Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2006 - IARG 2006
Pisa, 26-28giugno 2006
VARIAZIONI DELLE PROPRIETÀ MECCANICHE DI ARGILLE
ATTIVE ESPOSTE A SOLUZIONI ACIDE E BASICHE
A. Gajo e M. Maines
Dipartimento di Ingegenria Meccanica e Strutturale
Università di Trento
[email protected]
Sommario
Questo lavoro descrive alcune osservazioni sperimentali riguardanti gli effetti meccanici indotti dalla
esposizione di una argilla attiva a soluzioni, saline, acide e basiche. In particolare si osserva che le
soluzioni basiche di NaOH e KOH inducono un aumento di wL a basse concentrazioni, mentre questo
non accade per le soluzioni saline di NaCl e KCl. Queste diversità sono dovute alle diverse variazioni
di segno della carica elettrica dei bordi delle particelle, che sono molto sensibili al pH del fluido
interstiziale. L’esposizione ad HCl induce invece una rilevante diminuzione di wL anche a piccolissime
concentrazioni. Inoltre si osserva una grande diversità di effetti indotti dall’esposizione di una H-clay a
soluzioni di NaCl, e NaOH e anche in questo caso le diversità sono dovute ai diversi cambiamenti di
segno della carica elettrica dei bordi delle particelle. Infine le deformazioni volumetriche e le variazioni
di deformabilità indotte dalla esposizione a soluzioni di NaOH e di HCl di campioni di argilla attiva
durante una compressione edometrica sono congruenti con le variazioni di wL e risultano simili a quelle
indotte da soluzioni saline di NaCl e di KCl.
Introduzione
Le proprietà elettriche e le capacità di adsorbimento superficiali delle argille attive hanno una
grande importanza in molti fenomeni naturali ed in numerose applicazioni industriali. Gli
effetti di tali proprietà superficiali non sono solo di tipo puramente chimico, ma anche di tipo
meccanico, come è stato dimostrato da numerosi studi sperimentali (Bolt 1956, Kenney 1967,
Di Maio 1996, 1998). In particolare l’accoppiamento fra le proprietà meccaniche e la composizione chimica del fluido interstiziale si manifesta con variazioni di resistenza, di
deformabilità e di permeabilità e con deformazioni volumetriche.
Generalmente si distinguono due tipi di adsorbimento superficiale: lo scambio cationico
sui piani di interstrato e sulle superfici basali e le reazioni acido/base ai bordi della particelle.
Gli effetti indotti dal primo meccanismo sono stati oggetto di numerosi studi fra i quali si
possono ricordare quelli di Di Maio (1996, 1998, Di Maio e Fenelli 1994), in cui alcune
argille attive sono state esposte a soluzioni saline. Al contrario gli effetti meccanici indotti
dalle soluzioni acide o basiche non sono stati mai indagati. In questo caso oltre allo scambio
cationico si hanno anche reazioni acido-base che cambiano il segno delle cariche elettriche
dei bordi delle particelle, che, seppur costituiscono una modesta frazione (circa il 10 %, della
carica complessiva), proprio per la loro collocazione possono indurre rilevanti effetti
meccanici, in quanto influenzano il tipo di associazioni fra le particelle (faccia-faccia o facciabordo).
L’analisi sperimentale è stata condotta su una argilla bentonitica sodica naturale esposta a
soluzioni saline, acide e basiche con varie concentrazioni. In particolare si sono analizzati gli
effetti indotti sul limite di liquidità, sulla resistenza residua, sulla deformabilità in condizioni
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edometriche e sulla permeabilità.
Nella presentazione dei risultati che si riportano nel seguito, si farà riferimento ai seguenti
meccanismi di scambio superficiale:
- scambio cationico sulle cariche permanenti (che sono sempre di tipo negativo e che sono
dovute a sostituzioni isomorfe nel reticolo cristallino di atomi Al+4 e Fe+3 con atomi metallici
di minor valenza) che usualmente vengono indicate con X ; nel caso per esempio di
adsorbimento di K tale scambio viene indicato con
XNa + K ↔ XK + Na ;
- reazione acido/base ai bordi delle particelle, che sono indicate con
SO − + H + ↔ SOH
SOH + H + ↔ SOH 2+
e che danno luogo ad una carica variabile dei bordi dipendente dal pH: positiva in ambiente
acido e negativa in ambiente basico;
- variazione di spessore del doppio strato elettrico in dipendenza della concentrazione del
fluido interstiziale, con effetti meccanici che sono probabilmente poco dipendenti dal tipo di
ione coinvolto.
In questa breve nota si illustreranno solamente gli effetti della interazione chimica sul
limite di liquidità, sulle deformazioni volumetriche e sulla deformabilità edometrica.
Risultati sperimentali e discussione
Tutte le prove di laboratorio sono state effettuate su campioni preparati nel modo seguente: si
è predisposta una sospensione di argilla con la soluzione considerata in un rapporto di 1:15 in
peso. Dopo un periodo superiore a due giorni, il surnatante è stato separato dalla sospensione,
il contenuto d’acqua è stato quindi ridotto utilizzando una carta assorbente (per evitare
l’evaporazione e la conseguente alterazione della concentrazione del fluido interstiziale) fino
a raggiungere la consistenza desiderata per allestire la prova.
Effetti chimici sul limite di liquidità
Le determinazioni del limite di liquidità sono state effettuate con il cucchiaio di Casagrande
ed i risultati così ottenuti con diverse soluzioni a varie concentrazioni sono riportati nella Fig.
1a. Si può osservare che le soluzioni basiche di NaOH e KOH inducono un aumento di wL a
basse concentrazioni, mentre questo non accade per le soluzioni saline di NaCl e KCl. La
diversità degli effetti indotti dalle soluzioni basiche rispetto a quelle saline a parità di catione
è evidentemente legata ai cambiamenti di segno della carica elettrica dei bordi delle particelle,
che sono molto sensibili al pH della soluzione. L’esposizione ad HCl induce una rilevante
diminuzione di wL anche a piccolissime concentrazioni. E’ da notare infine che il valore
asintotico di wL, ottenuto ad elevate concentrazioni è quasi indipendente dal tipo di soluzione
e si attesta a circa wL =100.
Si è creata anche una sospensione di argilla in una soluzione concentrata di HCl (1 M)
che è stata mantenuta per 4 giorni, in modo da ottenere quella che in letteratura è denominata
una H-clay. Tale argilla è stata quindi ‘lavata’, il suo contenuto d’acqua è stato ridotto e
quindi sono stati preparati due tipi di sospensioni: uno con diverse soluzioni di NaOH e l’altro
con diverse soluzioni di NaCl a varie concentrazioni, sulle quali è stato determinato
successivamente il limite di liquidità. I risultati sperimentali sono riportati nella Fig. 1b. Si
può osservare che, mentre l’esposizione a NaCl crea una diminuzione monotona di wL
all’aumentare della concentrazione della soluzione, l’esposizione ad NaOH induce a basse
concentrazioni un notevole aumento di wL fino a valori confrontabili con l’argilla naturale,
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mentre per concentrazioni più elevate si tende a raggiungere un medesimo valore asintotico di
wL, che è indipendente dal tipo di soluzione considerata.
Anche in questo caso la grande diversità di effetti indotti dalle soluzioni saline e basiche
sulla H-clay è legata ai cambiamenti di segno della carica elettrica dei bordi delle particelle,
che sono molto sensibili al pH della soluzione. Quello che ci si aspetta è che nella H-clay, il
catione adsorbito è principalmente l’idrogeno (cioè prevalgono i gruppi XH) ed i bordi delle
particelle hanno carica positiva (con prevalenza di gruppi SOH 2+ ). La successiva esposizione
a soluzioni di NaCl, induce principalmente uno scambio cationico (con formazione di XNa),
senza cambiamenti della carica elettrica dei bordi delle particelle che rimangono positivi (con
prevalenza di gruppi SOH 2+ ), dato che non si inducono sensibili variazioni di pH. Al
contrario l’esposizione a NaOH induce oltre allo scambio cationico (con formazione di XNa),
una forte variazione della carica elettrica dei bordi delle particelle che diventano negativi (con
−
prevalenza di gruppi SO ) a causa dell’aumento di pH.
Dalla Fig. 1b si può inoltre concludere che anche gli effetti indotti dalla esposizione a
soluzioni acide sono completamente reversibili (purché si adotti una sequenza appropriata di
esposizioni chimiche), al pari di quelli indotti dalle soluzioni basiche. Una simile reversibilità
di effetti chimici era stata osservata anche per le soluzioni saline (Di Maio 1996, 1998). E’ da
notare che esposizioni prolungate (alcuni mesi) a soluzioni acide e basiche concentrate di HCl
e NaOH hanno indotto variazioni modestissime di wL, per cui eventuali effetti di dissoluzione
del reticolo cristallino sono assenti o, se presenti, non sembrano indurre effetti meccanici
rilevanti.
Infine gli effetti indotti su wL dalle diverse soluzioni sono molto simili a quelli indotti
sulla resistenza residua e sulla compressibilità in condizioni edometriche, che non sono qui
presentati per brevità.
a)
b)
Figura 1. Effetti della concentrazione delle diverse soluzioni sul limite di liquidità della argilla naturale a) e della
H-clay b).
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Deformazioni volumetriche indotte dalla interazione chimica
In una cella edometrica, due campioni di argilla preparati con acqua demineralizzata sono
stati sottoposti ad un carico meccanico fino alla tensione σv=80 kPa (Fig. 2), poi sono stati
esposti ad una soluzione di NaOH 0.5 M e di HCl 0.1 M, rispettivamente, che ha indotto in
entrambi i casi una evidente consolidazione chimica (Fig. 2). Successivamente entrambi i
campioni sono stati caricati meccanicamente fino a 1200 kPa e scaricati fino ad 80 kPa. La
deformabilità di entrambi i campioni è risultata molto inferiore a quella di un campione di
argilla esposto solo ad acqua demineralizzata. Infine la successiva esposizione ad acqua ha
indotto un grande rigonfiamento nel primo campione (Fig. 2a) ed effetti trascurabili nel
secondo (Fig. 2b). Per indurre un rigonfiamento nel secondo campione è stato necessario
esporre il campione ad una soluzione di NaOH 0.1 M. Dalle Figg. 2a e 2b si osserva quindi
che le deformazioni volumetriche indotte dalle soluzioni di NaOH e di HCl su una argilla
attiva sono simili a quelle osservate da Di Maio (1996, 1998) per le soluzioni saline di NaCl
and KCl rispettivamente, che evidentemente agiscono soprattutto attraverso scambi cationici.
Un esame più attento dei risultati dimostra però che dopo che una argilla attiva è stata esposta
ad una soluzione acida, (con il conseguente cambiamento di carica elettrica dei bordi delle
particelle), il successivo comportamento chimico-meccanico può essere compreso solo se,
oltre allo scambio cationico si considerano anche le reazioni acido/base ai bordi delle
particelle.
a)
b)
Figura 2. Effetti della esposizione a diverse soluzioni di campioni soggetti a compressione edometrica.
Bibliografia
Bolt, G.H., 1956. Physico-chemical analysis of the compressibility of puree clays. Geotechnique, 6,
86-93.
Di Maio, C., 1996. Exposure of bentonite to salt solution: osmotic and mechanical effects.
Geotechnique, 46, 695-707.
Di Maio, C., 1998. Discussion on exposure of bentonite to salt solution: osmotic and mechanical
effects. Geotechnique, 48, 433-436.
Di Maio, C. e Fenelli, G. B. 1994. REsidual strength of kaolin and bentonite: the influence of their
constituent pore fluid. Geotechnique, 44, 217-226.
Kenney, T.C., 1967. The influence of mineral composition on the residual strength of natural soils.
Proc. Oslo Conf. on Shear Strength Properties of Natural Soils and Rocks, vol. 1, 123-129.
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