Consolidamento dei terreni con iniezioni di sospensioni

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 p