Materiale Argilla Limosa Tout-Venant
4.1.4. Determinazione delle curve di compattazione
Nella costruzione di un argine in terra, è necessario procedere con mezzi idonei alla compattazione del materiale di riempimento, cioè alla riduzione dei vuoti interni al materiale, in modo da diminuire la compressibilità del terreno, aumentare la resistenza al taglio, ridurre la permeabilità e la tendenza ad assorbire l’acqua. La compattazione può essere definita come la tecnica per aumentare la densità dei terreni di riempimento per mezzo di adeguate attrezzature meccaniche.
Si definisce percentuale di compattazione (o compattazione relativa) il rapporto tra la densità secca di un terreno compattato in sito per mezzo di opportune attrezzature, e la densità secca dello stesso terreno compattato in laboratorio secondo una procedura standard. Considerando che il terreno è composto da uno scheletro solido e vuoti interni, l’aumento di densità va a ridurre gli spazi intergranulari, aumentare i punti di contatto tra le particelle ed incrementare le resistenze meccaniche. In effetti, si osserva sperimentalmente che, se lo sforzo di compattazione è mantenuto costante, la densità secca che si ottiene varia al variare del contenuto d’acqua. Per le particelle grossolane lo spessore della pellicola d’acqua è trascurabile nei confronti del diametro; il fenomeno è pertanto significativo soltanto per i terreni a grana fine, dove l’aggiunta di piccole quantità d’acqua favorisce il processo di addensamento. Inizialmente, per contenuti d’acqua molto bassi, la densità sale rapidamente al crescere del contenuto d’acqua: l’acqua agisce da lubrificante e favorisce l’avvicinamento delle particelle. Successivamente la densità secca raggiunge un valore massimo (definito come densità ottimale) dopodiché diminuisce, in quanto l’ulteriore aggiunta d’acqua tende a separare le particelle solide ed a ridurre i contatti intergranulari. Si ottengono dunque delle curve significative che mettono in relazione la densità secca ed il contenuto d’acqua. Supponendo a questo punto di aumentare lo sforzo di compattazione e di ripetere la sperimentazione precedente, la densità ottimale tende a crescere, in seguito alla maggiore energia di compattazione, mentre il contenuto d’acqua corrispondente diminuisce. Da queste osservazioni si può dunque concludere che la compattazione è una tecnica di stabilizzazione meccanica che ha come fine quello di produrre nella terra, utilizzata come materiale da costruzione, caratteristiche tali da renderla idonea a soddisfare una precisa esigenza progettuale. In particolare si può mirare
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ad ottenere: una riduzione del rigonfiamento dovuto a variazioni d’umidità, un aumento di resistenza al taglio, una riduzione della permeabilità, una diminuzione della compressibilità.
Prescindendo dagli effetti prodotti da un processo di compattazione sui differenti tipi di terra si ricorda che esiste una percentuale d’acqua, detta “optimum”, in corrispondenza della quale, a parità d’energia di costipamento, si ottiene il massimo grado di addensamento, ossia il peso di volume secco “maximum”.
Per simulare le differenti tecniche per la produzione in situ di un determinato grado di compattazione sono state elaborate numerose prove standard di laboratorio. Le più semplici e diffuse sono le cosiddette prove Proctor (dette anche prove AASHTO) da Proctor (1933), a cui fanno riferimento, nella quasi generalità dei casi, i capitolati nazionali ed internazionali. La terra, posta a strati in un recipiente metallico cilindrico, viene compattata per azione di un pestello a caduta libera. L’energia di costipamento può essere variata modificando il peso del pestello, l’altezza di caduta, il numero di colpi per strato e lo spessore degli strati. Si distinguono due differenti tipi di prove: la prova Proctor standard e la prova Proctor modificata.
La ripetizione della prova su più campioni di terreno, a diversa umidità, permette di tracciare la curva della densità secca in funzione del contenuto d’acqua applicato. Dall’analisi di quest’ultima è possibile stabilire il contenuto d’acqua ottimale e la corrispondente densità massima.
Nel nostro caso, è stata svolta la modalità di prova Proctor Standard, caratterizzata dalle seguenti caratteristiche:
Prova Peso Pestello
[kg] Altezza caduta [cm] Numero Strati [-] Numero Colpi [-] Standard 2.50 30.5 3 25
Tabella 4-8: Caratteristiche della prova Proctor Standard
La prova standard si esegue compattando strati successivi di terra (3) con un pestello standardizzato, lasciato cadere ripetutamente da un’altezza pari a 305mm; tale operazione può essere eseguita manualmente o, come nel caso in questione, meccanicamente. Per l’esecuzione della prova si deve disporre di:
• una fustella cilindrica metallica di elevata rigidezza che può essere di due diverse dimensioni, vedi tabella 4-9 e figura 4-18;
• un collare rigido, di diametro pari a quello della fustella ad essa congiungibile in testa e di altezza minima di 51 mm;
• un pestello cilindrico d’acciaio o, come nel nostro caso, un macchinario per la prova Proctor standardizzato (vedi figura 4-17);
• un contenitore dalla tara nota;
39 Diametro interno [mm] Altezza interna [mm] Volume [mm3] 101.8 116.6 949040
Tabella 4-9: caratteristiche geometriche della fustella utilizzata per la prova Proctor
Figura 4-18: fustella per prova Proctor Standard
Il primo passo della procedura è quello di sgretolare il materiale essicato in forno termostatico con l’aiuto di un pestello, in modo da ottenere tutto passante al setaccio ASTM40: va precisato che, secondo la normativa europea standard, questo requisito è valido solo per materiali aventi una frazione granulometrica superiore alle dimensioni del setaccio in esame inferiori o uguali al 7%, altrimenti si dovrebbe procedere alla sostituzione di quota parte di materiale o all’uso di una fustella più grande; per entrambi i materiali in esame si rientra nel requisito.
La quantità di materiale necessario per una singola prova è di circa 1.8 Kg: una volta eseguita la prova, visto che il terreno non viene minimamento inquinato con additivi o leganti, il materiale è riessiccabile e riutilizzabile.
Prima di compattare il materiale si annota il peso della fustella, completa di base, ma priva di collare. Avendo dunque a disposizione il quantitativo di terreno per ogni prova Proctor, si prepara il terreno al contenuto d’acqua previsto tramite un diffusore che permette un controllo semplice dell’acqua aggiunta e un’omogeneizzazione di umidità del materiale (figura 4-19).
Eseguita questa operazione si dispone il terreno nella fustella in 3 strati di ugual spessore: ciascuno strato viene compattato con 25 colpi di pestello. L’altezza finale del provino non dovrà essere per più di 6mm eccedente il limite superiore della fustella. Terminata la fase di compattazione il collare viene rimosso e la terra eccedente il bordo superiore della fustella viene eliminata.
Figura 4-19: Procedimento di aggiunta del contenuto d’acqua per prova Proctor
Figura 4-17: Pestello meccanico per prova Proctor
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Dopo aver pesato la fustella, completa di base, contenente il terreno compattato, si apre la fustella tramite i ganci laterali, si dispone con delicatezza il materiale compattato dentro una tara di peso noto, e si ottiene il peso umido del terreno per poi riporlo in forno termostatico per l’essiccazione; passate circa 24 ore e certi della completa evaporazione dell’acqua, si ripesa il terreno ottenendo il peso secco lordo. Il contenuto naturale d’acqua <, espresso in percentuale, viene ricavato attraverso la seguente espressione:
< "BC&"#C "#C&"' 100
dove - pul è il peso umido lordo - psl è il peso secco lordo - pt è il peso della tara
Tutte queste operazioni vengono ripetute su altri 3-4 campioni di terra, preparati variando di circa il 3% il contenuto d’acqua. In corrispondenza di ciascun valore dell’umidità < si ottiene una determinata densità secca che aumenta con <, per valori inferiori alla < “optimum” e decresce all’aumentare di < superiori alla < “optimum”. Noti il peso netto finale del campione D ed il volume interno E della fustella, si ricava il peso di volume umido e dal valore del contenuto naturale d’acqua il valore della densità secca del campione secondo le seguenti relazioni:
D "FB +$HGB
Se si fa variare il contenuto d’acqua del campione di terra in esame, mantenendo costante l’energia di costipamento e si rappresenta in un diagramma la variazione del peso di volume secco , o densità secca, in funzione del contenuto d’acqua <, come nominato sopra, si ottiene una curva a campana che presenta un massimo in corrispondenza di un certo contenuto d’acqua. Le coordinate di tale punto superiore (<, ) individuano rispettivamente il contenuto d’acqua optimum e la densità secca massima.
Nelle seguenti tabelle (tabella 4-10 e tabella 4-11) e figure (figura 4-20 e figura 4-21) vengono riportati i risultati di tale prova:
Materiale secco [g] 1961.6 1800.1 1800.4 1800.2
Quantità acqua [g] 235.4 (12%) 270.0 (15%) 324.1 (18%) 378.0 (21%)
Peso lordo provino umido [g] 5704 5822 5882 5842
Peso Tara [g] 3933 3933 3933 3933
Peso netto provino umido [g] 1771 1885 1945 1909
Densità umida [g/cm3] 1.866 1.990 2.054 2.012
Densità secca [g/cm3] 1.668 1.745 1.755 1.677
Peso secco lordo [g] 1672.8 1737.4 1722.0 1643.1
Peso tara [g] 92.5 98.3 93.5 92.6
Peso secco netto [g] 1580.3 1639.1 1628.5 1550.5
Umidità relativa media [%] 11.88 14.06 17.07 19.99
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Figura 4-20: Curva Proctor Standard dell’argilla limosa
Il risultato per l’argilla limosa è una quantità di umidità ottima wop = 15.6% ed un peso di volume maximum γd = 17.4 kN/m3.
Materiale secco [g] 2002.8 2007.9 2023 2038.4 2041.5
Quantità acqua [g] 240.3 (12%) 301.2 (15%) 424.8 (21%) 336.3 (16.5%) 183.7 (9%)
Peso lordo provino umido [g] 5936 5953 5924 5857
Peso Tara [g] 3933 3933 3933 3933
Peso netto provino umido [g] 2003 2020 1991 1924
Densità umida [g/cm3] 2.110 2.128 2.098 2.027
Densità secca [g/cm3] 1.890 1.858 1.809 1.866
Peso secco lordo [g] 1876.9 1829.9 1783.5 1864.4
Peso tara [g] 92.5 98.4 92.5 93.5
Peso secco netto [g] 1784.4 1731.5 1691.0 1770.9
Umidità relativa media [%] 11.65 14.54 15.95 8.63
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Figura 4-21: Curva Proctor Standard per il Tout-Venant (misto)
Per il Tout-Venant è stato riscontrato un contenuto ottimo d’acqua wop = 12.4% e un peso di volume maximum γd = 18.58 kN/m3.
Osservazione
Nella tabella 4-11 una delle colonne è vuota: questo perchè si è riscontrato, con una percentuale di contenuto d’acqua pari al 21%, un’impossibilità di compattazione poichè il materiale risulta eccessivamente liquido e non consistente: questo ha portato ad ispezionare percentuali inferiori.
Conclusioni
In conclusione possiamo riassumere le caratteristiche dei due materiali nella tabella 4-12:
Materiale Argilla Limosa Tout-Venant
Contenuto in acqua optimum wop [%] 15.6 12.4
Peso di volume maximum γd [kN/m3] 17.4 18.6 Tabella 4-12: Caratteristiche di compattazione ottima dei materiali studiati