La tecnica della stabilizzazione a calce dei terreni

Maurizio Ponte(1) Tommaso De Simone(2) Sergio Soleri(3) tecnologie&sistemi

LA TECNICA DELLA STABILIZZAZIONE

A CALCE DEI TERRENI

L’IMPORTANZA DI UN’ACCURATA VALUTAZIONE DELLE CARATTERISTICHE GRANULOMETRICHE DEI TERRENI DA TRATTARE PER UNA TECNICA SEMPRE PIÙ LARGAMENTE UTILIZZATA E AMBIENTALMENTE “SOSTENIBILE”: UNO STUDIO SPERIMENTALE SULL’APPLICABILITÀ

Il processo di stabilizzazione di terre con calce è noto fin dall’antichità. Fu impiegato per la costruzione della Grande Muraglia cinese (250 a.C.), fu utilizzato dai Romani per alcuni tratti della Via Appia, fu studiato negli Stati Uniti nei primi decenni del Novecento e, a partire dal primo Dopoguerra (anni Cinquanta), trovò largo impiego nei Paesi anglosassoni, in Germania e in Francia. In Italia, la tecnica della stabilizzazione a calce dei terreni è attualmente ancora relativamente poco diffusa a causa dei costi eccessivi richiesti per gli studi teorici e di laboratorio necessari per l’applicazione di tale tecnologia. L’esigenza di limitare lo sfruttamento delle cave esistenti, evitando il rapido esaurimento di materie prime non rinnovabili costituite da “inerti di pregio” (misto frantumato, ghiaia e sabbia), sempre più rari e costosi, nonché gli oneri economici legati allo smaltimento delle terre da scavo, spinge verso scelte maggiormente “sostenibili”, sia da un punto di vista economico che ambientale. La tecnica della stabilizzazione a calce dei terreni può fornire un’adeguata risposta a tale esigenza, consentendo l’impiego di terreni con una forte componente argillosa (> 35% in peso), dalle scarse caratteristiche fisico-meccaniche e, perciò, destinati al conferimento a rifiuto, rendendoli idonei per l’impiego nell’ambito della realizzazione di opere stradali e ferroviarie. Tuttavia, è necessario eseguire preliminarmente accurate analisi di laboratorio finalizzate all’individuazione delle esatte percentuali della miscela terra-calce da utilizzare, in grado di produrre i desiderati miglioramenti delle prestazioni meccaniche, sia in termini di deformabilità che di resistenza meccanica. Infatti, errate valutazioni sulle caratteristiche fisico-meccaniche dei terreni stabilizzati possono condurre, da un lato, al manifestarsi di cedimenti di entità superiore a quella prevista in fase di progetto, dall’altro, alla sottostima delle sollecitazioni che si instaurano all’interno del terreno, determinando, potenzialmente, situazioni di instabilità delle opere. Lo scopo del presente studio è valutare l’influenza della granulometria sui parametri fisico-meccanici di tre differenti miscele terreno-calce. La stabilizzazione può essere definita come il consolidamento permanente di un suolo mediante materiali adatti ad aumentare la sua capacità portante e la sua resistenza meccanica, diminuendo la sua sensibilità all’azione dell’acqua e al cambiamento di volume durante cicli di imbibizione e asciugatura. Lo scopo della stabilizzazione è di rendere fruibile un terreno, migliorandone le caratteristiche fisiche, chimiche, meccaniche e aumentando nel tempo la conservazione delle sue proprietà, mediante la miscelazione con un legante idraulico (calce).

1.

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Il trattamento con calce “viva” (CaO, adatto a terreni umidi) o calce “idrata” (Ca(OH)2, adatto a terreni asciutti) di un sistema costituito da suolo e acqua provoca vari fenomeni chimico-fisici, concomitanti o consecutivi tra loro, che determinano modifiche permanenti, microscopiche e macroscopiche, e causano variazioni nelle caratteristiche fisico-meccaniche, attivando un processo di reazioni chimiche che porta a un prodotto più stabile con effetti sia a breve che a lungo termine. In particolare, all’aggiunta del terreno con calce e acqua si verificano due diverse reazioni chimiche che producono effetti su scale temporali diverse [1]: il primo effetto, detto “modifica”, si sviluppa in pochi giorni e provoca la flocculazione dei granelli del terreno [2], con una conseguente riduzione della quantità di frazione fine e della compressibilità; il secondo, detto “stabilizzazione”, avviene a lungo termine attraverso reazioni pozzolaniche, con la formazione di legami di cementazione. Gli aspetti più rilevanti dei cambiamenti strutturali che avvengono nella miscela terra-calce sono i seguenti: • variazioni nel contenuto di acqua naturale, principalmente a causa della reazione esotermica della calce, particolarmente evidente quando si usa la calce viva (CaO); • variazione della distribuzione granulometrica e dell’indice di plasticità, dovuta all’aggregazione delle particelle di argilla e alla conseguente riduzione della frazione fine; • variazione delle caratteristiche di compattazione, dovuta all’aumento del valore di umidità ottimale e alla diminuzione del valore della massima densità del suolo; • variazione delle caratteristiche meccaniche: riduzione della compressibilità e aumento della resistenza al taglio del terreno; • durabilità sotto l’azione di acqua e gelo. Preliminarmente, è necessaria una prima fase di prequalifica del materiale per verificarne l’idoneità al trattamento. In particolare, tale fase prevede: • la classificazione dei suoli secondo la Norma CNR-UNI 10006

“Costruzione e manutenzione di strade”, che richiede due prove: l’analisi granulometrica e la determinazione dei limiti di Atterberg; • l’analisi delle caratteristiche chimiche, che ha un duplice scopo: valutare l’attitudine del terreno per il trattamento con leganti idraulici e fornire una prima indicazione sulla quantità di calce necessaria per il trattamento. L’idoneità di un terreno da stabilizzare con la calce dipende in gran parte dalla quantità e dal tipo di frazione argillosa presente. In generale, l’efficacia della stabilizzazione della calce aumenta con la plasticità del terreno. Poiché l’effetto di stabilizzazione può essere ridotto dalla presenza di sostanza organica o solfati, il materiale organico potenzialmente dannoso deve essere inferiore al 3-4%, mentre la percentuale non nociva di solfati deve essere inferiore allo 0,3%. Al fine di valutare l’influenza della dimensione delle particelle sui parametri fisici e di deformabilità e resistenza meccanica, sono state preparate miscele con diverse percentuali di calce su tre campioni di terreno di differente granulometria: • argilla con limo; • sabbia ghiaiosa debolmente limosa; • sabbia argillosa debolmente ghiaiosa. Sui campioni, sia al naturale che miscelati con calce, sono stati effettuati i seguenti test: • determinazione del Consumo Iniziale di Calce (C.I.C.); • determinazione del contenuto di sostanza organica; • determinazione del contenuto di solfati e nitrati; • analisi granulometrica; • determinazione dei limiti di Atterberg; • prova di taglio diretto; • prova Proctor modificata; • determinazione dell’indice CBR. Le analisi geotecniche sono state condotte presso l’Istituto Prove Geotecniche (I.P.G.) di Castrolibero (CS), mentre le analisi chimiche presso il laboratorio del Dipartimento di Biologia, Ecologia e Scienze della Terra (DiBEST) dell’Università della Calabria.

LE PROVE DI LABORATORIO

La determinazione del Consumo Iniziale di Calce (C.I.C.)

Preliminarmente, è stato determinato il Consumo Iniziale di Calce (C.I.C.) utilizzando campioni con diverse percentuali di calce; il contenuto minimo identificato per la stabilizzazione del suolo è quello fornito dal campione che produce un pH di 12,4, secondo la Norma ASTM D 6276-99a: 2006, nota anche come “test del pH di Eades & Grim”. Il pH per ciascun campione è stato misurato per mezzo di un pHmetro Crison Basic 20 (Figura 2). Sono state preparate le seguenti miscele: • campione A con 1%, 2%, 3% di Ca(OH)2; • campione B con 1%, 2%, 4% di Ca(OH)2; • campione C con 1%, 2%, 4% di Ca(OH)2. In Figura 3 sono riportati i risultati ottenuti per ogni campione e per ogni percentuale di Ca(OH)2. 2. Il pHmetro Crison Basic 20

3. La determinazione del C.I.C. per i campioni A, B e C

STABILIZZAZIONE A CALCE

Il C.I.C. per i diversi campioni è risultato: • campione A: 2% di Ca(OH)2; • campione B: 1% di Ca(OH)2; • campione C: 1,8% di Ca(OH)2. In termini operativi, per la stabilizzazione è stato utilizzato un minimo quantitativo di calce pari al 2% per tutti i campioni.

La determinazione del contenuto di sostanza organica

Per definire meglio l’idoneità del terreno da trattare con la calce, è necessario identificare l’eventuale presenza di materiale organico potenzialmente dannoso, che deve essere inferiore al 3-4% per non interferire con il trattamento di stabilizzazione. La determinazione del contenuto di sostanze organiche è stata eseguita utilizzando un forno a muffola (Figura 4), portando un campione di 10 g, precedentemente essiccato, fino alla temperatura di 750 °C

ed effettuando un raffronto tra il peso finale e quello iniziale. Nella Figura 5 sono riportati i risultati ottenuti.

La determinazione del contenuto di solfati e nitrati

I contenuti di solfati (SO4--) e nitrati (NO3--) delle miscele sono stati determinati poiché può accadere che il calcio contenuto nella calce reagisca con i solfati e i nitrati formando nuovi minerali, causando una diminuzione della quantità di calce come composto solubile destinato alla flocculazione delle particelle. In via preliminare, è stata determinata la conducibilità elettrica dei campioni. Le misure sono state eseguite con un conducimetro Crison 30 (Figura 6) a una temperatura di 20 °C. In Figura 7 sono riportati i valori rilevati della conducibilità elettrica. Una volta noti i valori di conducibilità elettrica, è stata eseguita l’analisi dei sali solubili (anioni e cationi) utilizzando un cromatografo Dionex DX-120 (Figura 8). I risultati ottenuti per gli anioni sono riportati in Figura 9. Si può osservare che nessuno dei campioni analizzati presenta

percentuali significative di solfati e nitrati, per cui non vi sono fattori chimici che limitino la flocculazione delle particelle.

L’analisi granulometrica

L’analisi granulometrica è stata condotta per i tre campioni studiati prima della miscelazione con calce, sia per stacciatura che per sedimentazione (Figure 10A e 10B).

Solfati (SO4--) Nitrati (NO3--) CAMPIONE A 0,0118 0,00007 CAMPIONE B 0,0004 0,00004 CAMPIONE C 0,00013 ---

4. Il forno a muffola 6. Il conducimetro Crison 30 8. Il cromatografo Dionex DX-120

% CAMPIONE A 4,3 CAMPIONE B 2,9 CAMPIONE C 3,8

5. I contenuti (%) di sostanza organica per i campioni A, B e C 9. Le percentuali degli anioni presenti nei campioni A, B e C

7. I valori della conducibilità elettrica per i campioni A, B e C

10A e 10B. L’analisi granulometrica per stacciatura (10A) e per sedimentazione (10B)

(μs/cm) CAMPIONE A 423,0 CAMPIONE B 136,0 CAMPIONE C 45,5

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11. Le curve granulometriche dei campioni A, B, C prima della miscelazione con calce

12A, 12B e 12C. La curva granulometrica del campione A miscelato con il 2% di calce (12A), del campione B (12B) e del campione C (12C) Nella Figura 11 sono riportate le curve granulometriche ottenute. Nota la composizione granulometrica dei campioni A, B e C nel loro stato naturale, è stata preparata una miscela per ogni campione con il 2% di calce. Una volta definite le miscele di prova, sono state eseguite le analisi granulometriche per sedimentazione per analizzare i cambiamenti fisici nel terreno mescolato con calce (Figure 12A, 12B e 12C). Il campione A mostra una diminuzione della percentuale di argilla a favore di quella limosa, il che consente di ottenere un terreno diverso dal punto di vista granulometrico, passando da “argilla con limo” (in condizioni naturali) a “limo con argilla” (in presenza di calce). I campioni B e C mostrano, invece, una diminuzione trascurabile della già scarsa componente argillosa.

LA DETERMINAZIONE DEI LIMITI DI ATTERBERG

I limiti di Atterberg (Figure 13A e 13B) sono stati determinati per i campioni A e C (il campione B non presentava i requisiti di dimensione delle particelle necessari per la determinazione dei limiti), sia in condizioni naturali che con l’aggiunta del 2% di calce (Figure 14A e 14B). I valori determinati dei limiti di Atterberg (WL, WP), dell’indice di plasticità (PI) e dell’indice di attività (A) sono riportati in Figura 15.

13A e 13B. La determinazione del limite liquido (13A) e del limite plastico (13B)

STABILIZZAZIONE A CALCE

14A e 14B. La determinazione del limite liquido per il campione A (14A) e per il campione C (14B)

WL (%) WP (%) PI (%) A

A NATURALE 41,40 27,58 13,82 0,26

A + 2% CA(OH)2 46,28 33,49 12,79 0,29 C NATURALE 18,60 16,27 2,33 0,17

C + 2% CA(OH)2 18,73 18,13 0,59 0,05 15. I limiti di Atterberg e gli indici di plasticità e di attività per i campioni A e C

È stata osservata una diminuzione dell’indice di plasticità tra i campioni naturali e quelli miscelati con calce, maggiormente marcata per il campione C.

La prova di taglio diretto

Su tutti i tipi di terreno considerati nel presente studio è stata condotta la prova di taglio diretto (drenata) su campioni ricostituiti, sia naturali che miscelati con il 2% di calce, applicando un carico verticale σ v di 98,1kPa, 196,1 kPa e 294,2 kPa (Figura 16). Considerando i valori di picco della sollecitazione di taglio τ registrati per ciascun campione e per ciascun carico verticale applicato σ v, sono stati definiti gli inviluppi di rottura (17A, 17B e 17C) nel piano di Mohr σ v /τ, calcolando la coesione c e l’angolo di attrito φ, i cui valori sono riportati nella Figura 18. Per il campione A è stato registrato un aumento del valore dell’angolo di attrito di circa il 12%, a fronte di una diminuzione della coesione di circa il 30%, tra il suolo naturale e quello trattato con calce. Il campione B mostra un aumento quasi trascurabile dell’angolo di attrito e una riduzione significativa della coesione, stimata in oltre il 40%. Infine, per il campione C, è stata osservata una leggera diminuzione del valore di φ e un aumento della coesione di circa il 20%.

16. La prova di taglio diretto

17A, 17B e 17C. Gli inviluppi di rottura per il campione A (nero: naturale – rosso = +2% Ca(OH)2) (17A), per il campione B (17B) e per il campione C (17C)

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C (kPa) Φ (°)

A NATURALE 7,14 24,16

A + 2% CA(OH)2

B NATURALE

B + 2% CA(OH)2

C NATURALE 5,00 27,09

1,17 33,89

0,67 34,74

1,08 35,56

C + 2% CA(OH)2 1,28 34,22

18. I valori della coesione e dell’angolo d’attrito per i campioni A, B e C

La prova Proctor modificata

Un ruolo fondamentale nello studio delle miscele stabilizzate a calce è svolto dalla “compattazione” del suolo, che può essere definita come una tecnica per aumentare la densità del suolo. Nel presente studio sono state eseguite tre prove Proctor modificate, seguendo la procedura specificata dal C.N.R. (1978) [3]. Per ciascun campione, sono stati preparati cinque provini con diversi gradi di umidità al fine di ottenere la percentuale ottimale di acqua (WOPT%) che fornisce il massimo grado di compattazione alla miscela (γd max). Per il campione A, la prova è stata eseguita sia sul terreno naturale che su quello miscelato con calce al 2%, mentre sui campioni B e C il test è stato eseguito direttamente sul terreno miscelato con calce (Figura 19).

Nelle Figure 20A, 20B e 20C sono riportati i valori ottenuti, sintetizzati nella Figura 21.

La determinazione dell’indice CBR

La misura della capacità portante di un terreno, in determinate condizioni di densità e umidità, può essere ottenuta tramite la determinazione dell’indice di portanza californiano CBR (Figura 22). Una volta determinati i valori del contenuto d’acqua ottimale che fornisce il massimo grado di compattazione per i diversi campioni, sono stati calcolati i relativi indici CBR, secondo le Norme UNI 10009. Gli indici CBR sono stati determinati sia in condizioni naturali (CBR0), che per i campioni miscelati con il 2% di calce dopo un periodo di maturazione di sette e quattro giorni di imbibizione (CBR(7 + 4i)). I risultati ottenuti sono mostrati nelle Figure 23A, 23B e 23C e sintetizzati nella Figura 24. Gli incrementi della capacità portante in termini di resistenza alla penetrazione tra i campioni naturali e quelli trattati con calce al 2% sono evidenti in tutti e tre i campioni analizzati, compresi quelli (B e C) non adatti ai requisiti di stabilizzazione a calce.

20A, 20B e 20C. La determinazione di γd max per il campione A (20A), per il campione B (20B) e per il campione C (20C) 19. L’esecuzione della prova Proctor modificata

WOPT (%) γd max (g/cm3) A NATURALE 16 1,82

A + 2% CA(OH)2

B + 2% CA(OH)2

C + 2% CA(OH)2

21. I valori di γd max 17

9

9 1,77

2,08

2,08

22. La determinazione dell’indice CBR

STABILIZZAZIONE A CALCE

23A, 23B e 23C. La determinazione dell’indice CBR per il campione A (nero: naturale – rosso = +2% Ca(OH)2), per il campione B (23B) e per il campione C (23C)

A B C

CBR0 19,51% 21,62% 10,10%

CBR(7+4I) 30,66% 48,97% 25,10%

24. I valori dell’indice CBR per i campioni A, B e C

CONCLUSIONI

Le analisi condotte nel presente studio sui tre campioni considerati (A: argilla con limo; B: sabbia ghiaiosa debolmente limosa; C: sabbia limosa argillosa debolmente ghiaiosa) hanno permesso di ottenere significativi risultati ai fini della valutazione dell’applicabilità della tecnica della stabilizzazione a calce. Le analisi di tipo chimico hanno permesso di escludere, per tutti i campioni esaminati, la presenza di fattori mineralogici od organici che possano impedire la reazione del terreno con la calce. La classificazione granulometrica dei campioni e la determinazione dei limiti di Atterberg ha permesso di individuare i campioni che potenzialmente presentano caratteristiche ideali per la stabilizzazione. In tutti e tre i casi analizzati (A, B, C) le curve granulometriche realizzate per i provini con calce hanno evidenziato una diminuzione della parte fine dovuta alle reazioni a breve termine che si instaurano nella miscela. Dalla determinazione dei limiti di Atterberg è stato possibile osservare una diminuzione dell’indice di plasticità. Le prove di taglio diretto, condotte sia sui campioni naturali che stabilizzati, hanno mostrato solo per il campione A un sensibile incremento dell’angolo d’attrito φ. Per quanto riguarda la capacità portante, valutata attraverso la definizione degli indici CBR, sia pre (CBR0) che post stabilizzazione CBR(7+4i), si è osservato che per il campione A si ha un incremento dei valori di resistenza a compressione del 63%, per il campione B del 150 %, per il campione C del 120%. Solo nel campione A si registrano in tutte le fasi dello studio miglioramenti fisici-chimici-meccanici delle miscele con calce rispetto alle condizioni naturali. Pertanto, nella pratica esecutiva, grande attenzione dovrà essere posta alle caratteristiche granulometriche dei terreni da trattare, poiché l’utilizzo di materiali non idonei potrebbe determinare, sia in termini di deformabilità che di resistenza meccanica, prestazioni inferiori alle previsioni progettuali. A ciò si aggiunga la “fisiologica” minore efficacia della tecnica di stabilizzazione ottenibile in situ rispetto a quella ottenibile in laboratorio, dove si ha un pressoché totale controllo di tutti i parametri influenti, anche a causa dell’intrinseca variabilità e disomogeneità dei terreni in condizioni “reali”. A tal fine, si suggerisce l’esecuzione di prove di laboratorio su campioni indisturbati prelevati da sondaggi eseguiti a fine costruzione con lo scopo di confrontare i valori dei parametri geotecnici ottenuti con quelli di progetto.

25. Il collasso di un muro a sostegno di un rilevato in terre stabilizzate a calce (foto M. Ponte, 2017)

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26. Il collasso del fianco di un rilevato in terre stabilizzate a calce (foto M. Ponte, 2017) Infine, si evidenzia come la sovrastima dei parametri di resistenza al taglio risulti particolarmente insidiosa, poiché essa può dar luogo alla conseguente sottostima delle sollecitazioni agenti nel terreno, determinando il collasso di opere di sostegno o dei fianchi dei rilevati realizzati in terre stabilizzate a calce (Figure 25 e 26). n

(1) Ingegnere Geotecnico, Ricercatore in Geologia applicata del Dipartimento di Biologia, Ecologia e Scienze della Terra presso l’Università della Calabria (2) Ingegnere Ambientale, Libero Professionista (3) Geologo presso l’I.P.G. Istituto Prove Geotecniche

Bibliografia

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Telford, London, pp. 5-12, 1996. [3]. C.N.R. - “Norme sui materiali stradali”, Bollettino n° 69, 1978.