Capitolo 3 MACCHINARI UTILIZZATI NELL’AMBITO DELLA
3.1. ANALISI COMPARATIVA SULLE MODALITA ` D
3.1.1. Compattazione Proctor
La prova Proctor, descritta nelle normative UNI EN 13286-2:2005 e CNR BU 69/73, consiste nel porre della terra a strati in un recipiente metallico cilindrico e compattarla sotto l’azione di un pestello a caduta libera.
Costipando un terreno con un certo grado di umidità, si ottiene un buon assestamento delle particelle del suolo. Aumentando leggermente il contenuto di acqua, l’assestamento continua e ciò è dovuto alla migliore lubrificazione tra le particelle sotto l’azione del carico dinamico. Quando il contenuto di acqua supera un certo limite, la densità del terreno tende a diminuire in quanto l’acqua incomprimibile, dopo aver occupato i vuoti, tende ad assorbire l’energia di costipamento non consentendo l’avvicinamento tra i grani.
La densità secca massima , si raggiunge quando il terreno contiene acqua nella giusta misura (umidità ottimale ) in modo che il costipamento minimizzi il contenuto di vuoti. In generale l’ottimo contenuto di acqua diminuisce con l’aumentare dell’energia di costipamento. L’energia di compattazione può essere variata modificando il peso del pestello, l’altezza di caduta, il numero di colpi per strato e lo spessore degli strati. Il metodo di addensamento AASHTO descritto in seguito cerca di riprodurre la densità che si ottiene in sito con pesanti mezzi di compattazione.
Se si fa variare il contenuto di acqua w del campione di terra in esame, mantenendo costante l’energia di costipamento, riportando in un diagramma la variazione del peso di volume secco γ in funzione dell’umidità w, si ottiene una curva a campana che presenta un massimo (figura 3.1).
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Figura 3.1 – Curva di addensamento e curva di saturazione riportate in un diagramma umidità – densità secca.
Andando verso contenuti di acqua elevati la curva di costipamento è all’incirca parallela alla curva di saturazione, individuata calcolando il contenuto di acqua w necessario per saturare il materiale per ciascun valore di peso di volume secco γ .
La sua equazione è:
γ 1 w · GG
· γ
forma particolare della relazione valida per un generico grado di saturazione Sr:
γ S S· G
w · G · γ
dove:
w
· 100 = contenuto di acqua espresso in percentuale;
G = peso specifico dei grani;
S = grado di saturazione espresso in percentuale.
Se per una stessa terra si varia l’energia di compattazione fornita con lo stesso metodo, si ottiene una famiglia di curve con andamento simile a quello in figura 3.2.
Densità secca γS [g/cm3] Umidità w [%] Curva di addensamento wott γS,max Curva di saturazione
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Figura 3.2 – Famiglia di curve di addensamento Proctor ottenute con diversi livelli di energia.
Al crescere dell’energia di costipamento aumenta il peso di volume secco massimo e diminuisce il contenuto d’acqua ottimo. La linea che congiunge i punti di massimo per curve di regressione a diversa energia di costipamento si dispone circa parallela alla curva di saturazione e per contenuti di acqua molto elevati le curve corrispondenti alle diverse energie tendono a confondersi in un’unica linea.
Ciò significa che per una data apparecchiatura di costipamento e per un certo contenuto di acqua c’è un grado di saturazione massimo che può essere ottenuto indipendentemente dall’energia di costipamento. Pertanto un aumento dell’energia di costipamento è più efficace quando si lavora con contenuto di acqua inferiore a quello ottimale.
Le parti dell’apparecchiatura di costipamento normalizzata da cui dipende l’energia fornita al materiale sono il pestello e lo stampo.
L’AASHTO ha normalizzato due differenti modalità di compattazione a diversi livelli di energia:
• AASHTO Standard
• AASHTO Modificato
Si differenziano in virtù del peso e dell’altezza di caduta del pestello (tabella 3.1) e del numero di strati in cui il materiale viene inserito. La nuova normativa europea ha
Densità secca γS [g/cm3] Umidità w [%] Compattazione MODIFICATA Compattazione STANDARD CURVA DI SATURAZIONE
LINEA DEI PUNTI DI MASSIMO
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introdotto un nuovo livello di energia, chiamato “Extra”, caratterizzata da energia di costipamento molto elevata ed impiegata per materiali di grandi dimensioni.
Tabella 3.1 – Caratteristiche dei pestelli usati per le diverse modalità di compattazione.
NORMATIVA MODALITA` DI COMPATTAZIONE CARATTERISTICHE DEL PESTELLO Peso [kg] Diametro [mm] Altezza di caduta [mm] UNI EN 13286-2:2005 STANDARD 2,50±0,02 50,0±0,5 305±3 MODIFICATO 4,50±0,04 50,0±0,5 457±3 EXTRA 15,00±0,04 125,0±0,5 600±3 CNR BU 69/73 STANDARD 2,495±0,005 51,0±0,5 305 MODIFICATO 4,535±0,005 51,0±0,5 457
Il pestello è movimentato da un macchinario che lo solleva automaticamente fino all’altezza normata quindi lo lascia cadere sul materiale (figura 3.3); dopo ogni colpo la base del compattatore ruota e trasla in modo da imprimere il colpo successivo in una zona limitrofa ma non sovrapposta alla precedente.
Figura 3.3 – Macchinario di costipamento Proctor; si notano il pestello che può muoversi all’interno di una guida e la base su cui viene appoggiato lo stampo che può ruotare e traslare.
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I risultati di una prova standard vengono utilizzati generalmente per lo studio di rilevati di vario tipo mentre quelli della prova modificata riguardano particolarmente i terreni di sottofondo, i materiali per i rilevati ed i materiali per le pavimentazioni stradali ed aeroportuali.
L’altro parametro che influenza l’energia di costipamento è il numero di colpi, funzione del tipo di stampo.
Gli stampi (figura 3.4) utilizzati storicamente sono due:
• Stampo piccolo
• Stampo grande.
La normativa europea ne ha aggiunto un terzo denominato “Extra Large” per materiale di pezzatura molto grande.
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Figura 3.4 – Stampo Proctor. Da notare i fermi e le viti per il montaggio delle varie attrezzature.
Durante la compattazione è necessario montare sulla parte superiore dello stampo un collare per contenere il volume eccedente (altezza minore di 1 cm) di materiale compattato che andrà successivamente rimosso: questa operazione è necessaria per assicurare una maggiore uniformità nella compattazione del terreno eliminando la parte che più risente dell’effetto di bordo.
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Tabella 3.2 – Caratteristiche degli stampi che è possibile utilizzare per confezionare il provino.
NORMATIVA MODALITA` DI COMPATTAZIONE CARATTERISTICHE DEL PESTELLO Diametro interno (d1) [mm] Altezza interna (h1) [mm] Altezza del collare [mm] UNI EN 13286-2:2005 PICCOLO 100,0±1,0 120,0±1,0 ≥ 50 GRANDE 150,0±1,0 120,0±1,0 “EXTRA LARGE” 250,0±1,0 200,0±1,0 CNR BU 69/73 PICCOLO 101,6±0,2 116,4±0,2 ≥ 51 GRANDE 152,4±0,2 116,4±0,2
Il criterio di scelta dello stampo definito dalle normative è il passante a determinati setacci (tabella 3.3).
Tabella 3.3 – Criterio per la scelta dello stampo da utilizzare.
NORMATIVA PERCENTUALE DI PASSANTE [%] STAMPO
UNI EN 13286-2:2005
UNI 16 mm UNI 31,5 mm UNI 63 mm
100 - - PICCOLO GRANDE da 75 a 100 100 - GRANDE < 100 da 75 a 100 100 GRANDE - < 75 da 75 a 100 EXTRA LARGE CNR BU 69/73 UNI 5 mm UNI 25 mm 100 > 75 PICCOLO GRANDE < 100 > 75 GRANDE
In tabella 3.4 sono riassunte le energie di compattazione fornite al materiale in funzione della modalità AASHTO scelta e dello stampo utilizzato, ricordando che lo stampo “extra large” è presente solo nella normativa europea.
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Tabella 3.4 – Riepilogo delle energie di compattazione e del numero di strati in cui inserire il materiale.
MODALITA` DI COMPATTAZIONE
STAMPO
PICCOLO GRANDE EXTRA LARGE
STANDARD 3 strati 3 strati 3 strati
25 colpi 56 colpi 22 colpi
MODIFICATO 5 strati 5 strati 3 strati
25 colpi 56 colpi 98 colpi
Entrambe le specifiche consigliano di effettuare almeno cinque determinazioni con umidità crescente del 2 – 3 %. Da ogni provino si ricavano l’umidità e la densità secca, che inserite in un grafico w – γS ed analizzate tramite una curva di regressione di
secondo grado forniscono i parametri w e γ , cercati.