Influenza del ritardo nella compattazione delle miscele terreno-calce sulla compressibilità e permeabilità

Capitolo II – Le miscele terreno-calce. Stato dell’arte 
 
 
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CAPITOLO II 
LE MISCELE TERRENO-CALCE. STATO DELL’ARTE 
2.1 Introduzione 
L’aggiunta di calce alle terre al fine di ottenere delle adeguate prestazioni meccaniche stabili 
nel tempo è una pratica utilizzata fin dall’antichità: miscele di questo tipo sono state impiegate 
per la costruzione della Muraglia cinese e tecniche simili sono state ritrovate anche in alcuni 
tratti della via Appia. Le prime ricerche di una certa importanza sulle miscele terreno-calce 
per usi stradali furono effettuate negli Stati Uniti nei primi decenni del novecento. Ma solo 
durante il secondo dopoguerra si è sviluppato un vero e proprio interesse generale per l’utilizzo 
di questo materiale. Gli Stati Uniti diventano il leader mondiale nell’impiego della calce per le 
sovrastrutture stradali: basti pensare che se nel 1957 venivano utilizzate 160.000 t di calce, nel 
1985 si era già arrivati ad un milione. Le realizzazioni e gli studi sviluppati portarono nel 1976 
il Transportation Research Board dell’Accademia Nazionale delle Scienze americana a 
pubblicare la circolare n. 180, nella quale venivano riassunte le conoscenze fino ad allora 
acquisite sulla stabilizzazione con calce dei terreni. In Europa, l’impiego della calce, anche se 
intrapreso più tardi rispetto agli Stati Uniti, si è sviluppato soprattutto nella Germania Ovest e 
in seguito in Francia e Svezia. In Italia, invece, la stabilizzazione con calce si è affermata più 
tardi, in parte a causa dei costi eccessivi richiesti per gli studi teorici e di laboratorio necessari 
per l’applicazione di tale tecnologia e in parte a causa della possibilità, fino a pochi anni fa, di 
approvvigionarsi di materiali con buone caratteristiche meccaniche con cui andare a sostituire 
lo strato di terreno in posto di scarsa portanza. Nonostante ciò non mancano le eccezioni, 
come ad esempio la realizzazione negli anni ’80 del tratto Roma - Napoli dell’alta velocità. 
Attualmente l’impiego delle terre stabilizzate non presenta ormai, problemi: sono ben noti, 
infatti, il campo di applicabilità di tali tecniche, i loro effetti nel breve e nel lungo periodo, la 
loro affidabilità e la loro durabilità. Le miscele con calce possono essere impiegate in un’ampia 
varietà di situazioni (bonifiche dei sottofondi, dei piani di posa e del corpo dei rilevati) e 
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hanno reso possibile realizzare, a costi contenuti, opere che, stanti i vincoli esistenti in materia 
di impiego di risorse naturali non rinnovabili, avrebbero comportato oneri economici ed 
ambientali molto più gravosi. 
2.2 La materia prima: la calce 
La produzione della calce avviene a partire dal calcare, una pietra che contiene carbonato di 
calcio e, se riscaldata ad elevate temperature, si dissocia formando ossido di calcio, 
comunemente chiamato calce viva. Le rocce calcaree appartengono alla famiglia delle rocce 
sedimentarie e sono le più diffuse dopo gli scisti argillosi e le arenarie. Tale famiglia si 
suddivide a sua volta, in base alla formazione delle rocce che ne fanno parte, in tre gruppi: 
chimiche, clastiche e organogene. La maggior parte delle rocce calcaree è di origine 
organogena mentre una piccola parte si è formata per via chimica (precipitazione da soluzioni 
acquose soprassature o deposizione da acque contenenti bicarbonato di calcio). La formazione 
organogena del carbonato di calcio avviene per sedimentazione sul fondo marino di scheletri e 
gusci di organismi morti, e per successiva decomposizione dei composti organici presenti. Può 
essere presente anche una formazione per via clastica, poiché le rocce di carbonato formatesi 
per via organogena o chimica, possono essere distrutte fisicamente e comporsi di nuovo in 
altro luogo. È possibile ottenere calce anche dalle dolomie, rocce aventi come componente 
principale il carbonato di magnesio MgCO
3
. 
2.2.1 La formazione della calce 
La cottura del calcare ad alta temperatura (>900 °C) porta alla formazione degli ossidi di 
calcio e magnesio e di anidride carbonica secondo le seguenti reazioni, dette di 
decarbonatazione: 
CaCO
3
  CaO + CO
2
 
MgCO
3
  MgO +CO
2
 
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Dagli ossidi così ottenuti, che costituiscono la cosiddetta calce viva, è possibile ottenere 
mediante aggiunta di acqua, la calce idrata, secondo una reazione detta di spegnimento: 
CaO + H
2
O  Ca(OH)
2
 
La calce viva ha un peso specifico di circa 1200 Kg/m
3
 e si presenta generalmente in zolle, ma 
anche granulata. La calce idrata invece ha un peso specifico più basso, circa 560 Kg/m
3
 e si 
presenta generalmente in polvere. Le caratteristiche della calce sono largamente influenzate 
non solo dalla natura della pietra d'origine, ma anche dal tipo di cottura che essa subisce: le 
calci a cottura cosiddetta "dolce" (ottenute con temperature più basse e tempi di cottura più 
brevi) presentano una minore densità e una più elevata reattività rispetto alle calci fortemente 
cotte. Per ottenere un prodotto di eccellente qualità, è necessario l'utilizzo di una pietra ad alto 
tenore di carbonato di calcio e una cottura più possibile uniforme. 
2.2.3 Il processo produttivo della calce 
La produzione della calce avviene secondo un ciclo che può essere suddiviso in tre fasi: 
a) Reperimento e trattamento primario 
b) Cottura 
c) Lavorazione del cotto e fabbricazione dei prodotti finali 
Le fasi più importanti sono le ultime due e gli strumenti utilizzati negli impianti sono i forni e 
gli idratatori. I forni da calce in uso possono essere verticali, rotanti e misti. I forni verticali 
sono costituiti da un contenitore verticale fisso di forma cilindrica o rettangolare e rivestito di 
materiale refrattario. Il calcare viene introdotto dall’alto e riscaldato da un flusso di gas di 
combustione iniettato controcorrente. I combustibili possono essere di vario di tipo come ad 
esempio carbone o metano. Il forno, a seconda dei processi che vi prendono parte, può essere 
ripartito in tre zone: 
 Zona superiore di carico e preriscaldamento; 
 Zona mediana di cottura dove avviene la decarbonatazione; 
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 Zona inferiore di raffreddamento. 
Il forno rotante invece è costituito da un corpo cilindrico inclinato che viene fatto ruotare 
attorno al suo asse longitudinale. Il suo funzionamento è molto simile a quello di un forno per 
clinker di cemento, infatti, il materiale viene caricato dalla parte opposta del bruciatore e 
procede quindi verso di esso, riscaldandosi. Il forno rotante presenta dei vantaggi rispetto agli 
altri tipi: 
 Si può alimentare con calcare di piccola pezzatura;  
 Lo scambio termico tra materiale e combustibile è incrementato grazie alla 
rotazione del forno; 
 Il processo può essere osservato e controllato. 
L’unico difetto è il suo consumo, che è nettamente superiore rispetto ad un forno statico. Un 
ciclo produttivo integrale comprende anche la produzione di calce idrata, che avviene tramite 
gli idratatori. Il processo inizia con la frantumazione della calce viva in un frantoio a martelli 
per ottenere una pezzatura passante ai 15 mm, successivamente il materiale giunge ad una 
coclea che dà la prima miscelazione con acqua. La reazione di idratazione vera e propria 
avviene in una vasca di spegnimento, in cui il mescolamento è continuo. A causa dell’elevato 
sviluppo di vapore si forma un letto fluidificato; le particelle spente hanno un peso specifico 
minore rispetto a quelle ancora vive e possono quindi essere estratte tramite uno sfioratore, 
mentre quelle vive rimangono nella vasca e in seguito vengono allontanate. 
2.2.3 Le forme commerciali 
La calce si può trovare in due forme principali: viva e idrata. I composti usati sono classificati 
anche in base alla presenza del magnesio e dei suoi composti, come riportato in tabella 2.1: 
 
 
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Tabella 2.1 – Forme commerciali della calce. 
TIPO FORMULA CHIMICA 
Calce viva CaO 
Calce idrata Ca(OH)
2
 
Calce dolomitica CaO+MgO 
Calce dolomitica normalmente idrata Ca(OH)
2
+MgO 
Calce dolomitica idrata a pressione Ca(OH)
2
+Mg(OH)
2
 
 
È anche importante ricordare che, maggiore è il contenuto di magnesio, minore è l’affinità 
con l’acqua ed il calore sviluppato nella reazione di idratazione. I tipi di calce che è possibile 
impiegare sono: 
 Calce aerea idrata in polvere, sfusa o in sacchi 
 Calce aerea viva macinata, sfusa o in sacchi. 
L’impiego della calce viva, per il suo effetto essiccante, è preferibile nei casi in cui i valori di 
umidità siano sensibilmente più elevati di quelli ottimali per il costipamento. 
2.3 I materiali trattabili con calce 
2.3.1 Caratteristiche delle terre da stabilizzare secondo il BU CNR 36/73 
Un materiale, per essere trattato con calce, deve presentare determinate caratteristiche, questo 
poiché la calce è un legante che interagisce sia chimicamente che fisicamente con il materiale 
trattato. Con riferimento alla classificazione CNR-UNI 10006 si prestano, al trattamento con 
calce, le terre fini plastiche, le argille limose dei gruppi A
6
 e A
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 non eccessivamente plastiche, 
così come quelle del gruppo A
5
, quando di origine vulcanica e organogena. Ghiaie argillose, 
identificabili come A
2-6 
e A
2-7
, possono essere convenientemente stabilizzate con calce quando 
contengano una frazione di passante al setaccio 0,4 UNI (200 ASTM) non inferiore al 35%. 
La curva granulometrica deve rientrare nel fuso di idoneità cui alla norma B.U. CNR 36/73. 
L’indice di plasticità deve risultare compreso tra 10 e 35.  
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2.3.2 Loppe 
Le loppe, dette anche scorie d’altoforno, sono legate all’industria siderurgica: la reazione di 
riduzione del minerale ferroso, oltre ai gas e alla polvere, produce anche liquidi residui che, 
una volta raffreddati, prendono appunto il nome di loppe. La composizione chimica della 
loppa è funzione della natura del minerale impiegato nel processo, solitamente i componenti 
principali sono CaO, SiO
2
, Al
2
O
3
 e MgO. Le proprietà idrauliche di una loppa sono funzioni 
anche della sua composizione mineralogica: le loppe più reagenti sono quelle vetrificate.  
2.3.3 Ceneri volanti 
Le ceneri volanti sono il prodotto della combustione del carbone nelle centrali termoelettriche. 
Si dividono in due gruppi: le ceneri volanti propriamente dette, trattenute dai fumi tramite 
filtri elettrostatici, e le ceneri di focolare che cadono per gravità al di sotto della camera di 
combustione. I componenti chimici delle ceneri volanti sono molto simili a quelli delle loppe 
con l’aggiunta di solfati e ossidi di ferro e di potassio. 
2.3.4 Pozzolane e basalti 
Le pozzolane sono rocce piroclastiche provenienti da eruzioni vulcaniche. Sono classificate in 
base alle dimensioni in: 
 Ceneri 
 Lapilli 
 Pomici 
 Bombe 
I basalti sono rocce effusive, compatte, di colore scuro, e sono il risultato del raffreddamento 
del getto liquido di lava nera. Da un punto di vista chimico sono molto simili alle pozzolane 
dalle quali si differenziano per la loro maggiore basicità.