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L’applicazione dell’elettrocinesi in applicazioni in situ è stata messa appunto per la prima volta da Casagrande tra gli anni 1930–1950 [??], che ha utilizzato il processo elettrosmotico per la stabilizzazione dei terreni.
Il più importante tra i fenomeni elettrocinetici, dal punto di vista dell’ingegneria geotecnica è sicuramente quello elettrosmotico, visto e considerato gli effetti indotti sul comportamento geotecnico, dal movimento dell’acqua nel terreno, soprattutto in termini di variazioni della pressione neutra e quindi dello stato tensionale.
Di seguito, vengono descritti e messi in evidenza i risultati pubblicati da alcuni autori, riguardo la sperimentazione delle tecniche elettrosmotiche in terreni a grana fine.
? mettono, per la prima volta, in relazione il movimento dell’acqua nei pori del terreno con il suo chimismo e con il relativo aumento di ioni positivi e negativi. Mettono inoltre in relazione il flusso elettrosmotico ipotetico con la velocità di migrazione degli ioni positivi e negativi. Conducono inoltre la sperimentazione su una grande quantità di argille, mettendo in evidenza il differente flusso elettrosmotico nei vari casi. Ma cosa più importante mettono in evidenza che gli effetti del chimismo dell’acqua nei pori è molto importante per la com- prensione della complessità del fenomeno e che una grande concentrazione di ioni positivi e negativi incrementa il flusso elettrosmotico. Studiano inoltre l’effetto del contenuto d’acqua del suolo nei confronti del flusso elettrocinetico, mostrando che ad un alto contenuto d’acqua corrisponde un grande permeabilità elettrosmotica.
? mette invece in evidenza l’effetto delle proprietà chimico–fisiche del suolo e del fluido nei pori sul flusso elettrosmotico. La sua sperimentazione, condotta su una grande varietà di argille omogenee dal punto di vista mineralogico, ha permesso la determinazione del flusso elettrosmotico causato dall’applicazione di un campo elettrico. Dimostra inoltre che la formazione degli ioni idrogeno, dovuti all’elettrolisi dell’acqua all’anodo, interagiscono con la superficie delle particelle di argilla e inducono un’alterazione dello zeta potenziale. Per
4.9 I fenomeni elettrocinetici applicati ai problemi geotecnici
questo motivo, secondo l’autore, il flusso elettrosmotico decrementa all’aumentare del tempo di applicazione del campo elettrico.
I cambiamenti elettrochimici in un suolo inducono un cambiamento irreversibile delle sue proprietà. Per esempio l’introduzione di alcuni cationi, può alterare la struttura del suolo e può comportare un possibile miglioramento del suo comportamento, sia geochimichico che geotecnico3.
Sostanziali cambiamenti del pH, dei limiti di Attemberg, del contenuto d’acqua e della resistenza al taglio, sono stati determinati sperimentalmente, su argille illitiche, da ? durante le loro ricerche sul rinforzo delle terre basate sull’impiego dei metodi elettrosmotici.
La variazione di tutti questi fattori non è omogenea attraverso il campione, infatti la spe- rimentazione ha messo in evidenza che la posizione relativa tra gli elettrodi è uno tra i più importanti fattori di caratterizzazione, visto che al variare della posizione relativa, variano i livelli di trattamento del terreno. Infatti la resistenza al taglio e i limiti di Atterberg aumentano dal catodo all’anodo. Questa variazione delle proprietà chimico–fisiche, indotte nel terreno, tra gli elettrodi, ha molte implicazioni nei casi di applicazione dei fenomeni elettrocinetici ai casi reali, dove il posizionamento degli elettrodi avviene nelle tre dimensioni4.
? esaminano l’effetto del posizionamento degli elettrodi in due dimensioni, mettendo in evidenza che la maggiore efficienza di trattamento si ha sempre lungo la congiungente a due elettrodi, rispetto alle zone periferiche in cui l’effetto del campo elettrico risulta attenuato.
? analizzano una grande varietà di configurazione degli elettrodi in termini di efficenza di rimozione degli ioni, in termini di costi di applicazione e di altri parametri (vedi Sezione 4.8.8 a pagina 53).
Il ruolo fondamentale dello scambio ionico nel trattamento elettrochimico del suolo è stato studiato da ?, che hanno ricercato gli effetti dell’introduzione di ioni alluminio in una determinata specie di argille. L’interesse per questa analisi deriva dall’osservazione che l’uso di elettrodi di alluminio o di ferro comporta l’introduzione nella soluzione acquosa, a quindi nel suolo, di specifici ioni metallici. La conclusione a cui ? sono arrivati e che il miglioramento delle caratteristiche geotecniche del suolo è dovuto anche allo scambio ionico (mutazione delle caratteristiche mineralogiche del suolo) e non solo alla riduzione del suo contenuto d’acqua.
Recenti lavori [?] sono stati incentrati sul rinforzo dei terreni teneri. L’esperienza di laboratorio ha dimostrato sostanziali incrementi in termini di resistenza al taglio anche dopo brevi periodi di trattamento. Le esperienze sul campo [?], utilizzando una grande varietà di configurazione degli elettrodi ha confermato il miglioramento della resistenza geomeccanica, anche se di entità inferiore a quelli osservati nelle esperienze di laboratorio. Questo dimostra l’importanza del fattore di scala del fenomeno.
In maniera molto simile ? e ? effettuarono uno studio sul rinforzo dei sedimenti marini
3è noto che l’introduzione di ioni calcio, aumenta l’effetto dello scambio ionico sul miglioramento delle proprietà
geomeccaniche dei terreni (indurimento elettrochimico)
4. I processi elettrocinetici
utilizzando i metodi elettrocinetici e svilupparono un metodo per migliorare la capacità por- tante delle fondazioni in mare aperto. I successivi test di carico dimostrarono un aumento del 30% della capacità portante delle fondazioni, dopo un unico trattamento elettrocinetico.
L’effetto della variazione del pH durante il trattamento elettrocinetico è molto importante, visto che cambia molte delle caratteriste del suolo. Questo effetto viene contrastato dalla naturale capacità tampone del suolo per gli ioni H+
e OH− attraverso reazioni chimiche
oppure attraverso l’adsorbimento nella matriche solida del suolo.
L’effetto del pH rispetto allo zeta potenziale e stato discusso da ?, soprattutto in riferi- mento a valori molto bassi del pH. Questi effetti sono stati anche descritti in profondità da ? che, in particolare, mette in relazione la variazione dello zeta potenziale con il pH e con l’adsorbimento degli ioni metallici. Lo stesso autore descrive anche la resistenza del suolo al cambiamento del pH (capacita tampone acido/base).
Tra le applicazioni in situ dell’elettrocinesi in ambito geotecnico troviamo:
• il miglioramento della capacita portante dei pali di fondazione [?] in cui l’incremento della resistenza al taglio dovuto sia alla riduzione del contenuto d’acqua (dewatering) sia all’effetto dello scambio ionico, aumenta la capacità di attrito dei pali e quindi la loro capacità portante;
• la riduzione dell’alta pressione neutra in ”West Branch Dam, Ohio (USA)” [?] attraverso l’applicazione del dewatering elettrosmotico che ha permesso la rapida prosecuzione dei lavori di costruzione della stessa;
• il miglioramento delle fondazioni in un impianto di trattamento delle acque [?]. Il trat- tamento elettrosmotico lungo in pendio di una ferrovia ha permesso lo scavo per la costruzione in progetto, senza creare pericolo per la linea ferroviaria;
• il miglioramento del terreno per la costruzione di una linea ferroviaria e per una diga in British Columbia, Canada [?].