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Analisi granulometriche

Le informazioni ottenute con tali prove forniscono un criterio di classificazione del terreno ed una prima informazione sulla tipologia di comportamento del materiale.
L’obiettivo di tali analisi è pertanto quello di raggruppare in diverse classi di grandezza le particelle costituenti il terreno e di determinare, quindi, le percentuali in peso di ciascuna di esse, con riferimento al peso secco del campione iniziale.
Perché esse siano significative, i campioni utilizzati devono essere statisticamente rappresentativi del terreno in esame; tale compito è stato però semplificato dalla natura omogenea del terreno presente all’interno della vasca di sedimentazione; il fango viene infatti immesso per mezzo di una singola tubazione e scaricato tramite un unico sfioro superficiale: nella zona d’imbocco è avvenuta pertanto la sedimentazione del materiale più grossolano, mentre la frazione più fine si è depositata nell’area di scarico.

Per tale motivo sono stati prelevati sette campioni di materiale, due all’imbocco e cinque allo sbocco, e su di essi sono state effettuate analisi per vagliatura della componente più grossolana e analisi di sedimentazione della frazione fine.

Analisi granulometrica per setacciatura
La normativa ASTM D 422, a cui solitamente ci si riferisce per le apparecchiature di analisi tramite vagliatore, prevede una serie completa di 13 setacci a cui viene affiancata una seconda serie di 11 setacci che permettono, al termine della prova, di ottenere una sequenza di punti con spaziatura pressoché uniforme su scala semilogaritmica.
A tali serie occorre aggiungere il coperchio superiore ed il contenitore di fondo che raccoglie la frazione con diametro inferiore a 0.075 mm.
La procedura di prova utilizzata è stata svolta “ad umido”, secondo la normativa ASTM D 2217: partendo da un campione di circa 623 g essiccato in stufa a 110°, si è separata una frazione trattenuta ed una passante al setaccio n° 10 (2.00 mm). La frazione trattenuta, viene quindi saturata con acqua distillata e successivamente lavata con acqua pulita: con l’utilizzo di una bacinella, il materiale viene trasferito nuovamente sul setaccio n° 10 per quantità successive fino a 100 g, viene così pulito con acqua e fatto seccare a 110°C: successivamente esso viene analizzato per setacciatura. La frazione passante viene invece lasciata riposare in acqua fino a che non si sia sedimentata e non si sia creata una lama di acqua pulita: quest’ultima viene poi rimossa con l’aiuto di un tubicino in gomma; ilmateriale rimasto viene poi fatto essiccare a 60°C, viene frantumato con il pestello, pesato e setacciato a partire deal setaccio n° 20 fino al n° 200.

La vagliatura avviene attraverso il posizionamento della serie di setacci su una piastra vibrante, la quale viene lasciata operare per almeno 15 minuti. Al termine, ciascun setaccio, precedentemente tarato, viene pesato tramite una bilancia di sensibilità pari a 0.01 g, in modo da poter conoscere il peso di ciascuna frazione trattenuta: teoricamente la somma dei pesi di ogni singola frazione dovrebbe essere pari al peso iniziale del campione; in pratica, si accettano perdite massime del 2%.

Le indagini di laboratorio
La scelta del metodo ad “umido” è dipesa sostanzialmente dalla natura del materiale da investigare: trattandosi di un terreno con un’elevata frazione di fini, tale sistema consente di separare dalla sabbia e dalla ghiaia le particelle con diametri inferiori a 0.075 mm, rendendo così significativo un campione di 623 g (al contrario sarebbe stato più onerosa un analisi a “secco” su un campione di almeno 2 Kg di peso).

Analisi granulometrica per sedimentazione
La componente che si deposita nel contenitore di fondo ha, secondo le norme ASTM, un diametro inferiore a 0.075 mm: per poterne determinare l’esatta dimensione, si utilizza un metodo indiretto che consiste nel valutare il tempo di sedimentazione di una dispersione di particelle di terreno poste all’interno di un cilindro contenente acqua distillata ed antiflocculante.
Il calcolo della grandezza del singolo grano di limo ed argilla avviene sfruttando la legge di Stokes (1880), la quale assimila le singole particelle a sfere di peso specifico e velocità di caduta note, all’interno di un liquido di peso specifico e viscosità conosciuti; nel corso della prova si misura la velocità di caduta ovvero il tempo che la particella impiega a percorrere la distanza che separa il pelo libero della soluzione acqua-terreno dal baricentro di uno strumento detto densimetro.

Il densimetro utilizzato per le prove sui materiali di Lonate Pozzolo risponde alla normativa ASTM 151H ed è costituito da uno stelo e da un bulbo di vetro a sezione circolare assialsimmetrico, che garantisce il galleggiamento verticale per qualsiasi posizione del baricentro rispetto al pelo libero.
All’ interno dello stelo è posizionata una scala graduata, variabile tra 995 e 1030 per soluzioni di densità da 0.995 a 1.030 g/cm3, tarata in modo tale che, in acqua distillata a 20°C, fornisca una lettura pari a 1.000 g/cm3 . La precisione minima di tale scala è pari a 0.0005 g/cm3 . In fig.3.4 sono riportate le principali misure del densimetro.
La prova viene eseguita utilizzando almeno 40 g di materiale passante al setaccio 0.075 mm ed essiccato in stufa a 110°C: esso viene introdotto successivamente in un baker da 250 cm3 contenente 125 g di soluzione di Calgon (esametafosfato di sodio), il quale opera da antiflocculante, garantendo così che, durante la fase di prova, non si formino aggregati di particelle di argilla (le quali normalmente, a causa della loro natura chimica, si combinano in aggregati flocculanti), che fornirebbero una densità apparente superiore a quella reale.
Dopo 16 ore, la soluzione viene trasferita in un agitatore per la dispersione delle particelle, avendo cura di perdere la minore quantità di terreno (per questo si è lavato il baker con acqua distillata). Come si nota dalla fig.3.5, l’agitatore è costituito da un elica mescolatrice collegata ad un motorino elettrico, la quale viene inserita nell’apposita coppa contenente la miscela, e da un cestello disperdente interno: tale apparato, viene mantenuto in funzione per almeno 2 min e garantisce la totale separazione delle particelle fini della miscela.
Terminata la fase di agitazione, il contenuto della coppa viene immediatamente versato in un cilindro da 1000 cm3, evitando ogni perdita di materiale; viene quindi aggiunta acqua distillata e, con l’aiuto di un pistone manuale forato, si disperde ulteriormente la miscela.
A questo punto si da inizio alla prova, facendo partire un cronometro e introducendo, a tempi geometrici, il densimetro nel cilindro. Per evitare di influenzare le letture, il densimetro viene introdotto solo 15 sec prima di ciascuna lettura e solo nei primi 2 min, a causa della maggior velocità di sedimentazione, esso viene mantenuto costantemente all’interno del baker.
La prova, secondo la normativa, si dovrebbe ritenere conclusa dopo 12-16 ore: per ottenere una curva granulometrica rappresentativa delle frazioni più fini, si è però deciso di effettuare delle letture per circa 90 giorni.
Taratura del densimetro
Per determinare correttamente le caratteristiche geometriche del densimetro, e stimare quindi con maggior accuratezza la correlazione tra distanza percorsa nel tempo dalle particelle e lettura effettuata sulla scala graduata, si è resa necessaria una valutazione del volume e dell’altezza del bulbo, e della sezione del cilindro di sedimentazione.
Per quanto riguarda il volume del bulbo, è sufficiente posizionare il densimetro in un cilindro graduato contenente acqua distillata, in modo che il bulbo risulti completamente immerso e il pelo libero coincida con la base dello stelo: prendendo nota del livello dell’acqua prima e dopo l’immersione del bulbo, se ne determina il volume. Nel caso in esame, si è ottenuto: VB = 74,7 Cm^3 ossia volume del bulbo.
L’altezza del bulbo viene invece misurata, tramite un calibro, a partire dal punto inferiore del bulbo alla base dello stelo: HB = 15,00 cm^3.
La sezione del cilindro utilizzato per l’areometria, è stata ottenuta misurando la distanza tra le letture di 100 cm3 e 900 cm3, corrispondente quindi ad un volume di 800 cm3; nel caso esaminato si è ottenuta una distanza di 27.70 cm : Sc=28,88 cm^2 sezione del cilindro.

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