Seminari di Geologia applicata

Appunti di corso studi 2016

Seminari di geologia applicata

Versione non istituzionalizzabile a cura personale dell’autore OLEG DANILOV

WEAKNESS PAYS

Lezione 1

Introduzione

In questo corso verranno descritti l'interazione tra il sottosuolo e i problemi dell'ingegneria civile, e il tutto sarà presentato in diverse scale:

• Del campione (provino) in una piccola scala (qualche volta lo si vedrà anche alla micro-scala), perché alcune volte il comportamento del materiale dipende dai fattori microscopici;
• Grande scala: come ad esempio, la scala di come una fondazione di un edificio interagisce con il terreno, oppure, anche come una galleria interagisce con l'ammasso roccioso in cui viene scavata.

Prenderemo, sostanzialmente, in considerazione il fatto che la geologia applicata all’ingegneria, segue dei binari che sono diversi dalla geologia, poiché la geologia ha un approccio più naturalistico, mentre nel nostro caso si ha un approccio più qualitativo dal punto di vista tecnico.

La struttura della terra

Come possiamo vedere, il nostro pianeta ha una struttura interna che si suddivide in diversi strati ben determinati (anche se supposti), e sono principalmente:

• La crosta terrestre
• Il mantello
• Il nucleo esterno
• Il nucleo interno

1) La crosta terrestre (quella su cui operiamo) è costituita da rocce di vario tipo, le quali si formano in due modi fondamentali, che verranno di seguito descritti;

2) Il mantello si suddivide in tre parti: mantello superficiale, zona di transizione e la parte inferiore del mantello. Questo significa sostanzialmente che c'è una possibilità di comunicazione tra la crosta terrestre e il mantello nella parte del mantello superficiale o nella parte della zona di transizione, da dove arrivano i magmi più basaltici (quelli che hanno meno silice). Dunque, c'è una comunicazione tra la crosta terrestre e il mantello che può avvenire attraverso delle linee che possono arrivare direttamente in superficie tramite i sistemi vulcanici, oppure, vi si possono verificare dei casi in cui il magma non riesce ad arrivare in superficie ma si ferma all'interno della crosta costituendo quelle che si chiamano "le intrusioni" o anche corpi intrusivi. Per una comunicazione diretta con la superficie della crosta terrestre, sappiamo che il magma che fuoriesce dal cratere prende il nome di lava che tende a solidificarsi in superficie con un conseguente abbassamento di temperatura; oppure può verificarsi anche una comunicazione di tipo esplosivo che avviene più nei casi in cui una struttura vulcanica erutta liberando una forte pressione dovuta alla spinta del magma e di conseguenza tale fenomeno avviene con il rilascio di una forte energia. Mentre, per quanto riguarda i corpi intrusivi, il tipico tipo di roccia che viene prodotta da queste intrusioni è il granito.

Poi per tutti quei fenomeni esogeni, che sono quelli sostanzialmente legati al vento, alle acque di ruscellamento, alle azioni della pioggia, alla temperatura, etc... le rocce che arrivano in superficie attraverso il magma, vengono smantellati per poi essere distribuiti sulla crosta terrestre.

Parametri importanti

• Densità: in tutta la zona del mantello e della crosta terrestre vediamo quali sono gli ordini di grandezza della densità; la densità viene indicata in una scala in tonnellate al metro cubo e aumenta di valore man mano che si scende più in profondità poiché sappiamo che andando verso il centro della terra incontriamo componenti di elementi più densi sempre più metallici, dove ad un certo punto prevale la componente del ferro e del manganese (elementi con pesi specifici più elevati).
• Velocità delle onde elastiche (esempio: onde prodotte dai terremoti).

Le rocce

Le rocce costituiscono sostanzialmente la nostra crosta terrestre con cui interagiamo dal punto di vista ingegneristico. Le rocce sono costituite dai minerali di cui vi sono migliaia di specie diverse, presenti nella nostra litosfera, ma ci interesserà studiarne solo alcuni gruppi con i quali avremo a che fare. I gruppi più importanti dei minerali, sono:

• I silicati
• I carbonati
• I solfati
• Gli alogenuri
• Gli ossidi di ferro e magnesio

I Silicati

I silicati sono, principalmente, dei minerali in cui noi troviamo il gruppo silice SiO₂ che è combinato in varie strutture ad altri ioni:

• Ione potassio K
• Ione alluminio Al
• Ione calcio Ca
• Ioni sodio Na
• Ossidrili OH
• Ferro Fe
• Magnesio Mg
• Manganese Mn
• E altri

Tra questi silicati, in funzione della struttura (disposizione spaziale degli elementi), distinguiamo una serie di sottogruppi all'interno dei silicati:

• Fillosilicati: nell’ingegneria civile questo è il gruppo dei silicati che dà più problemi, poiché ai fillosilicati appartengono i minerali argillosi che hanno il comportamento meccanico più complesso e che danno problemi da un punto di vista ingegneristico. Un'altra categoria dei fillosilicati è quello delle miche, le quali sono dei cristalli dei minerali che possono essere o neri, o trasparenti (Muscovite è quella trasparente, mentre la Biotite è quella nera) che si presentano in forma di lamine sottilissime ed è frequente incontrarle nella sabbia in spiaggia.
• Tectosilicati: è un'altra categoria molto importante che costituisce gran parte delle rocce. Ai tectosilicati appartiene il quarzo (il costituente fondamentale), i feldspati (a sua volta costituito da ortoclasio, sanidino, plagioclasi) e i feldspatoidi (costituite a loro volta da leucite e da nefelina).
• Inosilicati: costituiscono un'altra categoria importante, anche se vengono considerati come minerali accessori. Hanno la caratteristica di essere disposti in catene, a differenza dei tectosilicati che formano delle strutture composte da volumi chiusi. Gli inosilicati più frequenti sono i pirosseni e gli anfiboli, che sono dei minerali verde-scuri, anche se all'occhio umano possono sembrare completamente neri.
• Femici: caratterizzati da componenti metallici, e nei quali possiamo trovare i pirosseni, gli anfiboli, biotite e l'olivina.
• Sialici: sono quelli che hanno preponderante la parte di silice, e non hanno gli ioni pesanti di tipo metallico. Sono genericamente formati da quarzo, feldspati, feldspatoidi e le muscoviti.

Questa è la generale composizione dei silicati che vanno a costituire per la gran parte le rocce ignee che derivano dal magma (o attraverso la colata lavica, oppure quando rimangono intrappolate nella crosta terrestre come intrusioni).

I Carbonati

Il più importante di tutti è il carbonato di calcio CaCO₃, che come minerale dà luogo a due minerali diversi che sono la calcite e l'aragonite. La calcite è quella più frequente, mentre l'aragonite è frequente ma non nelle rocce. Infatti, se prendiamo una conchiglia, questa non è fatta di calcite, ma di aragonite, mentre se prendiamo una conchiglia fossile che fa parte di una roccia, questa è formata da calcite a seguito di una trasformazione millenaria da aragonite a calcite, ove varia la struttura, anche se la composizione chimica rimane invariata. Una trasformazione di questo tipo di minerali viene chiamata trasformazione isotipica.

Un altro carbonato molto importante è la dolomite CaMg(CO₃)₂, ed è importante perché costituisce anch'essa molte rocce sedimentarie, le quali si formano tramite processi esogeni (processi che avvengono sulla superficie della crosta terrestre) dove si ha una asportazione di materiali da una montagna, i quali subiscono una risedimentazione. Anche la precipitazione in mare dei microrganismi è un processo che attua la formazione di calcari negli intervalli di tempi geologici, rappresentando un processo di sedimentazione.

I Solfati

I solfati sono importanti sia per le utilizzazioni che si fanno dal punto di vista della tecnica costruttiva, sia da un punto di vista mineralogico, in quanto sono dei minerali che al pari di alcune argille particolari, hanno la caratteristica negativa di essere dei minerali rigonfiati. Del gruppo dei solfati si può distinguere due principali distinzioni tra le quali troviamo il solfato di calcio anidro CaSO₄, e poi il gesso che è un solfato biidrato CaSO₄2H₂O (da distinguere dal gesso che utilizziamo per gli intonaci, il quale si ottiene artificialmente chiamato gesso emiidrato).

Gli Alogenuri

Gli alogenuri sono un'altra categoria importante, dei quali fa parte il sale da cucina, ma anche altri sali che per noi sono interessanti nel campo dell'agraria in quanto vengono utilizzati nei concimi, e che comunque sono una categoria di minerali in cui spesso si può trovare il salgemma.

Ossidi di ferro e manganese

Sono dei minerali accessori, anche se sono importanti perché, quando avviene l'ossidazione di una roccia bisogna sempre stare in guardia perché significa che sta cambiando qualcosa. Se il ferro o il manganese presente all'interno di una roccia si ossida, allora vuol dire che sta accadendo qualche trasformazione. Di ossidi di ferro ce ne sono tanti, tra i quali dei più frequenti abbiamo la magnetite (la forma in cui il ferro si trova meno ossidato FeO), ematite (Fe₂O₃), guetite e limonite (sono gli ossidi che di vista sono più giallastri).

All'ultimo posto troviamo due minerali, che molte volte nei licei non vengono considerati come dei minerali, che sono i vetri vulcanici e la silice amorfa. Il vetro vulcanico sarebbe il corrispettivo di tutto quel gruppo che abbiamo chiamato silicati, e si forma con il magma che non riesce a cristallizzare e che rimane in una condizione amorfa. Il tufo che veniva usato ampiamente per l’edificazione di molte costruzioni in Italia, viene estratto da quei apparati vulcanici i quali oltre che essere costituiti da rocce ignee provenienti da lave, sono costituiti anche da depositi di tufo che per la gran parte sono formati da vetro vulcanico non cristallizzato.

La crosta terrestre

Ci interessa la parte del pianeta terra che interagisce con le attività entropiche: la Crosta terrestre. La crosta terrestre è costituita da rocce (in senso largo), ossia, tutti quei materiali con cui interagiamo tutti i giorni. Poi è costituita da rocce lapidee e anche dalle rocce sciolte. In realtà questa distinzione non si usa più tanto, ma si considera generalmente due tipologie:

• Rocce
• Terre

Che differenza c'è tra le rocce e le terre? La roccia sciolta, o meglio terra, si distingue dalla roccia, perché se venisse messa in acqua, perderebbe completamente la consistenza; mentre una roccia messa in acqua rimane nello stato lapideo. Questa è la definizione che separa qualitativamente le rocce dalle terre. Sono costituite dai minerali, e più nel profondo sono un'aggregazione di atomi. Abbiamo detto che queste aggregazioni possono essere sia ordinate (i cristalli), che possono essere disordinate (sostanze amorfe). Dire un'aggregazione ordinata, significa avere una sostanza con struttura cristallina. C'è una ripetizione di un'unità elementare, in cui gli atomi che compongono questa unità elementare che si ripete, sono disposti secondo delle proporzioni e dei rapporti spaziali definiti, e sono uniti da legami chimici che possono essere più o meno forti. Questa unità elementare, ripetendosi va a formare una struttura ben precisa di un cristallo.

Un'altra cosa molto importante, è il “numero di coordinazione”, cioè, si va a vedere un elemento quanti altri elementi va a legare. Se gli elementi che si legano sono tanti, significa che i legami, anche se sono del tipo forte, alla fine possono risultare, complessivamente, più deboli. Pertanto un alto numero di coordinazione può creare delle zone in cui il legame è meno forte. Dunque sono molto importanti il tipo di legame e il numero di coordinazione.

Specie minerarie cristalline

Come esempio possiamo prendere in esame i minerali di:

• Salgemma: formato dalla cella elementare (cella cubica), ossia la famosa unità che si ripete all'interno del cristallo.
• Quarzo: quello che troviamo più frequentemente è il quarzo α che è formato da gruppi di struttura tetraedrica di silice, e dunque abbiamo una particolare configurazione degli atomi. Come abbiamo già visto, il quarzo appartiene ai tectosilicati.

La caratteristica che permette di assumere diversi colori al quarzo è la presenza di diversi ioni di altro tipo.

Tra le varie specie minerarie cristalline possiamo distinguere diversi sistemi di cristallizzazione (ci sono dei sistemi che si ripetono anche se la composizione chimica è diversa) che sono caratterizzati da diversi gradi di simmetria (i cristalli naturali hanno simmetria completamente diversa a seconda del cristallo). Il salgemma, per esempio, ha una simmetria cubica, mentre cristalli di quarzo appartengono ad un altro sistema di simmetria completamente diverso.

Le proprietà collegate alla struttura del cristallo

Le proprietà collegate alla struttura del cristallo, sono:

• Una fondamentale caratteristica collegata alla struttura è proprio il fatto che i cristalli siano Anisometrici, oppure, Isometrici. Isometrici significa appunto che hanno un aspetto che non presenta variazione delle dimensioni in tutte le direzioni; invece ci sono dei cristalli che sono fortemente anisometrici, ovvero, hanno dimensioni diverse in certe direzioni rispetto alle altre (il quarzo e uno di questi). In genere, questi aspetti li chiamiamo “abito”. Ad esempio, abbiamo un abito rotondeggiante che è tipico del salgemma, mentre un abito prismatico è tipico dei cristalli di quarzo, mentre ancora un abito aghiforme è sempre del genere prismatico molto allungato che addirittura diviene un ago, oppure ancora abbiamo un genere di abito chiamato “tabulare" del quale fanno parte tutti i fillosilicati (minerali argillosi, biotite, muscovite, etc). All'interno delle rocce, molti di questi abiti non vengono rispettati poiché quando la roccia si forma, il cristallo non ha la possibilità di formarsi secondo la propria geometria, poiché è costretto ad espandersi compatibilmente con lo spazio che ha a disposizione. Se il cristallo ha l'abito arbitrario libero, allora viene chiamato Idiomorfo, mentre se invece ha un abito che non può cristallizzarsi a piacimento ma deve assumere una forma obbligata, allora si chiama Allotriomorfo.
• Un'altra caratteristica molto interessante è quella che si chiama Anisotropia. Il fatto che questi cristalli si strutturano con una certa simmetria, produce anche al loro interno l’anisotropia, o isotropia di alcune caratteristiche importanti dal punto di vista ingegneristico (la velocità delle onde elastiche, coefficiente di dilatazione termica, proprietà ottiche). Anisotropia significa non avere proprietà fisiche uguali in tutte le direzioni. Dunque, una roccia costituita da questi minerali avrà un comportamento anisotropo. Pertanto, avremmo delle rocce isotrope quando hanno le stesse proprietà in tutte le direzioni, mentre invece avremo delle rocce anisotrope quando non hanno le stesse proprietà in tutte le direzioni.
• Un'altra cosa molto importante è la cosiddetta Sfaldatura. Vediamo che i cristalli hanno al loro interno dei piani di sfaldatura, o per meglio dire “piani di debolezza”. Dunque, il materiale tende a rompersi lungo quel piano. Ad esempio, la grafite è composta da una serie di tavolette messe una sopra l'altra, poiché ci sono degli atomi di carbonio che si trovano sullo stesso piano e che sono congiunti con dei legami covalenti molto forti; I diversi piani della grafite sono collegati da legami di tipo Van der Waals (sono dei legami molto modesti rispetto ai legami covalenti), e allora accade che la grafite tende a scaldarsi proprio lungo i piani dove ci sono i legami di tipo Van der Waals. Un altro esempio dei minerali che abbiamo già visto dei feldspati: la muscovite ha i piani di sfaldatura molto simili a quelli della grafite. Il feldspato ha dei piani di sfaldatura che si vanno a instaurare là dove i legami sono più deboli, oppure, dove ci sono delle giaciture (un fascio di piani). Quindi all'interno del cristallo c’è tutta una serie di piani (per come è fatto il cristallo per la sua disposizione) ove può succedere che o i piani sono deboli, oppure il numero di coordinazione di un atomo rispetto agli altri atomi è basso. Il fenomeno della sfaldatura è importante perché ci sono dei minerali che ce l'hanno mentre ci sono degli altri minerali che ne sono sprovvisti, come ad esempio il quarzo che è sprovvisto di piani di sfaldatura, la mica che è composta da un piano di sfaldatura, il feldspato che è composta da due piani di giacitura e la calcite che invece è composta da ben tre piani di sfaldatura.

Lezione 2

Gli effetti della sfaldatura sulle proprietà meccaniche possono essere devastanti. Questo fenomeno può essere suddiviso in due casi più comuni:

• I piani di sfaldatura possono essere delle giaciture di rottura preferenziale al taglio e/o a trazione. Se il legame è un legame modesto, nel momento in cui esercitiamo uno sforzo di taglio lungo il piano di sfaldatura, si arriverà al punto della rottura più facilmente.
• Si può ottenere lo stesso effetto nel caso della trazione. Le due parti del minerale che stanno da una parte e dall'altra del piano di sfaldatura, possono essere separate più facilmente, perché la resistenza a trazione sul piano di sfaldatura è bassa.

Quando abbiamo una disposizione orientata di minerali sfaldabili, si produce in...