Geologia applicata e Idrogeologia - Presentazioni PowerPoint esame

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Le Argille

APPROFONDIMENTO DEL CORSO DI:

APPLIED GEOLOGY

a.a. 2020/2021

Docente: Studente:

Prof. Marco Tallini Corso: Geologia Applicata

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DE L’AQUILA Le argille

Prof. Marco Tallini

Dipartimento di Ingegneria Civile Edile-Architettura Ambientale Moho94 - Skuola.net - UNIVAQ DICEAA

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile TIPOLOGIE DI TERRENI

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Il suolo è un materiale complesso, molto variabile sia per

composizione chimica che per dimensione delle particelle. Le

particelle che compongono i terreni sono classificate in cinque

gruppi, a seconda della loro dimensione:

• granulometria maggiore di 2 cm.

Ciottoli:

• granulometria compresa tra 2 cm e 2 mm con grani

Ghiaia:

visibili ad occhio nudo. Bassa ritenzione idrica e ampi spazi

interparticellari.

• granulometria compresa tra 2 e 0,060 mm,

Sabbie:

riconoscibile ad occhio nudo. Non formano aggregati • granulometria da 0,060 a 0,002 mm. Migliore

Limo:

continui se miscelati con acqua e si separano facilmente da ritenzione idrica rispetto a particelle di dimensioni

essa. maggiori.

• formate da particelle più piccole di 0,002 mm.

Argille:

Sono formati principalmente da minerali silicatici

composti da catene di elementi tetraedrici e ottaedrici

(con lo ione silicato al centro di strutture regolari) uniti da

l’adsorbimento

legami covalenti i quali garantiscono di

acqua. Questa caratteristica comporta in alcuni casi

l’aumento di volume, il quale torna nel proprio stato

l’evaporazione dell’acqua.

iniziale con La struttura

risultante ha un'elevata capacità di ritenzione idrica con

piccoli spazi interparticellari ed un'ampia superficie

assorbente. Di conseguenza, le argille sono generalmente

materiali problematici, che richiedono molto tempo per il

dell’acqua

consolidamento (espulsione sotto un dato

carico).

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile ANALISI GRANULOMETRICA

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L'analisi della dimensione delle particelle viene eseguita per determinare

in un campione qual è la percentuale in peso di particelle all'interno dei

diversi intervalli di dimensioni. Per le particelle più grandi di 0,075 mm

viene utilizzato il metodo di setacciatura; per le particelle di dimensioni

minori di 0,75 viene utilizzato il metodo della sedimentazione. Nel primo

metodo viene essiccato un campione di terreno e le particelle vengono

disaggregate, quindi setacciate mediante agitazione attraverso una serie di

setacci. Si pesa il materiale rimanente in ogni setaccio e si può

determinare la percentuale di materiale Cj che passa attraverso un

setaccio di diametro Dj dal dato peso iniziale del campione:

dove W è il peso secco totale del campione e Wi è il peso trattenuto dal

setaccio di diametro Dj.

Questi dati possono essere utilizzati per mostrare la distribuzione delle

dimensioni delle particelle del suolo come una curva, tracciando Cj

rispetto al log Dj.

Una definizione più chiara della curva di distribuzione granulometrica del

suolo si ottiene utilizzando due coefficienti:

- Il coefficiente di uniformità, Cu, è il rapporto tra il diametro del setaccio

dove passa il 60% del materiale e del setaccio dove passa il 10%.

- Il contenuto di particelle fini è la percentuale di terreno che passa

attraverso il setaccio ASTM N° 200 (0,075 mm). Questa percentuale indica

la proporzione di argilla e limo contenuti nel terreno ed è correlata alla

potenziale ritenzione idrica. Corso: Geologia Applicata

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile ANALISI DI CONSISTENZA

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Oltre alla misura della distribuzione granulometrica, viene misurata anche la

definita come il rapporto tra la massa d'acqua nel suolo e la

consistenza

massa delle particelle solide.

Atterberg ha definito tre limiti, denominati Atterberg, di consistenza

limiti di

dei terreni:

• –

limite di ritiro (fase solida fase semisolida)

• –

limite di plasticità (fase semisolida fase plastica)

• –

limite di liquidità (fase plastica fase liquida)

Il limite di plasticità viene stimato utilizzando un provino di terreno, ridotto

in bastoncini e fatti rotolare sotto il palmo della mano su una superficie

liscia: il limite è fissato quando il materiale si fessura. Ogni bastoncino deve

essere per norma del diametro di 3 mm per una lunghezza di 25-30 mm.

Per la stima del limite di liquidità si utilizza il metodo della

percussione, proposto da Casagrande. A tal fine si utilizza la

ossia un contenitore a forma di semisfera

coppetta di Casagrande

nel quale viene posto il materiale da analizzare. Esso viene tagliato

con un taglio di grandezza standard di 12 mm. Alla coppetta

vengono, in seguito, date delle scossette affinché il materiale si

richiuda. Si studia così che esiste una relazione tra il numero di colpi

ed il contenuto di acqua in un materiale: maggiore è il quantitativo

di acqua nel materiale e minore è il numero di colpi necessari

affinché il materiale si riunisca. Il limite di liquidità è il contenuto

d'acqua del campione quando la scanalatura si chiude dopo 25

colpi; poiché è difficile ottenere questo risultato, il contenuto di

acqua viene determinato per interpolazione da più campioni, in cui

la chiusura di 12 mm deve essere ottenuta con più o meno 25 colpi.

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile LE ARGILLE

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Le argille appartengono alla classe dei caratterizzati dalla tipica struttura a strati, appartenenti alla più ampia classe dei

fillosilicati,

silicati. Esiste una vasta gamma di minerali argillosi con proprietà fisiche e chimiche molto diverse, sebbene a causa della loro

struttura stratificata, morfologie appiattite e separazione tra gli strati siano comuni alla maggior parte di essi.

Le argille, proprio a causa di questa struttura lamellare, se sottoposti a sforzi si rompono proprio in corrispondenza dei vari fogli che

le compongono, dove gli ottaedri si vanno ad insediare.

I minuscoli cristalli di questi minerali hanno una dimensione

inferiore a 4 µm per tale motivazione essi possono essere

osservati esclusivamente con il microscopio elettronico (SEM); la

struttura cristallina può essere riconosciuta tramite la

spettrografia a raggi X.

Strutturalmente hanno due unità di base legate insieme da

un’unità

ossigeni comuni: in cui ogni tetraedro tende a

tetraedrica,

legarsi ad altri tre tramite ponti a ossigeno (con uno spessore di 3Å

– -10

un Angstrom è 1 x 10 m), ed una struttura (con uno

ottaedrica

spessore di 4Å ). 4+ , che è

Il centro dei tetraedri è occupato da atomi di silicio Si

3+ 3+

spesso sostituito da atomi di alluminio Al e talvolta da ferro Fe .

3+

Il centro degli ottaedri è normalmente occupato da alluminio Al ,

2+ 2+ +

magnesio Mg , ferro Fe , litio Li e altri elementi di transizione.

Le cariche elettriche sono distribuite in modo

disomogeneo sulla superficie: le lamine

presentano un eccesso di cariche elettriche

negative sulle facce e positive sui bordi che

all’argilla

danno un comportamento da

dipolo elettrico. Corso: Geologia Applicata

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile STRUTTURA CRISTALLOCHIMICA

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L’unità elementare che si replica nello spazio è il tetraedro denominato

-4

] che forma il cosiddetto «piano tetraedrico»

ortosilicato [SiO 4

l’accostamento

attraverso di tanti tetraedri. Inoltre si ha, come già

detto, un altro piano dato dalla distribuzione spaziale su piano di

un’unità ottaedrica ossia un catione di alluminio che coordina sei ioni

-3

ossidrili [Al(OH) ] che forma il cosiddetto «piano ottaedrico».

6

I fillosilicati si dispongono tra loro in tre differenti configurazioni:

con disposizione 1:1 di tipo T-O, ossia in cui un piano tetraedrico si

o lega con uno ottaedrico attraverso atomi di ossigeno. Il minerale si

forma attraverso la sovrapposizione di tali pacchetti T-O il che

implica dire che si rompe facilmente lungo tali piani. In tale

configurazione, non si hanno cationi interstrato. Tipico di tale

configurazione è la caolinite.

Con disposizione 2:1 di tipo T-O-T, ossia in cui un piano ottaedrico è

o racchiuso tra due piani tetraedrici. Tra i vari pacchetti T-O-T si

dispongono cationi di potassio o sodio per bilanciare le cariche

positive perse in quanto nei tetraedri si ha alluminio al posto del

silicio. Tipici di tale configurazione sono illite, smectite e vermiculite.

Con disposizione 2:2 di tipo T-O-T-O, ossia in cui si alternano un

o piano tetraedrico con uno ottaedrico. Tipica di tale configurazione è

la clorite. Corso: Geologia Applicata

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile CARATTERISTICHE FISICO-CHIMICHE

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Le proprietà fisico-chimiche dei minerali argillosi sono legate ai processi di scambio cationico e alla dimensione dei cristalli. I

processi di adsorbimento e scambio cationico sono le cause dell'idratazione e del rigonfiamento del minerale.

La delle particelle di argilla è molto piccola, con un intervallo

dimensione μm.

compreso tra decine di Å e pochi Questo produce una superficie specifica

elevata dove avvengono le interazioni elettrostatiche, a seconda del pH, dei

cationi scambiati e della salinità del mezzo.

l’area

La , intesa come superficiale totale di un grammo di

superficie specifica Un’argilla

massa solida, è molto elevata. possiede una superficie specifica

2

variabile tra 20 e 800 m *g

La presente nei minerali argillosi è una delle proprietà più

carica elettrica

significative che influenzano l'interazione tra le argille. L'origine di questa carica è

dovuta a tre fattori legati alla struttura e alla formazione dei minerali:

- Il difetto di carica sulle superfici argillose causato dalla sostituzione isomorfa

(sostituzione di atomi con raggi ionici simili);

- Assorbimento di anioni o cationi dovuto a imperfezioni sulla superficie cristallina,

soprattutto sui bordi delle argille.

- Ionizzazione della superficie.

I minerali argillosi tendono a sostituire Si o Al con altri elementi all'interno della rete

cristallina. Questa proprietà, nota come viene prodotta quando uno

sostituzione isomorfa,

ione appartenente allo strato di argilla viene sostituito da un altro ione della stessa

3+ 4+ 2+

dimensione ma con una valenza inferiore (normalmente Al è sostituito da Si , e Mg da

3+

Fe ), producendo un difetto di carica sulla superficie di quello strato. Questa sostituzione

porta ad un aumento della carica negativa sulla superficie dell'argilla la quale, per essere

l’attrazione

compensata, comporta di cationi ed anioni.

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile CARATTERISTICHE FISICO-CHIMICHE

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Un altro fattore che influenza il comportamento delle argille è la loro definita come la disposizione spaziale di particelle

tessitura,

(grado di orientamento), porosità e discontinuità la quale condiziona le proprietà del materiale come la resistenza, la comprimibilità

e la permeabilità.

Nei materiali a componente fine, la tessitura dipende dalle

proprietà fisico-chimiche, in particolare dal grado di interazione tra

i cristalli: questa interazione è dovuta alle forze di attrazione e

repulsione sviluppate sulla superficie dei minerali argillosi.

La carica elettrica sulle superfici argillose varia a seconda dei diversi

parametri del sistema (pH, grado di sostituzione, concentrazione

dei sali disciolti, temperatura, ecc.). A seconda di ciò, i minerali di

argilla a contatto possono avere i seguenti orientamenti: faccia -

faccia, faccia - bordo e bordo - bordo.

Nelle argille con alte concentrazioni di elettroni, dove il pH è

relativamente alto (> 8,2), predominano le interazioni bordo -

faccia perché la carica positiva viene mantenuta ai bordi e la carica

negativa sulla superficie argillosa. In condizioni come queste, con

alte concentrazioni di ioni, le forze elettriche tra particelle adiacenti

sono prevalentemente attrattive, portando al fenomeno della

che dà luogo ad una struttura aperta (struttura

flocculazione,

flocculata) con grandi vuoti.

D'altra parte, quando la concentrazione di elettroni è bassa, i

minerali argillosi tendono ad avere una carica negativa, sia in

superficie che ai bordi. In questo caso le forze di repulsione

elettrica predomineranno tra le particelle causando il fenomeno

della Ciò produce una struttura allungata densa

dispersione.

(struttura dispersiva) in cui le particelle di argilla non sono in

contatto a causa della predominanza delle forze repulsive. Flocculazione Dispersione

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile TIPOLOGIE DI TESSITURE

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Tra questi due tipi di struttura (flocculata e dispersiva) ci sono molteplici modi in cui le particelle di argilla possono essere

organizzate spazialmente che dipendono da alcuni fattori tra cui composizione mineralogica e chimica, dimensione delle particelle,

concentrazione di solidi e sali disciolti, temperatura e velocità di sedimentazione.

A seconda del tipo di associazione delle particelle di base a b

e dei diversi fattori ambientali che intervengono nella

sedimentazione, i terreni argillosi naturali hanno vari tipi

di microstrutture, tra cui:

a) Aperta a favo: strutture aperte formate da flocculi di

particelle argillose legate da forze di adesione.

Questi hanno una porosità molto elevata (60-90%) e

sono caratteristici degli ambienti salini e dei terreni

sensibili.

b) Granulo-sostenuta: organizzazione di aggregati e e

d

frammenti argillosi uniti ma con presenza di

abbondanti pori. Tipico dei terreni alterati e

cedevoli.

c) Matrice-sostenuta: organizzazione di aggregati e

frammenti argillosi in cui la matrice è il componente

principale della roccia ed i granuli presenti non sono

in contatto tra loro (detta anche «fango sostenuta»).

d) Turbostratica: matrice argillosa compatta continua;

struttura molto densa senza orientamento preferito.

Caratteristica dei sedimenti marini sovraconsolidati.

e) Laminare: matrice omogenea formata da particelle

di argilla orientate in una direzione preferenziale con

porosità molto bassa. Corso: Geologia Applicata

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Corso di Laurea in Ingegneria Civile FORZE ELETTRO-CHIMICHE

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I minerali delle argille sono fillosilicati, il loro abito è lamellare ma sono così piccoli per cui le lamine presentano un eccesso di

cariche elettriche negative sulle facce e positive sui bordi, quindi si comportano da piccoli dipoli. La sedimentazione, la dispersione e

la struttura (la disposizione dei granuli e degli atomi compresi) delle argille sono governate da forze elettrostatiche deboli ossia forze

attrattive di Van der Waals e repulsive dovute alle cariche elettriche sulla superficie dei granuli, ma non dalla gravità. Le forze di

superficie, quindi, sono di gran lunga superiori rispetto alle forze di volume.

l’ambiente

Anche chimico (pH, presenza di ioni etc) condizionano la struttura finale.

Le forze di Van del Waals sono forze attrattive che si instaurano tra molecole; sono

forze di debole entità che risultano però rilevanti quando si prendono in esame