STUDIO SPERIMENTALE DI TERRENI TRATTATI CON LA TECNICA DEL CUTTER SOIL MIXING

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1 STUDIO SPERIMENTALE DI TERRENI TRATTATI CON LA TECNICA DEL CUTTER SOIL MIXING Diego Bellato Università di Padova Alberto Dalle Coste BAUER Macchine Italia S.r.l. Paolo Simonini Università di Padova Sommario La tecnica del Cutter Soil Mixing (CSM) è una tra le più recenti e promettenti tecnologie introdotte nel settore della miscelazione profonda dei terreni (Deep Mixing Methods DMM); la sua versatilità unita alla possibilità di poter essere utilizzata in un ampia casistica di condizioni litologiche la rendono una valida alternativa alle usuali metodologie di intervento, in special modo in terreni di natura coesiva. L articolo presenta e discute alcuni dei risultati ottenuti a partire da uno studio sperimentale delle caratteristiche meccaniche e microstrutturali di campioni di terreno trattati con la tecnica del CSM prelevati dal cantiere della nuova stazione AV di Bologna, attualmente in fase di ultimazione. Proprietà idrauliche (permeabilità) e meccaniche (resistenza a compressione non confinata e deformabilità) sono state investigate con appropriate prove di laboratorio al fine di individuare l influenza del tempo di maturazione e degli altri fattori principali sulla risposta complessiva della miscela terreno-legante. Infine, ulteriori test mineralogici e microstrutturali sono stati condotti allo scopo di definire il grado di cementazione e l omogeneità raggiunta attraverso la miscelazione in sito. Introduzione La tecnologia Cutter Soil Mixing (CSM), sviluppata da BAUER Maschinen GmbH nel 2003 a partire dalla propria esperienza nella costruzione e nell utilizzo delle idrofrese per la realizzazione di diaframmi, è oggigiorno una valida alternativa ai classici metodi DM per la stabilizzazione dei terreni. La tecnica CSM differisce dai tradizionali metodi DM in quanto fa uso di una coppia di ruote fresanti, rotanti attorno assi orizzontali, che permettono la costruzione di pannelli di sezione rettangolare (Fiorotto & Bringiotti, 2005). L attrezzatura e, in particolare, la testa fresante costituita dalla due ruote, sono intensamente strumentate al fine di poter monitorare in tempo reale la situazione relativa ad una predefinita quota di scavo: parametri quali la verticalità, la velocità delle ruote fresanti, il quantitativo di miscela iniettata nel terreno e le velocità di discesa e risalita sono costantemente visualizzati su un monitor LCD touch screen all interno della cabina di comando e registrati in formato digitale per successiva documentazione e valutazione (Gerressen & Vohs, 2012). La tecnica CSM è stata utilizzata con successo per un intervento di ground improvement preliminare alla costruzione della struttura di contenimento della grande camera destinata ad

2 accogliere la nuova stazione AV di Bologna. Il trattamento aveva lo scopo di migliorare le proprietà del terreno a tergo della futura opera in c.a. e di limitare al massimo gli eventuali cedimenti subiti dagli edifici e dalle infrastrutture adiacenti all area di cantiere. L articolo presenta uno studio compiuto su una serie di campioni prelevati direttamente da un pannello CSM appartenente alla struttura dopo oltre due anni dalla sua realizzazione e compara i risultati ottenuti dalle prove meccaniche ed idrauliche condotte nei laboratori dell Università di Padova con quelli ricavati dai test attitudinali eseguiti prima dell avvio del cantiere al fine di ottimizzare la miscela successivamente impiegata. Inoltre, sono illustrate brevemente alcune considerazioni ricavate a partire da tecniche mineralogiche e microstrutturali per l analisi dell omogeneità e della porosità del materiale indagato. Descrizione del sito Il sottosuolo presente nell area interessata dalla costruzione della nuova stazione AV è costituito prevalentemente da argille limose e da limi argillosi inorganici con locali livelli incoerenti a granulometria da fine a grossa. Le frazioni fini sono caratterizzate da una plasticità da media ad elevata e il contenuto d acqua naturale è prossimo al limite plastico. La frazione argillosa varia da 23% a 47%, mentre quella sabbiosa da 0% a 28%. I profili penetrometrici, ottenuti da prove CPTU effettuate antecedentemente alla costruzione della camera, hanno evidenziato una significativa resistenza alla punta soprattutto ad elevate profondità e un leggero grado di sovraconsolidazione. Risultati delle prove di laboratorio Prove meccaniche e di permeabilità In accordo alla UNI EN :2003, è stata condotta una serie estesa di prove per la determinazione della resistenza a compressione non confinata del materiale ad oltre 2 anni di maturazione. I valori, riportati in Tabella 1, sono stati poi confrontati con quelli ottenuti da prove attitudinali realizzate prima dell inizio dei lavori di costruzione della struttura destinata ad ospitare la nuova stazione AV di Bologna. Panello Maturazione t cur (gg) Quantità cemento (kg/m 3 ) Diametro (mm) h/d (-) q u,av (MPa) Trial ,04 Trial ,11 Trial ,19 Trial 2 - A ,77 Trial 2 - D ,73 27.V.10 > ,5 2 6,12 27.V.10 > , Tabella 1. Risultati ottenuti da prove di compressione non confinata Dai valori di resistenza presentati in Tabella 1 si possono trarre le seguenti considerazioni: - la resistenza a compressione non confinata, q u, aumenta al diminuire del diametro, essendo la presenza di difetti (e.g. inclusioni di terreno non trattato) statisticamente più probabile in campioni di maggiori dimensioni; - nonostante il campione ottenuto dal pannello Trial 2 D presenti un periodo di maturazione più limitato alla data di prova e un contenuto in cemento inferiore rispetto ai pannelli Trial 1 4, Trial 1 5, Trial 1 8, la resistenza a compressione non

3 confinata risulta maggiore. Questo può essere imputato al maggior tempo di miscelazione occorso durante la produzione del pannello in sito. - Analogamente a quanto si verifica solitamente con il calcestruzzo, il rapporto h/d influenza in modo rilevante il comportamento a rottura dei campioni, essendo la resistenza ottenuta da provini con h/d = 2 pari a circa volte quella misurata in provini con h/d = 1. - Resistenze a compressione non confinata inferiori si sono potute conseguire su campioni soggetti preliminarmente a prove di permeabilità. Ciò può essere riferito ad un aumento del grado di saturazione che, a sua volta, ha comportato una riduzione della resistenza nel materiale indagato fortemente dilatante. - I valori di resistenza presentati in Tabella 1 sembrano essere in accordo con quelli riportati da Ganne et al. (2010), relativi ad una serie di campioni recuperati mediante carotaggio da diversi pannelli CSM in terreni coesivi (1.7 MPa a 28 giorni di maturazione). Figura 1. Relazione tra il modulo di elasticità secante E 30 e q u a 40 giorni di maturazione. In Figura 1 è rappresentata la relazione tra il modulo elastico secante E 30 (valutato a 0.30 q u ) in funzione della resistenza a compressione non confinata, ricavata a partire dai dati sperimentali ottenuti da campioni di diametro pari a D = 83 mm e h/d = 2. Da evidenziare l incremento quasi lineare del modulo di elasticità con la q u. Il frattile al 5% e al 95% della distribuzione lognormale di E 30 sono caratterizzati dalle seguenti equazioni: E30,min 680 q u (1) E30,max 1960 q u (2) Le equazioni precedenti sono consistenti con quelle proposte da Ganne et al. (2010), che considerano i risultati di oltre 100 test eseguiti su carote di diametro compreso tra 85 mm e 115 mm e h/d = 2 prelevate da diverse strutture CSM. I risultati dei test a disposizione sono stati elaborati ed interpretati al fine di ottenere una formulazione empirica per la stima della resistenza a compressione non confinata, q u, in terreni coesivi trattati con la tecnica CSM. La formulazione (Bellato et al., 2012), presentata in Figura 2, è in grado di tener conto dei principali parametri operativi caratterizzanti il pannello prodotto (caratteristiche del terreno, contenuto di cemento introdotto, miscelazione in sito e tempo di maturazione) ed è basata sulle osservazioni di Kitazume (2005).

4 Figura 2. Determinazione della resistenza a compressione non confinata con modello di previsione empirico Tre prove di permeabilità sono state condotte su altrettanti campioni applicando un gradiente idraulico variabile tra 30 (ASTM D5084) e 302. I risultati sono presentati in Tabella 2 e mostrano valori di permeabilità molto bassi e dello stesso ordine di grandezza. Questa caratteristica è di fondamentale importanza per quelle opere di contenimento e di ritenuta per le quali è richiesta una funzione di impermeabilizzazione. Campione D (mm) h (mm) Maturazione (gg) gradiente i (-) q u (MPa) k (m/s) B6s > B11s > (ASTM D5084) B12s > Tabella 2. Risultati ottenuti da prove di permeabilità in cella triassiale. Prove mineralogiche e microstrutturali Al fine di analizzare con maggiore dettaglio la matrice del materiale coesivo stabilizzato con la tecnica del CSM, sono state eseguite ulteriori prove di carattere mineralogico e microstrutturale, le quali hanno permesso di stimare una limitata porosità e una buona omogeneizzazione del materiale, confermando, allo stesso tempo, l efficacia della trattamento in sito. Le principali analisi condotte sono state: micro-tomografia a raggi X ( CT, Figura 3), porosimetria a mercurio (MIP, Figura 4), diffrattometria a raggi X (XRPD), scansioni con microscopio elettronico (SEM, Figura 5). La microscopia a raggi X, combinata con tecniche di analisi d immagine, è stata recentemente proposta quale metodologia non distruttiva per lo studio della microstruttura di campioni di svariati materiali (tra i quali il terreno) e per la definizione della distribuzione della dimensione dei pori (pore size distribution curve) e della porosità totale (Dal Ferro et al., 2012). Una delle principali caratteristiche della tecnica è la capacità di riprodurre tridimensionalmente la struttura interna del campione permettendo l identificazione di ciascun poro e della sua forma ad una risoluzione spaziale molto elevata (pixel size dell ordine dei 5 m). Una delle tecniche più comuni per la caratterizzazione della struttura dei pori di un materiale è la porosimetria a mercurio. Il classico metodo di analisi della porosimetria a mercurio si

5 basa sull ipotesi di un modello a pori cilindrici paralleli di diverso raggio (Gregg and Sing, 1982) e sul fatto che un liquido non bagnante (angolo di contatto maggiore di 90 ) è in grado di intrudere dei pori capillari solo se ad esso è stata applicata una pressione, in accordo alla equazione di Young-Laplace: 2 cos r (3) P dove r rappresenta il raggio dei pori, supposti cilindrici, intrusi dal mercurio sotto l effetto della pressione P, è la tensione superficiale del mercurio (0.47 Nm -1 ) e è l angolo di contatto tra il mercurio e il materiale (140 ). La Figura 3 presenta una ricostruzione 3D della struttura interna di un campione prelevato da un pannello esecutivo presente nel sito di Bologna. In Figura 4 è riportato un confronto tra la curva di distribuzione della dimensione dei pori dello stesso campione ottenuta da un analisi d immagine delle sezioni tomografiche e da una prova porosimetrica. Figura 3. Micro CT analisi di un campione prelevato da un pannello CSM Figura 4. Confronto tra curve di distribuzione della dimensione dei pori da CT e MIP. Dalla Figura 4 è possibile osservare il diverso andamento delle curve, dovuto essenzialmente al cosiddetto effetto collo di bottiglia (ink bottle effect) tipico della prova porosimetrica (Dal Ferro et al., 2012). La microscopia a scansione elettronica è stata un altra delle tecniche utilizzate per lo studio mineralogico e microstrutturale del materiale. Attraverso l analisi del segnale degli elettroni secondari e back-scattered, è stato possibile riconoscere alcuni dei principali prodotti di idratazione del cemento utilizzato in cantiere, sia dal punto di vista morfologico (Figura 5), che chimico (Figura 6). Infine, la diffrattometria a raggi X su polveri è stata utilizzata al fine di identificare le principali fasi cristalline presenti nel terreno originale e in quello trattato ed evidenziare le fasi di idratazione prodotte durante il periodo di maturazione. Entrambi i campioni prima di essere sottoposti alla prova sono stati macinati finemente e omogeneizzati. La tecnica è basata sull interferenza costruttiva di raggi X precedentemente monocromatizzati e collimati. L interazione tra i raggi e i cristalli ha prodotto dei raggi diffratti secondo la legge di Bragg, la quale stabilisce una relazione tra la lunghezza d onda della radiazione, l angolo di diffrazione e la distanza interplanare in un materiale cristallino. Tuttavia, in genere, il materiale amorfo e i prodotti di idratazione non sono facilmente identificabili.

6 Figura 5. Immagine ottenuta da elettroni secondari durante un analisi SEM Figura 6. Mappa in falsi colori degli elementi Ca, Si, e Al di una sezione lucida di materiale Conclusioni L articolo presenta alcuni dei risultati ottenuti dallo studio delle proprietà meccaniche, idrauliche, microstrutturali e mineralogiche del terreno presente nell area del cantiere della nuova stazione AV di Bologna trattato mediante tecnica CSM. Il terreno stabilizzato con una miscela cementizia ha presentato eccellenti caratteristiche meccaniche e proprietà idrauliche dovute al buon grado di omogeneizzazione raggiunto durante il trattamento in sito e alla formazione di prodotti di idratazione, confermata dalle analisi mineralogiche e microstrutturali. Bibliografia ASTM D : Standard test methods for measurement of hydraulic conductivity of saturated porous materials using a flexible wall permeameter. Bellato, D., Dalle Coste, A., Gerressen, F.W., Simonini, P. (2012). Long term performance of CSM walls in slightly overconsolidated clays. Proc. Int. Symp. On Ground Improvement works; Bruxelles, Vol. 3, pp Dal Ferro, N., Delmas, P., Duwig, C., Simonetti, G., Morari, F. (2012). Coupling X-Ray microtomography and mercury intrusion porosimetry to quantify aggregate structures of a cambisol under different fertilisation treatments. Soil & Tillage Research, 119, pp EN :2003: Trial on hardened concrete Sample compression strength. Fiorotto, R., Bringiotti, M. (2005). CSM Cutter Soil Mixing. Una nuova tecnologia per eseguire il Soil Mixing nel campo della costruzione di gallerie artificiali ed opere varie nel sottosuolo mediante paratie di tenuta e di sostegno. Samoter 2005, Verona 5 maggio Ganne, P., Huybrechts, N., De Cock, F., Lameire, B., Maertens, J. (2010). SOIL MIX walls as retaining structures critical analysis of the material design parameters. International conference on geotechnical challenges in megacities, Moscow, pp Gregg, S.J., Sing, K.S.W. (1982). Adsorption, Surface and Porosity. Academic Press. London. Gerressen, F.W., Vohs, T. (2012). CSM Cutter Soil Mixing Worldwide experiences of a young soil mixing method in soft soils. Proc. 4th International Conference on Grouting and Deep Mixing, New Orleans, USA. Kitazume, M. (2005). State of Practice Report: Field and laboratory investigation, properties of binders and stabilized soils. Proc. of the Int. Conf. on Deep Mixing Best Practice and Recent Advances, Stockholm, pp