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Consolidamento dei terreni con iniezioni di sospensioni

Oggetto della tesi è quello di andare ad analizzare la tecnica di consolidamento conosciuta come grouting, e, più precisamente, quella sua modalità di esecuzione che prende il nome di grouting per filtrazione (‘permeation grouting’). Tale tecnica prevede l’iniezione di fluidi all’interno di terreni permeabili che ne migliorano le caratteristiche fisiche... Vedi di più

Materia di Geotecnica relatore Prof. G. Modoni

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INDICE

INTRODUZIONE ALLE INIEZIONI DI CONSOLIDAMENTO

1. 1

1.1 Concetto di consolidamento dei terreni 2

1.2 Il grouting 4

1.3 Campi di applicazione

2. LE SOSPENSIONI 6

2.1 Generalità 9

2.2 Tipologie 9

2.2.1 Sospensioni di cemento puro 9

2.2.2 Sospensioni di argilla/bentonite e cemento 11

2.2.3 Sospensioni con additivi aggiunti 11

2.2.4 Microcementi

3. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 13

3.1 Premessa

3.2 Permeabilità dei terreni 14

3.3 Iniettabilità di una sospensione 15

3.4 Pressofiltrazione 18

3.5 Caratteristiche reologiche delle sospensioni 18

4. PROCEDURE DI INIEZIONE

4.1 Terreni Incoerenti 23

4.2 Rocce fessurate 25

4.3 Attrezzature 26

4.4 Elementi di costo 28

5. CONTROLLI

5.1 Controlli preliminari 30

5.2 Controlli durante il trattamento 30

5.3 Controlli dopo il trattamento 31

6. ESEMPI APPLICATIVI 33

7. CENNI STORICI E SVILUPPI

7.1 Cenni storici 35

7.2 Sviluppi attuali e futuri 36

8. FONTI ED ULTERIORI LETTURE

8.1 Bibliografia 38

8.2 Sitografia 39

1. INTRODUZIONE ALLE

INIEZIONI DI CONSOLIDAMENTO

1.1 CONCETTO DI CONSOLIDAMENTO DEI

TERRENI

Con il termine ‘consolidamento dei terreni’ si indica una serie di tecniche che hanno come

obiettivo il miglioramento delle caratteristiche fisiche, meccaniche ed idrauliche di un terreno al

fine di renderlo idoneo a soddisfare determinati requisiti progettuali.

Come è facilmente intuibile, le motivazioni che portano il progettista a decidere di migliorare una

terra sono legate a diverse necessità di molteplice natura. Tra queste, quella di garantire la stabilità

di strutture esistenti durante la costruzione di nuove opere ed infrastrutture (gallerie, scavi . . . ),

prevenire l’impatto di rischi naturali (terremoti, frane, alluvioni . . . ) ed antropici (attività

estrattive, inquinamento . . . ) ovvero quando si deve ricorrere all’impiego di aree marginali per la

costruzione di nuove opere (siti inquinati, terreni dalle caratteristiche scadenti . . . ).

Nel corso degli scorsi decenni, lo sviluppo di soluzioni tecniche specifiche volte al miglioramento

ed al rinforzo dei terreni e delle rocce è stato uno dei motori principali dell’innovazione

dell’ingegneria civile e dell’industria delle costruzioni in questo settore.

Le tecniche di miglioramento dei terreni possono essere classificate (si veda lo schema in Figura 1)

in base al rapporto che esse hanno con il terreno su cui si interviene, nonchè dell’effetto che tali

interventi hanno sullo ‘stato’ del terreno trattato, descrivibile essenzialmente dal grado di

addensamento (esplicato dall’indice dei vuoti e dalla porosità) e dalle condizioni tensionali agenti,

o sulla sua ‘composizione’, intesa come l’insieme delle caratteristiche chimico-fisiche che lo

costituiscono.

Tra queste tecniche, ormai numerose, alcune sono ben affermate, mentre altre sono ancora in

fase di sperimentazione e sviluppo. I processi di miglioramento possono essere usati da soli o in

combinazione, e la scelta del metodo ottimale rappresenta per l’ingegnere civile un processo molto

complesso in quanto ognuno di essi presenta vantaggi e svantaggi e i fattori da considerare sono

molti. Tra questi, occorre tenere presente:

- l’importanza dell’opera ed i requisiti richiesti per la soluzione del problema geotecnico (ad

esempio il miglioramento della capacità portante, la riduzione dei cedimenti, la

stabilizzazione di pendii . . . )

- il tipo di terreno e le sue proprietà iniziali, nonchè i fattori ambientali e climatici

- la disponibilità di materiali richiesti dal procedimento

- la disponibilità di personale ed attrezzature specializzate

- la fattibilità economica dell’intervento

Oggetto di questa tesi sarà quello di andare ad analizzare la tecnica di consolidamento

conosciuta come grouting, e, più precisamente, quella sua modalità di esecuzione che prende il

nome di grouting per filtrazione (‘permeation grouting’), che prevede l’iniezione di fluidi

all’interno di terreni permeabili che ne migliorano le caratteristiche fisiche e chimiche.

Concentrando l’attenzione sulle iniezioni di sospensioni cementizie, ne verranno studiati i principi

di funzionamento e le metodologie di applicazione. Per completezza, prima di passare

specificatamente allo studio di tali sostanze, si descriveranno brevemente i diversi tipi di

trattamento di grouting, nonchè le varietà di fluidi iniettati disponibili.

! 1

STATO COMPOSIZIONE

MIGLIORAMENTO MIGLIORAMENTO MODIFICAZIONI

MECCANICO IDRAULICO CHIMICO - FISICHE

PRECARICO

STRATI SUPERFICIALI CONGELAMENTO

RULLI DRENAGGIO GROUTING

PIASTRE VIBRANTI A GRAVITÀ STABILIZZAZIONI

TERMICHE, FISICHE…

STRATI PROFONDI CON POMPE A VUOTO

VIBRO-FLOTTAZIONE DRENI VERTICALI

HEAVY TAMPING

Figura 1 - Classificazione delle tecniche di miglioramento dei terreni (Flora e Lirer, 2011)

1.2 IL GROUTING

In geotecnica si indica con il termine ‘grouting’ quel processo di iniezione, quindi di introduzione

a pressione, di un fluido nelle profondità di un terreno al fine di renderlo fisicamente e

meccanicamente più stabile.

Usualmente gli interventi di grouting sono mirati a permeare vuoti, cavità e fessurazioni presenti

nella matrice solida del sottosuolo, per ridurne la permeabilità, diminuirne la compressibilità e

quindi migliorarne resistenza e risposta meccanica alle sollecitazioni.

Da un punto di vista funzionale, si possono distinguere interventi per la realizzazione di

trattamenti a scopo provvisionale, al fine di consentire ad esempio scavi in terreni instabili o sotto

falda, o con funzione permanente, per il consolidamento di terreni di fondazione, per la creazioni

di schermi impermiabili o perfino per il restauro strutturale di opere murarie o in calcestruzzo.

Le tipologie di iniezione vengono suddivise in 4 principali categorie (Figura 2), diverse per metodi

di applicazione e dinamiche di funzionamento, classificabili in base all’effetto che il fluido

consolidante ha sul terreno da trattare, effetto che è funzione principalmente della permeabilità del

terreno e della viscosità del fluido consolidante. Esse sono:

- grouting per filtrazione (‘permeation grouting’)

- grouting per compattamento (‘compaction grouting’)

- grouting per fratturazione (‘fracture grouting’)

- jet grouting

Il grouting per compattamento è un processo diffusosi sin dai primi anni ’50 soprattutto negli

Stati Uniti d’America, in cui è ancora molto in voga. Le miscele vengono iniettate in punti

localizzati del sottosuolo per densificare zone particolarmente morbide e sciolte. Il risultato finale

di questa tipologia di trattamento è un bulbo molto denso che non si estende per molto oltre il

! 2

punto di iniezione a causa della bassa permeabilità del terreno alla miscela scelta. L’iniezione negli

strati più superficiali può spesso portare a delle irregolarità della superficie del terreno.

Nel grouting per fratturazione il terreno viene deliberatamente fratturato dall’immissione di

fluidi cementizi ad elevate pressioni (circa 4 MPa). Gli strati di materia così formati hanno il

compito di aumentare la sollecitazione totale del sottofondo, riempire vuoti, possibilmente

consolidare il banco di terreno su cui si va ad intervenire e soprattutto creare barriere

impermeabili orizzontali. Tuttavia, gli effetti di questo metodo di iniezione sono difficili da

controllare ed il potenziale rischio di danneggiare strutture adiacenti dall’utilizzo di alte pressioni

lo rendono spesso proibitivo.

Figura 2 - Compaction grouting, permeation grouting, fracture grouting, jet grouting

Il jet grouting è la tecnica di iniezione più recente. Sviluppato in Giappone nel 1965, raggiunge

il pieno potenziale operazionale solo nei primi anni ’80 e rappresenta oggi la tipologia di

trattamento per iniezione in più rapida crescita. Il suo sviluppo fu incoraggiato dal bisogno di

trattare a fondo terreni di diverse granulometrie, dalle ghiaie alle argille, nonchè di avere una

valida alternativa alle tecniche di iniezioni originali laddove motivazioni di salvaguardia

ambientale proibiscono l’uso di soluzioni chimiche.

La tecnica consiste nell’iniezione di miscele fluide, proiettate ad alte velocità attraverso uno o più

ugelli posti all’estremità di una batteria di aste metalliche cave. I getti fluidi determinano un

complesso fenomeno di disgregazione e miscelazione del terreno, seguito da una frase di presa ed

indurimento. Viene così prodotto un elemento di terreno cementato di forma

approssimativamente cilindrica, con proprietà e diametri dipendenti dai parametri di progetto e

dalle proprietà del terreno.

Le tecniche del grouting per filtrazione sono invece le più antiche e meglio analizzate, e

consistono nell’iniezione di un fluido avente la funzione di modificare le caratteristiche fisiche e

meccaniche del sottosuolo, con un aumento di resistenza e rigidezza ed una diminuzione della

permeabilità. Le proprietà del terreno e principalmente la geometria dei pori sono i principali

fattori determinanti il metodo di intervento ed i materiali da impiegare.

Nelle tradizionali applicazioni geotecniche questo tipo di trattamento viene eseguito con basse

pressioni di iniezione, in quanto il processo di immissione di fluido all’interno della matrice solida

del terreno deve essere tale da poter fornire i necessari gradienti idraulici al fluido consolidante

per penetrare nei pori, senza però modificare la struttura solida originaria, o al limite facendolo in

misura molto ridotta (ammettendo quindi eventuali fenomeni di ‘fratturazione controllata’). Il

permeation grouting ben si presta quindi all’impiego in ambiente urbano in quanto il cantiere è

poco ingombrante e le perforazioni sono di piccolo diametro; inoltre il trattamento può essere

! 3

eseguito in modo discontinuo e ripetuto e le basse pressioni garantiscono disturbi minimi per le

opere esistenti adiacenti alla zona di intervento.

1.3 CAMPI DI APPLICAZIONE

Le iniezioni di consolidamento hanno un range di applicazioni estremamente esteso. In generale si

usa distinguere le finalità dei trattamenti in due categorie fondamentali: consolidamenti ed

impermeabilizzazioni. Nell’esecuzione pratica, tuttavia, la distinzione tra queste due casistiche

non è quasi mai netta. Ad un effetto consolidante ottenuto in modo omogeneo segue infatti una

netta riduzione della permeabilità del banco di terreno su cui si è intervenuto.

Gli interventi possono inoltre avere carattere temporaneo o definitivo, con funzione autonoma o

complementare ad altre opere. I campi di applicazione nell’ingegneria civile risultano quindi

molteplici. Diga

Infiltrazioni Fori di drenaggio

Grout curtain

Figura 3 - Esempi di applicazioni di iniezioni di consolidamento

Una delle più comuni finalità dei processi di grouting per filtrazione è quella di ridurre il flusso

di infiltrazioni attraverso una fondazione. Esempi tipici sono quelli che si presentano in

corrispondenza di dighe, siano esse in calcestruzzo o costituite da rocce. La maggior parte delle

infiltrazioni nelle fondazioni sono ostacolate da una barriera detta ‘grout curtain’ (Figura 3),

ottenuta appunto tramite operazioni di iniezione di miscele consolidanti al di sotto del piano

campagna. Processi di iniezione risultano inoltre particolarmente efficienti anche per riempire

vuoti tra blocchi di calcestruzzo: dopo l’installazione di grandi blocchi, ad esempio proprio nella

costruzione di dighe, tra questi si generano dei vuoti dovuti alla contrazione del cemento a seguito

dell’evaporazione dell’acqua durante la fase di presa. La continuità tra i blocchi viene quindi

riacquisita attraverso le iniezioni.

Altra applicazione comune è quella di rinforzo alle fondazioni: alcune fondazioni in roccia

debole possono essere rinforzate dal grouting, i quali frutti avranno il compito di assorbire gran

parte dei carichi strutturali. Quando le proprietà meccaniche di un terreno incoerente non

rispondono alle esigenze di progetto, il consolidamento mediante iniezioni può essere preso in

esame se vi sono impedimenti ai più consueti rimedi come i pali o la vibroflottazione. Le

applicazioni sono comunque più frequenti nei casi di costruzioni esistenti per ridurne i cedimenti,

consentire ristrutturazioni o salvaguardarle da dissesti per effetto di nuove opere adiacenti.

! 4

Infine, anche se più di rado, il grouting viene impiegato anche per riempire miniere o tunnel

abbandonati: nel caso l’accesso risultasse pericoloso a causa, per esempio, di un soffitto instabile, al

fine di riempire tali spazi si possono effettuare perforazioni che vanno a finirne all’interno, per poi

iniziare il trattamento ed iniettare la miscela consolidante.

La costruzione di gallerie metropolitane e la creazione di nuovi passaggi sotterranei, in

adiacenza o sotto fabbricati da conservare, ha notevolmente valorizzato la tecnica delle iniezioni,

impiegate in questo caso per bloccare eventuali perdite di acqua durante gli scavi, per motivi quali

il minore ingombro delle attrezzature rispetto a quelle utilizzate per metodi più convenzionali ed il

minore disturbo indotto al terreno circostante durante il trattamento.

Generalmente parlando, nel caso si scegliesse di iniettare soluzioni chimiche, bisogna tenere in

conto la possibilità di avere degli effetti indesiderati sull'ambiente, connessi soprattutto alla loro

corrosività e tossicità. Per tali motivi, come si vedrà nel capitolo che segue, recentemente sono

state introdotte delle miscele formate da cementi microfini ad alta compatibilità ambientale e

conformi ai dettami di Normativa, in grado di penetrare terreni a bassa permeabilità senza

ripercussioni sull'ambiente. ! 5

2. LE SOSPENSIONI

2.1 GENERALITÀ

Le iniezioni a bassa pressione possono essere effettuate iniettando nel terreno miscele

precedentemente preparate mescolando i vari elementi in apposite macchine portate in cantiere,

oppure con una doppia iniezione in cui le miscele vengono iniettate separatamente attraverso

condotti indipendenti, facendo avvenire il mescolamento dei costituenti e le loro interazioni

chimiche direttamente all’interno del terreno in maniera autonoma. Tali tecniche vengono

denominate, rispettivamente, ‘one-shot injection’ e ‘two-shots injection’.

Le tipologie di fluido impiegate in questi interventi si suddividono in tre grandi gruppi:

- sospensioni

- emulsioni

- soluzioni

Le sospensioni, oggetto di studio di questo lavoro, sono miscele consolidanti nelle quali delle

piccole particelle di solido, generalmente cementizie, sono distribuite all’interno di una fase

liquida, nella quasi totalità dei casi acqua. Nel capitolo che segue verrà studiato come queste

miscele esulino dal comportamento ideale di fluido newtoniano, assumendo proprietà

riconducibili al modello di fluido di Bingham.

Le emulsioni sono invece costituite da un sistema bifase contenente stille di colloidi in una fase

dispersa. In questa categoria vengono racchiuse anche le schiume, create dall’emulsione di gas nel

materiale della miscela. Sono impiegate per trattare terreni a granulometria piuttosto fine, quali

sabbie e limi, e rocce con ampiezza delle fessure fino a 10 millimetri.

Infine, le soluzioni sono dei miscugli liquidi omogenei, di due o più sostanze (silicati,

resine . . . ), suddividibili in soluzioni colloidali e soluzioni pure, entrambe con comportamento

assimilabile a quello dei fluidi newtoniani.

]

[μm 1000

fluido NE

100 IO

SS

del E

Jet Grouting PR

SA

particelle AS

10 B

A

NI

IO

Soluzioni IEZ

1 Sospensioni

IN

medio Emulsioni

D 10 -10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1

Permeabilità [m/s]

Diametro dei grani del terreno [mm]

0.02 0.06 0.1 0.2 0.6 1 2

0.001 0.002 0.006 0.01

ARGILLA LIMO SABBIA GHIAIA

Figura 4 - Iniettabilità dei terreni in funzione delle proprietà di miscela e terreno (Flora e Lirer, 2011)

! 6

Andando a leggere il grafico in Figura 4, si nota come le sospensioni, dotate di particelle di

maggior ingombro rispetto alle soluzioni ed alle emulsioni, possono essere utilizzate solamente in

terreni caratterizzati da permeabilità relativamente elevate (10 ÷ 10 m/s), ovvero in terreni a

-3 -1

grana grossa (ghiaia, sabbie grosse).

In funzione della loro composizione, le sospensioni possono risultare stabili (se esenti da

fenomeni di sedimentazione o ‘bleeding’) o instabili (in cui le particelle solide nel fluido tendono a

sedimentare). Questa tendenza alla sedimentazione (indicata a volte con il termine ‘decantazione’)

si traduce in un fenomeno fisico visibile e facilmente cifrabrile, ovvero la separazione di acqua. È

lecito definire stabile una miscela quando l’acqua separata non supera il 3 ÷ 4 % del volume

iniziale durante prove standardizzate.

Caso tipico di comportamento instabile è invece quello delle sospensioni di cemento puro in

acqua, idonee per il trattamento di rocce fessurate ma non per l’impregnazione di terreni

incoerenti.

La fenomenologia che caratterizza l’evoluzione reologica delle sospensioni instabili all’interno di

mezzo porosi è di difficile modellazione. La sedimentazione, che comincia a manifestarsi al di

sotto di una certa velocità di flusso, tende a creare delle ostruzioni all’interno dello scheletro solido

del terreno (Figura 5) e, proseguendo dopo il termine dell’iniezione, può rigenerare dei vuoti

anche dove ci fosse stato inizialmente un buon riempimento. Depositi di cemento

Arrivo miscela

Figura 5 - Sedimentazione di una sospensione instabile iniettata in un terreno granulare

Il trattamento potrebbe quindi essere efficace solamente in quei mezzi porosi con grani aventi

dimensioni minime di 5 ÷ 10 mm o più, come all’interno di rocce fessurate, nelle quali l’acqua

funge da veicolo di trasporto per i grani di cemento, che vengono depositati gradualmente con il

calare della velocità.

Tale meccanismo venne analizzato da Cambefort ed è schematizzato in Figura 6. Dato che la

velocità di flusso diminuisce rapidamente con la distanza dal foro, i grani di cemento cominciano

a depositarsi tanto più rapidamente quanto è maggiore il rapporto cemento/acqua nella

sospensione iniettata. Deriva da questo fenomeno l’uso di iniziare, nelle applicazioni pratiche, le

iniezioni con miscele molto diluite.

Il progressivo accumulo di cemento diminuisce la superficie filtrabile della sezione all’interno dei

vuoti interstiziali, provocando un incremento della pressione locale fino ad un limite prefissato ‘di

rifiuto’. Tale pressione deve essere abbastanza elevata da allargare la fessura, in modo che il

rilassamento della roccia, dopo l’arresto dell’iniezione, sopprima l’eventuale passaggio di cemento

e comprima lo stesso; si ha così una perfetta otturazione della fessura.

! 7

1 Pressione

p

o Velocità

v

2 p

v Deposito di cemento in

progressione verso valle

3 p

v Deposito di cemento al termine

della progressione verso valle

4 p

v Deposito di cemento in regressione

verso monte

Figura 6 - Iniezione di una fessura con sospensione instabile (Cambefort, 1967)

La quantità d’acqua separata per sedimentazione varia a seconda del tipo di cemento e della

diluizione. Per dare un’idea dei campi di variabilità, si citano in sintesi i risultati ottenuti da Blatter

nel 1949 su 15 cementi italiani, con dosi da 1/1 a 1/3 rispetto all’acqua:

Cemento/acqua Decantazione (%)

1/1 5 ÷35

1/2 15 ÷60

1/3 32 ÷72

In via generale, le principali proprietà da definire nelle sospensioni in fase di progetto sono la

composizione, ovvero gli elementi che la compongono e le loro singole proprietà, la stabilità, le

caratteristiche reologiche (viscosità, rigidità . . . ) ed il tempo necessario affinché la miscela subisca

un significativo incremento di viscosità che ne rende nulla la lavorabilità (‘tempo di presa’).

Andando ad analizzare i modelli comportamentali che governano la filtrazione delle

sospensioni all’interno dei vuoti interstiziali, apparirà evidente come questa tipologia di miscele

abbia un comportamento che risulta più difficoltoso ai fini della permeazione all’interno dello

scheletro del terreno se paragonato alle soluzioni, le quali, mantenendo un comportamento

qualitativamente liquido per un lungo tempo dopo l’iniezione e solidificando repentinamente solo

in un secondo momento, non creano complicazioni aggiuntive.

Per l’analisi, la modellazione numerica e le conseguenze pratiche di questi comportamenti si

rimanda al capitolo successivo. ! 8

2.2 TIPOLOGIE

Per le loro caratteristiche, nonchè per considerazioni di carattere economico, le sospensioni

cementizie rimangono le miscele più utilizzate in entrambi gli interventi di consolidamento ed

impermeabilizzazione.

La maggior parte dei cementi utilizzati sono cementi Portland, cemento generalmente di

granulometria non fine e dal costo contenuto, che reagisce con l’acqua attivando processi di presa

per formare una prodotto duro e meccanicamente resistente.

È possibile identificare 4 principali classi di sospensioni:

- sospensioni di cemento puro

- sospensioni di argilla/bentonite e cemento

- sospensioni con additivi aggiunti

- microcementi

2.2.1 SOSPENSIONI DI CEMENTO PURO

Le sospensioni di cemento puro sono tipicamente caratterizzate da comportamento instabile,

tranne che per rapporti A/C minori di circa 0.4 preparati in mixer di alta qualità.

La loro modalità di deposizione nei vuoti intergranulari o nelle fessure dipende dalla dimensione

di tali cavità nonchè dalla dimensione dei grani e dai parametri di iniezione. Queste miscele

vengono associate ad elevate proprietà meccaniche e durabilità.

Può ritenersi necessario a volte ricorrere a miscele di cemento attivato. Lo scopo dell’attivazione è

quello di ottenere delle miscele iniettabili a forte dosaggio di cemento, che presentino una

sedimentazione trascurabile od al meglio nulla.

La fase solida delle sospensioni instabili è costituita da agglomerazioni di particelle aventi

dimensioni fino a 10 volte superiori di quelle dei singoli grani. La stabilizzazione può essere quindi

ottenuta in una certa misura se si riesce ad impedire la suddetta agglomerazione, disperdendo al

meglio i grani nell’acqua.

Ciò è possibile con rapporti cemento/acqua fra 1.5 e 2.5 circa, mediante procedimenti di natura

chimica (aggiunta di additivi fluidificanti, come si vedrà in seguito), meccanica (facendo passare la

miscela in speciali mescolatori dotati di pompe laminatrici) o per via fisica (mediante

riscaldamento a temperature generalmente comprese tra 25 °C e 35 °C).

Le attivazioni per via meccanica e fisica aumentano la rigidità, mentre i metodi chimici danno

risultati collaterali diversi a seconda degli additivi usati.

Gli alti dosaggi di cemento comportano una scarsa penetrabilità e resistenze esuberanti per i

normali lavori di consolidamento dei terreni. Il campo specifico di applicazione è essenzialmente

quello della confezione di calcestruzzi iniettati per i getti subacquei od altri problemi particolari.

2.2.2 SOSPENSIONI DI ARGILLA/BENTONITE E

CEMENTO

Queste sospensioni cementizie vengono generalmente utilizzate al fine di ridurre il fenomeno di

sedimentazione, allungare il tempo di presa del cemento, ridurre la permeabilità ed ottenere

miscele colloidali omogenee.

I prodotti più comunemente utilizzati comprendono l’argilla naturale, economica e dotata di

grande dilatazione una volta idratata (fino a sei volte il volume secco), la bentonite naturale o

attivata, quest’ultima ottenuta con l’aggiunta di polimeri che ne incrementano l’espandibilità

durante l’interazione chimica con acqua. ! 9

La bentonite è un minerale argilloso composto principalmente da montmorillonite, calcio e

sodio. Si trova in terreni vulcanici come prodotto di decomposizione della cenere vulcanica. I

principali depositi sono situati nel Nord America, in particolare nel Montana, presso Fort Benton,

località da cui deriva il nome di tale sostanza. Essa assume caratteristiche plastiche ed adesive se

miscelata opportunatamente con acqua, diventando rigida ad essiccamento avvenuto.

La dose di bentonite necessaria per avere una miscela stabile e reologicamente idonea, può

variare dal 3 al 7% in generale, dipendendo dalla combinazione qualitativa dei due componenti,

più che dalla qualità dei singoli.

Mentre le prime applicazioni della bentonite sono state fatte nell’intento di stabilizare miscele

molto ricche di cemento, per l’argilla si è storicamente verificato il contrario.

Le miscele a base di sola argilla sono state le prime sospensioni stabili ad essere iniettate. In seguito

si è cercato di conferire una modesta resistenza meccanica per bloccare la miscela negli interstizi

del terreno, evitando il rischio di dilavamento od estrusione sotto il futuro carico idraulico.

Lo scopo è stato raggiunto con piccole aggiunte di cemento, e quindi in pratica si tratta di

sospensioni di argilla, rigidificata con cemento.

Si è poi ampliata la gamma dei dosaggi (con rapporti cemento/acqua fino ad 1) per ottenere

miscele consolidanti.

Una volta fissato il rapporto cemento/acqua (in base alla resistenza prevista) per ottenere dati

requisiti reologici, la quantità di argilla può variare assai notevolmente a seconda della qualità.

Per un dato rapporto cemento/acqua, la quantità di argilla sarà comunque superiore a quella di

bentonite per ottenere delle miscele stabili ed iniettabili.

R = 100 (α - 0.25)

mesi

compressione 50

3

dopo

]

2

[daN/cm

alla

Resistenza

semplice 1.25

0 0.625

Rapporto cemento/acqua, α = C/A

Figura 7 - Correlazione statistica fra resistenza e rapporto cemento/acqua per miscele stabilizzate con vari tipi di argille e

bentonite (Tornaghi)

La scelta tra argilla e bentonite diventa quindi essenzialmente un problema di carattere

economico, da risolvere in ogni caso specifico ove si presenti l’alternativa.

La Figura 7 mostra la correlazione fra resistenza (a 3 mesi) e rapporto cemento/acqua, ricavata su

17 miscele confezionate con diversi tipi di argilla e bentonite (limite dal 50% al 600%).

Per rapporti superiori a 0.3 si deduce la legge lineare, dal carattere puramente orientativo:

! 10

R = 100 (α - 0.25) (1)

Si ribadisce quindi che è necessaria ogni volta un’indagine con i prodotti disponibili e che non si

deve trascurare l’effetto della prossofiltrazione per una più realistica previsione delle caratteristiche

a lungo termine.

2.2.3 SOSPENSIONI CON ADDITIVI AGGIUNTI

In numerosi paesi il cemento potrebbe risultare l’elemento più costoso di quella che sarà la miscela

iniettata. Si ottiene un beneficio, quindi, nell’usarlo nelle minime quantità possibili senza

sacrificare gli scopi dell’intervento aggiungendo alla miscela additivi con funzioni mirate. I modi di

operare sono molteplici, e vanno dall’utilizzo di inerti (‘fillers’) all’aggiunta di sostanze che possono

svolgere alcune delle funzioni del cemento.

Quando i vuoti della matrice solida del terreno sono larghi e la penetrazione risulta facile, è

lecito ricorrere all’utilizzo di inerti. Essi indeboliscono la sospensione, ma nelle condizioni appena

descritte ciò può essere accettabile. Esempi di inerti includono sabbie, argille e svariati tipi di

aggregati.

Vi sono poi tipologie di additivi che producono effetti particolari e sono da utilizzare in

circostanze specifiche. Una casistica comune in cui questa tipologia di additivi è richiesta potrebbe

essere quella del bisogno di una presa rapida della miscela, ai fini di ridurre la durata del

trattamento (additivi acceleranti).

Si ricorre spesso anche all’aggiunta di ceneri volanti, ottenute come sottoprodotto della

combustione di carbone polverizzato nelle centrali termoelettriche e costituite dal solido

particellare che viene separato dai fumi di combustione per mezzo di filtri elettrostatici o

meccanici.

La cenere volante di tipo C è usata, fino al 25% in peso della frazione di cemento della miscela,

per migliorare la performance tixotropica della sospensione durante la messa in opera, in

particolar modo nelle iniezioni in terreni saturi. L’utilizzo della cenere volante su interventi di

grandi dimensioni può portare ad un significativo risparmio economico se tale additivo è

disponibile ad un costo minore del cemento.

Anche i fumi di silice vengono inoltre utilizzati come additivi, fino al 10% del peso del

cemento, per incrementare la stabilità delle sospensioni, migliorare la resistenza a pressofiltrazione

e diminuire la permeabilità del prodotto solidificato.

2.2.4 MICROCEMENTI

Come si vedrà nel capitolo 3, se la dimensione dei granuli di cemento è maggiore di quella dei

vuoti non si realizza una soddisfacente permeazione. In queste condizioni, come accennato in

precedenza, si ricorre spesso alle iniezioni di soluzioni od emulsioni, caratterizzate da penetrabilità

molto maggiori.

Tuttavia, in molte delle applicazioni alle quali queste iniezioni sono destinate possono verificarsi

gravi problemi di contaminazione del sistema da consolidare (per esempio dei terreni e delle

relative acque di falda) a causa dell’eventuale tossicità dei composti chimici costituenti le soluzioni,

o di incompatibilità fisico-meccanica tra il prodotto iniettato ed il sistema da impregnare.

L’inquinamento provocato dai liquidi organici è stato risolto, almeno in parte, con l’introduzione

dei cosiddetti ‘microcementi’, che si differenziano dai cementi tradizionali per una dimensione

sensibilmente minore dei loro grani (circa dieci volte più piccoli).

La distribuzione granulometrica dei microcementi è quasi totalmente (98%) compresa tra 1 e 10

μm. ! 11

I vantaggi dell’adozione del microcemento per interventi di grouting sono molteplici, sia in

confronto con cementi più grossolani che con le soluzioni.

Dotate infatti di elevate resistenze meccaniche ed elevata durabilità, queste sospensioni godono

di eccellente stabilità, anche sotto elevate pressioni di pompaggio, il che assicura un’efficace

penetrazione in entrambi terreni e rocce. Si ha inoltre una sensibile riduzione del bleeding rispetto

alle comuni sospensioni instabili. GROSSI FINI

PROPRIETÀ min max min max

Viscosità apparente 6 > 100 2 69

80

0 20 2.5

]

‘Bleed capacity’ [% 1 26 4 45

Tempo di presa in. [h]

Tempo di presa fin. [h] 20 26 42 88

Resistenza a compr. 14 38 1 21

a 28 gg [MPa]

Figura 8 - Alcune proprietà del microcemento (Christodoulou e Droudakis)

L’impiego di attrezzature comunemente usate per le comuni iniezioni cementizie, nonchè

l’economicità rispetto alle soluzioni hanno oramai reso i microcementi la tipologia di miscele più

largamente utilizzata nel campo delle iniezioni di sospensioni cementizie.

La Figura 9 mostra comparativamente due microfotografie di un cemento Portland I 52.5 e di

un microcemento, entrambi dispersi in acqua ed osservati al microscopio ottico.

Figura 9 - Microfotografie (10 μm) di sospensioni acquose di un microcemento (sinistra) e di un cemento Portland I 52.5

(destra) (Croce e Olagot, 2011)

! 12

3. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

Lo studio preliminare di ogni trattamento di miglioramento del terreno attraverso iniezioni di

consolidamento comporta innanzitutto la raccolta delle informazioni necessarie alla scelta della

soluzione più idonea, e successivamente una messa a punto mediante indagini specificatamente

connesse al tipo di intervento previsto.

Per accertare la fattibilità e definire le più adeguate modalità di trattamento si dovrà quindi

procedere attraverso le seguenti fasi sperimentali:

- accurato studio della natura del terreno (sciolto o lapideo), della sua struttura e dell’idrologia

sotterranea, mediante prove in sito

- indagini di laboratorio su campioni tipici per la determinazione dei parametri geotecnici di

interesse generale e specifico (connessi all’iniettabilità dei fluidi consolidanti da adottare)

- prove di iniezione e controllo dei risultati in sito, per verificare i precedenti dati sperimentali,

colmandone eventualmente le lacune e traendo dei più precisi indirizzi pratici sulle modalità

operative

Oggetto di questo capitolo sarà quello di analizzare i principali paramentri che caratterizzano

il processo di permeazione di una sospensione all’interno del terreno, nonchè lo studio delle

caratteristiche reologiche di tali miscele.

All’analisi delle procedure di iniezione ed il controllo dei risultati del trattamento vengono riservati

i capitoli 4 e 5.

3.1 PREMESSA

Come già accennato, i principi di funzionamento delle sospensioni differiscono da quelli delle

soluzioni.

Quando si iniettano soluzioni all’interno di un mezzo poroso, il comportamento di queste può

essere paragonato con buona approssimazione a quello dei fluidi newtoniani, con il fenomeno di

permeazione regolato dalla legge di Darcy.

Tuttavia, l’applicabilità di tale legge alle più complicate caratteristiche dei fluidi alla Bingham, e

quindi delle sospensioni, non è immediata e prevede ulteriori analisi e modifiche alle equazioni di

campo.

In letteratura sono presenti numerosi modelli volti allo studio della fenomenologia della

propagazione di sospensioni all’interno di mezzi porosi nella sua complessità.

Si ricorda tra questi il modello introdotto da Bouchelaghem (2001), che tiene conto di numerose

ipotesi, esplicate da complesse equazioni di campo, che tengono conto della natura multifase della

propagazione di sospensioni, come ad esempio la graduale segregazione delle particelle della

miscela sullo scheletro solido il quale, assorbendole, aumenta di densità e diminuisce la sua

permeabilità nel tempo, nonchè la deformazione dello scheletro solido stesso a causa della

pressione interstiziale e della filtrazione della miscela.

Appare quindi chiaro come il processo di permeazione di sospensioni cementizie dipenda in larga

scala dalla permeabilità, non costante, del terreno e dalla dimensione degli elementi solidi in

sospensione.

Sebbene tali modelli, prettamente teorici, non risultino effettivamente applicabili in condizioni

pratiche, riescono comunque a fornire un chiaro quadro generale della complessità del fenomeno

ed a stabilire quelli che sono gli aspetti chiave della propagazione di sospensioni nei terreni, la cui

! 13

considerazione risulta di fondamentale importanza nella progettazione di iniezioni di

consolidamento.

3.2 PERMEABILITÀ DEI TERRENI

Il parametro di maggiore interesse per l’analisi del processo di filtrazione, soprattutto se uno degli

scopi principali dell’intervento è quello di impermeabilizzare il terreno, è il coefficiente di

permeabilità del terreno alla miscela, indicato con e definito tramite la seguente relazione:

k m (2)

= · (γ /η )

k k

m 0 m m

dove:

- γ : peso specifico della miscela

m

- η : viscosità dinamica della miscela

m

- : permeabilità assoluta del terreno, indipendente dalla natura della

k 0 miscela

La permeabilità assoluta del terreno è ricavabile dall’equazione fondamentale di Darcy che

k 0

regola il flusso laminare dell’acqua in un mezzo poroso: (3)

= Q / (A·

k i)

0

in cui:

- Q : portata di fluido

- A : superficie della sezione filtrante

- : gradiente idraulico

i

Tale grandezza rappresenta quindi la velocità di flusso corrispondente a valori unitari della

portata, della sezione filtrante e del gradiente idraulico.

Tornando al coefficiente , è evidente come questo non sia una proprietà del solo terreno ma

k m

dipende dalle caratteristiche del fluido iniettato. La (2) viene anche espressa come: (4)

(t) = · (η /γ )· (γ /η )

k k

m w w w m m

in cui il pedice ‘w’ indica le proprietà relative all’acqua, per cui il problema si riconduce a quello

più classico di conoscere il coefficiente di permeabilità all’acqua e di selezionare una miscela

k w

che abbia γ e η adeguati alle esigenze del caso.

m m

In linea di principio, quindi, i limiti di applicabilità indicati in letteratura possono essere sorpassati

riducendo la viscosità iniziale della miscela e rallentandone il processo di gelificazione, sempre che

i tempi di iniezione siano ingegneristicamente ragionevoli.

Quantitativamente, come tabellato in Figura 10, per terreni ghiaiosi o murature a sacco molto

permeabili (k = 10 m/s) è possibile realizzare con successo l’impregnazione anche con

-3

sospensioni acquose di cemento Portland 52.5. Per sistemi porosi meno permeabili (k = 10 ÷ 10

-4 -5

m/s), costituiti per esempio da terreni di sabbia fine o murature più compatte, è necessario

ricorrere all’iniezione di microcementi, mentre per i sistemi porosi ancor meno permeabili (k =

10 ÷ 10 m/s) si è costretti a ricorrere all’iniezione di soluzioni.

-5 -6

La prova di permeabilità più largamente utilizzata è la prova Lugeon. Tale prova viene

effettuata immettendo acqua in pressione su tratti prestabiliti di fori di sondaggio per valutare la

! 14

permeabilità di ammassi di terreno in termini di assorbimento di acqua nell’unità di tempo, in

funzione della pressione di prova e della lunghezza del tratto di foro interessato.

DEL TERRENO DA POSSIBILITÀ DI SUCCESSO CON INIEZIONE DI

k

IMPREGNARE [m/s] Portland 52.5 Microcemento Soluzioni

10 si si si

-3

10 ÷10 no si si

-3 -4 no si si

10 ÷10

-4 -5 no no si

10 ÷10

-5 -6

Figura 10 - Influenza della permeabilità di un terreno sull’iniettabilità del cemento Portland 52.5, del microcemento e di una

soluzione polimerizzabile (Croce e Olagot, 2011)

La permeabilità così misurata viene generalmente espressa in unità Lugeon: 1 Lugeon

corrisponde alla permeabilità di un ammasso roccioso che assorbe 1 litro di acqua al minuto per

ogni metro di foro, con una pressione di prova di 10 atm.

Un altro aspetto fondamentale per valutare preliminarmente la possibilità di successo di un

intervento di iniezione di consolidamento si basa sul rapporto di iniettabilità (indicato con ‘N’),

oggetto di analisi del successivo paragrafo.

3.3 INIETTABILITÀ DI UNA SOSPENSIONE

Quando si parla di iniezioni di sospensioni all’interno di mezzi porosi, il riempimento dei vuoti è

funzione fondamentalmente di due parametri:

- distribuzione dei vuoti del sistema da riempire

- distribuzione dei grani del cemento

La penetrabilità di una sospensione è ovviamente legata al rapporto tra le dimensioni delle

particelle solide presenti nella miscela e le dimensioni dei pori del terreno attraverso i quali essa

deve permeare. Particelle

della sospensione

Grani del terreno

Figura 11 - Schematizzazione del processo di permeazione di una sospensione all’interno di un terreno sciolto

! 15

Le indicazioni più classiche e universalmente accettate sono quelle di Mitchell (1981), che

suggerisce di valutare l’iniettabilità (nella letteratura anglosassone indicata come ‘groutability’) di

una sospensione attraverso il ‘rapporto di iniettabilità’ della miscela, o ‘groutability ratio’, definito

come segue: N = D /d (5)

15 85

con:

- D : dimensione al di sotto della quale sta il 15% del terreno

15

- d : dimensione al di sotto della quale sta l’85% del legante

85

Se N > 24 il grouting è possibile, mentre per N < 11 non lo è. Nell’intervallo tra 11 e 24

l’intervento di iniezione è possibile previe prove preliminari.

Alternativamente: (6)

N = D / d

c 10 95

dove:

- D : dimensione al di sotto della quale sta il 10% del terreno

10

- d : dimensione al di sotto della quale sta il 95% del legante

95

Se N > 11 il grouting sarà possibile, mentre per N < 6 non lo è.

c c

Come già evidenziato in precedenza, l’utilizzo di cementi Portland per i trattamenti di

iniezione è possibile unicamente per quei terreni caratterizzati da una granulometria più

grossolana, a causa dell’ingombro delle particelle di tali materiali.

Nella maggior parte delle applicazioni di grouting per filtrazione che coinvolgono terreni più fini,

l’uso dei microcementi sarà praticamente l’unica scelta possibile.

N > 24 N < 11

Grouting possibile Grouting non possibile

N > 11 N < 6

C C

Grouting possibile Grouting non possibile

Figura 12 - Capacità di una sospensione di penetrare un terreno (Mitchell, 1981)

Nella tabella in Figura 13 sono riassunte le principali caratteristiche granulometriche e superficiali

del microcemento e di altre qualità di cemento.

Pertanto, assumendo per d i valori tabellati si può dedurre, per ogni cemento da iniettare, quale è

85

il valore minimo di D del terreno impregnabile con successo (Figura 14).

15 ! 16

TIPO DI d [μm] d [μm] d [μm]

50 85 98

CEMENTO

Portland 32.5 45 100

20

Portland 52.5 15 35 80

4 6 10

Microcementi

Figura 13 - Caratteristiche granulometriche di cementi e microcementi ordinari (Croce e Olagot, 2011)

TERRENO CON CEMENTO DA

D [μm] INIETTARE

15

> 1125 Portland 32.5

> 875 Portland 52.5

> 150 Microcementi

Figura 14 - Caratteristiche del terreno e del cemento raccomandato per l’impregnazione (Croce e Olagot, 2011)

Per quanto riguarda invece le iniezioni di miscele cementizie in rocce fessurate si può fare

riferimento al seguente rapporto di iniettabilità: (7)

N = larghezza fessura / d

r 95

Se N > 5 l’intervento è possibile con miscele cementizie, se N < 2, al contrario, non lo è.

r r

TIPOLOGIA E GRANDEZZA SOSPENSIONE

DELLE FESSURE DA UTILIZZARE

Sospensioni cementizie

con filler grossolani (ghiaia)

Vuoti aperti, grandi fessure Miscele con presa rapida

Sospensioni cementizie

con filler fini (sabbie fini)

Fessure larghe Miscele con presa rapida

( > 1 cm ) Miscele con bentonite, argilla, cemento

Sospensioni di cemento puro

Fessure medie

(1 mm ÷ 1 cm ) Miscele di argilla

Sospensioni con penetrabilità

Fessure piccole aumentata (microcementi)

(0.5 mm ÷ 1 mm )

Figura 15 - Tipologie di sospensioni da utilizzare in relazione alla grandezza delle cavità della roccia (AFTES, 1991)

! 17

Sono state tabellate in Figura 15 le tipologie di sospensioni più consone da adottare in base alla

dimensione delle fessure nella roccia da trattare secondo l’AFTES (Association Française des

Tunnels et de l'Espace Souterrain).

3.4 PRESSOFILTRAZIONE

La pressofiltrazione è quel processo di drenaggio che si manifesta nelle sospensioni instabili

durante la filtrazione in un mezzo poroso, comportando una separazione di acqua molto più

rilevante di quella connessa alla decantazione delle miscele stabili.

Il fenomeno può essere indagato in laboratorio mediante attrezzatura normalizzata (filtropressa)

misurando, in funzione del tempo il volume di acqua W progressivamente drenato attraverso un

t f

setto di carta da filtro.

Con una data pressione, di norma 7 daN/cm , si ottiene una relazione sperimentale del tipo:

2 (8)

W / V = · (t)

1/2

k

f o f

che esprime il volume di acqua filtrata in rapporto al volume iniziale ed in funzione del tempo.

Il coefficiente di pressofiltrazione definisce quindi la velocità di drenaggio, che caratterizza la

k f

miscela in date condizioni sperimentali che possono essere più o meno diverse dalla realtà. In

generale, l’approssimazione è tanto migliore tanto migliore quanto più finemente poroso è il

mezzo.

Gli effetti pratici del drenaggio producono due ordini di conseguenze che devono essere

considerate anche se difficilmente cifrabili:

- un progressivo aumento della rigidità e della viscosità, che riduce la penetrabilità (come si

vedrà in Figura 17.b)

- una modifica delle proprietà meccaniche finali della miscela, nel senso di un miglioramento

rispetto alla composizione originale (aumento del rapporto cemento/acqua)

3.5 CARATTERISTICHE REOLOGICHE DELLE

SOSPENSIONI

In meccanica dei fluidi vengono definiti ‘newtoniani’ quei fluidi la cui viscosità non varia con la

velocità in cui essa viene misurata. La viscosità può essere vista come il coefficiente di

proporzionalità che lega lo sforzo di taglio del fluido (τ ) alla velocità relativa dν in direzione tra

x

xz x

due strati distanti dz.

L’equazione che descrive il comportamento di un fluido newtoniano è quindi la seguente:

τ = η · (dν /dz) (9)

N

xz x

con:

- τ : sforzo di taglio necessario per produrre una velocità relativa dν in

x

xz direzione fra due strati piani paralleli distanti dz

x

- ]

η : viscosità del fluido [N· s/m 2

N

In un fluido newtoniano, la viscosità dipende, per definizione, solamente dalla pressione e dalla

temperatura. ! 18


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DESCRIZIONE TESI

Oggetto della tesi è quello di andare ad analizzare la tecnica di consolidamento conosciuta come grouting, e, più precisamente, quella sua modalità di esecuzione che prende il nome di grouting per filtrazione (‘permeation grouting’). Tale tecnica prevede l’iniezione di fluidi all’interno di terreni permeabili che ne migliorano le caratteristiche fisiche e chimiche. Concentrando l’attenzione sulle iniezioni di sospensioni cementizie, ne verranno studiati i principi di funzionamento e le metodologie di applicazione.


DETTAGLI
Esame: Geotecnica
Corso di laurea: Corso di Laurea in ingegneria civile e ambientale
SSD:
Università: Cassino - Unicas
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher gianmarcopetrucci di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Geotecnica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Cassino - Unicas o del prof Modoni Giuseppe.

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