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Altre applicazioni dove i fluidi di supporto svolgono funzioni
basilari per la realizzabilit dei lavori sono lo s cavo di gallerie,
e le tecnologie cosiddette no-dig. In tali tecniche i fluidi a base
di bentonite ed eventualmente polimeri stabilizzano il fronte
scavo, coadiuvano il trasporto dei detriti al di fuori della
galleria e riducono gli attriti tra suolo ed eventuali manufatti in
esso inseriti a pressione.
Come materiale da costruzione la bentonite Ł impiegata anche
nella realizzazione dei geocomposti bentonitici. Un
geocomposito bentonitico Ł una barriera idraulica, costituita da
uno strato di bentonite a ridotta conducibilit idr aulica,
racchiuso fra due strati di geosintetici. La bentonite costituisce
pertanto la matrice impermeabilizzante; i geosintetici di
contenimento costituiscono invece l elemento di protezione
che conferisce resistenza meccanica al sistema barriera.
Particolarit dei geocompositi bentonitici Ł quella di essere in
grado di autoripararsi qualora vengano danneggiati da
punture accidentali o da cicli termici; in presenza di acqua la
bentonite subisce un processo di idratazione che comporta un
notevole rigonfiamento andando cos a riempire eventuali fori
presenti nel geosintetico o nella geomembrana, ferme restando
le carattreristiche di permeabilit della barriera. La tecnologia
costruttiva di tali diaframmi pu essere diversa a seconda della
casa costruttrice, e viene nel dettaglio esaminata nel presente
lavoro.
L elaborato di tesi ha come oggetto l uso della ben tonite nelle
applicazioni di ingegneria civile. In tale ottica, Ł stato
suddiviso il lavoro in tre parti. Nella prima parte lo studio Ł
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incentrato sulla bentonite dal punto di vista delle
caratteristiche mineralogiche, fisiche e meccaniche. Una
seconda parte Ł dedicata all uso dei fanghi bentonitici come
espediente tecnico per la stabilizzazione di scavi. Tale aspetto
ha comportato la necessit di approfondire aspetti sia del
comportamento chimico e fisico della miscela, sia delle
tecnologie specifiche per la posa in opera dei fanghi stessi.
Una parte finale del lavoro ha invece riguardato opere
geotecniche per le quali si prevede l utilizzo della bentonite
come materiale da costruzione. E il caso dei diaframmi
plastici, sempre piø utilizzati nella pratica per scopi di
salvaguardia ambientale, e dei geocomposti, anche questi
principalmente impiegati per l impermeabilizzazione di siti
destinati alla raccolta di materiali di scarto.
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CAPITOLO 1
Propriet mineralogiche e comportamento fisico dell a
bentonite.
1.1 Introduzione
Le relazioni tra le propriet macroscopiche e micro scopiche di
un materiale sono molto importanti per poter capire come
utilizzare al meglio il materiale in esame e per poterne studiare
la tecnologia. Pertanto risulta necessario approfondire il
comportamento dei materiali argillosi dal punto di vista
microscopico.
1.1.1 Concetti di base
Si pu dire che tutto ci che Ł presente in natura Ł costituito
dall assemblaggio casuale di atomi. Parliamo dunque di
Sistema Disordinato. Il criterio che si rispetta nella formazione
di questi atomi Ł il seguente : la loro disposizione tende a
rendere minima l energia globale del solido.
In generale si distinguono due tipi di legami:
Legame Primario :
• Legame covalente; condivisione di una o piø coppie di
elettroni.
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• Legame ionico; cessione di un elettrone da un elemento a
bassa energia di ionizzazione a uno con alta affinit
elettronica.
• Legame metallico; elevate conducibilit elettrica e
termica,connesse all esistenza di particelle caricate
elettricamente.
Legame Secondario :
• Legame idrogeno; consiste in una forza di attrazione
elettrostatica che si instaura tra l idrogeno di una molecola
(che rappresenta la polarit positiva) e un atomo f ortemente
elettronegativo,come ad esempio l atomo di ossigeno.
• Forze di Van der Waals; forze di attrazione o repulsione
che si manifestano tra le molecole di una sostanza
determinandone lo stato di aggregazione.
Questi ultimi legami sono quelli che tengono legati i cristalli.
1.1.2 Cristalli e loro propriet
I solidi cristallini sono caratterizzati da una distribuzione
periodica e ordinata nello spazio. Il modo in cui le particelle
costituenti il cristallo sono disposti nello spazio determina la
struttura del cristallo. PoichØ la distribuzione delle particelle Ł
ordinata, ne consegue che le particelle sono disposte in un
reticolo tridimensionale. La struttura, quindi, di un minerale Ł
dovuta ad una distribuzione di atomi, di ioni oppure di
molecole. I solidi cristallini sono costituiti da un unit
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ripetitiva detta cella elementare. Questa Ł un poliedro, in cui
ogni atomo o ione Ł circondato dal medesimo intorno.
Si pu dunque descrivere un solido cristallino come la
ripetizione nello spazio di celle elementari, dando origine cos
a quattordici reticoli,dato che quattordici sono le celle
elementari (Fig.1.1).
Figura 1.1 I 14 reticoli
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In un solido cristallino si possono individuare sia piani che
direzioni reticolari da cui derivano le sue propriet
macroscopiche.
1.2 Composizione del terreno
In un terreno giocano un ruolo fondamentale i fenomeni di
interazione tra le componenti del materiale. Esso Ł costituito
da una fase solida, una fase liquida e una gassosa.
La fase solida pu appartenere ad un minerale o pu essere di
natura organica. Le parti minerali sono costituite da particelle
di diversa forma, dimensione e composizione chimica.( fig.
1.2)
Figura 1.2
- Dimensioni delle particelle presenti nel terreno e conseguente
classificazione dello stesso.
La fase liquida riempie gli spazi interstiziali tra le particelle
solide, mentre quella gassosa (che pu essere anche la fase
vapore) occupa gli spazi non riempiti dal fluido. Questa
composizione varia con il tempo e a seconda delle condizioni a
contorno.
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Le relazioni chimiche e fisiche dipendono non solo dalle
propriet delle singole fasi ma anche dalle condizi oni
dell ambiente circostante.
Per capire al meglio il comportamento del terreno e queste
relazioni Ł fondamentale studiare i fenomeni di interazione
elettrochimica, i quali dipendono fortemente dalla
composizione mineralogica delle particelle.
1.2.1 Terreno a grana fina
In generale l Argilla Ł formata principalmente da minerali
cristallini. La struttura delle particelle che la formano Ł di tipo
a cristalli,variamente assemblati,appartenenti alla famiglia dei
fillosilicati, in cui i tetraedri sono disposti su un piano.
Gli elementi che formano il minerale sono il silicio,
l alluminio, il ferro, il magnesio e atomi di ossigeno e gruppi
ossidrili. Sebbene esistono diversi tipi di minerali di struttura
talvolta molto complessa,sono stati identificati due componenti
essenziali di base : il tetraedro di Silice (SiO4) (Fig 1.3a) e
l ottaedro di idrossido di Alluminio (Al(OH)3),(Fig 1.3c)
I tetraedri sono collegati tra loro formando un foglio
conosciuto come il Silicio o foglio tetraedrale (Fig 1.3b) I tre
atomi di ossigeno che formano la base del tetraedro sono
distribuiti da tre tetraedri adiacenti.
La seconda componente,l ottaedro di idrossido di Alluminio,Ł
costituito da un tetraedro al cui centro si trova l atomo di
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alluminio ed ai cui vertici sono collocati i gruppi ossidrili
(OH).(fig. 1.3c)
Gli ottaedri sono collegati tra loro in un foglio definito come
Allumina,o foglio ottaedrale . I sei gruppi che formano
l ottaedro sono distribuiti in tre ottaedri adiacenti.
Figura 1.3
1.2.2 Scambi cationici
In un cristallo nascono delle sostituzioni isomorfe che possono
cambiare le propriet del minerale argilloso. Ad es empio
l atomo piø grande di alluminio trivalente pu sost ituire quello
di silicio trivalente che forza gli atomi di ossigeno del
tetraedro introducendo uno sforzo nel cristallo. Questa
sostituzione diminuisce anche le cariche positive di quel
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particolare tetraedro e quindi un aumento di quelle negative, e
quali poi dovranno a loro volta essere bilanciate da cariche
positive che si trovano vicino o da un catione supplementare.
I cationi che bilanciano le cariche negative generate dalle
sostituzioni all interno del cristallo, possono essere sostituiti
da altri cationi dalle superfici planari dei minerali.
Questi cationi vengono chiamati cationi scambiabil i . Il
numero totale di cationi scambiabili Ł espressa dalla capacit
di scambio cationico e identifica il grado di sostituzione
all interno del cristallo.
1.2.3 Influenza degli ioni sciolti
In una soluzione, per la distribuzione irregolare e per il
carattere dipolare delle molecole d acqua avviene un processo
di scambio ionico. Gli ioni positivi attraggono i poli negativi
delle molecole di acqua e viceversa. Queste si sposteranno
dalla loro struttura normale e si orienteranno a seconda
dell attrazione esercitata dalla carica opposta e quindi dal
processo di idratazione (Fig 1.4).
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Fig 1.4 Interazione degli ioni con le molecole d acqua
Dunque, gli ioni, disturbano la normale struttura dell acqua, a
seconda se essi si idratano o meno.
Gli ioni sciolti che non si idratano occupano comunque uno
spazio, quelli che idratano,invece,attraggono angoli di
molecole di acqua a carica elettrica opposta, generando una
sequenza alternata di direzioni di angoli positivi e negativi.
1.2.4 Meccanismi di interazione terreno-acqua
L interfaccia tra una particella minerale ed una soluzione
acquosa individua e segna una notevole discontinuit per
quanto riguarda la struttura (solido-liquido), la densit e la
composizione delle due fasi. Nella zona d interfaccia delle due
fasi avvengono reazioni importanti che conducono ad una
riorganizzazione, alla scala atomica, delle due sostanze.
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I meccanismi possibili di interazione tra le argille e l acqua
sono :
• Legame a idrogeno
• Idratazione di cationi scambiabili
• Attrazione per osmosi
• Attrazione superficie-dipolo
Figura 1.5 Possibili meccanismi di adsorbimento per superfici argillose
(a)Legame idrogeno; (b) Idratazione ionica; (c) Attrazione per osmosi;
(d) Attrazione superficie-dipolo
Siccome la superficie dell argilla Ł formata da ossigeno o
ossidrili, il legame a idrogeno (Fig. 1.5(a)) risulta uno dei
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legami piø frequenti e uno dei piø intensi. Se uno ione
idrogeno si trova alla fine di un dipolo, la sua attrazione verso
la parte negativa della molecola adiacente Ł definita come
legame a idrogeno.
L idratazione ionica rappresenta uno dei meccanismi piø
importanti, nel caso in cui si hanno bassi contenuti di acqua. I
cationi sono attratti dalla superficie di argilla caricata
negativamente, provocando il processo di idratazione ( Fig. 1.5
(b)).
L attrazione per osmosi, Ł quel processo che a seguito
dell idratazione elettrostatica,fa si che le molecole d acqua
tendono a diffondersi in ordine verso la superficie,per
equilibrare la concentrazione di cationi (Fig 1.5 (c)). Questa
diminuisce con l aumentare della distanza dalla superficie.
L Attrazione superficie-dipolo(Fig 1.5(d)), infine, orienta i
dipoli positivi dell acqua verso le superfici negative. Il grado
di orientazione decresce con la distanza della superficie
dell argilla. Tra i piani paralleli adiacenti ci pu essere
disordine strutturale, poichØ i poli di segno uguale saranno
vicini l un l altro. Quest area di disordine pu e ssere occupata
con cationi che equilibreranno le cariche negative delle
molecole delle due particelle parallele.