Comportamento di
geomembrane esposte su dighe
in calcestruzzo e muratura
Daniele Cazzuffi
Introduzione
INQUADRAMENTO STORICO
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
•Prima installazione di una geomembrana su una diga:
Contrada Sabetta, Italia, diga in materiali sciolti, 32 m, 1959.
Geomembrana in poliisobutilene (PIB) da 2 mm protetta con
lastre in calcestruzzo
•Prima installazione di una geomembrana in polivinilcloruro
(PVC): Canada, diga Terzaghi, 1960.
Geomembrana in PVC da 0,8 mm, coperta con argilla
•Prima installazione di una geomembrana esposta:
Lago Baitone, Italia, diga in muratura, 37 m, 1971.
Geomembrana in poliisobutilene (PIB)
•Prima installazione di una geomembrana in PVC esposta:
Lago Miller, Italia, diga in muratura,11 m, 1976.
Geomembrana in PVC da 2 mm
•Prima installazione di un geocomposito esposto:
Lago Nero, Italia, diga in calcestruzzo,45 m, 1981.
Geomembrana in PVC da 2 mm esposta e geotessile in poliestere
(PET) da 350 g/m2
Introduzione
INQUADRAMENTO STATISTICO
Introduzione
Prelievi da dighe
•
più di 180 dighe al mondo, di tutti i tipi,
impermeabilizzate con geomembrane (dati ICOLD,
International Commission on Large Dams)
•
Massima altezza raggiunta su dighe in RCC nel
mondo:
Diga di Miel, Colombia, 188 m, 2002.
Geomembrana in PVC, esposta
•
Massima altezza raggiunta su dighe in materiali
sciolti nel mondo: Diga di Bovilla, Albania, 91 m,
1996.
Geomembrana in PVC, protetta con lastre in
calcestruzzo
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Introduzione
RIPRISTINO DI DIGHE IN
CALCESTRUZZO E MURATURA
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Vengono presentati due esempi di interventi
ripristino con geomembrane su dighe italiane:
• diga in calcestruzzo (Lago Nero, 1929)
• diga in muratura (Camposecco, 1930)
di
Prelievi da dighe
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Campioni di geomembrane sono stati prelevati da 16
dighe situate nell’arco alpino e nell’Appennino Ligure.
Per ogni diga, sono stati prelevati campioni ad intervalli
di tempo regolari, in modo da tenere sotto controllo
l’evoluzione delle proprietà delle geomembrane nel
tempo.
Prelievi da dighe
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Prelievi da dighe
Sui campioni di geomembrana prelevati dalle varie
dighe, si sono svolte le seguenti prove:
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
• analisi termogravimetrica;
• contenuto di plastificanti;
• spessore nominale;
• massa areica;
• durezza shore A;
• densità;
• flessibilità a freddo;
• stabilità dimensionale;
• trazione;
• permeabilità al vapor d’acqua.
Prelievi da dighe
35
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
33
Contenuto di plastificanti (%)
Introduzione
31
29
27
25
Miller
Lago Nero
Pian Sapeio
Pantano d'Avio
Baitone
Camposecco
Ceresole Reale
23
21
19
17
15
0
5
10
15
20
25
30
Tempo trascorso dall’applicazione (anni)
Contenuto di plastificanti per geomembrane in PVC applicate
su dighe.
Prelievi da dighe
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Resistenza longitudinale a trazione [MPa]
30
25
20
15
Miller
Lago Nero
Pian Sapeio
Baitone
Camposecco
Ceresole Reale
Pantano
10
5
0
0
5
10
15
20
25
Tempo trascorso dall’applicazione (anni)
Resistenza longitudinale a trazione per geomembrane in
PVC applicate su dighe.
30
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Deformazione longitudunale a rottura (%)
Prelievi da dighe
300
250
200
150
Miller
Lago Nero
Pian Sapeio
Pantano d'Avio
Baitone
Camposecco
Ceresole Reale
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
Tempo trascorso dall’applicazione (anni)
Deformazione longitudinale a rottura per geomembrane in
PVC applicate su dighe.
Invecchiamento artificiale
in laboratorio
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Campioni di geomembrana in PVC sono stati inoltre
esposti ad un invecchiamento artificiale in forno.
Questo tipo di invecchiamento, grazie alle elevate
temperature in gioco, riesce ad accelerare l’evoluzione
della struttura fisica della geomembrana ed in
particolare la velocità della perdita di plastificante
dovuta al fenomeno di diffusione.
Invecchiamento artificiale
in laboratorio
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
In particolare, i campioni di geomembrana in PVC sono
stati esposti in forno alle tre temperature
rispettivamente di 65 °C, 80 °C e 95 °C. Queste
temperature sono state scelte in modo da soddisfare le
due seguenti condizioni:
• essere sufficientemente diverse (DT=15°C) in modo
da riscontrare un’apprezzabile variazione delle proprietà
della geomembrana tra una temperatura e l’altra;
• essere sufficientemente elevate (T>60°C) in modo da
poter osservare una variazione delle proprietà della
geomembrana in tempi non lunghissimi (ordine di
grandezza: uno o due anni).
Invecchiamento artificiale
in laboratorio
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Sui provini invecchiati per 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 e 96
settimane si sono svolte le seguenti prove:
-
analisi termogravimetrica;
contenuto di plastificanti;
spessore nominale;
durezza Shore A;
densità;
flessibilità a freddo;
trazione.
Invecchiamento artificiale
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Contenuto di plastificanti (%)
in laboratorio
Contenuto di plastificanti per geomembrane in PVC soggette
ad invecchiamento artificiale in laboratorio.
Invecchiamento artificiale
in laboratorio
Introduzione
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Sforzo (MPa)
Prelievi da dighe
80°C
16 settimane
Deformazione (%)
Invecchiamento artificiale
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Sforzo longitudinale a snervamento
(MPa)
in laboratorio
Sforzo longitudinale a snervamento per geomembrane in PVC
sottoposte ad invecchiamento artificiale in laboratorio.
Invecchiamento artificiale
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Deformazione longitudinale a rottura
(%)
in laboratorio
Deformazione longitudinale a rottura per geomembrane in
PVC sottoposte ad invecchiamento artificiale in laboratorio.
Invecchiamento artificiale
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Modulo tangente longitudinale (GPa)
in laboratorio
Modulo tangente longitudinale per geomembrane in PVC
sottoposte ad invecchiamento artificiale in laboratorio.
Modello di Arrhenius
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Il modello di Arrhenius consente di prevedere le
velocità di reazione alle temperature di esercizio grazie
ad una estrapolazione dei dati relativi a temperature più
elevate. In particolare, per applicare l’approccio del
modello di Arrhenius, è necessario procedere ad una
stima dell’energia di attivazione sulla base dei dati
ottenuti sui campioni invecchiati in forno.
A questo proposito, sono state considerate le tre
seguenti proprietà meccaniche (in entrambe le
direzioni longitudinale e trasversale):
-sforzo a snervamento sY ;
-deformazione a rottura er ;
-modulo tangente Et .
Modello di Arrhenius
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Sforzo longitudinale a snervamento
(MPa)
Esempio di applicazione del modello di Arrhenius
Modello di Arrhenius
Esempio di applicazione del modello di Arrhenius
Ingrandimento
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
95 °C
80 °C
65 °C
Modello di Arrhenius
Esempio di applicazione del modello Arrhenius
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
95 °C
80 °C
65 °C
Modello di Arrhenius
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Applicando il modello di Arrhenius allo sforzo di
snervamento, alla deformazione a rottura ed al
modulo tangente (in entrambe le direzioni
longitudinale e trasversale) è stato possibile
stimare l’energia di attivazione media Ea/R:
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Sforzo di
snervamento
Deformazione
a rottura
Modulo
tangente
Vita residua
E’ stato quindi possibile estrapolare il comportamento
a lungo termine delle geomembrane in PVC.
Introduzione
Prelievi da dighe
Le seguenti temperature sono state considerate
rappresentative delle condizioni in sito sulle dighe:
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Fuori acqua
Condizioni
immerse
Vita residua
Max
+ 45°C
+ 20°C
Conclusioni
Min
- 20°C
+ 4°C
Ai fini dell’applicazione del modello di Arrhenius,
l’attenzione si è concentrata sulle massime
temperature, pari rispettivamente a + 45°C (fuori
acqua) e + 20°C (condizioni immerse).
Vita residua
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
La previsione di vita residua è stata confrontata con i
risultati dei campionamenti in sito. In particolare, il
modello di Arrhenius è stato applicato alle due
seguenti proprietà ritenute più significative ai fini del
comportamento nel tempo:
- contenuto di plastificante;
- deformazione a rottura in direzione longitudinale.
Vita residua
Conclusioni
•Esempio: diga di Camposecco
Vita residua
Introduzione
Prelievi da dighe
Cross section of
Invecchiamento
artificiale
Camposecco Dam
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Diga di Camposecco
Vita residua
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Contenuto di plastificanti [%]
Esempio: diga di Camposecco
Diga di Camposecco
Vita residua a 20°C
Vita residua a 45°C
35
30
25
Diminuzione del 30%
Diminuzione del 40%
20
15
Diminuzione del 50%
10
5
0
0
5
22,6 29,4 36,2
10 15 20 25 30 35 40
Tempo d’invecchiamento (anni)
45
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
Deformazione long. a rottura [%]
Vita residua
300
Diga di Camposecco
Vita residua a 20°C
Vita residua a 45°C
250
200
Diminuzione del 30%
Diminuzione del 40%
Dimin. del 50%
150
100
50
0
0
5
22,9 30,1 37,5
10 15 20 25 30 35 40 45
Tempo d’invecchiamento (anni)
Conclusioni
Introduzione
Prelievi da dighe
Invecchiamento
artificiale
Modello di
Arrhenius
Vita residua
Conclusioni
• In generale si è riscontrato un buon comportamento
nel tempo delle geomembrane esposte su dighe in
calcestruzzo e in muratura, anche a notevoli altitudini
• Fondamentale è risultato il monitoraggio del
comportamento nel tempo con prelievi regolari di
campioni di geomembrane in sito e successive prove
di laboratorio
• Promettenti vengono considerate le prime valutazioni
di vita residua delle geomembrane sulle dighe
attraverso il modello di Arrhenius
• Tali valutazioni devono necessariamente essere
validate da un constante monitoraggio, sia con
ispezioni, sia con prelievi in sito di campioni di
geomembrana (fuori acqua ed in condizioni immerse)