M.Favaretti - Comportamento a lungo termine dei sistemi di impermeabilizzazione
COMPORTAMENTO A LUNGO TERMINE
DEI SISTEMI DI IMPERMEABILIZZAZIONE
Marco Favaretti
Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Marittima e Geotecnica
Università di Padova - Via Ognissanti, 39 - 35129 Padova
tel. +39-0498277901 fax +39-0498277888 e-mail [email protected]
1. PREMESSA
Il mantenimento nel tempo delle caratteristiche meccaniche ed idrauliche di una
barriera di impermeabilizzazione, costituita dalla sovrapposizione di una
geomembrana di HDPE ed uno strato di argilla compattata, costituisce un
problema di grande rilevanza nella progettazione geotecnica di una discarica
controllata di RSU. Le proprietà a breve ed a lungo termine di una siffatta
barriera dipendono in egual misura dalla natura dei materiali sintetici e naturali
impiegati e dalle condizioni ambientali (composizione del percolato,
temperatura, cedimenti differenziali, ecc.) che si succedono nel tempo.
Nel presente articolo vengono esaminati i principali fattori che controllano e che
condizionano nel tempo le proprietà meccaniche ed idrauliche dello strato
argilloso.
2. PROPRIETA’ DELL’ARGILLA
L’argilla compattata viene impiegata nelle barriere impermeabilizzanti di fondo e
di copertura di una discarica controllata principalmente perché è caratterizzata
da valori particolarmente bassi sia della conducibilità idraulica, sia della
diffusività.
La conducibilità idraulica di un terreno argilloso dipende essenzialmente dalla
sua configurazione strutturale (ossia dalla sua macro-porosità), che a sua volta
risulta influenzata da fattori, quali la composizione mineralogica, la densità ed il
contenuto d’acqua, il livello tensionale applicato, le modalità di posa in opera
ed, infine, le proprietà chimico-fisiche del fluido interstiziale.
La componente inquinata del percolato può migrare attraverso una barriera di
argilla oltre che per convezione (per effetto di un gradiente idraulico) anche per
diffusione molecolare, prodotta da un gradiente di concentrazione chimica
presente tra la zona interna alla discarica e l’ambiente circostante. La diffusione
molecolare è un processo che si sviluppa indipendentemente dalla presenza di
un gradiente idraulico, ed anzi può verificarsi anche in presenza di un flusso
d’acqua inverso per direzione. Se la barriera argillosa è ben progettata e
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altrettanto bene realizzata, e la sua conducibilità idraulica è ridotta, il
meccanismo principale di trasporto dell’inquinante è costituito proprio dalla
diffusione molecolare.
Un’altra caratteristica rilevante dell’argilla è la sua duttilità, ovvero la sua
capacità di adattarsi alle deformazioni del terreno naturale, sopra cui è
impostata la discarica, per effetto del peso dell’accumulo di rifiuti, ed a quelle
generate nella barriera stessa dalle interazioni tra l’argilla ed il percolato. Se
l’argilla è caratterizzata da una sufficiente duttilità, i fenomeni di fessurazione
risulteranno ridotti o assenti.
La stabilità a lungo termine dello strato di argilla compattata può essere
garantita solo se esiste compatibilità chimica tra il percolato, ricco di sostanze
organiche e inorganiche, ed i minerali argillosi che compongono l’argilla (o la
miscela sabbia-argilla) impiegata.
Anche i cosiddetti processi di attenuazione chimica (adsorbimento,
precipitazione, processi biologici, reazioni di ossido-riduzione, reazioni acidobase, ecc.) richiedono un’attenta analisi. L’adsorbimento, ad esempio, consente
di ritardare il rilascio di inquinante all’ambiente circostante; la precipitazione o
l’occlusione biologica possono invece portare ad una diminuzione della porosità
dell’argilla e a una conseguente diminuzione nel tempo della conducibilità
idraulica.
Infine l’argilla utilizzata per la realizzazione di una barriera deve possedere
caratteristiche di palabilità e di compattabilità tali da poter essere messa in
opera senza eccessiva difficoltà. A tal fine è necessario che sia caratterizzata
da una plasticità variabile tra bassa e media.
3. PROPRIETA’ DI UNO STRATO DI ARGILLA COMPATTATA
Le normative vigenti in alcuni Paesi (tra questi anche l’Italia) si limitano ad
indicare che al fondo di una discarica controllata deve essere realizzato uno
strato di argilla compattata dello spessore minimo di circa 1 m, caratterizzato da
una conducibilità idraulica k minore di 10-9 cm/s, senza ulteriori specificazioni
relative alle procedure di posa in opera della barriera e di misura sperimentale
del coefficiente k.
In realtà alcuni importanti fattori, quali quelli indicati in Tabella 1, caratterizzanti
lo strato argilloso, dovrebbero essere trattati e specificati in maniera più estesa
e con un rigore maggiore di quanto di norma non venga fatto; tutto ciò al fine di
garantire il mantenimento nel tempo dell’efficienza del sistema di
impermeabilizzazione.
2
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Tabella 1
fattore considerato
strato di appoggio della barriera
proprietà dell’argilla
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
geometria della barriera
modalità di compattazione
attrezzature di compattazione
•
•
specificazioni
terreno naturale adeguatamente compattato con superficie liscia
composizione mineralogica
granulometria (passante ASTM 200>20%; trattenuto ASTM 10 <
10%)
limiti di Atterberg (Ip = 10÷40 %)
-9
conducibilità idraulica (k < 10 m/s)
compatibilità chimica
spessore totale al fondo e sui versanti laterali
pendenza longitudinale e trasversale al fondo
pendenza del versante laterale
riferimento a prove di compattazione in laboratorio
compattazione per strati successivi
compattazione dei versanti lungo la linea di massima pendenza o
lungo curve di livello a seconda della pendenza della scarpata
frantumazione delle aggregazioni d’argilla > 25÷50 mm
rulli a piede di pecora
Tabella 2: vantaggi e svantaggi connessi all’uso di differenti permeametri
Apparecchiatura
fustella da compattazione
•
Vantaggi
prova semplice ed economica
•
•
•
fustella a doppio anello
cella edometrica
•
•
•
•
cilindro rigido
•
cella triassiale
•
•
•
•
controllo della filtrazione laterale
la prova può essere condotta su
un provino indisturbato
controllo della tensione verticale
controllo
delle
deformazioni
verticali
nessun vantaggio particolare
•
•
•
•
•
•
•
•
•
controllo del livello tensionale
•
controllo delle portate d’acqua
•
controllo delle deformazioni del
provino
limitata filtrazione laterale
Svantaggi
il provino può risultare parzialmente
saturo
non è possibile misurare il ritiro ed il
rigonfiamento
controllo incompleto del livello tensionale
agente sul provino
possibile filtrazione laterale
come sopra
possibile filtrazione laterale
difficoltà applicare livelli tensionali ridotti
possibili difficoltà nel confezionamento di
provini
limitato spessore del provino
difficoltà nel confezionamento del provino
possibile filtrazione laterale
non è possibile applicare una tensione
verticale
prova complessa e costosa
possibili difficoltà nel confezionamento
del provino
La fase di determinazione in laboratorio della conducibilità idraulica dovrebbe
essere sviluppata avendo chiari i vantaggi e gli svantaggi che sono associati
all’uso di un’apparecchiatura a parete fissa (Fig.1) o a parete flessibile (Tab.2).
Inoltre dovrebbero essere ben valutati e quantificati gli effetti indotti sulla
conducibilità idraulica dai differenti fattori variabili nel corso della
sperimentazione (Tab.3).
Lo strato di fondo viene esteso in tutto o in parte anche sui versanti laterali della
discarica, per impedire la fuoruscita del percolato qualora il suo livello interno
risulti superiore al previsto. In tale eventualità oltre che la tenuta idraulica della
barriera deve essere garantita la stabilità geotecnica del versante, che spesso
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per l’accoppiamento di numerosi materiali sintetici (geomembrana, geotessili,
georeti, ecc.) e naturali (argilla) risulta assai precaria.
Per garantire la stabilità geotecnica dei versanti della discarica è pertanto
necessario considerare e quantificare la resistenza tangenziale d’attrito che
si sviluppa al contatto tra materiali di differente natura (es. geomembranaargilla), cercando nei casi più critici di adottare pendenze idonee e materiali
sintetici ad aderenza migliorata. Attenzione analoghe vanno riservate alla
progettazione della copertura di una discarica controllata.
Il comportamento a lungo termine delle barriere d’argilla è influenzato da
numerosi fattori, raggruppabili in tre categorie distinte:
• composizione mineralogica e compatibilità chimica
• procedure esecutive
• variazioni ambientali in condizioni di esercizio
Fig.1. Differenti tipi di apparecchiatura di prova a parete fissa:
a) fustella da compattazione; b) fustella da compattazione a doppio anello;
c) edometro; d) permeametro con anelli porosi ridotti alle estremità (Daniel et Al., 1985)
Tabella 3: Fattori che condizionano le prove di permeabilità in laboratorio
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Fattore
gradiente
tensione efficace
migrazione
orienta-zione
particelle
Causa
deve essere mantenuto
elevato per garantire un
sufficiente passaggio di
acqua in tempi brevi
deve essere mantenuta
elevata e positiva alla
estremità del provino in
cui entra il flusso
ed gradienti elevati
delle
•
•
•
•
•
•
Errore
non è rappresentativo •
delle condizioni in posto
migrazione delle particelle fini
consolidazione differen- •
ziale
non
rappresentativo
delle condizioni in posto
sottostima di k
sottostima di k
•
•
consolidazione diffe- come sopra
•
renziale
saturazione
la pressione generata con •
un sistema ad aria
compressa può causare
aria in soluzione
area trasversale del •
provino ridotta
•
diminuzione di k per •
effetto dell’aria presente
•
diffusione attraverso in presenza di gradienti di •
la membrana
concentrazione chimica
la composizione chimica •
del
permeante
non
rappresentativa
delle
condizioni in posto
•
•
effetti ai bordi
pressione di cella elevata
•
•
rapporto altezza/ dia- dimensione del provino
•
metro del provino
durata della prova
generalmente
troppo •
breve
area trasversale del •
provino ridotta
sottostima di k
k diminuisce all’aumen- •
tare del rapporto L/φ
sovrastima di k
•
Soluzioni
è necessario condurre
ulteriori
prove
per
determinare k a bassi
gradienti
come sopra
come sopra
controllare
la
migrazione
delle
particelle con un’analisi
granulometri-ca a fine
prova
come sopra
usare provini corti
arieggiare il permeante
frequentemente
eliminare
l’interfaccia
aria/permeante
eliminare il gradiente di
diffusione usando anche
nella
cella
acqua
inquinata
usare sistemi alternativi
alla membrana
usare olio al silicone
come fluido di cella
usare
provini
di
diametro maggiore di 35
mm
necessaria una standardizzazione
la misura di k deve
avvenire in condizioni
stazionarie di flusso
3.1. Cenni di mineralogia delle argille ed effetti del fluido interstiziale
I minerali argillosi sono dei fillosilicati, le cui unità strutturali elementari sono
costituite da tetraedri e da ottaedri, che si uniscono fra loro disponendosi
planarmente e formando rispettivamente i cosiddetti foglietti tetraedrici (T) ed
ottaedrici (O). Lo strato elementare della caolinite è costituito da un foglietto T
ed uno O (1:1), mentre l’illite e la montmorillonite presentano uno strato
elementare costituito da due foglietti T ed uno O interposto (2:1).
Nel cristallo di caolinite ciascun tetraedro è legato all'altro tramite legami di tipo
covalente; il foglietto T è invece legato a quello O tramite legami idrogeno.
Ambedue i legami sono stabili e forti; per questa ragione i fenomeni di
rigonfiamento e di ritiro, tipici di una caolinite, sono relativamente poco rilevanti,
così come la sua capacità di scambio cationico. Nell'illite il legame tra gli strati
elementari è garantito efficacemente attraverso ioni potassio non scambiabili.
La zona interstrato della montmorillonite è occupata da molecole di acqua e da
cationi ed anioni. I cationi vengono adsorbiti e legati alla superficie dell'argilla
5
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stessa per effetto della carica superficiale negativa che essa presenta. Il
legame prevalente è costituito da forze di Van der Waals, (molto intense per
distanze tra le particelle dell'ordine delle dimensioni atomiche e decrescenti
rapidamente all'aumentare di questa distanza), che si esercitano attraverso i
cationi interstrato scambiabili con quelli presenti nella soluzione idratante
l'argilla.
I cationi interstrato coordinano molecole di acqua in quantità variabile a
seconda della loro natura. Lo spessore dello strato elementare non è fisso, ma
varia in relazione alla quantità d'acqua adsorbita. Le molecole d'acqua attratte
dai cationi producono un aumento della cosiddetta distanza basale, ossia dello
spessore dello strato elementare (2:1). Durante questa fase il fenomeno del
rigonfiamento è contrastato dalle forze elettriche di attrazione che si generano
tra i cationi e gli strati caricati negativamente. La concentrazione dei cationi
diminuisce all'aumentare della distanza dalla particella argillosa; la loro
posizione è infatti governata dagli effetti opposti di attrazione elettrostatica
verso la superficie e di diffusione verso l'esterno. Al contrario, a causa delle
cariche negative presenti sulla superficie delle particelle argillose la
concentrazione di anioni, in prossimità delle particelle stesse, è minore di quella
esistente nella soluzione esterna (adsorbimento negativo di anioni) (Fig.2).
I cationi di valenza più elevata (e pertanto di carica maggiore) sono attratti
maggiormente dall'argilla caricata negativamente che non quelli di valenza
minore. A parità di valenza la capacità di scambio ionico è funzione delle
dimensioni del catione ed aumenta all'aumentare del raggio ionico. Ciò è
attribuibile alla maggiore idratazione degli ioni più piccoli, che con un raggio
idratato maggiore sono più distanti dalle cariche negative della argilla. La
capacità di scambio cationico può essere espressa sinteticamente, in ordine
+
3+
2+
2+
+
+
+
+
decrescente, nel seguente modo: Al >>Ca >Mg >>NH4 >K >H >Na >Li
+
+
+
I livelli di Na , K e NH4 presenti nel percolato di rifiuti solidi urbani sono
sufficientemente elevati da produrre, nel corso dei fenomeni di convezione e
2+
2+
diffusione, scambi cationici con Ca e Mg presenti nelle argille naturali.
I cationi eventualmente in eccesso, quelli cioè che non servono a neutralizzare
l'elettronegatività delle particelle d'argilla, e gli anioni associati che sono
presenti in soluzione, tenderanno a disporsi lontano dalla superficie dell'argilla,
dove sussiste una più elevata concentrazione cationica. Questo tipo di
distribuzione ionica prende anche il nome di doppio strato diffuso (Fig.2). Lo
spessore di questo strato è inversamente proporzionale alla concentrazione
dell’elettrolita presente nel fluido interstiziale ed alla sua valenza cationica, e
direttamente proporzionale alla costante dielettrica del mezzo.
La capacità di scambio cationico è una caratteristica di ciascuna argilla ed è
governata dalla legge di Coulomb (la forza di attrazione F tra due punti di carica
q1 e q2 è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche ed inversamente
proporzionale al quadrato della distanza L tra i punti stessi).
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Un'altra grandezza molto importante per i terreni argillosi è la superficie
specifica, da cui dipende la maggiore o minore capacità di attirare le molecole
d'acqua. La montmorillonite (elevata superficie specifica, elevata deficienza di
carica) è il minerale argilloso che riesce a adsorbire la maggior quantità di
acqua. Lo spessore dello strato di acqua adsorbita è praticamente lo stesso per
un cristallo di montmorillonite e per uno di caolinite, ma cambiano le dimensioni
del cristallo e la proporzione di acqua presente. Questo si traduce, per la
montmorillonite, in una maggiore attività, una maggiore plasticità ed un più
elevato potere di rigonfiamento.
Le forze di repulsione elettrostatica dipendono dalla concentrazione ionica, dallo
spazio interparticellare e da altri fattori più complessi. Se lo spessore dello
strato adsorbito è elevato, le forze di repulsione sono rilevanti rispetto a quelle
di Van der Waals, per cui la risultante è decisamente negativa (repulsione) e il
contatto tra particelle pressochè assente (struttura dispersa). Invece, se lo
strato adsorbito è relativamente sottile la forza risultante risulterà pressochè
nulla, determinando dei movimenti casuali delle particelle sufficienti a portarle in
contatto. Si potranno così formare gruppi di particelle che si aggregano in
sospensione (struttura flocculata). I fattori che possono determinare la
formazione di una struttura flocculata o dispersa sono riassunti in Tabella 4. Le
differenti strutture che si vengono a determinare condizionano ovviamente il
comportamento meccanico ed idraulico dell’argilla (Fig.3).
Fig.2. Distribuzione degli ioni prossimi alla superficie di una particella argillosa,
secondo lo schema del doppio strato diffuso (Mitchell, 1993)
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concentrazione
dell'elettrolita
valenza dello ione
costante
dielettrica
temperatura
dimensione dello
ione idratato
pH
adsorbimento
dell'anione
parametro relativo
al fluido interstiziale
+
+
+
+
+
+
+
-
spessore doppio
strato diffuso
+
+
+
+
+
+
+
-
struttura del
terreno
F
D
F
D
D
F
D
F
D
F
D
F
D
F
(+) aumento; (-) diminuzione; (F) struttura flocculata; (D) struttura dispersa
Tabella 4. Influenza dei parametri del fluido interstiziale sullo spessore
del doppio strato e sulla struttura del terreno [EVANS ET AL., 1985].
Fig.3. Variazioni della conducibilità idraulica dovute alla presenza
di cationi di sodio e di calcio nell’acqua adsorbita (Yong e Warkentin, 1975)
Le variazioni della conducibilità idraulica che si registrano facendo filtrare
attraverso l’argilla fluidi diversi dall’acqua distillata sono essenzialmente da
attribuire a modifiche sia della microstruttura che della macrostruttura del
materiale (per le definizioni vedi il paragrafo successivo), in quanto possono
essere ricondotte a fenomeni di contrazione/espansione del doppio strato
diffuso e quindi di variazione nelle forze di attrazione-repulsione tra le particelle.
In particolare, durante la percolazione, può accadere, da una parte che la
struttura del materiale muti da dispersa a flocculata, per cui la distribuzione dei
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pori interaggregati cambia; dall'altra che si abbia una riduzione di volume con
fenomeni di ritiro e con la formazione di crepe o fessure all’interno del terreno.
Il ritiro che si sviluppa ad esempio quando una soluzione contenente NaCl
permea un materiale argilloso è collegato al processo di consolidazione
osmotica; la riduzione delle forze di repulsione porta ad una contrazione degli
aggregati ed all'incremento della resistenza al taglio al contatto tra gli stessi, per
cui la struttura del terreno tende ad irrigidirsi (Favaretti e Moraci, 1995). In tal
modo la riduzione globale di volume del terreno è sensibile, ma inferiore
all'entità della contrazione all'interno dei singoli aggregati e ciò comporta una
maggiore apertura dei pori e la nascita di nuove porosità interaggregati o di
fessurazioni vere e proprie.
Qualora la soluzione salina venga utilizzata come fluido interstiziale si osserva
una consolidazione del provino (pur restando costante la pressione verticale
esterna) e l'indice dei vuoti complessivo diminuisce (Favaretti e Moraci, 1997).
Nello stesso tempo, però, il fenomeno del ritiro e la conseguente apertura di
pori interaggregati fa sì che la porosità effettiva, attraverso cui si ha il flusso
principale, cresca e quindi la conducibilità idraulica possa aumentare anche se
l'indice dei vuoti mediamente si è ridotto.
La tensione verticale agente riveste una grande importanza nel controllare la
variazione di permeabilità dovuta alla percolazione di una soluzione salina: essa
infatti limita la apertura dei macropori causata dalla contrazione degli aggregati
e previene lo sviluppo di un ritiro laterale dei campioni e quindi si oppone
all'incremento dell'indice dei vuoti effettivo nel terreno.
Le ricerche sperimentali hanno evidenziato infatti che, se non è realizzata
alcuna azione di confinamento verticale, la percolazione può incrementare la
permeabilità anche di alcuni ordini di grandezza, mentre se il provino è
sufficientemente confinato l'apertura dei macropori può essere in gran parte
evitata proprio perché è ostacolata la deformazione orizzontale di ritiro durante
la consolidazione osmotica. I risultati sperimentali dimostrano che una soluzione
concentrata di NaCl ha un effetto irrilevante su alcune miscele contenenti varie
percentuali di bentonite e soggette ad elevate tensioni di confinamento, mentre
produce un deciso incremento di conducibilità idraulica per basse tensioni.
Esistono infine minerali argillosi che si sciolgono a contatto con alcune sostanze
chimiche. Pertanto la compatibilità chimica tra argilla e percolato dovrà essere
attentamente analizzata in fase progettuale.
In particolare gli acidi causano la soluzione dei carbonati, degli ossidi di ferro e
degli strati ottaedrici di alluminio dei minerali argillosi; mentre le basi
determinano la soluzione degli strati tetraedrici di silicio, ed in minor misura,
degli strati ottaedrici di alluminio dei minerali argillosi. La rimozione di alcune
sostanze chimiche sciolte nell’acqua può portare ad un incremento della
conducibilità idraulica, mentre la loro precipitazione può portare all’intasamento
dei pori, con conseguente diminuzione della conducibilità idraulica dell’argilla.
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M.Favaretti - Comportamento a lungo termine dei sistemi di impermeabilizzazione
Numerosi liquidi organici interagiscono con l’argilla causando ritiro e
fessurazioni, con conseguente aumento della conducibilità idraulica. Tale
aumento può risultare non rilevante se l’argilla è ben compattata, non contiene
minerali argillosi espansivi, e se la tensione di confinamento applicata è elevata.
3.2. Procedure esecutive
Mitchell (1993), riferendosi ad un terreno sciolto qualsiasi, definisce con il
termine fabric la disposizione delle particelle, dei gruppi di particelle e dei pori (o
vuoti); mentre con il termine structure (che talvolta viene usato come sinonimo
di fabric) intende gli effetti associati di fabric, composizione mineralogica e forze
interparticellari. Nel seguito verrà indicato con il termine struttura ciò che
Mitchell definisce come fabric.
Per definire compiutamente la struttura di un terreno è necessario definire la
dimensione, la forma e la funzione di ciascun tipo di possibile struttura:
• micro-struttura: aggregazioni regolari di particelle e di pori di piccolissime
dimensioni, posti tra le particelle stesse; la dimensione massima di queste
aggregazioni è dell’ordine delle decine di micron;
• mini-struttura: associazione di aggregazioni della mini-struttura e dei pori
posti tra tali aggregazioni; la dimensione massima di queste aggregazioni è
dell’ordine delle centinaia di micron;
• macro-struttura: contiene crepe, fessure, cavità, laminazioni, discontinuità
varie.
Le proprietà meccaniche ed idrauliche dipendono in varia misura dai tre livelli di
struttura sopra indicati. Ad esempio la conducibilità idraulica di un terreno
coesivo è per lo più condizionato dalla macro- e dalla mini-struttura; mentre gli
effetti di consolidazione primaria e secondaria sono principalmente da imputare
alla mini- ed alla micro-struttura.
La struttura di un’argilla compattata è principalmente influenzata dai seguenti
fattori:
• contenuto d’acqua e densità
• procedura ed energia di compattazione
• dimensione delle aggregazioni
• essiccazione
Contenuto d’acqua e densità
Al variare del contenuto d’acqua e della densità secca di una argilla compattata
la conducibilità idraulica può aumentare o diminuire anche di diversi ordini di
grandezza (Fig.4). Da sottolineare il fatto che l’argilla preparata con un
contenuto d’acqua uguale o leggermente superiore all’optimum può essere
compattata alla massima densità secca possibile e risulta caratterizzata dalla
minima conducibilità idraulica.
10
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L’eccessiva umidità dell’argilla può produrre inconvenienti seri, quali la perdita
di consistenza e la diminuzione di resistenza al taglio, particolarmente
pericolosa ai contatti tra materiali di diversa natura posti sulle scarpate laterali
della discarica.
Fig. 4: Effetti della densità e del contenuto d’acqua
sulla permeabilità di un’argilla compattata (Benson e Daniel, 1990)
Procedura ed energia di compattazione
Uno strato di argilla compattata seguendo differenti metodi di compattazione
può essere caratterizzata dallo stesso contenuto d’acqua, dalla stessa densità
secca, ma da differente conducibilità idraulica. Seguendo ad esempio la
procedura di compattazione in laboratorio tipo kneading si ottiene una struttura
particolarmente dispersa, per effetto della elevate deformazioni tangenziali che
vengono prodotte durante la compattazione, ed una conducibilità idraulica
minore di quella ottenuta mediante le classiche prove di compattazione.
Pertanto la compattazione di uno strato argilloso dovrebbe preferibilmente
essere eseguita mediante rulli a piede di pecora, che producono proprio elevate
deformazioni tangenziali. Per ottenere una migliore compattazione è inoltre
consigliabile procedere alla compattazione per sottili strati successivi, di
spessore confrontabile con l’altezza delle protuberanze dei rulli.
La compattazione per strati successivi, nel caso di contatto incompleto degli
stessi, può generare vie di filtrazione preferenziali, con aumento della
conducibilità idraulica e l’accorciamento del tempo di attraversamento della
barriera. E’ necessario pertanto procedere alla scarificazione ed al controllo
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della umidità naturale superficiale di ciascun straterello.
Un proprietà indice che testimonia la buona esecuzione o meno di uno strato di
argilla compattata è costituita dalla porosità effettiva, ossia al rapporto tra il
volume dei pori, attraverso i quali si sviluppa effettivamente il moto di filtrazione,
ed il volume totale. La porosità effettiva di un’argilla compattata non può essere
maggiore della sua porosità totale. La velocità di filtrazione vs di un fluido
attraverso un mezzo poroso, nella direzione del gradiente idraulico i, è
inversamente proporzionale alla sua porosità effettiva ne:
vs =
v
k ⋅i
=
ne ne
dove con v si è indicata la velocità media di filtrazione, calcolata con la legge di
Darcy e con k la conducibilità idraulica. Nel caso in cui vengano trascurati gli
effetti della diffusione e dell’attenuazione chimica, il tempo di attraversamento ta
della barriera di argilla è pari al rapporto d/vs (dove d è lo spessore dello strato
della barriera) ed è proporzionale alla porosità effettiva.
Alla luce di quanto detto è pertanto auspicabile che le procedure di
compattazione dello strato di argilla portino ad ottenere una porosità effettiva
quanto più prossima alla porosità totale; in tal caso infatti il tempo di
attraversamento dello strato risulterebbe massimo. La porosità effettiva è
funzione del gradiente idraulico e diminuisce al decrescere del gradiente.
Dimensione delle aggregazioni
La dimensione dei pori presenti a livello di mini-struttura in un’argilla compattata
dipende dalla dimensione delle aggregazioni di particelle argillose. Quanto
maggiori sono le aggregazioni, tanto maggiori saranno i pori inter-aggregati e la
conducibilità idraulica complessiva (Fig.4).
Le aggregazioni non dovrebbero superare la dimensiona massima di 25÷50
mm; in caso contrario devono essere frantumate, qualora sia possibile, prima
della posa in opera e della compattazione. Per essere frantumate durante la
compattazione bisognerebbe procedere alternativamente:
• su argilla preparata con un contenuto d’acqua elevato (consistenza relativa
bassa), purché la sua plasticità consenta un’adeguata palabilità e
compattazione;
• su un’argilla piuttosto asciutta procedendo alla frantumazione delle
aggregazioni con rulli molto pesanti.
Essiccazione
I fenomeni di essiccazione e di fessurazione che si verifichino in uno strato
d’argilla compattata possono portare all’aumento della conducibilità idraulica
complessiva anche di 2-3 ordini di grandezza. Lo strato argilloso deve pertanto
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essere mantenuto umido attraverso lo spruzzo di acqua o di sigillanti bituminosi,
la successiva copertura con geomembrana o con altro terreno.
3.3 Variazioni ambientali in condizioni di esercizio
Tutti i fattori esaminati nel paragrafo precedente sono controllabili attraverso
un’accurata scelta del tipo di terreno e delle procedure di posa in opera.
Tuttavia variazioni delle condizioni ambientali che si verifichino durante la fase
di esercizio della discarica possono portare a compromettere il rendimento della
barriera.
Variazione della tensione di confinamento
Lo stoccaggio di rifiuti all’interno di una discarica determina un incremento
graduale della pressione verticale sulla barriera di fondo, la conseguente
consolidazione dello strato, la chiusura delle crepe che si fossero
eventualmente generate, ed infine la diminuzione della conducibilità idraulica. E’
importante sottolineare come un incremento del livello del percolato all’interno
della discarica, dovuto al mancato funzionamento totale o parziale del sistema
di smaltimento del percolato stesso, possa causare una diminuzione della
tensione di confinamento.
Migrazione delle particelle
Le forze di filtrazione prodotte dal movimento del percolato all’interno della
barriera possono causare la migrazione delle particelle più fini del terreno, con
diminuzione della conducibilità idraulica (dovuta alla chiusura di numerosi pori),
o con la rottura della barriera per eccesso di dilavamento.
Cedimenti differenziali
I cedimenti differenziali, indotti sulla barriera argillosa al fondo o in copertura,
dalla compressione a breve e lungo termine degli strati di terreno su cui la
discarica è impostata, possono generare crepe e fessure sull’argilla compattata.
Per minimizzare tali effetti è consigliabile realizzare uno strato di notevole
spessore con argilla di idonea duttilità.
Gelo/Disgelo
Cicli ripetuti di gelo e disgelo possono determinare sulla barriera argillosa un
forte aumento della conducibilità idraulica e una perdita di resistenza. Tali effetti
derivano da variazioni strutturali dell’argilla, che portano alla formazioni di crepe
e fessure. La protezione della barriera dagli effetti di gelo e disgelo può essere
realizzata ponendo in opera nel minor tempo possibile uno strato di terreno di
copertura, di spessore non minore della profondità di penetrazione locale del
gelo.
Occlusione biologica
Nel caso in cui si verifichino lente filtrazioni di percolato attraverso la barriera
d’argilla potrebbero crescere e svilupparsi dei micro-organismi, che ostruendo
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M.Favaretti - Comportamento a lungo termine dei sistemi di impermeabilizzazione
parzialmente i pori della struttura, determinano un decremento della
conducibilità idraulica complessiva dell’argilla.
Instabilità dei versanti laterali della discarica
Fenomeni locali di instabilità sui versanti laterali e sulla copertura di una
discarica possono portare alla rottura della barriera ed alla successiva
fuoruscita di percolato. Fenomeni meno drammatici, legati a scorrimenti
tangenziali verso il basso prodotti dal peso dei rifiuti o della copertura, possono
comunque fessurare la barriera, causando un incremento della conducibilità
idraulica globale. Per limitare tali fenomeni di instabilità è necessario imporre
pendenze relativamente limitate ed impiegare geomembrane ad aderanza
migliorata. A volte può essere anche opportuno inserire un geosintetico di
rinforzo (es. geogriglia) capace di migliorare la stabilità globale del pendio.
4. CONCLUSIONI
Da questa breve rassegna dei problemi connessi alla definizione dei parametri
geotecnici di progetto delle barriere argillose nelle discariche controllate, ed al
mantenimento nel tempo delle proprietà meccaniche ed idrauliche iniziali,
emerge innanzi tutto la conferma dell’inadeguatezza della normativa vigente,
che molto sommariamente si limita a definire lo spessore minimo richiesto dello
strato di argilla compattata, ed il coefficiente di permeabilità massimo
dell’argilla, senza altre specificazioni.
Si è sottolineata l’importanza della scelta dell’apparecchiatura di prova, per la
determinazione della conducibilità idraulica dell’argilla, evidenziando i vantaggi
e gli svantaggi di ciascuna. Si sono poi elencati i numerosi fattori che
condizionano il risultato della sperimentazione, dall’entità del gradiente
applicato alla possibile incompleta saturazione del provino, dalla disuniformità
della tensione efficace agente ai possibili fenomeni di filtrazione lungo la
superficie perimetrale del permeametro. I risultati che si ottengono, a parità di
terreno di prova, sono assai differenti, variando anche di ordini di grandezza.
Un altro aspetto che è stato trattato è quello della compatibilità chimica tra
argilla e percolato; a tal fine si è raccomandato di sottoporre a prova un provino
rappresentativo di argilla, assoggettarlo ad livello tensionale prossimo a quello
reale, e possibilmente utilizzare come fluido permeante una soluzione prossima
(se non uguale) per composizione chimica al percolato reale.
Particolare attenzione dovrà essere posta sulla quantità di percolato filtrata
attraverso il provino nel corso della prova di laboratorio, che dovrà essere pari
ad almeno 4-5 volte il volume dei pori del provino. La durata della prova deve
essere sufficientemente lunga da permettere al fluido permeante di saturare per
bene tutto il provino e nello stesso tempo di sviluppare tutte le possibili
interazioni fisiche e chimiche con i minerali argillosi costituenti il terreno in
esame.
Infine sono stati illustrati gli effetti sul rendimento della barriera delle procedure
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M.Favaretti - Comportamento a lungo termine dei sistemi di impermeabilizzazione
esecutive e delle variazioni ambientali che si potrebbero succedere nel tempo.
Nel caso in cui questi due aspetti non vengano attentamente considerati, anche
una progettazione condotta con competenza e rigore potrebbe risultare
insufficiente a garantire l’efficacia della barriera nel tempo.
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