Applicazione della tecnologia TDR per la misura estesa dell’umidità dei terreni

La misura del contenuto d’acqua nel terreno può essere eseguita con metodi diretti o indiretti. Sono definiti diretti quei metodi in cui si allontana l’acqua dal campione per evaporazione, filtrazione oppure mediante reazioni chimiche e se ne misura la quantità allontanata o tramite la misura della perdita di peso del campione, o tramite raccolta dell’acqua in un essiccatore per distillazione e successiva misura, o tramite metodologie più complesse basate su analisi fisico-chimiche.

Fanno parte delle metodologie di misura diretta del contenuto d’acqua il “metodo gravimetrico con forni d’essiccamento tradizionali” ed “il metodo gravimetrico con forni d’essiccamento a microonde”. Viceversa, i metodi indiretti sono quei metodi che si basano sulla misura di alcune proprietà del terreno che sono legate al contenuto d’acqua, secondo relazioni spesso complicate e che interessano anche la struttura dei pori e i materiali costituenti.

Per alcune di queste proprietà il legame del contenuto d’acqua non è univoco, nel senso che si possono avere diversi valori delle grandezze in esame per uguali tenori d’ umidità; ciononostante alcune di queste proprietà, con opportune calibrazioni, sono in grado di caratterizzare il suolo nei confronti del contenuto d’acqua.

Sono metodi indiretti quelli basati sulla dispersione di neutroni e l’assorbimento di fasci di neutroni o raggi gamma proiettati in un terreno ed i metodi basati sulla conducibilità elettrica. La necessità di far riferimento a metodi indiretti per la determinazione dell’umidità di un terreno ( o indici ad essa correlati), appare evidente se si considerano il tempo ed il lavoro richiesti da una misura di tipo diretto; a ciò si aggiunga il fatto che , mentre le misure dirette sono distruttive, la maggior parte dei metodi indiretti permette misure frequenti o addirittura continue in uno stesso punto.

Metodi diretti: Metodo gravimetrico con forni d’essiccamento
La misura del contenuto d’acqua con metodi gravimetrici viene eseguita pesando il campione umido , rimuovendo successivamente l’acqua e pesando nuovamente il terreno: la differenza tra le due pesate permette di conoscere la quantità d’acqua allontanata ed il rapporto tra il volume dell’acqua ed il volume totale del campione, rappresenta proprio il contenuto d’acqua volumetrico.

L’accuratezza e riproducibilità della misura dipendono essenzialmente dalle tecniche di essiccamento e dalla cura con cui vengono realizzate. L’apparecchiatura richiesta per la misura consiste in un campionatore per l’estrazione di un campione di volume noto, un contenitore munito di coperchio a tenuta onde evitare eventuali modifiche, precedenti alla misura del peso del campione umido, dell’umidità dello stesso per evaporazioni dell’acqua contenuta, un forno con termostato che permetta di mantenere la temperatura nell’intervallo 100° - 110°C, un disseccatore con disseccante attivo, una bilancia.

Dopo aver pesato il campione umido, si passa al suo essiccamento in forno, finché il peso non si mantiene costante; si rimuove allora il campione e lo si dispone nel disseccatore contenente un disseccante (ad esempio perclorato di magnesio o solfato di calcio) fino al raffreddamento. Successivamente si esegue la nuova pesata e si definisce il contenuto d’acqua volumetrico come rapporto tra il volume d’acqua estratto (desumibile dalla differenza in peso umido – peso secco) e il volume totale (noto) del campione appena estratto.

Dal momento che la determinazione del contenuto d’acqua si basa sulla definizione di “campione secco” che è basata esclusivamente sul giudizio soggettivo dell’operatore, è sicuramente più appropriato far riferimento alla riproducibilità della misura piuttosto che alla sua precisione. Tale riproducibilità può essere ottenuta standardizzando le modalità di analisi in termini di dimensione dei campioni,temperatura e durata di essiccamento etc.

Un’alternativa all’essiccamento in forni convenzionali è rappresentata dall’utilizzo dell’energia di microonde, che penetrano e vaporizzano l’acqua contenuta nel campione. Il principio di funzionamento si basa sull’osservazione che, mentre i metalli riflettono l’energia delle microonde,negli altri materiali si genera calore per effetto dell’assorbimento di tale energia, e ciò in maniera sensibilmente più rilevante nell’acqua. Perciò la temperatura dell’acqua contenuta nel suolo si innalza rapidamente fino al punto di ebollizione, rimanendo costante fino a che tutta l’acqua non è evaporata.

Per la prova è richiesto un forno a microonde che generi un campo elettromagnetico quanto più uniforme possibile e dotato di un dispositivo di spegnimento automatico quando, per effetto dell’evaporazione dell’acqua, l’energia assorbita si riduce e viene quasi completamente riflessa. Ciò è necessario perché un eccesso di energia termica superiore a quella necessaria per la vaporizzazione dell’acqua, comporterebbe l’ossidazione delle componenti organiche presenti nel terreno e, conseguentemente, un nuovo aumento di peso del campione per attrazione molecolare da parte delle sostanze ossidate dell’ossigeno liberato per evaporazione della fase liquida. Rispettando tali accorgimenti, l’essiccazione ottenuta con tali forni dovrebbe essere migliore di quella ottenibile con forni tradizionali.