Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 USO DI LEGANTI NON TRADIZIONALI PER IL MIGLIORAMENTO DEI TERRENI Enza Vitale, Giacomo Russo Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica Università di Cassino e del Lazio Meridionale e.vitale@unicas.it; giarusso@unicas.it Dimitri Deneele IFSTTAR, Institut Français des Sciences et des Technologies des Transports, de l'aménagement et des Réseaux Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), Université de Nantes, CNRS dimitri.deneele@ifsttar.fr Sommario Nella nota si presentano alcuni risultati di un indagine sperimentale incentrata sull uso di leganti non tradizionali nelle tecniche di miglioramento per il reimpiego di terreni di scarto. Nel presente lavoro è stato indagato dal punto di vista sperimentale il processo di attivazione alcalina di una materia prima seconda (cenere volante) prevalentemente amorfa. L attività di ricerca, basata su un approccio di tipo multi-scala, ha l obiettivo di collegare l evoluzione chimico-fisica del sistema agli effetti del trattamento alla scala dell elemento di volume. La sperimentazione è stata condotta su campioni di terreno trattati con ceneri volanti attivate con soluzione alcalina di silicato di sodio. L evoluzione chimico-fisica e le caratteristiche meccaniche del sistema sono state determinate in funzione del tempo di maturazione. 1. Introduzione Assume una sempre maggiore rilevanza la richiesta di realizzare infrastrutture civili che rispondano ai vincoli di un processo sostenibile, basato su un uso equilibrato delle risorse, un adeguato controllo delle emissioni in atmosfera e una limitata produzione di rifiuti. In tale prospettiva si tende ad operare utilizzando le risorse materiali entro un ciclo chiuso di utilizzo in cui anche il rifiuto può essere valorizzato e divenire una risorsa per il processo costruttivo. L Ingegneria Geotecnica può contribuire in modo significativo alla sostenibilità dei processi di costruzione. E sempre più diffuso infatti il riutilizzo di terre destinate alla discarica come risorse da reinserire nel processo costruttivo, attraverso un miglioramento delle caratteristiche meccaniche indotto dall uso di additivi chimici. In tale ambito, un significativo passo verso la sostenibilità delle tecniche di miglioramento è rappresentato dall uso di leganti inorganici ad attivazione alcalina sintetizzati a partire da precursori a prevalente composizione allumino-silicatica (pozzolane naturali, ceneri volanti, loppe di altoforno) attivati a freddo mediante una soluzione alcalina (principalmente idrossido di sodio e/o silicato di sodio) (Buchwald et al. 23, Shi et al. 26). La soluzione alcalina favorisce la dissoluzione di silicio ed alluminio favorendo la formazione di catene polimeriche. Queste ultime sono il risultato di una policondensazione di ioni silicato e alluminato che danno origine ad una struttura tridimensionale amorfa o semicristallina (gel) di allumino silicati idrati con proprietà cementizie (Duxson et al. 27; Provis et al. 214). E. Vitale, D. Deneele, G. Russo
Intensity (counts) Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 Nella nota sono presentati alcuni risultati di un indagine sperimentale sulla possibilità di utilizzo di leganti ad attivazione alcalina per il miglioramento dei terreni. L attività sperimentale è stata condotta su campioni di terreno trattati con ceneri volanti attivate con soluzione alcalina di silicato di sodio. L evoluzione chimico-fisica e le caratteristiche meccaniche del sistema sono state determinate in funzione del tempo di maturazione 2. Procedure sperimentali 2.1 Materiali Per la preparazione dei campioni è stato utilizzato caolino Speswhite, un argilla artificiale reperita presso la Imerys Minerals Ldt, UK. Il terreno è prevalentemente costituito dal minerale argilloso della caolinite, con 2modeste quantità di quarzo e muscovite come evidenziato dall analisi diffrattometrica a raggi X (Figura 1). Le principali proprietà fisiche e le caratteristiche chimiche del caolino sono riportate nelle Tabelle 1 e 2. 15 densità specifica, G s Tabella 1. Proprietà fisiche del caolino Speswhite superficie ph limite limite specifica liquido plastico (BET,m 2 /g) (%) (%) indice di plasticità (%) 1 2.6 14 4.6 7 32 38 Caolinite Caolinite 5 Quarto Caolinite Quarzo Caolinite 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 Fig 1. Spettro diffrattometrico a Raggi X del Caolino Speswhite 2Theta ( ) Tabella 2. Composizione chimica/elementale del caolino Speswhite specie percentuale (%) SiO 2 53.8 Al 2O 3 43.75 Na 2O.92 CaO.2 K 2O 1.45 TiO 2.5 La cenere volante utilizzata per la sintesi del legante ad attivazione alcalina proviene dal processo di combustione del carbon fossile di un grande impianto del Sud Italia. Il materiale è costituito da particelle di dimensione caratteristica micrometrica, di natura silico-alluminosa e dalla struttura E. Vitale, D. Deneele e G. Russo
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 prevalentemente amorfa. Dal punto di vista mineralogico, la cenere volante presenta fasi cristalline quali anidrite, quarzo e calcite, come evidenziato dall analisi diffrattometrica a Raggi X (Figura 2). La cenere volante è stata attivata con una soluzione di silicato di sodio (Na 2SiO 3) che presenta un rapporto SiO 2/Na 2O pari a 1.7, reperita presso la Woellner (Germania). Quartz Aluminum Quartz Calcite Sodium Quartz Aluminum Quartz Aluminum Calcite Calcite Sodium 1 2 3 4 5 Fig 2. Spettro diffrattometrico a Raggi X della cenere volante (FAB) 2.2 Preparazione campioni Il legante ad attivazione alcalina (denominato in codice nel seguito come AFAB) è stato sintetizzato addizionando alla cenere volante acqua e soluzione di silicato di sodio in opportune proporzioni. Il rapporto in massa tra la soluzione alcalina e la cenere volante (AS/FA) è stato fissato pari a.5. Un ulteriore quantitativo d acqua è stato addizionato al sistema per garantire la dissoluzione della fase allumino-silicatica. Il rapporto acqua/cenere volante (A/FA) considerato è pari a.5. I campioni di terreno trattati sono stati preparati ad una percentuale di ceneri volanti del 4% rispetto al peso totale del solido (caolino + cenere volante). Il contenuto d acqua inziale dei campioni è stato fissato pari al limite liquido del terreno trattato (w L= 61%). I campioni sono stati sottoposti ad analisi microstrutturali e prove meccaniche a tempi crescenti di maturazione (24h, 7, 6 giorni). 2.3 Diffrattometrie a raggi X La reattività del sistema è stata indagata attraverso analisi microstrutturali. L identificazione delle fasi mineralogiche e l analisi del loro ruolo in termini di evoluzione chimico-fisica è stata indagata mediante diffrattometrie a raggi X (XRD). Per le analisi diffrattometriche è stato utilizzato un diffrattometro Brucker AXS D8 Advance e tubo a raggi X con radiazione del Cu (λ=.154 nm). Preliminarmente all esecuzione delle prove, i campioni sono stati essiccati mediante la tecnica del freeze-drying (Delage & Pellerin, 1984). 2.3 Prove di compressione monodimensionale La determinazione della risposta meccanica del terreno trattato è stata ottenuta attraverso l esecuzione di prove di compressione monodimensionale. Le prove sono state eseguite con un apparecchio edometrico standard, applicando incrementi di carico verticale in step successivi (Δσ v/σ v=1) in un intervallo di tensione compreso fra 1 kpa e 24 kpa. La misura degli spostamenti verticali è stata effettuata con micrometri con risoluzione di.1 mm. E. Vitale, D. Deneele, G. Russo
Intensity (counts) Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 3. Risultati In Figura 3 sono riportati gli spettri diffrattometrici a Raggi X dei campioni di ceneri volanti attivate con la soluzione di silicato di sodio (AFAB) all aumentare dei giorni di maturazione. Si osserva una progressiva dissoluzione dei minerali costituenti le ceneri volanti, quali anidrite ed ossido di alluminio e la formazione di una nuova fase cristallina (tenardite). La curvatura del segnale che si rileva tra i 25 e i 35 è consistente con la precipitazione di una fase amorfa di alumino-silicati idrati come conseguenza del processo di attivazione alcalina. In Figura 4 sono riportati gli spettri diffrattometrici dei campioni di terreno trattati con 4% di ceneri volanti attivate con la soluzione alcalina (denominati KFB4%), dopo 24 ore, 7 e 6 giorni di maturazione. I risultati evidenziano una rapida dissoluzione delle fasi mineralogiche presenti nel caolino (muscovite e caolinite) sin dal brevissimo termine. La presenza di una curvatura rilevata a partire da 7 giorni di maturazione è consistente con la formazione di fasi idrate. anhydrite aluminum anhydrite anhydrite AFAB-6d 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 AFAB-7d FAB Fig 3. Spettri diffrattometrici a Raggi X delle ceneri volanti attivate (AFAB) all aumentare dei giorni di maturazione Kaolinite 4 Kaolinite 3 2 KFB4%-6d KFB4%-7d 1 KFB4%-24h Kaolin 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 FAB 2Theta ( ) Fig 4. Spettri diffrattometrici a Raggi X dei campioni di terreno trattati con 4% di ceneri volanti attivate (KFB4%) all aumentare dei giorni di maturazione E. Vitale, D. Deneele e G. Russo
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 In Figura 5 sono riportati i risultati delle prove di compressione monodimensionale condotte su campioni di terreno non trattato e trattato con legante ad attivazione alcalina (KFB4%) all aumentare dei giorni di maturazione. Sin dal breve termine, i campioni di terreno trattato presentano un notevole miglioramento della risposta meccanica, caratterizzato dall aumento della resistenza a compressione e della tensione di snervamento all aumentare del tempo di maturazione. In Figura 6 è riportato un confronto fra risultati di prove condotte su campioni trattati con legante ad attivazione alcalina (KFB4%) e campioni trattati con cemento (KC4%). I campioni sono preparati con le stesse procedure e medesime percentuali di legante. I risultati evidenziano come, a parità di giorni di maturazione, l entità del miglioramento indotto da leganti ad attivazione alcalina sia addirittura superiore rispetto al miglioramento indotto dall utilizzo di un legante tradizionale quale il cemento. e v (%) 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Kaolin KFB4%-24h KFB4%-7d KFB4%-6d 1 1 1 1 1 s' v (kpa) Fig 5. Curve di compressibilità dei campioni non trattati e trattati (KFB4%) a diversi tempi di maturazione e v (%) 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Kaolin KFB4%-6d KC4%-6d 1 1 1 1 1 s' v (kpa) Fig 6. Curve di compressibilità dei campioni di terreno non trattato, trattato con legante ad attivazione alcalina (KFB4%) e trattato con cemento (KC4%) a 6 giorni di maturazione 4. Considerazioni conclusive L indagine sperimentale descritta sinteticamente nella nota ha come oggetto la valutazione della possibilità di utilizzo di leganti ad attivazione alcalina per il miglioramento dei terreni. E stato studiato il processo di attivazione alcalina di un materia prima seconda (cenere volante) attraverso l uso di una soluzione di silicato di sodio, che sviluppa la funzione di legante. I risultati delle analisi microstrutturali evidenziano che l attivazione corrisponde alla formazione di nuovi composti idrati di natura amorfa con proprietà leganti. I campioni di terreno trattato con tale legante esibiscono un significativo miglioramento delle caratteristiche meccaniche in termini di aumento della resistenza a compressione e della tensione di snervamento. Una conferma ulteriore della efficacia del trattamento E. Vitale, D. Deneele, G. Russo
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 217- IARG 217 deriva dal confronto con campioni trattati con cemento, dal quale emerge che il miglioramento indotto dal legante non tradizionale (ad attivazione alcalina) è assolutamente confrontabile con quello indotto dal legante tradizionale (cemento). Bibliografia Buchwald A., Kaps C. and Hohmann M., (23). Alkali-activated binders and pozzolan cement binders - Complete binder reaction or two sides of the same story?. Proceedings of the 11th International Conference on the Chemistry of Cement, Durban, South Africa, pp. 1238-1246. Shi C., Krivenko P.V. and Ro D. M. (26). Alkali-Activated Cements and Concretes. Taylor & Francis, Abingdon, UK. Delage P, Pellerin FM. (1984). Influence de la lyophilisation sur la structure d'une argile sensible du Québec. Clay Miner. 19 (2), 151 16. Duxson, P., A. Fernández-Jiménez, J. L. Provis, G. C. Lukey, A. Palomo, and J. S. J. van Deventer. (27). Geopolymer Technology: The Current State of the Art. Journal of Materials Science 42, no. 9, pp. 2917 33. Provis J. L., and van Deventer J.S. J., (214) eds. Alkali Activated Materials. Vol. 13. RILEM State-of-the-Art Reports. Dordrecht: Springer Netherlands. http://link.springer.com/1.17/978-94-7-7672-2. E. Vitale, D. Deneele e G. Russo