Marta Di Sante Evelina Fratalocchi Erio Pasqualini Le miscele terra calce

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3 Marta Di Sante Evelina Fratalocchi Erio Pasqualini Le miscele terra calce

4 Copyright MMXVI Aracne editrice int.le S.r.l. via Quarto Negroni, Ariccia (RM) (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: febbraio 2016

5 INDICE Introduzione... 7 Capitolo 1- La stabilizzazione delle terre... 9 Capitolo 2 - Le miscele terra-calce Un po di storia La calce La materia prima Il processo produttivo La nomenclatura I materiali trattabili con calce I basalti Le pozzolane I limi Le argille Le loppe d altoforno Le ceneri volanti Le terre trattabili a calce secondo il B.U. CNR n Sistema argilla-acqua-elettroliti Distribuzione degli ioni nei sistemi argilla - acqua Equazioni del doppio strato Effetto della valenza del catione e della concentrazione di elettrolita Nomenclatura delle miscele Essiccamento, miglioramento e stabilizzazione a calce dei terreni Chimica delle miscele Capitolo 3 - Meccanismi di reazione delle miscele Reazione di idratazione Scambio cationico e aggregazione Reazione pozzolanica Carbonatazione Capitolo 4 - Proprietà e caratteristiche delle terre trattate con calce Caratteristiche di compattazione Caratteristiche di plasticità Cambiamenti di volume Caratteristiche di resistenza e portanza

6 6 Indice Le miscele terra-calce 4.5 Caratteristiche sforzo-deformazione Caratteristiche di fatica e durabilità Caratteristiche idrauliche Lisciviazione Capitolo 5 - Il progetto delle miscele Il progetto delle miscele negli USA California procedure Eades & Grim procedure Illinois procedure Oklahoma procedure South Dakota procedure Texas procedure Thompson procedure Virginia procedure Il progetto delle miscele secondo le norme italiane Il B.U. del CNR n La Norma UNI EN Stabilizzazione a calce: suggerimenti per la progettazione Allestimento del campo prova Capitolo 6 La realizzazione delle opere: le operazioni di cantiere Scarificazione e polverizzazione del terreno Spandimento della calce Sminuzzamento, miscelazione e spandimento dell acqua Compattazione delle miscele e finitura degli strati Controlli in corso d opera e finali Capitolo 7 Applicazione ad un caso reale Identificazione del terreno in esame e scelta del tipo di calce Sperimentazione di laboratorio Allestimento del campo prova Fase esecutiva e controlli in corso d opera Bibliografia

7 Introduzione L utilizzo dei terreni per scopi costruttivi è tipico dell ingegneria stradale: essi costituiscono materiale idoneo per costruire il piano di posa ed il corpo dei rilevati stradali. Essendo l Italia un paese ricco di materiale litoide di buona qualità, fino ad alcuni decenni fa era abitudine sostituire il materiale eventualmente scadente presente nel sito con uno di migliore qualità proveniente dalle numerose cave di prestito disponibili. Oggi non è più possibile prescindere dal fatto che il terreno è una risorsa non rinnovabile, ed in quanto tale, esauribile con il tempo. Il prelievo di materiale causa quindi, inevitabilmente, uno squilibrio tra la produzione e l utilizzo. Col passare degli anni, la frequenza di tali prelievi è andata via via aumentando, di pari passo con l aumento ed il miglioramento della comunicazione tra i paesi. Diretta conseguenza ne è il progressivo esaurimento delle risorse, l alterazione degli equilibri fisici, chimici e biologici dell ambiente e, ultimo e più importante, la continua ed inesorabile produzione dei rifiuti, con la consequenziale necessità del loro smaltimento accompagnato dai relativi oneri organizzativi ed economici e dalla necessità dell utilizzo dell ambiente quale discarica. I processi in grado di arginare o risolvere tale problema sono quelli di riciclo e recupero di materiale. Nel caso particolare dei terreni, il recupero si può effettuare con l operazione di stabilizzazione meccanica, mediante additivazione con leganti idrocarburati, con cemento o con calce. Nel caso dei terreni fini limo-argillosi o comunque con una frazione argillosa non trascurabile, il legante più idoneo è la calce: l idea di additivare la calce al terreno per migliorarne le prestazioni meccaniche ed idrauliche è nota fin dai tempi antichi. A partire dai primi del 900 si è sviluppato, soprattutto negli Stati Uniti, un uso più controllato e consapevole di tale tecnica. L impulso alla ricerca in tale direzione, è stato notevole, anche in alcuni stati europei, a partire dal secondo dopoguerra. Nel nostro paese, seppure allo stato attuale la stabilizzazione con calce sia considerata una tecnica collaudata, la ricerca è in progressivo sviluppo per ottimizzare l efficacia e la procedura di progettazione di tale tecnica alla luce dei numerosissimi fattori intrinseci ed ambientali che influenzano le prestazioni delle miscele terreno-calce. 7

8 8 Introduzione Le miscele terra-calce Il criterio di progettazione finora seguito per tali applicazioni è di tipo empirico e troppo spesso basato esclusivamente sull esperienza pregressa; ciò comporta che, spesso, i risultati realmente ottenuti differiscono da quelli attesi. Al contrario, è fondamentale eseguire una corretta sperimentazione propedeutica alla progettazione e contestuale alla realizzazione in scala reale. Il testo si propone di fornire complete indicazioni progettuali per il design delle miscele accompagnata da una panoramica generale sul trattamento a calce delle terre nonché un contributo alla comprensione di fondamentali aspetti del loro comportamento. Viene inoltre analizzata l influenza di alcuni fattori sulle prestazioni del terreno trattato con lo scopo di ottimizzare le prestazioni del materiale. All interno del testo sono disponibili anche approfondimenti teorici e richiami a concetti di base utili per i professionisti che decidono di affrontare gli argomenti trattati con la giusta consapevolezza tecnica. Nei primi capitoli, dopo un introduzione di carattere generale sulle varie tecniche di stabilizzazione delle terre, vengono approfondite le caratteristiche dei materiali solidi che compongono la miscela terrenocalce e viene chiarita e trattata nel dettaglio la controversa materia della nomenclatura delle miscele. La successiva descrizione dei meccanismi di reazione è fondamentale per comprendere e gestire al meglio il progetto di una stabilizzazione a calce, trattato nel successivo capitolo 5, sia descrivendo le procedure usate all estero che quelle contenute nei riferimenti italiani. Nel capitolo 6 vengono descritte le fasi della lavorazione in cantiere e i necessari controlli da eseguire in fase esecutiva. Nell ultimo capitolo viene illustrata un applicazione reale

9 Capitolo 1 La stabilizzazione delle terre Dopo aver sottolineato i vantaggi della stabilizzazione delle terre, il capitolo illustra sinteticamente i diversi metodi di stabilizzazione, con lo scopo di introdurre alla stabilizzazione con calce, trattata nei capitoli successivi. Gran parte delle terre da scavo disponibili nei cantieri, previo opportuno trattamento, potrebbe essere riutilizzata nell ambito degli stessi cantieri nel caso in cui siano previste opere in terra, quali ad esempio rilevati, argini di contenimento, sottofondi, ecc. Tipici esempi sono rappresentati da strutture in pendio oppure da tracciati stradali con tratti in trincea e in rilevato. In tali casi, le opere in terra richiederebbero l impiego di materiale idoneo prelevato da cava. Ciò comporta notevoli costi economici, dovuti all acquisizione e al trasporto del materiale da cava, cui si aggiungono il trasporto e l eventuale smaltimento delle terre da scavo. Accanto a questi devono essere poi considerati i costi ambientali, legati allo sfruttamento di cave di prestito e al transito di mezzi pesanti. Le terre di scavo disponibili nel cantiere possono essere rese idonee mediante stabilizzazione con leganti, ovvero mediante l aggiunta di leganti e successiva compattazione (in assenza di leganti, si parla di stabilizzazione meccanica). Il tipo e la quantità di legante nonché le procedure esecutive dipendono essenzialmente dalle caratteristiche fisico-chimiche intrinseche della terra da stabilizzare, dalle caratteristiche idrauliche e/o meccaniche richieste per l opera da realizzare e dalle condizioni climatiche durante la costruzione e nel corso della vita dell opera. Dall accurata determinazione 9

10 10 Le miscele terra calce Le miscele terra-calce delle suddette caratteristiche e dalla conoscenza delle condizioni ambientali dipende la riuscita dell opera. La stabilizzazione meccanica è una tecnica ormai in disuso, in passato era utilizzata per realizzare rilevati stradali e strati di fondazione. Essa si svolge attraverso le classiche operazioni di miscelazione, umidificazione e costipamento. Più spesso occorre variare anche la composizione granulometrica correggendo la composizione del terreno naturale, dosando cioè, in opportuna proporzione, le frazioni fini (limo e argilla), che vanno a costituire la matrice legante, con le frazioni più grossolane (sabbia e ghiaia), al fine di ottenere un materiale con prestazioni migliorate. La stabilizzazione a cemento consiste nella preparazione di una miscela di terra, cemento (in quantità generalmente compresa tra il 3% ed il 6% su peso secco di terreno) e acqua, che viene poi compattata fino ad ottenere una densità elevata. Con questa tecnica, sono garantite elevate resistenze in tempi brevi grazie a veri e propri fenomeni di presa e indurimento che avvengono nel materiale. La nomenclatura delle miscele terra-cemento è essenzialmente funzione della quantità di cemento aggiunta: si parla di terreni modificati a cemento ( cement modified soil ) se la quantità aggiunta è minima e tale da ottenere un terreno migliorato la cui suscettibilità all acqua è diminuita, la miscela può risultare non indurita o semi-indurita. Se invece viene aggiunta una quantità di cemento più elevata, tale da ottenere significativi aumenti di resistenza e durabilità si parla di terreno-cemento indurito ( hardened soil-cement ). L aggiunta di calce ad una terra con sufficiente frazione argillosa comporta, in poche ore, la riduzione dell umidità, dell indice di plasticità e dell affinità all acqua. A medio termine si ottiene anche un aumento di resistenza dovuto alla reazione pozzolanica tra la calce e i minerali della frazione argillosa. I tipi di calce utilizzati, unitamente alla descrizione dettagliata dei meccanismi di reazione e dei cambiamenti delle proprietà meccaniche e idrauliche delle miscele, nonché delle procedure di progetto e costruttive, sono l argomento del presente volume e sono descritte in dettaglio nei capitoli che seguono