Studio della miscela terreno-calce per la stabilizzazione di un terreno di fondazione

STUDIO DELLA MISCELA TERRENO-CALCE PER LA STABILIZZAZIONE DI UN TERRENO DI FONDAZIONE 
CAPITOLO 1: OGGETTO E SCOPO DELLA TESI 
 
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Capitolo 1 
OGGETTO E SCOPO DELLA TESI 
 
La presente tesi descrive lo studio sperimentale della miscela terra-calce svolta in laboratorio con lo 
scopo di migliorare le caratteristiche di un terreno di fondazione. Il sito in oggetto si trova a San 
Giovanni Teatino, in provincia di Chieti, e vedrà sorgere un nuovo punto vendita IKEA Store. Lo 
studio condotto si inserisce nell’ambito di una più ampia attività di ricerca svolta nel Dipartimento 
di Scienze e Ingegneria della Materia, dell'Ambiente ed Urbanistica (SIMAU) dell’Università 
Politecnica delle Marche. 
Viste le scadenti proprietà meccaniche del terreno presente in sito, non idoneo ad essere utilizzato 
come materiale da costruzione, la proposta di ricorrere ad un trattamento di stabilizzazione con 
calce si caratterizza per un vantaggioso bilancio costi-benefici. 
Le valutazioni alla base di tale iniziativa sono di tipo economico-ambientali: l’impiego della 
miscela terreno-calce rappresenta una soluzione alternativa al tradizionale utilizzo di materiali 
provenienti da cava, sempre più costosi e di scarsa reperibilità. Rivolgersi ad una cava di prestito, 
oltre ad essere più oneroso per ovvie ragioni di acquisto e trasporto, comporta la rimozione, con 
trasporto a rifiuto, del terreno presente in sito, considerato di scarto. 
Stimando tali aspetti, l’alternativa è stata appunto quella di stabilizzare con calce il terreno a 
disposizione migliorandone le prestazioni meccaniche. 
Prima di avviare le operazioni di cantiere, è necessario realizzare una sperimentazione in laboratorio 
per definire il giusto mix design della miscela da utilizzare. Il programma delle prove di laboratorio 
infatti prevedeva lo studio di due diverse miscele: una con l’aggiunta del 3% di ossido di calcio e 
l’altra con l’aggiunta del 4% di ossido di calcio. 
Il programma di prove di laboratorio, svolte sul terreno tal quale e sulle due miscele additivate a 
diversa percentuale di calce viva, prevedeva prove di taglio diretto, compressione edometrica, 
rigonfiamento lineare, compressione ad espansione laterale libera, prove CBR pre e post 
saturazione, misurazione dell’IPI, prove di permeabilità e determinazione dei limiti di Atterberg. 
La caratterizzazione del terreno da stabilizzare è stata precedentemente effettuata al di fuori della 
medesima sede; il terreno è risultato idoneo ad essere trattato con calce secondo le indicazioni del 
BU CNR n.36, documento che disciplina il trattamento a calce delle terre.
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CAPITOLO 2: LE MISCELE COMPATTATE TERRENO-CALCE. STATO DELL’ARTE 
 
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Capitolo 2 
LE MISCELE COMPATTATE TERRENO-CALCE 
STATO DELL’ARTE 
 
2.1 Introduzione 
 
La terra stabilizzata a calce è una miscela composta da una terra, calce viva o idrata e acqua, in 
quantità tali da modificare le caratteristiche chimico-fisiche e meccaniche della terra, onde ottenere 
una miscela idonea per la formazione di strati che, dopo costipamento, risultino di adeguata capacità 
portante nonché stabili all’azione di acqua e gelo. 
Nota fin dall’antichità; impiegata per la costruzione della “Grande Muraglia cinese” (250 a.C.), 
utilizzata dai Romani per alcuni tratti della via Appia, studiata negli Stati Uniti nei primi decenni 
del ‘900, a partire dal primo dopoguerra (anni ’50) ha trovato largo impiego nei paesi anglosassoni, 
in Germania e Francia. In Italia la stabilizzazione a calce dei terreni è attualmente cultura ancora 
poco diffusa a causa dei costi eccessivi richiesti per gli studi teorici e di laboratorio necessari per 
l’applicazione di tale tecnologia. A partire dagli anni ’80 una maggiore sensibilità ecologica ha 
permesso la realizzazione di alcuni interventi importanti a livello nazionale, come la linea 
ferroviaria ad alta velocità del tratto Roma-Napoli. 
La stabilizzazione a calce fa parte dell’attività di riciclaggio e viene realizzata con gli stessi 
macchinari utilizzati per il riciclaggio a freddo con bitume schiumato: lo scopo di questo tipo di 
interventi è di migliorare le caratteristiche meccaniche dei materiali che dimostrano scarse qualità 
per l’utilizzo a cui sarebbero destinati. 
La tecnica della stabilizzazione a calce viene utilizzata per conferire alle terre incoerenti, o 
scarsamente portanti, un miglioramento delle caratteristiche meccaniche, sfruttando l’interazione 
delle particelle umide dell’argilla con la calce; lo sviluppo delle reazioni calce-terreno porta ad un 
indurimento dell’impasto e perciò ad un incremento delle capacità portanti del piano trattato. 
Il campo di applicazione di tale tecnica è molto esteso: con la stabilizzazione a calce si interviene 
per migliorare le condizioni di strade di campagna, stabilizzare pendii franosi, migliorare le capacità 
portanti dei piani di posa dei rilevati stradali, bonificare aree destinate ad urbanizzazioni e a nuove 
costruzioni. Si evince che l’applicazione di tale tecnica avviene solo per grandi cantieri poiché la 
riuscita in situ richiede l’impiego di macchinari specifici (ad esempio il Pulvimixer) molto costosi.
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2.2 Caratteristiche dei materiali componenti la miscela 
 
2.2.1 Terra 
 
Una terra, affinchè risulti adatta alla stabilizzazione a calce, deve eseere di tipo limo-argilloso e 
avere indice di plasticità normalmente superiore a 10 (tipo A
6
-A
7
 di cui alla norma CNR-UNI 
10006). Possono essere stabilizzate a calce anche terre ghiaino-argillose (tipo A
2-6
 e A
2-7
) qualora 
presentino una frazione di passante al setaccio 0,4 UNI (200 ASTM) non inferiore al 35%. Le terre 
trattate a calce possono contenere percentuale di materiale organico inferiore all’1% e percentuale 
di solfati inferiore allo 0,3%, diversamente si deve addizionare una quantità di calce maggiore per le 
specifiche procedure di realizzazione. 
La curva granulometrica delle terre deve rientrare nel fuso riportato in figura 2.1: il diametro 
massimo degli elementi viene stabilito in funzione dell’impiego della miscela. 
 
 
Figura 2.1 – Fuso granulometrico delle terre per la stabilizzazione con calce 
 
2.2.2. Calce 
 
I tipi di calce da impiegare sono: 
- Calce viva macinata (CaO); 
- Calce idrata in polvere (Ca(OH)
2
). 
 
2.2.2.1 La formazione della calce 
 
La calce si ottiene dalla cottura del calcare ad elevata temperatura (>900°C) per ottenere la  
formazione degli ossidi di calcio e magnesio e di anidride carbonica secondo le seguenti reazioni 
che descrivono la decarbonatazione del calcare: 
CaCO
3
   →   CaO + CO
2
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MgCO
3
   →   MgO + CO
2 
 
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 o 
granulata, mentre la calce idrata ha un peso specifico più basso (≈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 
uniforme possibile. 
 
2.2.2.2. Processo di produzione della calce 
 
Il processo di produzione della calce può essere visto come un ciclo che porta un materiale 
ampliamente disponibile in natura, la pietra calcarea, a diventare il legante principale di gran parte 
delle opere costruttive realizzate dall’uomo negli ultimi anni. 
Il ciclo della calce è composto da tre fasi fondamentali: 
1. selezione del calcare: 
- Le caratteristiche mineralogiche e chimiche dei calcari usati come materia prima per 
la fabbricazione della calce sono di fondamentale importanza. I calcari più idonei 
alla fabbricazione della calce devono avere struttura microcristallina, alto contenuto 
di carbonati e devono contenere percentuali di impurità, in particolare di natura 
argillosa, non superiori al 5%; 
2. cottura: 
- In fase di cottura il calcare viene immesso nei forni e portato a una temperatura 
prossima a 900°C. In tali condizioni il carbonato di calcio si decompone in ossido di 
calcio (calce viva) e anidride carbonica. I forni per la produzione della calce 
attualmente in uso sono raggruppabili in tre famiglie: gli impianti con contenitore 
fisso “verticale” (forni verticali); gli impianti con contenitore “rotante” con asse sub-
orizzontale (forni rotanti); gli impianti misti, in cui possono essere compresi quelli 
non catalogabili nei due gruppi suddetti;
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3. spegnimento o idratazione: 
- La calce viva, messa a contatto con acqua, reagisce con un forte sviluppo di calore e 
si trasforma in una polvere bianca (o in una pasta) chiamata calce spenta, 
chimicamente idrossido di calcio. Tale processo avviene per mezzo di idratatori nei 
quali avviene il contatto ossido-acqua, nella figura 2.2 è schematicamente 
rappresentato il processo di spegnimento dell’ossido che avviene in un impianto di 
idratazione. 
La calce viva sotto forma di zolle viene prima introdotta in un frantoio a martelli (1) 
a una granulometria passante ai 15 mm; quindi perviene, con un elevatore a tazze (2) 
a un silo di deposito (3), e attraverso un dosatore (4) giunge ad una coclea (5) che 
fornisce una prima mescolazione con l’acqua. Il materiale finisce quindi nella vasca 
di spegnimento (6) in cui avviene la reazione vera e propria, accompagnata da un 
rimescolamento continuo. A causa del forte sviluppo di vapore si crea un letto 
fluidificato; le particelle già spente hanno un peso specifico minore e vengono 
estratte attraverso un dispositivo di sfioro (15) mentre le parti non spente rimangono 
più a lungo nella vasca di spegnimento e vengono successivamente allontanate. 
 
 
Figura 2.2 – Schema di un impianto di idratazione della calce 
 
Si tratta di uno schema semplificato, in quanto le trasformazioni chimico-fisiche che avvengono 
durante i diversi processi sono molto più complesse e articolate.
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2.2.3 Acqua 
 
L’acqua eventualmente necessaria per portare la miscela al tenore di umidità voluto, deve essere 
esente da impurità dannose (acidi) e da materie organiche. 
 
2.3 Reazioni conseguenti la stabilizzazione 
 
E’ interessante presentare schematicamente i meccanismi primari di reazione dei materiali trattati 
con calce riassumendo le informazioni che la letteratura fornisce in merito. Tali reazioni, così come 
i loro effetti, si possono classificare in reazioni ed effetti a breve e a lungo termine. 
 
2.3.1 Comportamento a breve termine 
 
A breve termine si verificano due meccanismi di reazione: il fissaggio chimico dell’acqua 
(essiccazione) e lo scambio cationico che causa la flocculazione delle argille. 
Il fissaggio chimico dell’acqua è una reazione fortemente esotermica che porta ad una sensibile 
riduzione del contenuto d’acqua del materiale trattato, o meglio, ad un generale essiccamento (si è 
constatato complessivamente che dopo due ore avviene un abbassamento del tenore in acqua del 
terreno di circa 1-1,5% per ogni 1% di calce aggiunta). 
La reazione di scambio cationico consiste nella sostituzione dei cationi sodio Na
++
, idrogeno H
+ 
e 
potassio K
+ 
presenti nel terreno, con gli ioni calcio Ca
++
 provenienti dalla dissociazione della calce. 
L’azione della calce produce la flocculazione e l’agglomerazione delle particelle di argilla 
aumentando l’indice dei vuoti della miscela. 
Nell’argilla “tal quale” i cristalli sono allineati e scorrono facilmente gli uni sugli altri; ciascun 
cristallo trattiene una notevole quantità d’acqua. Nell’argilla “trattata” le particelle si dispongono 
reciprocamente con gli spigoli puntati verso le altre superfici piane (come mostra la figura 2.3) e il 
volume d’acqua trattenuto da ciascuna particella è ridotto: ciò ne facilita la manipolazione. 
Le reazioni descritte modificano profondamente e molto rapidamente le proprietà geotecniche dei 
terreni argillosi, i loro effetti sono: 
- cambiamenti dei limiti di Atterberg con un aumento del limite plastico (W
P
) e riduzione 
dell’indice di plasticità che si ricorda essere I
p 
= W
L 
– W
P 
con W
L
 limite liquido;
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ARGILLA TAL QUALE     ARGILLA TRATTATA 
 
Figura 2.3 – Fenomeni di agglomerazione delle particelle di argilla 
 
- variazione della distribuzione granulometrica a causa della flocculazione delle particelle di 
argilla; 
- costipamento: la curva Proctor risulta appiattita e l’ottimo di densità secca si verifica con un 
tenore di acqua superiore: ciò comporta un aumento del valore dell’umidità ottima; si rileva 
inoltre una diminuzione della densità per effetto dell’aumento dell’indice dei vuoti; 
- riduzione del potenziale di rigonfiamento. Tale riduzione è dovuta sia alla diminuzione 
dell’affinità all’acqua del terreno trattato sia alla formazione di legami stabili nelle miscele, i 
quali si oppongono agli aumenti di volume; 
- ritiro, connesso alla perdita di umidità nella miscela terra-calce. Questo è un fenomeno di 
scarso rilievo poichè la calce migliora le caratteristiche originarie anche da questo punto di 
vista; 
- l’indice CBR può aumentare da 4 a 10 dopo sole 2 ore. 
 
2.3.2 Comportamento a lungo termine 
 
La reazione che si sviluppa a lungo termine è la cementazione (o reazione pozzolanica), una 
reazione chimica tra silice (SiO
2
),
 
allumina
 
(Al
2
O
3
)
 
e ferrite (Fe
2
O
3
), presenti nel terreno, e la calce 
disciolta che porta alla formazione di silicati e alluminati di calcio idrati. Questi, dopo essersi 
formati, creano strutture aghiformi che cementano tra loro i granuli della terra trattata con la calce, 
indurendola. Affinché la reazione proceda regolarmente è necessaria la presenza di una sufficiente 
quantità di acqua. La velocità di reazione (velocità di indurimento) aumenta o diminuisce 
all’aumentare o al diminuire della temperatura. 
Gli effetti sulla miscela di tale meccanismo  a lungo termine riguardano soprattutto le caratteristiche 
meccaniche, in particolare si è osservato: 
- aumento della resistenza valutata con prove di trazione o compressione;