STABILIZZAZIONE A CALCE PER REIMPIEGO DI SEDIMENTI MARINI DI DRAGAGGIO Anastasia Capotosto a.capotosto@unicas.it Paolo Croce croce@unicas.it Giuseppe Modoni modoni@unicas.it Giacomo Russo giarusso@unicas.it Sommario La stabilizzazione a calce è una tecnica di miglioramento delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei terreni naturali che sta trovando sempre maggior impiego nella costruzione di importanti opere di ingegneria civile. Nella nota sono in particolare riportati i risultati sperimentali ottenuti utilizzando come oggetto della stabilizzazione un terreno proveniente da operazioni di dragaggio del fondo marino. Uno dei problemi principali, infatti, nella progettazione e realizzazione di infrastrutture portuali è legato alla necessità di dover smaltire grandi quantità di materiale dragato, soprattutto qualora si renda necessario modificare sensibilmente le profondità utili dell area portuale. Il sedimento marino dragato può non possedere però caratteristiche fisiche e meccaniche tali da renderlo utilizzabile come materiale da costruzione all interno dell opera. È necessario, in tal caso, individuare siti di discarica per il materiale dragato e, contestualmente, di cave di prestito dell idoneo materiale da costruzione. Una valida alternativa a tale scenario, oneroso sia dal punto di vista ambientale che da quello economico, può essere rappresentata proprio dal riutilizzo di tali terreni previa stabilizzazione con calce. 1. Introduzione Uno dei problemi principali nella progettazione e realizzazione di opere di ingegneria civile nelle quali son previste grosse mobilitazioni di terreno naturale è rappresentato dalla necessità di smaltire e/o riutilizzare, ove possibile, il materiale mobilizzato. Quando il terreno in esame possiede idonee caratteristiche meccaniche, esso rappresenta una risorsa preziosa disponibile direttamente in sito ed a
basso costo. Quando ciò non si verifica è necessario individuare siti di discarica adatti ad ospitare tale materiale e, contestualmente, opportune cave di prestito del materiale da costruzione. Tutto ciò si traduce in ingenti costi di realizzazione dell opera ed in notevoli disagi dal punti di vista ambientale. Una valida alternativa a tale scenario può essere rappresentata dalle tecniche di miglioramento e, tra queste, dalla stabilizzazione con calce (Croce P. & Russo G., 2002). La nota riporta alcuni risultati relativi ad uno studio sperimentale volto alla fattibilità di un intervento di stabilizzazione a calce di un sedimento marino, derivante da operazioni di dragaggio, al fine di un suo riutilizzo come materiale da costruzione di alcune banchine all interno di una importante infrastruttura portuale. In particolare, l attenzione è posta sulle particolari condizioni di lavoro dei terreni stabilizzati, al fine di valutarne gli effetti in termini di efficacia ed efficienza del trattamento. 2. Caratteristiche dell opera Il sito di realizzazione dell infrastruttura portuale è stato individuato nei pressi della foce di un grande bacino fluviale in una zona climatica di confine tra l arida e semiarida. I materiali oggetto di studio sono terreni a grana fina posti al tetto di strati profondi costituiti da sabbie dense e molto dense. Per ottenere l adeguata profondità utile all infrastruttura portuale è stata prevista una fase di dragaggio del fondo marino interessante strati di terreni a grana fina di medio-bassa consistenza. La tecnica di dragaggio individuata in fase di progetto consiste nella rimozione del sedimento mediante una fresa aspirante e nel suo allontanamento dal sito tramite pompaggio in condotte. Per minimizzare la resistenza nelle tubazioni, e la conseguente perdita di carico idraulico, al sedimento marino, durante il dragaggio, è aggiunta una rilevante quantità d acqua; tale procedura comporta un elevato contenuto d acqua (pari a circa 3-4 volte il limite liquido). Condizione fondamentale per il riutilizzo di un siffatto materiale nella costruzione delle banchine è la necessaria riduzione del suo contenuto d acqua. A tal fine, in fase di progetto, è stata prevista la realizzazione di bacini di stoccaggio (Figura 1) in cui il sedimento è sottoposto sia a consolidazione, sotto l azione del proprio peso, sia ad essiccamento, essendo l opera in esame sita in una zona climatica nella quale la velocità di evaporazione è rilevante. La velocità di riduzione del contenuto d acqua è, in tal modo, legata sia alla geometria dei bacini, che all intensità dell evaporazione, per una durata che è regolata dalle particolari condizioni atmosferiche di sito (Palmer & Krizek, 1987). Fig 1. Planimetria e sezione tipo dei bacini per la riduzione del contenuto d acqua In fase di progetto è stata stimata una riduzione del contenuto d acqua tale da portare il sedimento ad un contenuto d acqua inferiore al limite liquido. Ottenuta la desiderata riduzione di contenuto d acqua, il sedimento marino è utilizzato per costruire il corpo delle banchine dell area portuale a valle di un intervento di stabilizzazione con calce. Tre diverse condizioni al contorno possono essere individuate (Figura 2) lungo la sezione trasversale di una banchina tipo: una zona a nella quale il terreno è posto in opera al di sotto del livello del mare; una zona b nella quale si ha variazione giornaliera del livello marino legato all oscillazione delle maree; ed una zona c al di sopra del livello del mare, sottoposta
alle variazioni termiche e radiative giornaliere. Del volume V di terreno complessivamente utilizzato, solo sul 29% (zona c ) è possibile eseguire le normali procedure di compattamento dinamico in quanto la maggior parte della volumetria compete a zone normalmente o frequentemente immerse. Il compattamento di quest ultimo materiale è affidato pertanto al successivo e progressivo deposito degli strati sovrastanti. Fig 2. Sezione trasversale tipo delle banchine portuali 3. Caratteristiche dei terreni: efficacia ed efficienza della stabilizzazione In Figura 3 a) è riportata la distribuzione granulometrica del sedimento marino, che corrisponde ad una argilla limosa debolmente sabbiosa di medio-alta plasticità (LL=50 % e IP=26%) con peso specifico 2.71 g/cm 3. L idoneità alla stabilizzazione a calce è stata valutata mediante misure di ph su miscele di terreno essiccato in stufa, acqua distillata e diversi contenuti di calce viva (Eades J.L. & Grim R.E., 1966), Figura 3 b). L efficacia del trattamento di stabilizzazione con calce è strettamente legata al completo sviluppo delle reazioni pozzolaniche le quali possono avvenire compiutamente solo in ambiente fortemente alcalino. In tale ambiente si ha, infatti, la contemporanea massima solubilità di silice ed allumina (Keller, 1964), con cui interagiscono gli ioni provenienti dalla calce per la formazione dei composti stabili responsabili del miglioramento atteso delle caratteristiche meccaniche. Com è possibile notare in Figura 3 b), il 3% di CaO è sufficiente, per il terreno in esame ad un contenuto d acqua inferiore al limite liquido (40%), a garantire le richieste condizioni di alcalinità dell acqua di porosità. In Figura 3 a) sono inoltre riportate le distribuzioni granulometriche del terreno, stabilizzato con il 3% di CaO a diversi tempi di maturazione. Si nota come l addizione di calce induca flocculazione dei minerali argillosi presenti modificando l iniziale distribuzione granulometrica (caratteristica di una argilla limosa debolmente sabbiosa) in quella di una sabbia limosa debolmente argillosa. Considerando, tuttavia, che la maggior parte del volume di terreno utilizzato sarà posto in opera al di sotto del livello del mare (Figura 2), o molto prossimo ad esso, è stata valutata l influenza del contenuto d acqua iniziale e della presenza di acqua di porosità con elevate percentuali di sali a) b) Fig 3. Idoneità alla stabilizzazione: a) distribuzioni granulometriche terreno non trattato e trattato con calce a diversi giorni di maturazione; b) variazione del ph sulle diverse miscele di terreno
13 13 12.5 12.5 ph 12 ph 12 w = 100 % w = 100 % 11.5 3% CaO w = 150% w= 200% 11.5 3% CaO w = 150% w= 200% 11 0 5 10 15 20 25 30 a) b) curing time [days] 11 0 5 10 15 20 25 30 curing time [days] Fig 4. Alcalinità dell acqua di porosità al crescere del tempo di maturazione: a) acqua distillata; b) acqua col 35 di NaCl disciolto disciolti sull efficacia del trattamento. A tal fine sono stati considerati tre diversi valori del contenuto d acqua iniziale (100 %, 150 % e 200 %) ed è stata utilizzata sia acqua distillata che acqua col 35 di NaCl disciolto, valore compatibile con quelli attesi in sito. Come si può osservare in Figura 4 a), utilizzando acqua distillata, la presenza di elevati valori di contenuto d acqua non sembra influenzare i valori di ph, che rimangono sempre largamente superiori a 12. In presenza di acqua salata (Figura 4b), i valori di ph tendono a ridursi al crescere del tempo di maturazione. Tuttavia, la riduzione di ph misurata non è stata tale da pregiudicare l efficacia del trattamento, in quanto è comunque presente un ambiente sufficientemente alcalino. L efficienza del trattamento con calce in un ambiente a contenuto d acqua elevato, w=150%, è stata valutata considerando gli effetti indotti sulla distribuzione granulometrica a diversi tempi di maturazione (24 ore dopo l addizione di calce (Figura 5a) e 7 giorni dopo l idratazione (Figura 5 b). Percentage passing [%] Percentage passing [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 a) b) Not treated 3%CaO_0 days 5%CaO_0 days 7%CaO_0 days Not Treated 3%CaO_7 days 5%CaO_7 days 7%CaO_7 days 0 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 Diameter [mm] Fig 5. Distribuzioni granulometriche: terreno non trattato e stabilizzato ( 3%, 5% e 7% di CaO); a) 0 giorni di maturazione (24 ore dopo l addizione di calce); b) 7 giorni di maturazione
Evidentemente a causa della dispersione delle particelle argillose nell ambiente fortemente alcalino ed alla presenza di elevati quantitativi d acqua di porosità, il 3% di calce non è sufficiente a provocare l immediata flocculazione dei minerali argillosi presenti, cosa che avveniva considerando il contenuto d acqua inferiore al limite liquido (Figura 3 a) ). La flocculazione dei minerali argillosi avviene però nel tempo: al crescere del tempo di maturazione, infatti, anche il 3% di calce provoca uno spostamento della distribuzione granulometrica in campi tipici di terreni granulometricamente più grossolani (Figura 5b) confermando quanto emerso in termini di efficacia del trattamento (Figura 4 a). 4.1 Efficienza della stabilizzazione: caratteristiche meccaniche Al fine di caratterizzare meccanicamente il terreno naturale ed il terreno a seguito del trattamento con calce, sono stati preparati provini di terreno saturo aventi indice dei vuoti iniziale pari a 1. La scelta di quest ultimo parametro è stata vincolata dalla possibilità, nei bacini di drenaggio, di ridurre al 40% il contenuto d acqua del sedimento. La caratterizzazione è stata eseguita in cella edometrica, ed i risultati in termini di compressibilità sono riportati in Figura 6 s 1 10 v (kpa) 100 1000 0 2 4 6 ev (%) 8 10 12 14 16 18 20 not treated 3%CaO_0 day 3%CaO_3 days 3%CaO_7 days 3%CaO_14 days 3%CaO_28 days Fig 6. Compressibilità edometrica: terreno non trattato e stabilizzato col 3% di calce L addizione del 3% di calce induce già a seguito della sola flocculazione dei minerali argillosi (ossia a 24 ore dall addizione di calce) un sensibile miglioramento delle caratteristiche meccaniche, riducendo, a parità di incremento di carico, la deformazione complessivamente accumulata. Effetti marcati si osservano anche in termini di carico di snervamento, che cresce di un ordine di grandezza, passando da circa 30 kpa del terreno non trattato, a circa 300 kpa del terreno stabilizzato a 0 giorni di maturazione. Tale comportamento è compatibile con l incremento della frazione grossolana osservato nelle distribuzioni granulometriche (Figura 3a). Il miglioramento delle caratteristiche meccaniche prosegue poi al crescere del tempo di maturazione ovvero al progressivo sviluppo delle reazioni pozzolaniche. 4. Conclusioni Nella nota sono riportati i primi risultati sperimentali di uno studio di fattibilità di un intervento di stabilizzazione a calce di un sedimento marino al fine di un suo riutilizzo come materiale da costruzione delle banchine di una importante infrastruttura portuale. Il terreno, proveniente da operazioni di dragaggio, a seguito delle operazioni di prelievo e trasporto è caratterizzato da un contenuto d acqua molto elevato. Nel presente studio sono state affrontati aspetti legati all efficienza del trattamento al variare sia del contenuto d acqua iniziale, sia delle condizioni dell acqua di porosità. Il trattamento è risultato efficace in tutte le condizioni esaminate. L efficienza del trattamento a breve termine è risultata fortemente dipendente dalle condizioni di contenuto d acqua iniziale, ed è risultata minima ad elevati contenuti d acqua. Al crescere del tempo di maturazione, anche ad elevati contenuti
d acqua il trattamento è risultato efficiente. Dal punto di vista delle caratteristiche meccaniche, a seguito del trattamento si è osservato un sensibile miglioramento del sedimento sia i termini di compressibilità, sia in termini di carico di snervamento, rispetto alla condizione di terreno non trattato. Bibliografia Croce P., Russo G. (2002). Reimpiego dei terreni di scavo mediante stabilizzazione a calce - Atti del XXI Convegno Nazionale di Geotecnica, L Aquila, 2002, 387-394, Patron Editore Eades J.L., Grim R.E. (1966). A quick test to determine lime requirements for lime stabilization. Highway Research Records, No.139, 61-72 Keller, W. D. (1964). The origin of high-alumina clay minerals. Clay and Clay Minerals, Proc. of the 20 th National Conference, Monograph No.,19 Earth Science Series, Pergamon Press, New York, 19, 129-151 Palmer, B. and Krizek, R. J. (1987), Thickened Slurry Disposal Method for Process Tailings, Proc. ASCE Spec. Conf. on Geotechnical Practice for Waste Disposal, Ann Arbor, Michigan, pp. 728-743