RESISTENZA DI TERRE CEMENTATE E ALLEGGERITE (LWTS) A BASE DI INERTI FINI

Transcript

1 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 Matera, 5-7 Luglio 217 RESISTENZA DI TERRE CEMENTATE E ALLEGGERITE (LWTS) A BASE DI INERTI FINI Domenico De Sarno domenico.desarno@unina.it Enza Vitale Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale e.vitale@unicas.it Marco Valerio Nicotera nicotera@unina.it Raaele Papa rapapa@unina.it Giacomo Russo Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale giarusso@unicas.it Gianranco Urciuoli gianurci@unina.it Sommario La nota riguarda la possibilità di riciclare le terre a grana ine ottenute dagli scavi (altrimenti destinate a discarica) attraverso un metodo di trattamento che le trasorma in materiale da costruzione con peso dell unità di volume e resistenza preissati in unzione dell utilizzo. In particolare in questa nota sono presentati i risultati di una sperimentazione sull elemento di volume in cui è stato valutato l eetto di alcuni dei parametri di trattamento sul comportamento meccanico del materiale prodotto. 1. Introduzione Il trattamento dei terreni con addizione di cemento e schiuma consente di riutilizzare le rocce da scavo per la produzione di materiali da costruzione le cui prestazioni meccaniche e peso dell unità di volume possono essere calibrate in unzione delle esigenze di progetto. In questo modo vengono eliminati i costi di smaltimento delle terre scavate, con ovvi vantaggi inanziari ed ambientali, e vengono altresì superati i problemi di approvvigionamento dei materiali di cava e dei relativi costi di acquisto e di

2 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 Matera, 5-7 Luglio 217 trasporto. La questione del riutilizzo delle rocce da scavo è così rilevante che talvolta nella geotecnica tradizionale si ricorre al trattamento delle terre disponibili in situ (si pensi alla stabilizzazione a calce) piuttosto che utilizzare materiale di cava. Le terre cementate ed alleggerite (LWTS), molto meno diuse nella pratica delle costruzioni rispetto ai trattamenti tradizionali (almeno in Italia), orono vantaggi anche di natura costruttiva: esse vengono preparate e messe in opera sotto orma di miscele luide e sono poi soggette ai processi di presa ed indurimento tipici delle miscele cementizie. La schiuma ha un eetto luidiicante che rende il prodotto autolivellante; ciò ne acilita la posa in opera e lo rende idoneo a numerose applicazioni quali la costruzione di rilevati leggeri (particolarmente adatti a terreni di ondazione compressibili), rinterri per il ricoprimento di opere interrate e riempimenti alle spalle di opere di sostegno; inoltre non essendo necessaria la compattazione, i tempi di esecuzione delle opere sono piuttosto ridotti. I materiali LWTS sono suicientemente trattati nella letteratura tecnica e scientiica internazionale, in cui sono reperibili alcune conoscenze che possono ritenersi consolidate: la riduzione della densità del prodotto si ottiene con l aggiunta di una schiuma preormata che consente di ottenere un peso dell unità di volume della miscela variabile tra 5 e 15 kn/m 3 ; la resistenza e la rigidezza del prodotto inito sono generalmente crescenti con la densità; la resistenza non coninata, q u, è variabile tra 4 e 5 kpa, mentre la rigidezza, secondo quanto suggerito da Tsuchida e Egashira (24), è compresa tra 1 e 2 q u. 2. Metodo e parametri di trattamento La preparazione del materiale è eseguita in tre asi. Nella prima il terreno a grana ine è miscelato con acqua per produrre un ango omogeneo. Nella seconda, del tutto indipendente dalla prima, viene preparata la boiacca cementizia. Sebbene sia possibile aggiungere al ango il legante anidro, la scelta di preparare e aggiungere la boiacca presenta diversi vantaggi: essa assicura, inatti, una migliore idratazione del cemento e non riduce la viscosità del ango. Nella terza ed ultima ase della preparazione vengono unite le miscele di ango e boiacca e ad esse viene aggiunta schiuma. La schiuma è prodotta mettendo in agitazione una soluzione di acqua e tensioattivo; quest ultimo, riducendo la tensione supericiale del luido, consente la ormazione di una schiuma più stabile (Pugh 1996). Comunque la stabilità della schiuma rimane piuttosto ridotta, per cui è necessario che il ango abbia una viscosità suicientemente bassa per acilitarne la miscelazione; diversamente l eccessiva agitazione meccanica produrrebbe la rottura di un numero eccessivo di bolle. L aggiunta dell additivo aerante accresce la porosità della miscela, riducendo il peso dell unità di volume, sia allo stato resco che indurito: è così possibile regolare la densità del materiale inale. Le bolle d aria già contenute nella schiuma sono poi issate nella struttura del materiale in seguito alla presa e successivo indurimento del cemento. Dati i diversi elementi coinvolti nelle varie asi del trattamento, i parametri di mix design sono molteplici. Poiché si propone il riutilizzo di una roccia da scavo, il terreno da trattare e le sue proprietà sono issati; il primo parametro di trattamento è il contenuto d acqua del ango, w slurry, generalmente compreso tra e 3 volte il limite liquido del terreno, w l. È poi necessario stabilire il rapporto in peso acqua/cemento, w/c, della boiacca ed il rapporto tra quest ultima e la quantità di ango da miscelare, espressa attraverso il rapporto in peso ra cemento e terra secca (c/s). Inine, scelto il tensioattivo e la densità della schiuma, l ultimo parametro di progetto è legato alla quantità di schiuma da utilizzare nel trattamento, espresso attraverso l aliquota del volume di schiuma rispetto al volume totale (n ). 3. Attività sperimentale L indagine sperimentale è volta alla valutazione di alcuni degli eetti del trattamento sul comportamento meccanico dei terreni trattati. I risultati delle prove presentate sono stati ottenuti nel laboratorio di Geotecnica del dell Università

3 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 Matera, 5-7 Luglio 217 Federico II di Napoli. Tale studio a parte di una sperimentazione più ampia, svolta in collaborazione col Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica dell Università di Cassino e del Lazio Meridionale e con lo spin-o TERRE LEGGERE s.r.l. dell Ateneo Federico II. 3.1 Materiali L inerte scelto per la sperimentazione è un argilla limosa artiiciale acquistata dalla società Imerys Minerals Ldt, UK. La terra è prevalentemente costituita da caolinite, con modeste quantità di quarzo e muscovite. densità speciica, G s supericie speciica (BET,m 2 /g) ph limite liquido (%) limite plastico (%) indice di plasticità Tabella 1. Proprietà isiche del caolino Speswhite Il legante idraulico utilizzato per il trattamento è il Cemento Portland al calcare a rapido indurimento (CEM II/A-LL 42.5R) prodotto dalla Buzzi Unicem. L agente schiumogeno è l ISOCEM S/L, una miscela di tensioattivi anionici e non ionici prodotto dalla Isoltech s.r.l., utilizzato in concentrazione 2.5%. La schiuma è stata prodotta con la macchina GN-1 AC Bunker ad un peso dell unità di volume di circa.75 kn/m Procedure sperimentali Il ango è stato ottenuto miscelando il caolino con acqua distillata ad un contenuto d acqua gravimetrico w slurry =14%, corrispondente a 2w l. Separatamente è stata preparata la boiacca cementizia con rapporto w/c pari a.5. La quantità di boiacca aggiunta al ango è quantizzata sulla base del rapporto tra il peso secco di cemento e il peso secco di terreno, c/s. In tal modo, issato il peso secco di terreno da trattare è noto il peso di cemento necessario per il trattamento e, dato il rapporto w/c, il peso della boiacca da aggiungere. Avendo deinito i pesi e, noti i pesi speciici del terreno, del cemento e dell acqua, è immediato determinare i volumi di ango (V slurry ) e boiacca (V b ). Per stabilire il volume di schiuma da utilizzare nel trattamento è stato considerato il parametro n, deinito come il rapporto tra il volume di schiuma aggiunto, V, ed il volume di miscela idealmente prodotto, V. Tenendo presente che il ango e la boiacca sono soluzioni sature e quindi incompressibili e incompenetrabili, si può ritenere che i rispettivi volumi siano addizionabili: (%) V V b slurry V n b slurry V n 1 n ( V b slurry ) Fissata la densità della schiuma, il volume di additivo aerante calcolato è poi aggiunto in peso alla miscela. I provini sono conezionati in orme, sigillati e conservati in camera umida perché non perdano umidità. Si può notare che considerando il mezzo composto da due asi (la schiuma costituisce la ase gassosa e la miscela di ango e boiacca quella liquida, ritenendo trascurabile la ase liquida presente nella schiuma), n si può ritenere una porosità teorica dovuta alle bolle presenti nella schiuma; allo stesso modo, il rapporto n /(1-n ) può essere riguardato come un indice dei pori dovuti alla schiuma. È necessario considerare che la reale porosità indotta dalla schiuma può essere sensibilmente minore di quella teorica a causa della rottura di bolle che avviene durante l agitazione meccanica in ase di preparazione. In Tabella 2 sono mostrati i parametri di trattamento ed il peso dell unità di volume, misurato allo stato luido, dei mix su cui è stata svolta la sperimentazione presentata.

4 δ v (mm) Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 Matera, 5-7 Luglio 217 a/c w slurry k c/s2% k c/s4% k c/s4% n 2% k c/s4% n 4% c/s n.2.4 g [kn/m 3 ] Tabella 2. Parametri di trattamento e peso dell unità di volume allo stato luido dei mix utilizzati nella sperimentazione Risultati Il comportamento meccanico dipende dai diversi elementi che compongono il materiale e dalla loro interazione. Al ine di valutare il solo eetto della cementazione è stato studiato il comportamento del caolino cementato (non alleggerito) preparato con due diversi rapporti c/s. In ig. 1 sono mostrati i risultati di prove di taglio diretto eseguite 7 giorni dopo la preparazione del materiale. In legenda sono indicati il tempo di maturazione e la tensione di coninamento. All aumentare del rapporto c/s, la resistenza di picco cresce ed il materiale esibisce un comportamento instabile e dilatante, diversamente dal terreno cementato con rapporto c/s=2% che mostra un comportamento stabile e contraente. Con la cementazione, inatti, aumentano la resistenza di picco, la rigidezza iniziale e la ragilità (Leroueil e Vaughan 199). Dalle prove edometriche svolte sullo stesso materiale si può notare inoltre un incremento della tensione di snervamento al crescere della quantità di legante utilizzato, in accordo con quanto osservato da altri autori (Horpibulsuk, Bergado, e Lorenzo 24; Sasanian 211) K c/s2% 7d 5kPa K c/s2% 7d 1kPa K c/s4% 7d 5kPa K c/s4% 7d 1kPa s' v (kpa) e v.1.15 K c/s2% 7d K c/s4% 7d Fig 1. Prove di taglio diretto e prove edometriche eseguite su caolino cementato dopo 7 giorni di maturazione L aggiunta di schiuma al mix, come si può notare dalla Tabella 2, consente di ridurre la densità grazie alle bolle d aria disperse nella miscela luida. La riduzione del peso dell unità di volume è circa l 8% per n =2% ed il 25% per n =4%. Poiché si riduce la quantità di sostanza solida nel materiale, si ha una riduzione della quantità di cemento per metro cubo con un conseguente risparmio economico. L incremento di porosità ha inevitabilmente un eetto importante sul comportamento meccanico. Un esempio è riportato in ig 2, dove si mostrano prove di taglio diretto svolte ad una tensione di coninamento di 5 kpa al variare del parametro n. Si riporta anche il risultato della prova svolta alla

5 Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 Matera, 5-7 Luglio 217 stessa tensione di coninamento su caolino non cementato ricostituito in laboratorio (Knat) ad un contenuto d acqua pari a 2w l. 15 τ (kpa) δ o (mm) 1. K nat 5kPa K c/s4% 28d 5kPa K c/s4% n2% 28g 5kPa K c/s4% n4% 28g 5kPa K c/s4% 28d K c/s4% n2% 28d k c/s4% n4% 28d c=74.2 kpa =39 c=62 kpa =25 c=35.8 kpa =27 d v (mm) σ' (kpa) Fig 2. A sinistra, prove di taglio diretto eseguite su caolino cementato dopo 28 giorni di maturazione al variare di n. A destra, inviluppi di resistenza di picco ottenuti su provini dopo 28 giorni di maturazione al variare di n. Al crescere della quantità di schiuma aggiunta, si riducono sia la resistenza di picco sia la rigidezza; il comportamento instabile e dilatante nel caolino cementato non alleggerito tende a diventare stabile e contraente per n =4%. Dagli inviluppi di resistenza si può notare che al crescere della quantità di schiuma aggiunta si ha una riduzione dell intercetta coesiva; l angolo di resistenza a taglio subisce una notevole riduzione passando dal prodotto senza schiuma a quello con n =2%, ma non varia sensibilmente con l ulteriore aggiunta di schiuma. Il tempo di maturazione è un altro aspetto da considerare. L utilizzo del cemento comporta una variazione delle proprietà meccaniche nel tempo dovuta principalmente ai processi di idratazione del legante che si sviluppano in particolar modo nei primi 28 giorni di maturazione. A tal proposito in ig 3 sono mostrati i risultati di prove di taglio diretto eseguite a diversi tempi di maturazione su caolino cementato e su caolino cementato alleggerito, ad una tensione di coninamento di 5 kpa. Si può osservare che in entrambi i materiali, con una maggior evidenza nel caolino non alleggerito, la resistenza di picco e la rigidezza crescono nel tempo, mentre il comportamento volumetrico tende a diventare sempre più dilatante nel caolino cementato e meno contraente nel caolino cementato alleggerito. La resistenza ultima (di ine prova) sembra invece indipendente dal tempo di maturazione, per cui il decadimento di resistenza post-picco aumenta col tempo di maturazione, in particolar modo nel caolino non alleggerito.

6 δ v (mm) Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 Matera, 5-7 Luglio K c/s4% 1d 5kPa K c/s4% 3d 5 kpa K c/s4% 7d 5kPa K c/s4% 28d 5kPa K c/s4% n4% 1d 5kPa K c/s4% n4% 3d 5 kpa K c/s4% n4% 7d 5kPa K c/s4% n4% 28d 5kPa δ v (mm) Fig 3. Prove di taglio diretto su caolino cementato con c/s=4% al crescere del tempo di maturazione. A sinistra il caolino cementato non alleggerito, a destra il caolino cementato alleggerito con n =4%. 5. Osservazioni conclusive L indagine sperimentale presentata ha permesso di studiare alcuni degli eetti del trattamento a base di cemento e schiuma sul comportamento meccanico delle terre trattate alleggerite (LWTS) preparate con inerte ine. In particolare si è osservata una notevole inluenza del rapporto c/s sulla resistenza e sulla rigidezza del materiale, in accordo a quanto già noto in letteratura per i terreni cementati. L aggiunta di schiuma comporta una riduzione del peso dell unità di volume del materiale prodotto (ino al 25% nella sperimentazione presentata) dovuta alla presenza di bolle d aria che accrescono la porosità del materiale; ciò comporta una riduzione della rigidezza e della resistenza di picco, mentre il comportamento diventa stabile e contraente. Al crescere del tempo di maturazione si osserva inoltre un aumento della rigidezza e della resistenza di picco, mentre la resistenza di ine prova sembra essere indipendente dal tempo di maturazione. Bibliograia Horpibulsuk, S., Bergado, D. T., and Lorenzo, G. A. (24). Compressibility o cement-admixed clays at high water content. Géotechnique, 54(2), Horpibulsuk, S., Suddeepong, A., Chinkulkijniwat, A., and Liu, M. D. (212). Strength and compressibility o lightweight cemented clays. Applied Clay Science, Elsevier B.V., 69, Leroueil, S., and Vaughan, P. R. (199). The general and congruent eects o structure in natural soils and weak rocks. Géotechnique, 4(3), Pugh, R. J. (1996). Foaming, oam ilms, antioaming and deoaming. Advances in Colloid and Interace Science, 64(95), Sasanian, S. (211). The Behaviour o Cement Stabilized Clay At High Water Contents. PhD Thesis, University o Western Ontario. Tsuchida, T., Egashira, K., (24). "The Lightweight Treated Soil Method: New Geomaterials in Coastal Areas" Taylor & Francis Routledge.