Il deep mixing per applicazioni ambientali - aspetti progettuali e verifica delle prestazioni

Il Deep Mixing è un metodo di consolidamento efficace ed economicamente vantaggioso che consiste nel trattamento del terreno mediante miscelazione meccanica in situ con cemento, calce o altri leganti. Le caratteristiche di tale tecnologia ne assicurano un impiego vantaggioso per applicazioni ambientali, quali la realizzazione di barriere verticali impermeabili e gli interventi di Solidificazione/Stabilizzazione in presenza di siti contaminati. Una intensa attività di laboratorio a supporto delle procedure di QC/QA (controllo e assicurazione di qualità) accompagna le diverse fasi di progettazione, esecuzione e monitoraggio di un intervento Deep Mixing e riguarda per esempio i test di miscelazione per il confezionamento di provini di miscela terreno-legante o il prelievo di campioni di miscela fresca o indurita in situ su cui eseguire le opportune prove di laboratorio. Pur dimostrandosi di assoluta importanza ai fini del buon esito di un intervento di Deep Mixing, le relative procedure di laboratorio impiegate nei processi di QC/QA non risultano essere ancora standardizzate a livello nazionale ed internazionale, con evidenti impatti e ricadute. Tale problematica è l’oggetto della ricerca internazionale “International Collaborative Study on Deep Mixing Method” attualmente in fase di svolgimento e a cui partecipano tutti gli esperti nel settore Deep Mixing e all’interno della quale si colloca il presente lavoro di Tesi di Dottorato. L’obiettivo della attività di ricerca è stato quello di fornire utili indicazioni e valido supporto verso la standardizzazione a livello nazionale ed internazionale delle procedure di laboratorio impiegate nei processi di QC/QA (controllo ed assicurazione di qualità) associate ad un intervento di Deep Mixing. In particolare, lo scopo è stato quello di analizzare e calibrare la fase di miscelazione e confezionamento dei provini di miscela terreno-legante, apportando un contributo alla definizione dei concetti di “lavorabilità” della miscela e di “applicabilità” della tecnica di confezionamento dei provini stabilizzati. È stato condotto un estensivo programma sperimentale su sette terreni reali eterogenei di Roma (presso il DICEA, sono state realizzate 21 miscele) e sulla Kawasaki Clay (presso il PARI, sono state testate 9 miscele) stabilizzati mediante cemento Portland, al fine di indagare l’influenza di differenti tecniche di confezionamento sulle proprietà fisiche e meccaniche dei provini stabilizzati. Sono state preparate trenta miscele aventi diversa lavorabilità variando il contenuto d’acqua e il contenuto di legante e rapporto acqua/ cemento. Dalle miscele confezionate sono stati prodotti circa 900 provini impiegando le cinque tecniche di confezionamento proposte dallo studio internazionale. I provini sono stati testati mediante prove di compressione e prove di permeabilità a diversi tempi di maturazione. In particolare sono state messe a punto due procedure di laboratorio tra loro collegate per la valutazione della lavorabilità di miscele terreno-legante e per il confezionamento di provini stabilizzati da sottoporre alle diverse prove di laboratorio, largamente impiegate nelle varie fasi di un intervento di Deep Mixing. Tali procedure saranno proposte per una successiva standardizzazione a livello nazionale ed internazionale. La procedura nuova ed alternativa per la misura della lavorabilità, basata sulla misura diretta del momento torcente (Mt) necessario per ruotare la lama di un miscelatore a contatto con la generica miscela all’interno della ciotola di miscelazione, ha consentito di superare i limiti degli attuali dispositivi sperimentali basati sull’impiego del “Laboratory vane”. La nuova metodologia proposta garantisce una buona ripetibilità della misura in un più ampio range di lavorabilità e di caratteristiche dei terreni compresi quelli a struttura granulare. La nuova procedura è stata utilizzata per misurare la lavorabilità delle trenta miscele terreno-legante. Le tecniche di confezionamento impiegate, così come indicato nello studio internazionale, sono state: Nessuna Compattazione (N.C.), Tapping (TA.), Rodding (RO.), Compattazione Statica (S.C.25 ed S.C.50) e Compattazione Dinamica (D.C.). È stato quindi definito un indice di applicabilità (IA) in grado di permettere la scelta della più idonea tecnica di confezionamento per una data lavorabilità della miscela terreno-legante. L’indice IA fornisce l’indicazione sulla tecnica di confezionamento capace sia di assicurare la massima ripetibilità dei risultati rispetto le altre (in termini di minimi errori relativi) sia di produrre provini maggiormente omogenei e quindi aventi le migliori proprietà fisico-meccaniche (in termini di densità e resistenza a compressione qu). Dai dati sperimentali ottenuti, l’applicabilità di ciascuna tecnica di confezionamento per la preparazione di provini di miscela terreno-legante è risultata funzione della lavorabilità della miscela. Considerando i dati complessivamente ottenuti presso il PARI e presso il DICEA è stato quindi possibile definire i range di applicabilità delle tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità delle miscele terreno-legante (espressa dal parametro Mt, momento torcente). Altro obiettivo della ricerca è stato lo studio di “tire chips” (granulato di copertone) come additivo, per migliorare le caratteristiche delle miscele terreno-legante; questa fase è stata eseguita in collaborazione con il Foundation Group (PARI). È stata condotta una campagna di prove di laboratorio al fine di studiare l’effetto dell’aggiunta di “granulato di gomma da pneumatici” - tire chips - sulle proprietà meccaniche di una miscela terreno cemento, impiegato nella realizzazione di barriere impermeabili eseguite mediante la tecnologia del Deep Mixing. Il terreno studiato è una Sabbia argillosa artificiale, caratterizzata da un contenuto d’acqua del 16% e costituita dal 64% di Sabbia “Soma sand”, 27% di Argilla “Kawasaki clay” e 9% di Ghiaia. Sono stati impiegati tre diversi tenori di tire chips, additivati alla medesima miscela terreno cemento di partenza. Utilizzando apposita apparecchiatura triassiale, sono state eseguite prove di permeabilità durante i diversi gradini di carico di un processo di compressione ad espansione laterale libera. È stato anche possibile impiegare un Micro-Focus X-ray Computed Tomography (CT) scanner per eseguire delle tomografie ai raggi X dei provini di miscela testati. I risultati ottenuti indicano come la resistenza e la rigidezza dei provini testati si riducano con l‟incremento di tire chips, che portano verso un comportamento meno fragile. Contestualmente è stata osservata una riduzione della permeabilità a parità di step de formativo. L’ultima fase dello studio, eseguita in collaborazione con l’Università di Padova e la Bauer Group, ha riguardato il confronto tra i risultati di prove di laboratorio e quelli ottenuti con prove in sito effettuate in un campo prova di Cutter Soil Mixing a Zandvoort (Olanda). A partire dalle misure ottenute “real time” dei parametri di produzione di alcuni pannelli CSM di prova è stato possibile individuare il binder content effettivo, utile per ricreare il medesimo mix design in laboratorio, impiegando il terreno prelevato in sito e il legante utilizzato in cantiere secondo gli stessi dosaggi. Sui provini confezionati in laboratorio sono state condotte prove meccaniche e fisiche i cui risultati andranno integrati e confrontati con quelli ricavati a seguito di simili prove di laboratorio su campioni prelevati “wet grab” e di opportune prove in sito sui pannelli CSM in vera grandezza, al fine di valutare l’influenza sui risultati della procedura di prelievo di campioni in cantiere e delle condizioni effettivamente presenti in sito, quali: temperatura di maturazione, condizioni di confinamento, eventuale drenaggio di acqua ad opera degli strati sabbiosi. Si riportano le principali conclusioni dello studio sperimentale: L’estensivo programma sperimentale condotto ha consentito di ottenere indicazioni decisive riguardo l’influenza delle tecniche di confezionamento sulla rappresentatività delle prove preliminari di laboratorio così come condotte in un trattamento di Deep Mixing. I risultati ottenuti, che costituiscono una base suscettibile di integrazione con i dati ricavati dalle diverse organizzazioni partecipanti al programma di ricerca internazionale “International collaborative study on Deep Mixing”, hanno chiara evidenza applicativa con ricadute sui criteri di progettazione e controllo. In base ai risultati sperimentali illustrati nella tesi, che però necessitano di ulteriori approfondimenti, si può preliminarmente concludere che l’utilizzo di granulato di copertone come additivo in miscele terreno-cemento può essere impiegato con successo al fine di minimizzare la possibilità di perdita di tenuta della barriera verticale impermeabile nei casi di deformazioni considerevoli.