Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2012 - IARG 2012
Padova, 2-4 luglio 2012
CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA DI MISCELE
SOVRASATURE LIMO-CEMENTO-BENTONITE
Marco Del Fabbro
Università di Udine
e-mail: [email protected]
Roberto Meriggi
Università di Udine
e-mail: [email protected]
Sommario
L’articolo riporta i primi risultati di una campagna di ricerca sperimentale volta a studiare il
comportamento tensio-deformativo ed idraulico di miscele sovrasature costituite da limi di lavaggio
delle ghiaie e da cemento e bentonite. E’ noto che l’impiego del cemento additivato al terreno
conferisce alla miscela una resistenza elevata ma per contro un comportamento meccanico fragile
mentre l’impiego della bentonite, usata prevalentemente per ridurre la permeabilità, ne riduce la
resistenza e ne aumenta la compressibilità. Poiché la contemporanea presenza di entrambi gli additivi
non si traduce nella semplice sovrapposizione dei loro singoli effetti, l’indagine sperimentale è volta ad
individuare il comportamento di miscele in cui sono presenti ambedue gli additivi in percentuali
diverse e studiare l’influenza del tempo di invecchiamento e della pressione di confinamento sulle
caratteristiche di permeabilità, resistenza al taglio e deformabilità. Nell’articolo si riportano i valori
delle proprietà indici delle diverse miscele preparate ed i loro valori di resistenza a compressione
semplice e di permeabilità in funzione del tempo di maturazione. Per le miscele più ricche in cemento,
tempi più lunghi di invecchiamento consentono il completo sviluppo dei fenomeni di cementazione e
quindi il lento miglioramento delle caratteristiche di resistenza meccanica e di permeabilità mentre
l’idratazione della bentonite nelle miscele in cui essa è presente in percentuale prevalente avviene in
tempi relativamente brevi conferendo alla miscela un valore più basso della permeabilità. La ricerca
della combinazione ottimale fra gli additivi da aggiungere ai limi, per ottenere determinate
caratteristiche geotecniche delle miscele, è in corso di studio ma risulta di fondamentale importanza
adattarla alle realizzazioni in sito al fine di valorizzare le specifiche proprietà delle miscele al carattere
prevalentemente strutturale od ambientale delle opere.
Introduzione
I materiali di base utilizzati nella sperimentazione sono costituiti dai limi prodotti da un
impianto industriale di lavaggio degli inerti, ubicato nella media pianura friulana ed oggetto di
ricerca già da alcuni anni (Meriggi e Del Fabbro, 2007 e 2011). Le proprietà geotecniche dei
limi allo stato naturale sono molto scadenti e non consentono altri impieghi al di fuori del loro
riutilizzo come materiale di copertura per il ripristino delle cave dismesse. Lo scopo del
presente lavoro è di studiarne il loro comportamento, miscelandoli con cemento e bentonite,
per individuare la possibilità di utilizzarli in opere geotecniche alle quali si richieda bassa
permeabilità ed adeguati valori di resistenza meccanica e di compressibilità. È infatti noto che
il cemento viene generalmente utilizzato come additivo per migliorare la resistenza e la
rigidezza dei terreni naturali argillosi plastici o molto plastici (Chew et al. 2004; Horpibulsuk
et al. 2004; Bellezza et al. 1995, Consoli, 2010) e per modificare la permeabilità di terreni
(Bellezza, Fratalocchi, 2006). L’impiego della bentonite come additivo per ridurre la
permeabilità dei terreni utilizzati per la costruzione di sistemi barriera risulta diffuso ed è
ampiamente documentato (Daniel, 1991). L’efficacia della bentonite e del cemento miscelati
Del Fabbro Marco e Meriggi Roberto
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con terreni limosi provenienti da processi industriali è stata invece raramente investigata
(Bellezza et al. 1999). L’effetto delle miscele compattate ed additivate con singolo additivo è
già stato investigato dagli autori nell’ambito di precedenti studi (Meriggi e Del Fabbro, 2007
e 2011).
Proprietà geotecniche
Le caratteristiche dei limi allo stato naturale sono state riportate in comunicazioni precedenti
(Meriggi e Del Fabbro, 2007 e 2011): sono materiali prevalentemente carbonatici, poco
plastici e classificabili come appartenenti al gruppo CL-ML del sistema di classificazione
USCS. Le miscele confezionate in laboratorio sono state ottenute aggiungendo ai limi
naturali, essiccati naturalmente e vagliati al setaccio ASTM#40, cemento, bentonite in
percentuali diverse come riportato in tabella 1. Per ottenere miscele sovrasature, l’acqua è
stata aggiunta in quantità sufficiente a raggiungere un valore pari a 1.5 WL dove WL è il limite
liquido di ciascuna miscela.
Tabella 1. Combinazioni delle percentuali di additivi nelle miscele plastiche sovrasature
SERIE
S0
SS5-2.5B+2.5C
SS6-5B+5C
SS7-2.5B+5C
SS8-5B+2.5C
SS9-7.5B+2.5C
PERCENTUALE ADDITIVI
nessun additivo
2.5% bentonite + 2.5% cemento
5.0% bentonite + 5.0% cemento
2.5% bentonite + 5.0% cemento
5.0% bentonite + 2.5% cemento
7.5% bentonite + 2.5% cemento
B/C
1
1
0.5
2
3
Dopo il confezionamento, i provini sono stati lasciati maturare in ambiente umido e in
assenza di pressione di confinamento per tempi variabili fra i 7 ed i 60 giorni prima di essere
sottoposti ai test di laboratorio.
Proprietà indici
Oltre alle miscele studiate sistematicamente con le percentuali di additivi riportate in Tab.1,
sono state confezionate anche altre miscele ausiliarie per confermare i risultati sulle proprietà
indici delle prime. Nelle miscele bi-additivo sovrasature, in cui il cemento e la bentonite sono
sempre presenti simultaneamente, si osserva generalmente l’aumento dell’indice di plasticità
in funzione della percentuale di additivi presenti (Fig.1). Tuttavia, quando la percentuale di
cemento supera quella della bentonite, l’incremento dell’indice di plasticità è molto minore di
quello delle miscele con uguali percentuali di additivi. La causa di quanto osservato può
essere individuata nei fenomeni di idratazione del cemento che riducono la quantità d’acqua
disponibile per l’idratazione della bentonite. Questo fenomeno è stato osservato anche da altri
autori (Chew et. al. 2004; Locat et. al. 1990).
Figura 1. Plasticità delle miscele plastiche sovrasature.in funzione del rapporto fra gli additivi.
45
40
35
PI (%)
30
25
20
per B/C costante
PI diminuisce
riducendo gli
additivi
15
10
5
Limi naturali
0
0
1
2
B/C
Del Fabbro Marco e Meriggi Roberto
3
4
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L’incremento di plasticità dei limi mescolati con bentonite è ovviamente dovuto all’elevata
attività dei minerali argillosi, tra cui la montmorillonite, presenti nell’additivo. La variazione
delle caratteristiche di plasticità sembra invece strettamente correlata all’indice dei vuoti allo
stato limite liquido, eL = Gs WL, di ciascuna miscela il cui peso specifico è risultato compreso
fra 2.75<Gs<2.81 (Fig. 2).
Figura 2. Plasticità delle miscele plastiche sovrasature in funzione dell’indice di liquidità.
45
40
35
PI (%)
30
y = 32.004x - 16.368
R² = 0.9622
25
20
15
10
5
0
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
eL
Resistenza e deformabilità
La Figura 3 riporta le curve sforzi-deformazioni misurate durante le prove di compressione ad
espansione laterale libera ed eseguite dopo tempi diversi di maturazione su campioni di
miscele confezionate con uguale rapporto fra le percentuale di additivi.
Figura 3. Risultati dei test di compressione ad espansione laterale libera sulle miscele plastiche sovrasature.
ELL (LIMI + 2.5%B + 2.5%C) - w=1.5wL
9
8
7
resistenze
residue
qu (kPa)
6
5
7 gg
4
14 gg
3
28 gg
2
60 gg
1
ε (%)
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
ELL (Limi + 5%B + 5%C) - w=1.5 wL
60
7 gg
resistenze di picco a lungo termine
(t>60gg) comportamento fragile
50
14 gg
28 gg
60 gg
qu (kPa)
40
147 gg
161g
168g
30
20
resistenze residue
10
ε (%)
0
0
1
2
3
Del Fabbro Marco e Meriggi Roberto
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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Le curve sperimentali risultano fortemente influenzate dal rapporto percentuale fra gli additivi
presenti, dalle loro singole quantità e del tempo d’invecchiamento. Per i campioni
confezionati con una bassa percentuale di cemento, pari al 2.5%, l’incremento di resistenza di
picco con il tempo d’invecchiamento è stato modesto, passando da qu = 6kPa a qu = 8kPa in
un arco di tempo compreso fra 7 e 60 giorni durante il quale il comportamento deformativo è
diventato progressivamente meno duttile. La resistenza dei campioni della miscela avente lo
stesso rapporto fra gli additivi, B/C=1, ma una percentuale maggiore di cemento, 5%, è stata
invece fortemente influenzata dal tempo d’invecchiamento passando da valori relativamente
bassi misurati dopo 7 giorni, qu = 14.4kPa a valori molto alti, qu = 55kPa dopo 168 giorni.
Tuttavia i legami di cementazione che hanno conferito al materiale una resistenza elevata
sono anche la causa della sua elevata fragilità; infatti, dopo il raggiungimento della resistenza
di picco per valori della deformazione assiale compresi fra 1.8% e 2.4% la resistenza post
picco si è stabilizzata su valori compresi fra 11kPa e 18kPa. La figura 4 riporta l’evoluzione
temporale della resistenza di picco sviluppata dai campioni delle due miscele aventi lo stesso
rapporto fra le percentuali di additivi, B/C =1, ma presenti in quantità diverse. Per campioni
con ridotto contenuto di cemento e bentonite (2.5%) si raggiunge una stabilizzazione della
resistenza di picco già dopo tempi di stagionatura relativamente brevi (28gg) mentre per
contenuti più elevati di additivi (5%) la resistenza cresce ulteriormente con il tempo e sembra
stabilizzarsi su valori molto più alti dopo circa 150 giorni di invecchiamento
Figura 4. Inviluppo dei massimi di resistenza a compressione.
60
50
qr (kPa)
40
30
20
B/C=1 - Limi+5.0%C+5.0%B
10
B/C=1 - Limi+2.5%C+2.5%B
0
0
50
100
150
200
t (gg)
Permeabilità
La Fig 5 riporta i risultati delle prove di permeabilità eseguite a carico costante in cella
triassiale. Come atteso, la permeabilità diminuisce al crescere del tempo di invecchiamento e
della pressione di consolidazione mentre l’aumento del rapporto fra gli additivi presenti nella
miscela oltre il valore di B/C=2 non sembra arrecare sensibili riduzioni della conducibilità
idraulica. I valori medi di permeabilità dei limi additivati già con modeste percentuali di
cemento e bentonite si attestano attorno al valore k=1x10-7cm/s che rappresenta generalmente
il valore di riferimento per l’accettabilità dei materiali utilizzati per la realizzazione di barriere
impermeabili.
Interpretazione dei risultati
La dipendenza della permeabilità (k) dal tempo di maturazione (t) è stata ricercata con una
funzione potenza del tipo:
k = ai tbi
con
ai = f(B/C; σc=cost.)
bi = f(B/C; σc=cost.)
assumendo per i parametri dell’interpolazione una dipendenza dal rapporto fra gli additivi
(B/C) e della pressione di confinamento (σc). I valori calcolati dei coefficienti ai e bi (Tab. 2),
Del Fabbro Marco e Meriggi Roberto
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riportati in funzione del rapporto fra gli additivi, evidenziano un andamento pressoché
costante del parametro ai oltre il rapporto B/C>2.
Figura 5. Miscele sovrasature di limo-cemento-bentonite: risultati dei test di permeabilità a carico costante in
cella triassiale per diversi tempi di stagionatura e di pressione di confinamento.
t variabile - σc = 100 kPa
1.0E-06
7 gg
28 gg
K (cm/s)
60 gg
1.0E-07
1.0E-08
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
B/C
t variabile - σc = 200 kPa
1.0E-06
7 gg
28 gg
K (cm/s)
60 gg
1.0E-07
1.0E-08
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
B/C
t variabile - σc = 300 kPa
1.0E-06
7 gg
28 gg
K (cm/s)
60 gg
1.0E-07
1.0E-08
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
B/C
Tabella 2. Parametri delle interpolanti per la stima della conducibilità idraulica
Del Fabbro Marco e Meriggi Roberto
σc (kPa)
B/C
ai
bi
100
100
100
0.5
2.0
3.0
9.0E-07
3.0E-07
3.0E-07
-0.386
-0.189
-0.218
200
200
200
300
300
300
0.5
2.0
3.0
0.5
2.0
3.0
5.0E-07
2.0E-07
2.0E-07
3.0E-07
1.0E-07
1.0E-07
-0.294
-0.176
-0.150
-0.257
-0.165
-0.256
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L’impiego dei coefficienti ai e bi consente di stimare il valore della permeabilità satura di una
miscela dopo un tempo di maturazione (t) conoscendo il rapporto fra gli additivi (B/C), ed il
livello tensionale agente (σc). Inoltre è possibile stabilire i valori di tempo e del rapporto B/C
oltre i quali la permeabilità rimane, agli effetti pratici, costante. Ovviamente, al momento,
l’impiego della correlazione proposta è affidabile nell’ambito della variabilità delle
percentuali di additivi, di stato tensionale e tempi di maturazione impiegati nella
sperimentazione mentre deve essere utilizzata con cautela per valori diversi.
Conclusioni
I risultati dei test di laboratorio condotti sulle miscele di limo-cemento-bentonite evidenziano
che è sufficiente aggiungere modeste percentuali di additivi ai limi naturali per sviluppare
caratteristiche di permeabilità, resistenza a compressione e deformabilità adeguate per
l’impiego di questi geomateriali nella costruzione di barriere impermeabili. Per valori uguali
dello stato tensionale agente sui provini di miscele sovrasature, tempi più lunghi di
invecchiamento consentono il completo sviluppo dei fenomeni di idratazione e di mutua
cementazione dei granuli e quindi il raggiungimento di valori più elevati di resistenza e
rigidezza. La prevalenza di uno degli additivi sull’altro è di fondamentale importanza: se la
bentonite è prevalente, la plasticità e la deformabilità delle miscele sovrasature rimangono
elevate anche nel lungo periodo, le resistenze ultime a compressione non subiscono
sostanziali miglioramenti rispetto ai valori misurati nel breve termine e la permeabilità risulta
decisamente minore. Se invece è il contenuto di cemento a prevalere, si assiste ad un
importante e progressivo aumento delle resistenze e rigidezze nel tempo ma anche ad un
deciso infragilimento del materiale che potrebbe pregiudicare la sua funzione di barriera
idraulica per la formazione di fessure che potrebbero manifestarsi in sito anche per valori di
deformazione non elevati.
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Del Fabbro Marco e Meriggi Roberto