La messa in opera della barriera impermeabile

La barriera impermeabile viene creata per strati compattati successivi (ad esempio per successione di 2-3 strati). Per “compattazione” si intende la tecnica che consente di aumentare la densità dei terreni per mezzo di adeguate attrezzature meccaniche. Ha come fine quello di produrre nella terra caratteristiche tali da renderla idonea a soddisfare specifiche esigenze progettuali. In particolare si può mirare ad ottenere il miglioramento della resistenza al taglio, la riduzione della permeabilità e la diminuzione della compressibilità. La struttura di un’argilla compattata impermeabile dipende dai seguenti fattori:

-tecnica di posa;

-contenuto d’acqua e densità; -conducibilità idraulica;

-procedura ed energia di compattazione; -dimensioni delle aggregazioni;

-spessore dello strato; -essiccazione.

Tali fattori sono controllabili attraverso un’accurata scelta del tipo di terreno e delle procedure di posa in opera. Come è noto un terreno è costituito da particelle solide e da vuoti intergranulari, riempiti di aria e acqua. Il meccanismo di addensamento comporta la diminuzione dello spazio intergranulare, l’aumento del numero di punti di contatto fra le particelle solide e conseguente miglioramento della resistenza al taglio. Si osserva sperimentalmente che, se l’energia di compattazione si mantiene costante, la densità secca varia al variare del contenuto d’acqua. Le particelle di terreno sono circondate da film d’acqua, il cui spessore dipende dall’umidità presente nel terreno. Quando tale film raggiunge un certo spessore, le particelle sono libere di scorrere. Nel caso di terreni a grana grossa, lo spessore di queste

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specie di pellicole d’acqua è trascurabile nei confronti del diametro delle singole particelle di terreno; il fenomeno è pertanto significativo solo nei terreni a grana fine, dove l’aggiunta di piccole quantità d’acqua favorisce il processo di addensamento.

Per un determinato terreno esiste un valore di densità secca massima (definito Maximum) e un corrispondente contenuto d’acqua ottimale (definito Optimum) per ciascun livello di energia di compattazione applicata. L’obiettivo di una prova di compattazione è pertanto quello di ricercare, per un dato terreno, il contenuto d’acqua per il quale, ad una data energia di compattazione, corrisponde l’addensamento massimo. Quindi vengono realizzate sia delle prove di compattazione per individuare la curva di densità secca in funzione del contenuto d’acqua (Figura 1.25), sia delle prove di conducibilità idraulica su campioni di materiale compattato a contenuti d’acqua superiori all’optimum. Se si ottengono valori di conducibilità idraulica inferiori a quelli richiesti da normativa, il materiale potrà essere utilizzato nella costruzione della barriera di impermeabilizzazione. L’energia di compattazione utilizzata per le analisi di laboratorio deve simulare per quanto possibile quella prevista in sito. L’energia di compattazione Proctor modificata rappresenta un ragionevole limite superiore dello sforzo di compattazione applicabile in sito, mentre l’energia Proctor Standard rappresenta il valore medio di compattazione. Un’argilla che presenta un contenuto d’acqua uguale o leggermente superiore dell’optimum può essere compattata alla massima densità secca possibile e risulta caratterizzata dalla minima conducibilità idraulica. Se un’argilla presenta un contenuto d’acqua eccessivo, essa può perdere consistenza ed essere dotata di una resistenza al taglio molto bassa, che condiziona i materiali di diversa natura posti sulle pareti laterali di una discarica.

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Figura 1.25 densità secca e conducibilità idraulica in funzione del contenuto d’acqua e dell’energia di compattazione (fonte: Sistemi barriera).

Ipotizzando di voler creare una barriera spessa 50 cm composta da 2 strati di materiale fine (30 cm+30 cm), si procede alla stesura del primo strato di 30 cm. Dopo il passaggio dei mezzi di compattazione, tale spessore si ridurrà a 25 cm. Si segue lo stesso procedimento per il secondo strato, fino ad ottenere una barriera finale di 50 cm (25 cm+25 cm). Ogni sottile strato deve necessariamente poggiare su una superficie piana regolare (“piano di posa”), per questo nel caso le ruote dei mezzi di compattazione lasciassero un’impronta importante, si procede con operazioni di spianamento/livellamento. Inoltre questo meccanismo di compattazione può portare a vie preferenziali di filtrazione nel caso di contatto incompleto degli strati. È necessario quindi procedere alla scarificazione e al controllo dell’umidità naturale superficiale di ciascun sottile strato. Qualora l’insolazione e l’alta temperatura ambientale creassero polvere sul piano di imposta o sulla superficie degli strati, e in taluni casi essiccassero e fratturassero il terreno con conseguente aumento della conducibilità idraulica complessiva anche di 2-3 ordini di grandezza, si dovrà necessariamente procedere all’umidificazione della superficie fino alla stesura dello strato successivo, oppure alla sigillatura con sigillanti bituminosi, o alla copertura con geomembrane. Il metodo della compattazione per strati sottili successivi consente di ottenere una distribuzione

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omogenea sia dal punto di vista del contenuto d’acqua sia dell’energia di compattazione in tutto l’intero spessore della barriera impermeabile. In genere vengono condotte prove, dette “metodo della sabbia tarata” per analizzare l’effettivo grado di compattazione dell’intera barriera.

Le operazioni di compattazione normalmente vengono eseguite utilizzando un rullo statico con peso non inferiore alle 12 tonnellate e pressione di contatto al piede tra i 25 ed i 35 kg/cmq. I rulli compattatori operano in maniera sistematica, su strisce parallele più lunghe possibili, con una sovrapposizione non inferiore ai 20 cm. La loro velocità operativa non supera i 4 km/h. Qualora fossero presenti zolle di terra di grandi dimensioni, oltre al mezzo appena citato viene impiegato un rullo a piede di pecora, costituito da un pneumatico dotato di piedi di ferro, che compenetrando le zolle d’argilla esercita un’azione di punzonamento in grado di ridurre di dimensione gli aggregati ottenendo un terreno più possibile disgregato, incrementandone in questo modo anche l’impermeabilità.

Prima di compattare il terreno è buona norma condurre analisi sul contenuto d’acqua, precedendo all’aggiunta di acqua nebulizzata nel qual caso il contenuto d’umidità risultasse inferiore all’optimum. Il nebulizzatore consente di distribuire l’acqua in maniera omogenea su tutta la superficie, evitando la formazione di pozzanghere sulla superficie di stesa. Se al contrario il contenuto d’acqua risultasse maggiore dell’optimum, il terreno viene steso e atteso qualche giorno affinché si asciughi. Piccoli aggiustamenti del contenuto d'acqua possono essere apportati con una certa rapidità prima della compattazione, mentre grandi aggiustamenti (più del 3%) non possono essere implementati immediatamente prima di compattare, stante la limitata conducibilità idraulica del terreno, che deve avere il tempo di umidificare o essiccare uniformemente. In questo caso, è necessario bagnare o essiccare il terreno avendo cura di rimescolarlo durante la fase di bagnatura (o essiccazione) e di attendere il tempo necessario affinché raggiunga una sufficiente uniformità. Non si potrà procedere alla compattazione se le analisi eseguite sui campioni prelevati in cantiere mostrano uno scarto superiore al 5% dall’umidità ottimale determinata in laboratorio con il metodo Proctor Standard. Il corretto numero di passate del rullo e dello spessore ottimale degli strati sarà determinato all’inizio dei

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lavori di compattazione dopo aver eseguito un campo prova. Qualora le prove di densità in sito eseguite in tale momento provassero che la densità specificata non può essere raggiunta con le prescrizioni limite, il numero di passate richiesto potrà essere incrementato o lo spessore degli strati diminuito; in ogni caso il numero di passate non potrà mai essere superiore a 14.

La buona o cattiva esecuzione di uno strato di argilla compattata è indicata dal valore della porosità effettiva, che indica il rapporto tra il volume dei pori, attraverso i quali si sviluppa effettivamente il moto di filtrazione, ed il volume totale. La porosità effettiva di un’argilla compattata non può essere maggiore della sua porosità totale. La velocità di filtrazione vs di un fluido attraverso un mezzo poroso, nella direzione del gradiente idraulico i, è inversamente proporzionale alla sua porosità effettiva ne:

𝑣_𝑠 = ^𝑣 𝑛_𝑒 ⁼

𝑘 ∙ 𝑖 𝑛_𝑒

dove con v è indicata la velocità media di filtrazione, calcolata con la legge di Darcy, e con k la conducibilità idraulica. Nel caso in cui vengano trascurati gli effetti della diffusione e dell’attenuazione chimica, il tempo di attraversamento ta

della barriera di argilla è pari al rapporto d/vs (dove d è lo spessore dello strato della barriera) ed è proporzionale alla porosità effettiva. Alla luce di quanto detto è pertanto auspicabile che le procedure di compattazione dello strato di argilla portino ad ottenere una porosità effettiva quanto più prossima alla porosità totale; in tal caso infatti il tempo di attraversamento dello strato risulterebbe massimo.