati; legenda: A=Ampere, V = Volt, * = aggiunta di acqua al sistema. Description of the operating conditions in the four case studies: keys: A=Ampere, V = Volt, * =adds of water Caso A Si tratta di una palazzina di un piano costruita nei primi anni 80, che presentava un angolo con vistose crepe e fessure. A circa 150 cm dall angolo è presente un aghifoglie, mentre a circa 4 metri è presente un latifoglie molto alto con fusto di circa 70 cm di diametro. La crepa maggiore era orizzontale, ad pochi decimetri dal marciapiede perimetrale, con un apertura massima di circa due cm in corrispondenza dello spigolo. A questa crepa maggiore erano correlate altre fessure verticali generatesi dalla decompressione orizzontale dovuta al cedimento. Le condizioni di applicazione del metodo e dei risultati ottenuti sono state

9 riassunte in FIG. 2 e 3. In particolare nel primo grafico si osserva che alla progressiva diminuzione dell Intensità di corrente si contrappone dapprima un aumento, e quindi una caduta verso valori costanti della resistenza. Dal secondo si evince come occorre un certo tempo per innescare il sistema, quindi si ha una evoluzione abbastanza rapida del recupero dei cedimenti che in breve tempo si esauriscono e non mostrano variazioni anche a seguito dei successivi tentativi di variazione ed inversione del campo elettrico. In particolare, dopo i primi 4 giorni d applicazione del campo elettrico, i vetrini hanno segnalato un recupero totale dei cedimenti di 9 mm, pari a circa i 2/3 del totale. Ohm days 8 1 day days ,5 0,5 1,5 Ampere 2,5 FIG. 2 Variazioni dell intensità di corrente in funzione della resistenza e dei tempi registrate nel Caso A per una differenza di potenziale di 10 V. Variations of amperage and resistance through the time in the Case A for a difference of potential of 10 V. 1,5 mm 1 0, day FIG. 3 Recupero dei cedimenti in funzione del tempo nel Caso A. Settling recover in function of time in the Case A

10 È importante sottolineare che le diverse inversioni del campo elettrico con differenze di potenziale fino a 20 V sono state applicate verso la fine dell applicazione, senza che i vetrini registrassero alcun movimento. Si è osservato, comunque, che l intensità di corrente è calata asintoticamente verso I = 0.6 A molto più velocemente rispetto all andata. A distanza di tre anni, dopo periodi piovosi e siccitosi, non si registra alcun movimento relativo del terreno o della costruzione e da allora sull edificio non è stato eseguito alcun ulteriore intervento. Caso 1 La palazzina, costituita da cantina taverna-garage, piano sopraelevato e primo piano, costruita nei primi anni 90, presentava una crepa orizzontale molto vistosa tra la trave di raccordo delle colonne di un porticato ed il solaio poggiante su di essa, con un apertura massima di 1.2 cm, su cui sono più volte intervenuti con paliativi. Anche in questo caso, a circa 4 metri dalla zona trattata sono presenti degli alberi d alto fusto. È stata applicata una differenza di potenziale iniziale di 10 V, con iniziali 4 A di intensità (R = 2.5 Ω). Dopo 24 ore, si è registrato un calo d intensità di circa 0.8 A (R = 3.13 Ω), cui è seguito un ulteriore calo a 3 A (R = 3.3 Ω) nei successivi 6 giorni, senza registrare alcun recupero dei cedimenti. Dopo la prima settimana d applicazione, la differenza di potenziale è stata portata a 20 V e l intensità di corrente a 5 A (R = 4 Ω), cui non è seguito alcun calo nelle successive 24 ore. Durante questa seconda fase, durata 3 giorni, si è registrato un recupero dei cedimenti di circa 1 mm, non corrispondente all obiettivo prefissato. Dopo questi 10 giorni, mantenendo costante la differenza di potenziale a 20 V, si è alzata l intensità di corrente a 5.5 A (R = 3.6 Ω), dopo l immissione di molta acqua nei fori predisposti ad accogliere gli elettrodi negativi, per evitare il distacco degli elettrodi dal terreno a seguito dell applicazione del campo elettrico.

11 Durante le 24 ore seguenti non si è registrato alcun calo dell intensità di corrente. Dopo una settimana, i vetrini hanno registrato un ulteriore recupero dei cedimenti di circa 1.5 mm.questa terza fase è durata 30 giorni; al termine dell applicazione, l intensità di corrente era di 2.8 A (R = 7.14 Ω). Il recupero totale è stato di 2.5 mm. Si è proceduto ad una inversione del campo elettrico durante la terza fase non registrando alcuna diminuzione di volume del terreno. Sono state effettuate altre tre inversioni del campo elettrico con differenze di potenziale di 10, 20 e 30 V a fine applicazione, senza che i vetrini registrassero alcun movimento. L intensità di corrente è calata asintoticamente verso I = 2.8 A più velocemente rispetto all andata. Al fine di testare eventuali variazioni del comportamento meccanico del terreno sono state effettuate due prove penetrometriche statiche, una prima ed una dopo l applicazione, da cui è emerso che fino alla profondità di 10,80 metri non è presente la falda. Da esse è anche emerso che i valori di Rp e Rl sono calati di circa il 10 % nel volume di terra trattato col campo elettrico. Il lieve e trascurabile calo delle caratteristiche geotecniche, è largamente compensato dagli effetti del trattamento sul complesso terreno-fondazione. Caso 2 La costruzione è costituita da una unità costruita agli inizi del secolo scorso, con un primo piano e senza parti interrate, ma con un contrafforte su uno spigolo. Pochi anni fa, sono stati realizzati due garage adiacenti alla palazzina, su uno dei suoi due lati minori, quello con il contrafforte, che hanno presentato da subito delle fessure prima, e delle crepe poi. In particolare, essendo i garage solidali con la palazzina, l incremento di carico ha da subito causato una fessura orizzontale di lieve entità alla base della palazzina e sul lato maggiore, quello frontale d ingresso, con abbassamento di circa 2 cm del piano di calpestio ad esso prospiciente. All interno dei due garage e sui muri perimetrali, erano presenti diverse fessurazioni, con una crepa a scala di circa 5 mm d apertura che partiva dalla copertura e

12 terminava sull intonaco esterno poche decine di centimetri più in basso, sullo spigolo esterno posteriore. Le condizioni di applicazione del metodo e dei risultati ottenuti sono state riassunte in FIGG. 4 e 5 ed i risultati, seppur con campo elettrico abbastanza differente (in particolare per quanto riguarda la durata), sono chiaramente confrontabili al caso A. Ohm days 2 days 1 day Ampere 0 FIG. 4 Variazioni dell intensità di corrente in funzione della resistenza e dei tempi registrate nel Caso 2 per una differenza di potenziale di 15 V. Variations of amperage and resistance through the time in the Case 2 for a difference of potential of 15 V. 2,5 2 1,5 mm 1 0, day FIG. 5 Recupero dei cedimenti in funzione del tempo nel Caso 2. Settling recover in function of time in the Case 2 Unica anomalia da segnalare è stato il brusco innalzamento di resistenza registrato dopo il primo giorno e la successa sua repentina discesa, con ripresa del trend classico. Durante la prima fase, nel giro di due giorni, è stato registrato dall apparecchiatura laser, un recupero dei cedimenti di circa 2 mm, mentre nella seconda fase non si è avuto alcun ulteriore

13 recupero sostanziale. In questo caso non c è stata alcuna immissione d acqua, viste le condizioni di saturazione del terreno e la presenza della falda a circa 1 m di profondità dal p.c. Anche qui si è proceduto a più inversioni del campo elettrico senza che il sistema laser di controllo registrasse alcun movimento ed anche in questo caso; l intensità di corrente è calata più velocemente rispetto all andata. Caso 3 Si tratta di una palazzina di un piano costruita nei primi anni 70, che presentava due lati adiacenti con delle fessure. A circa 150 cm da un lato ed a 5 metri dall altro, sono presenti rispettivamente un latifoglie con fusto di circa 40 cm di diametro, ed una serie di latifoglie con fusto di circa 20 cm di diametro. La fessura maggiore era orizzontale, ad una spanna dal marciapiede perimetrale, con un apertura massima di circa 5 mm in corrispondenza dello spigolo. A questa fessura maggiore erano correlate altre fessure verticali generatesi dalla decompressione orizzontale dovuta al cedimento. È stata applicata inizialmente una differenza di potenziale di 17 V ed un intensità di corrente di 5 A (R = 3.4 Ω). Dopo circa un ora, l intensità è calata a 3.8 A (R = 4.5 Ω), rimanendo costante fino al giorno dopo, quando la differenza di potenziale è stata portata a 20 V e l intensità di corrente a 5.8 A (R = 3.4 Ω). A distanza di circa due ore dalla variazione della differenza di potenziale e dell intensità di corrente, quest ultima è scesa a 4.8 A (R = 4.2 Ω). Nell arco delle prime 24 h è stato registrato, con un sistema di controllo laser, un recupero dei cedimenti di 1.2 mm. Dopo altre 24 h, rimanendo costante la differenza di potenziale, l intensità di corrente è stata portata a 3.3 A (R = 6.1 Ω), immettendo nei fori ospitanti gli elettrodi 10 litri d acqua in totale, cui è corrisposto un passaggio a 3.5 A (R = 5.7 Ω) dell intensità di corrente (questa fase è durata 2 giorni). Dopo la fase precedente, la differenza di potenziale è stata portata a 30 V e l intensità è rimasta costante a 3.8 A (R = 7.9 Ω) fino a

14 fine applicazione. Il recupero è stato circa il 25% del cedimento differenziale totale ed in questo caso non si è proceduto ad alcuna inversione del campo elettrico. CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALE PRIMA E DOPO L APPLICAZIONE Nei tre campi sperimentali analizzati (nel primo caso, lo scopo era solo quello di verificare se questo metodo poteva dare dei risulti) sono stati prelevati alcuni campioni di terreno, prima e dopo il trattamento. Tutti i campioni sono stati sottoposti ad una serie di analisi di laboratorio, scelte fra quelle che la bibliografia e l esperienza suggerivano come le più idonee a comprendere il perché delle reazioni ottenute. In particolare sono state eseguite: analisi granulometrica, determinazione dei limiti di Atterberg e degli indici ad essi correlati, determinazione del contenuto naturale d acqua del terreno, prova del blu di metilene ed, infine, analisi mineralogica. Analisi granulometrica e limiti di Atterberg Nella seguente tabella sono riportati i risultati delle analisi granulometriche e dei limiti di Atterberg (TAB. 2): se ne deduce che in tutti i casi si è intervenuti su argille limose ad alta plasticità e che non si riscontrano sostanziali variazioni nei valori dei limiti, né particolari trend ad esclusione dell umidità naturale che è sempre diminuita dopo il trattamento da poche unità fino a più del 15% nel Caso 1. Dai dati riportati in TAB. 2, è possibile calcolate il Coefficiente di Attività Colloidale delle argille (A) (come il rapporto tra l indice di plasticità e la percentuale di passante inferiore ai 2µm), ricavare il Grado di Plasticità (molto plastico con IP > 40, plastico con 15<IP<39), infine ricavare l Indice di Consistenza (Ic), e quindi la consistenza (rapporto tra la differenza tra il LL ed il contenuto naturale d acqua, e IP). Inoltre è possibile correlare l indice di plasticità con la frazione argillosa inferiore ai due micron (CHIAPPONE e SCAVIA, 1999).Questi dati sono esposti in TAB. 3 dalla quale si evince che comunque si tratta di

15 argille molto plastiche, ma soprattutto che l indice di consistenza Ic sale sempre sostanzialmente dopo il trattamento (ad eccezione del Caso 3 dove resta sostanzialmente immutato). Cantiere Composizione granulometrica (A.G.I.) Diagramma di Plasticità di Casagrande Limite liquido (LL) Limite plastico (LP) Indice di plasticità (IP) Umidità naturale Caso A Argilla Caso 1 - C1 - NT Argilla limosa Argilla inorganica di alta plasticità Caso 1 - C1 - T Argilla limosa Argilla inorganica di alta plasticità Caso 2 - C1 - NT Argilla limosa Argilla inorganica di alta plasticità Caso 2 - C1 - T Argilla limosa Argilla inorganica di alta plasticità Caso 2 - C2 - NT Argilla limosa Argilla inorganica di alta plasticità Caso 2 - C2 - T Argilla limosa Argilla inorganica di alta plasticità Caso 3 - C1 - NT Argilla limosa Argilla inorganica di con sabbia alta plasticità Caso 3 - C1 - T Argilla limosa con sabbia Argilla inorganica di alta plasticità TAB. 2 Risultati delle analisi granulometriche e dei limiti di Atterberg; legenda: NT = non trattato, T = trattato. Grain size and Atterberg limits results; keys: NT = non treated, T = treated. Cantiere Caso 1 - C1 NT Caso 1 - C1 T Caso 2 - C1 NT Caso 2 - C1 T Caso 2 - C2 NT Caso 2 - C2 T Caso 3 - C1 NT Caso 3 - C1 T Coeff. di attività delle argille IP Grado di Plasticità Ic Consistenza Frazione < 2µm Ipotesi mineralogica Mediamente Molto plastico 0.60 Plastica % Illite attiva Molto plastico 0.92 Solidoplastica % Illite Inattiva Molto plastico 0.79 Solidoplastica % Illite Molto plastico 1.04 Semisolida % Illite Mediamente Molto plastico 0.88 Solidoplastica % Illite attiva Molto plastico 1.00 Semisolida % Illite Inattiva Molto plastico 0.99 Solidoplastica Plastico 0.98 Solidoplastica % Caolinite % Caolinite TAB. 3 Valori del coefficiente di attività colloidale (A), del grado di plasticità e della consistenza, dell indice di plasticità e frazione inferiore a 2µm; legenda: NT = campione non trattato, T = campione trattato. Values for coefficient of colloidal activity (A), degree of

16 plasticity and consistency, plasticity index and fraction below 2µm; keys: NT = non treated, T = treated Prova del blu di metilene I campioni di terreno sono poi stati sottoposti alla prova del blu di metilene detta alla macchia, secondo la metodologia AFNOR NF P , per la determinazione di una serie di parametri legati alle caratteristiche fisiche e mineralogiche della frazione argillosa: in TAB. 4 sono riportati i risultati, media di tre prove effettuate su ogni campione. Nel dettaglio, questi sono gli standard utilizzati per questa prova: il peso secco era identico in ciascuna prova; Vm è il volume medio di blu di metilene in ml con concentrazione di 10 g/l utilizzato in ciascuna prova; VB è il valore di blu per 100 grammi di campione ottenuto dalla relazione VB = V/Ps, dove Ps è il peso secco; Sa è la superficie specifica totale (esterna più interna) dei minerali argillosi presenti nel campione che si sta analizzando, ottenuta dalla relazione Sa = 21 VB in mq/g; Acb è il VB della frazione di particelle inferiori ai 2µm e viene definito come Indice di Attività della frazione argillosa del terreno, ottenuto dalla relazione Acb = 100 VB/F, dove F è la percentuale di argilla con dimensioni inferiori ai 2µm (LAUTRIN, 1987). Si ricorda che per gli inerti, la superficie specifica totale è dell ordine di 1 4 mq/g, mentre per le argille è dell ordine di mq/g (CHIAPPONE & SCAVIA, 1999). In particolare, è dell ordine di 15 mq/g per la caolinite, di 80 mq/g per l illite, di 800mq/g per la montmorillonite. Per frazioni di materiale fine caratterizzate da miscele di minerali argillosi, VB aumenta col crescere del tenore di montmorillonite. Per la correlazione tra VB, Acb e Sa da prove alla macchia, e VB, Acb e Sa da prove elettroforetiche, si rimanda a più avanti. Un estesa campagna sperimentale condotta da LAUTRIN nel 1987 e nel 1989 mostra che Acb cresce con la percentuale di montmorillonite, e che i valori più bassi si ottengono per frazioni argillose poco attive o inerti. In particolare, Acb è compreso tra 1 e 2 per la caolinite pura, tra 4 e 5 per l illite pura, e tra 18 e 20 per la montmorillonite pura. Un altra relazione di

17 LAUTRIN mette in relazione l Acb con delle classi di terreno, cui corrispondono dei gradi di attività. In base a quanto su riportato, si ottengono i valori rispettivamente di 4 (Terreni con frazione argillosa normale) e di 5 (Terreni con frazione argillosa attiva). In TAB. 4 sono riassunti i dati delle prove di blu di metilene. I trend più significativi sono rappresentati anche sotto forma di istogramma in FIG. 6: anche in questa prova (ad esclusione del Caso 3 che evidentemente ha un comportamento anomalo) il valore di Vb e Acb dopo la prova diminuisce sensibilmente. Cantiere Peso secco Vm VB Sa Acb Caolinite Illite Mont morillonite Classe attività Caso 1 C1 - NT 33, ,6 138,6 10,0 0 % 98 % 2 % 5 Caso 1 C1 - T 35, ,6 75,6 7,2 10 % 45 % 45 % 4 Caso 2 C1 - NT 35, ,2 172,2 11,4 0 % 98 % 2 % 5 Caso 2 C1 - T 36, ,3 153,3 8,7 10 % 45 % 45 % 5 Caso 2 C2 - NT 34, ,6 180,6 11,9 0 % 98 % 2 % 5 Caso 2 C2 - T 33, ,8 163,8 9,2 10 % 45 % 45 % 5 Caso 3 C1 - NT 39, ,7 98,7 6,3 80 % 0 % 20 % 4 Caso 3 C1 - T 35, ,8 121,8 7,8 10 % 45 % 45 % 4 TAB. 4 Risultati della prova blu di metilene; legenda: NT = non trattato, T = trattato. Results for the blue of methilene analysis; Keys: NT = non treated, T = treated VB non trattato VB trattato Units Acb non trattato Acb trattato 0 Caso 1 Caso 2 - C1 Caso 2 - C2 Caso 3 FIG. 6 Istogramma di VB (valore di blu di metilene) e del Acb (VB della frazione di particelle inferiori ai 2µm) prima e dopo l applicazione dell elettrosmosi. Histogramm of VB (value of blue of methilene) and of the Acb (VB of the fraction below 2µm) before and after the treatment.

18 Bisogna tener presente che i valori di VB, Acb ed Sa risultano sovrastimati rispetto ai valori ottenuti sugli stessi indici con prove tradizionali. È però anche vero che esiste una correlazione lineare marcata tra le due stime degli stessi indici ottenuti con le due modalità differenti, che permette di rapportare i valori dei tre indici da prove col blu di metilene, a valori da prove elettroforetiche: - VB alla macchia = 1,6136 VB elettroforesi + 0,2516; - Acb alla macchia = 1,9509 Acb elettroforesi + 2,0735; - Sa alla macchia = 1,6136 Sa elettroforesi + 5,2666. Analisi mineralogica Tutti i provini sono stati sottoposti analisi mineralogica diffrattometrica ai raggi X con interpretazione semiquantitativa dei dati secondo il metodo Biscaye: il risultato è stato che i campioni esaminati sono da ritenersi dal punto di vista chimico-mineralogico del tutto simili e che pertanto il trattamento non agisce a questo livello. I tracciati diffrattometrici mostrano infatti poche differenze essenzialmente riguardanti i plagioclasi e i fillosilicati, ma tutte riconducibili a differenze di orientamento preferenziale dei campioni analitici. Il tipo di analisi non ha permesso di individuare la localizzazione dei metalli alcalini ed alcalino-terrosi (cationi del fluido interstiziale o cationi assorbiti nell interstrato). CONCLUSIONI Applicando un campo elettrico con bassa tensione a terreni coesivi con componente argillosa attiva senza pozzo catodico, con presenza d acqua naturale o artificialmente fornita al terreno, si è registrato un parziale recupero dei cedimenti e la cessazione della variazione di volume del terreno di fondazione in funzione dell alternanza di periodi siccitosi e di periodi piovosi. Il sistema, coperto da brevetto internazionale, consente di operare in situazione di difficoltà operativa con i mezzi tradizionali, e di ridurre al minimo le attività di cantiere.

19 A seguito degli inaspettati e positivi effetti dell applicazione del campo elettrico, nei mesi scorsi è stata effettuata una campagna sperimentale volta ad individuare le componenti interessate dagli effetti della presenza del campo. Dalla raccolta dati, è emerso che il processo, sia in andata che in ritorno, ha iniziato a produrre degli effetti una volta superata una soglia di attivazione, ed ha avuto termine quando la conduttività elettrica ha raggiunto valori bassi e costanti. Inoltre, una volta raggiunto il nuovo equilibrio nel sistema terreno, il passaggio di corrente, indice del processo, tende a calare asintoticamente senza che si registrino modificazioni significative. È da notare che nel rispetto dell ambiente naturale, le tensioni indotte hanno avuto un valore molto basso in confronto a quelle registrate da altri autori, e che non c è stato bisogno di additivare il fluido interstiziale con sali. Inoltre, è stato notato un discreto consumo degli elettrodi in lega d alluminio nella parte degli stessi non isolata, per la cessione al terreno dei componenti dell elettrodo. Il processo, sia in andata che in ritorno (con l inversione del campo elettrico), è avvenuto con una tensione costante, ma con un intensità di corrente variabile in funzione delle condizioni del terreno durante l applicazione. In particolare si è registrato in generale il suo calo repentino nelle prime 24 ore d applicazione, che prosegue nei giorni successivi fino ad un valore costante. Si è notato, inoltre, come rappresentato in FIG. 7 sottostante, che la diminuzione dell intensità di corrente in andata ha una ragione minore che in ritorno. Si può supporre che l area sottesa dalle due curve nel grafico qualitativo intensità di corrente in funzione del tempo sia il lavoro totale svolto dal sistema impianto - terreno - costruzione. Alla luce delle analisi effettuate, altri fattori riscontrati e significativi sono i seguenti: l immissione d acqua nel terreno aiuta il processo; il consumo di elettricità da parte dell impianto è tranquillamente sopportato dalla comune rete domestica;

20 Ampere dalle prove geotecniche si registra sempre un calo dell umidità nel terreno ed un aumento dell Indice di consistenza dopo il trattamento; dalle prove col blu di metilene si è evidenziata la diminuzione dopo il trattamento di VB, Sa ed Acb; il fattore tempo è molto importante in questo tipo di applicazione (i casi in cui il campo è stato tenuto per maggior tempo hanno dato risultati migliori); in tutti i casi a distanza di tempo non si sono più verificate cedimenti differenziali Time FIG. 7 Grafico qualitativo rappresentante l intensità di corrente in funzione del tempo in prima (linea continua) e dopo (linea tratteggiata) l inversione del campo elettrosmotico. Qualitative diagram showing amperage in function of time before (continuum line) and after (dashed line) the inversion of the electro-osmotic flow. In effetti, va messo in evidenza il fatto che il Caso 3 ha mostrato un comportamento decisamente anomalo, mostrando un trend decisamente in controtendenza sia per le prove geotecniche, che per quelle al blu di metilene. Il sistema non ha funzionato affatto in argilliti senza componente attiva, e in limi sabbiosi, mentre ha avuto una risposta decisa (da 1 a 4 mm in un caso e da 1 a 6 mm in un altro) in sole 12 ore. Va, infine, sottolineato che il presente è solo l inizio di uno studio di un fenomeno che si è mostrato estremamente interessante da molti punti di vista e che per molti aspetti è ancora sconosciuto. Questo lavoro non ha permesso di comprendere chiaramente quali sono gli effetti del trattamento sul terreno che comunque ha sempre reagito nella direzione voluta.

21 Nonostante una casistica non imponente ma sicuramente significativa, gli ottimi risultati ottenuti incoraggiano verso uno sviluppo di questa tecnica. In un prossimo futuro la ricerca sarà volta ad una ottimizzazione del sistema, all individuazione dei casi che più si prestano ad essere risolti con questo metodo, alla previsione dell entità e dei tempi del recupero, ed in ultimo, alla conoscenza chimico-fisica degli effetti che il fenomeno elettrosmotico a bassa intensità hanno sul terreno a breve ed a lunga durata. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia l I.T.S.O.S. C.E. Gadda di Langhirano per l utilizzo del laboratorio di chimica e delle relative attrezzature. ACKNOWLEDGEMENT Thanks to the I.T.S.O.S. C.E. Gadda of Langhirano for the use of its laboratory and instrumentation. OPERE CITATE AFNOR Norme française NF P (1993) Mesure de la qualité et de la fraction argileuse Association Française de Normalisation, Paris, La Defense ARMILLOTTA P. (2000) - Consolidamento e recupero di cedimenti in terreni coesivi mediante elettrosmosi. Convegno sul tema La Geofisica strumento di monitoraggio ambientale. In GEOFLUID 2000, V. Illiceto ed. Piacenza 4 7 ottobre (in stampa). CASAGRANDE L. (1948) Elettro-osmosis. In. Proc. Sec. Int. Conf. On Soil Mech and Found. Eng., Rotterdam, Gebr. Keesmaat, Harlem, Netherlaands, Vol. 1, pp

22 CHIAPPONE A., SCAVIA C. (1999) La prova del blu di metilene nella caratterizzazione geotecnica: un applicazione allo studio della stabilità dei versanti. Rivista Italiana di Geotecnica, n.4, 36-51, Patron editore, Bologna, Italia. EVANGELISTA A.(1995) Valutazioni teoriche e osservazioni sperimentali sui processi di trattamento dei terreni sulle modifiche indotte. Atti del XIX Conv. Naz. Geotecn. - Pavia 19/21 settembre. LAUTRIN D. (1987) Une procédure rapide d identification des argiles. Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées, 152, novembre-décembre, Pars, France. LAUTRIN D. (1989) Utilisation pratique des paramètres dérivés de l essai au bleu de méthylène dans le les projets de génie civil. Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaussées, 160, févr.-mars, Paris, France. REGIONE EMILIA ROMAGNA - SERVIZIO GEOLOGICO, SISMICO E DEI SUOLI, C.N.R. - CENTRO DI STUDIO PER LA GEOLOGIA STRUTTURALE E DINAMICA DELL APPENNINO (2002) Carta Geologico Strutturale dell Appennino emiliano romagnolo, Scala 1 : S.E.L.C.A., Firenze, Italia. VENIALE F. (1978) Consolidazione elettrosmotica e chimica. Atti del Seminario su Consolidamento di terreni e rocce in posto nell ingegneria civile, , Stresa, Italia.