PROPRIETÀ GEOTECNICHE DI TERRENI STABILIZZATI Manuela CECCONI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE UNIVERSITÀ DI PERUGIA
PREMESSE OGGETTO: Analisi delle proprietà geotecniche di terreni stabilizzati a calce, con particolare riferimento ai terreni piroclastici INDICE 1. motivazioni e applicazioni geotecniche 2. comportamento meccanico di terreni stabilizzati a calce 2.1 prove geotecniche preparazione dei provini, tempi di stagionatura, tipologie di prova 2.2 evidenza sperimentale collasso strutturale per variazioni del grado di saturazione, compressibilità, resistenza a taglio
DEFINIZIONI dalle specifiche tecniche di RFI (giu 2009) estratto:
DEFINIZIONI e ancora: estratto dalle specifiche tecniche di RFI :
Miglioramento delle proprietà geotecniche: MOTIVAZIONI DEL TRATTAMENTO NELLE APPLICAZIONI GEOTECNICHE riduzione della compressibilità riduzione dei cedimenti minore suscettibilità alle variazioni del grado di saturazione e limitazione dei fenomeni di collasso strutturale aumento della resistenza al taglio del terreno, generalmente riferibile all incremento della coesione
estratto dalle specifiche tecniche di RFI: IDONEITÀ DEI TERRENI ALLA STABILIZZAZIONE
classificazione ASSHTO IDONEITÀ DEI TERRENI ALLA STABILIZZAZIONE
Idoneità dei terreni alla stabilizzazione terreni vulcanici? IDONEITÀ DEI TERRENI ALLA STABILIZZAZIONE I terreni piroclastici sono considerati terreni problematici a causa della loro natura, delle caratteristiche microstrutturali e per il complesso comportamento idro-meccanico. In particolare, aspetti quali il collasso strutturale in fase di saturazione (Pellegrino A., 1967, Nicotera M.V., 2000, Cattoni E. et al., 2007, Cecconi et al., 2012) rappresentano un serio limite al loro impiego in opere di terra, poiché possono comprometterne la funzionalità nel corso della vita utile. Pertanto tali terreni potrebbero non essere utilizzati come materiali per la formazione di rilevati e, nell ambito della costruzione di grandi infrastrutture, potrebbero rientrare nella categoria di terreni destinati alla discarica. La prospettiva di un loro riuso appare dunque interessante dal punto di vista tecnico. In tal senso, le tecniche di miglioramento dei terreni che permettono il reimpiego di tali materiali, ed in particolare la stabilizzazione a calce (Croce P. e Russo G., 2002), possono rappresentare una valida prospettiva.
La stabilizzazione a calce può essere impiegata, ad esempio, per il miglioramento di terreni di natura piroclastica (plasticità < 5%) per la formazione di rilevati o per il rinterro in calotta di tratti di gallerie artificiali. IDONEITÀ DEI TERRENI ALLA STABILIZZAZIONE TERRENI PIROCLASTICI? Allo stato attuale non sono tuttavia presenti in letteratura studi sistematici sulla stabilizzazione a calce di terreni di natura piroclastica. Recente ricerca sperimentale finalizzata a: verificare l efficacia della stabilizzazione a calce dei terreni piroclastici, considerando che come è noto - tali terreni mostrano una particolare reattività in presenza di ossido di calcio (CaO). stabilire la dipendenza del miglioramento delle caratteristiche fisiche e meccaniche dai parametri di trattamento e la sua efficacia nel tempo. [ Russo et al., 2011; Cecconi et al. 2011; Cecconi et al., 2012]
I terreni naturali terreno PN: pozzolana nera del distretto vulcanico dei Colli Albani (Roma) I TERRENI INVESTIGATI [Cecconi e Viggiani, 2001; Cattoni et al, 2007, Cecconi, Scarapazzi e Viggiani, 2010] terreno MF: pozzolana distretto vulcanico Somma Vesuvio (Monteforte Irpino) [Papa, 2007; Papa et al, 2007; Evangelista et al, 2008; Nicotera et al, 2008]
terreno PN: pozzolana nera del distretto vulcanico dei Colli Albani (Roma) terreno PN Roma Cava di Fioranello, Roma Ardeatina
terreno MF: pozzolana distretto vulcanico Somma Vesuvio (Monteforte Irpino) 1 2 3 terreno pedogenizzato con radici (suolo attuale) Terreno alterate Suolo e radici bruno con resti carbonosi e pomici alterate suolo bruno pedogenizzato con resti carbonosi, pom ici pom ici di A vellino Pomici Avellino SEM terreno MF Avellino 4 Paleosuolo cineritico di (paleosuolo cineritico di O ttaviano) Ottaviano paleosuolo bruno con poche pom ici alterate 5 6 7 pom Pomici di Odi Ottaviano alterate Paleosuolo cineritico con pomici alterate piroclastite cineritica Piroclastite cineritica Calcare fratturato 1 12 24 min max med min max med min max g (kn/m 3 ) 11.852 14.037 g (kn/m 13.009 ) 11.852 11.252 14.037 14.238 13.009 12.688 11.252 10.610 14.238 14.567 g d (kn/m 3 ) 7.812 11.005 g d (kn/m 9.687 ) 7.812 7.190 11.005 9.693 9.687 8.461 7.190 6.436 9.693 9.403 w 0.261 0.549 w 0.354 0.261 0.429 0.549 1.542 0.354 0.745 0.429 0.423 1.542 0.886 n 0.576 0.695 n 0.624 0.576 0.636 0.695 0.730 0.624 0.680 0.636 0.631 0.730 0.747 Sr 0.431 0.655 Sr 0.529 0.431 0.557 0.655 0.715 0.529 0.623 0.557 0.489 0.715 0.906 paleosuolo bruno rossastro cineritico con piccole pom ici calcare fratturato e poco carsificato 6 67 7
Sperimentazione sui terreni PN e MF analisi micro-strutturali terreni non trattati/stabilizzati valutazione della percentuale di calce idonea alla stabilizzazione - misure di ph caratteristiche fisiche terreni non trattati/stabilizzati proprietà meccaniche terreni non trattati/stabilizzati
ph Manuela Cecconi, Università di Perugia estratto dalle specifiche tecniche di RFI: I TERRENI INVESTIGATI quantitativo di calce (riferito al peso secco) necessario alla stabilizzazione ph 14 13 12 11 10 9 8 PN MF PN MF 7 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 % CaO CaO (%)
ph ph Manuela Cecconi, Università di Perugia Mantenimento del ph 0 3 6 9 12 15 12 12 11 ph 10 9 11 ph 10 %CaO (%) 8 0 giorni 14 giorni 28 giorni 42 giorni 7 0 3 6 9 12 15 % CaO CaO (%) 15% CaO 11% CaO 7% CaO 3% CaO 9 0 10 20 30 40 50 Tempo [giorni] tempo (g)
Proprietà microstrutturali ordinarie nella tecnologia e chimica dei materiali, misure adsorbimento di azoto a 77K su diverse frazioni granulometriche (BET, area superficiale) PROPRIETA MICRO - STRUTTURALI diffrattometrie
area superficiale (m 2 /g) Area Superficiale [m 2 /g] Manuela Cecconi, Università di Perugia Area superficiale terreno PN 35 30 PN non trattata PN + 10% calce 0 giorni PN + 10% calce 14 giorni PN + 10% calce 28 giorni CaO (%) = 10% 25 nat 20 28 g 15 14 g 24 h 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Diametro medio [mm] diametro medio (mm)
counts Manuela Cecconi, Università di Perugia Diffrattometria a raggi X terreno PN, passante @ 1 mm 1600 1400 silice calcite 1200 portlandite portlandite 1000 PN + 10% calce 28 giorni 800 PN + 10% calce 14 giorni 600 PN + 10% calce 0 giorni 400 200 PN non trattata 0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2q 2q ( )
Proprietà fische distribuzione granulometrica misure di g s (peso specifico dei granelli solidi) PROPRIETA FISICHE norma CNR 36/73
P (%) Manuela Cecconi, Università di Perugia Distribuzione granulometrica se all esterno del fuso di cui alla norma CNR 36/73, dimostrare l'idoneità della tecnica di stab. mediante lo studio delle miscele in laboratorio P (%) 100 90 nat, non stabizzato terreno PN DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA 80 70 60 50 40 7, 14g Natural 0 days 7 days 14 days (PN stabilizzata con 10% CaO) 30 20 10 0 24 h 0,001 0,01 0,1 1 10 100 d (mm) D 14 giorni
terreno PN Distribuzione granulometrica DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA
P (%) Manuela Cecconi, Università di Perugia Distribuzione granulometrica P (%) 100 terreno MF 90 80 DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA 70 60 50 40 30 giorni Naturale 0 giorni 7 giorni 14 giorni 21 giorni 42 giorni (MF stabilizzato con 7% CaO) 20 10 0 0.001 0.01 0.1 1 10 100 D (mm) d (mm)
Peso specifico dei granelli solidi terreno PN GAMMA_S PN non trattata misure con picnometro acqua sotto vuoto + picnometro ad elio: G s = 2.69 PN stabilizzata a calce misure con picnometro acqua o CCl 4 sotto vuoto 24 h: G s = 2.682 14 g: G s = 2.621 28 g: G s = 2.623
Compressibilità da prove edometriche terreno PN (nat., non trattato) e v ( %) PROVE EDOMETRICHE s v (kpa)
Compressibilità da prove edometriche terreno PN (stabilizzato @ 24 h) (10% CaO) PROVE EDOMETRICHE e v ( %) s v (kpa)
Compressibilità da prove edometriche terreno PN (stabilizzato @ 7g) (10% CaO) e v ( %) PROVE EDOMETRICHE s v (kpa)
Compressibilità da prove edometriche terreno PN (stabilizzato @ 14g) (10% CaO) PROVE EDOMETRICHE e v ( %) s v (kpa)
Compressibilità da prove edometriche terreno PN (stabilizzato @ 28g) PROVE EDOMETRICHE e v ( %) (10% CaO) s v (kpa)
terreno PN (stabilizzato 10% CaO) Compressibilità da prove edometriche 21 g 7 g nat
e z (%) Manuela Cecconi, Università di Perugia Compressibilità da prove edometriche terreno MF (nat., non trattato) 0 2 4 PROVE EDOMETRICHE 6 e v ( %) 8 10 12 Sr=1.00 S ei=1.16 r =1.00 e i =1.16 Sr=0.62 S ei=1.28 r =0.62 e i =1.28 Sr=0.62 S r =0.62 ei=1.23 e i =1.23 14 16 10 100 1000 10000 s v (kpa) s v (kpa)
e v (%) Manuela Cecconi, Università di Perugia Compressibilità da prove edometriche terreno MF (stabilizzato) 0 (7% CaO) 5 PROVE EDOMETRICHE e v ( %) 10 15 0 giorni 7 giorni 14 giorni S r =59% e i =1.32 S r =57% e i =1.32 S r =51% e i =1.40 20 10 100 1000 s v (kpa) s v (kpa)
e v (%) Manuela Cecconi, Università di Perugia Collasso strutturale in percorsi di wetting 0 terreno MF (non trattato) 1 2 e v ( %) 3 4 Inondazione Inondazione COLLASSO STRUTTURALE 5 6 7 Inondazione 200 kpa Inondazione 800 kpa Inondazione 1200 kpa Inondazione 8 10 100 1000 s v (kpa) [ Russo et al., 2011]
w (mm) Manuela Cecconi, Università di Perugia Collasso strutturale in percorsi di wetting terreno MF (non trattato) COLLASSO STRUTTURALE t (s) [ Russo et al., 2011]
w (mm) Manuela Cecconi, Università di Perugia Collasso strutturale in percorsi di wetting terreno MF stabilizzato s v =1200 kpa COLLASSO STRUTTURALE t (s) [ Russo et al., 2011]
w (mm) Manuela Cecconi, Università di Perugia Confronti terreno MF nat/stabilizzato s v =200 kpa s v =1200 kpa COLLASSO STRUTTURALE t (s) [ Russo et al., 2011]
Prove di taglio diretto - terreno PN Lab. Geotecnica (DICA, UniPG) RESISTENZA A TAGLIO PROVE DI TAGLIO DIRETTO preparazione della miscela: PN + CaO + H 2 O compattamento dinamico, all interno della scatola di taglio stagionatura del provino e conservazione in contenitori sigillati
d y (mm) d y (mm) t (kpa) t (kpa) Manuela Cecconi, Università di Perugia Prove di taglio diretto - terreno PN stabilizzato, @ 24ore stabilizzato, dopo 7 giorni d x (mm) d x (mm) RESISTENZA A TAGLIO PROVE DI TAGLIO DIRETTO d x (mm) d x (mm)
Inviluppi di rottura Prove di taglio diretto terreno PN t (kpa) f = [31-33] c 300 kpa non trattato, f = 37.5, c = 33 kpa RESISTENZA A TAGLIO INVILUPPI DI ROTTURA f = 37.5, c = 119 kpa s v (kpa) [Cecconi et al., 2011]
Infine, dopo 28 g di stagionatura Prove di taglio diretto terreno PN f = 33 c 350 kpa RESISTENZA A TAGLIO INVILUPPI DI ROTTURA
Prove ELL su provini PN stabilizzati a calce q (kpa) tempo (settimane) RESISTENZA UNIASSIALE
Osservazioni definizione dei parametri di trattamento: le percentuali di calce addizionata al terreno sono legate alla elevata dimensione caratteristica dei grani (d 50 _MF= 0.15mm; d 50 _PN= 0.3mm). effetti della calce nei confronti del collasso strutturale: l addizione di calce, riduce la potenziale collassabilità del terreno. l aggiunta di calce riduce la compressibilità ed incrementa notevolmente la resistenza a taglio del terreno trattato. ulteriori indagini sull efficacia del trattamento (ricerca in corso): - analisi delle modifiche indotte dall addizione di calce sulla micro-struttura - studio della risposta idro-meccanica dei terreni trattati in condizioni di parziale saturazione. OSSERVAZIONI CONCLUSIVE