backfill)
Con il termine inglese "mine backfill" ci si riferisce alle operazioni di riempimento di vuoti di coltivazione mineraria presenti in sotterraneo, finalizzate allo stoccaggio dei residui di estrazione e/o arricchimento dei minerali, o per funzioni ingegneristiche di stabilizzazione: ne costituiscono un esempio il riempimento di spazi vuoti tra gallerie adiacenti, o la realizzazione di strutture di sostegno dei pilastri di coltivazione (Belem e Benzaazoua, 2004).
Lo stoccaggio dei residui minerari in sotterraneo consente di limitare l'impatto ambientale associato alle attività estrattive. Vengono infatti ridotti i volumi degli sterili depositati in discariche o nei bacini di decantazione, che occupano vaste superfici. Inoltre si previene l'innesco di processi ossidativi e di lisciviazione dei rifiuti. Viene infatti limitato il contatto con l'acqua e l'ossigeno che possono dar luogo ad eluati ricchi di contaminanti.
Inoltre, il flusso delle acque sotterranee in genere si mantiene periferico alla massa di riempimento, per la bassa permeabilità del materiale consolidato.
I materiali di scarto utilizzati includono roccia sterile, residui di processi di arricchimento mineralurgico, aggregati di cava, sabbia alluvionale o eolica ecc. Questi vengono spesso miscelati con cemento o altri leganti pozzolanici al fine di incrementare le proprietà di resistenza del prodotto consolidato.
Le operazioni di backfilling si dividono in 3 classi: riempimenti idraulici (hydraulic backfill), riempimenti con materiale roccioso (rock backfill), riempimenti con malta (paste backfill). A causa del basso costo e dell'elevata resistenza acquisita dalle miscele, questa ultima tipologia di tecnica è quella attualmente più diffusa (Yilmaz et al., 2003).
Il trasporto e deposito delle miscele avviene generalmente per pompaggio, con pressioni di esercizio che vanno da meno di 1 MPa a valori al di sopra di 5 MPa, a seconda del regime di flusso dei fanghi e delle caratteristiche chimico-fisiche degli stessi (Henn, 2003).
Un aspetto peculiare di queste operazioni è rappresentato dall'economicità degli interventi: il cemento in genere costituisce il 75% del costo totale dell'intera opera di riempimento.
E' necessario dunque limitare la proporzione di legante da utilizzare nella costituzione delle miscele, senza tuttavia ridurne le prestazioni fisico-meccaniche (Fall e Benzaazoua, 2003; Belem e Benzaazoua, 2004).
Al fine di limitare i costi delle operazioni di backfilling, sono state studiate miscele in cui una percentuale di cemento è stata sostituita con materiali pozzolanici, come ad esempio le fly ash: proporzioni di cemento Portland e fly ash pari 0,8:0,2, e miscelati a sterili mineralurgici, hanno dimostrato un incremento di circa il 30% della resistenza a compressione semplice, passando da circa 12 MPa con solo cemento, a valori al di sopra di 15 MPa (Manca P.P. et al., 1984). La parziale sostituzione del cemento con fly ash può altresì migliorare la resistenza all'attacco chimico dei solfati.
Oltre alle ceneri volanti, possono essere usate loppe di alto forno, che consentono di ottenere una coesione doppia rispetto a quella ottenuta utilizzando fly ash (518 e 244 kPa rispettivamente), e tre volte superiore se confrontata con le miscele realizzate con solo cemento (162 kPa) (Belem et al., 2000).
I valori di coesione sono strettamente correlati alla percentuale di legante adottata per costituire la miscela: all'aumentare della proporzione di legante utilizzata, aumenta la coesione e diminuisce l'angolo di attrito interno (Belem et al., 2000).
Il materiale di riempimento in genere è caratterizzato da un modulo di elasticità di circa 500MPa ed è tipicamente uno o due ordini di grandezza meno rigido rispetto alle rocce circostanti. Lo scopo del riempimento è quello di non trasmettere le sollecitazioni esterne e ridurre il rilassamento della massa rocciosa, al fine di conservare la capacità di carico.
Le operazioni di backfilling possono, in certi casi, essere finalizzate esclusivamente al riempimento di una cavità, pertanto non sono necessarie resistenze elevate del materiale utilizzato, se non quelle sufficienti a garantire la stabilità propria. Se invece il riempimento deve resistere a delle sollecitazioni da parte delle rocce incassanti, l'utilizzo di leganti idraulici conferisce al materiale resistenze a compressione semplice che vanno da 0,75 a 4 MPa.
L'aggiunta di basse percentuali di cemento Portland, tra il 3 e 6% in peso, permette lo sviluppo della forza coesiva e conferisce alla massa di riempimento capacità autoportanti. I valori di coesione che normalmente vengono raggiunti con queste percentuali di legante vanno da 250 a 500kPa.
Rispetto alle usuali malte cementizie, il rapporto acqua/cemento è considerevolmente superiore: in genere si attesta tra 5 e 10, con resistenze a compressione di 0,05 - 3,5 MPa, di gran lunga inferiori se confrontate ad una miscela classica di cemento realizzata con rapporti a/c pari a 0,5 (25 - 35 MPa).
Inoltre, l'impiego di sterili di trattamenti mineralurgici, caratterizzati da granulometrie molto fini, da luogo a performance di resistenza inferiori rispetto ad un conglomerato realizzato con un aggregato standard.
E' estremamente importante studiare le caratteristiche chimico, fisiche e minero- petrografiche dei residui minerari (granulometria, composizione, reattività, contenuto d'acqua ecc.) in quanto da esse dipendono le proprietà meccaniche della miscela di riempimento. (Lawrence, 1992; Ouellet et al. 1998; Mitchell e Wong, 1989; Benzaazoua et al., 1999a, Benzaazoua et al. 1999b; Bernier et al., 1999; Benzaazoua e Belem 2000).
Le caratteristiche meccaniche possono variare enormemente nel corso del processo di maturazione.
La miscela deve essere progettata in modo che raggiunga il valore prescelto di resistenza a compressione nell'arco di 28 giorni di maturazione. La miscela ottimale dunque è strettamente legata alle caratteristiche specifiche dello sterile e alla tipologia di legante utilizzata.
La composizione degli sterili minerari può dar luogo al deterioramento del conglomerato: la presenza di solfati nei rifiuti è, talvolta, causa della formazione di ettringite e gesso, che determinano fenomeni di rigonfiamento e perdita, nel lungo periodo, di resistenza a compressione semplice.
Le stesse condizioni ambientali presenti in sotterraneo possono favorire reazioni ossidative dei minerali presenti negli sterili, producendo eluati che potrebbero contaminare le acque sotterranee, anche per tempi lunghi.
In alcuni casi, le forme in cui si trovano i contaminanti nel materiale di riempimento, potrebbero essere più solubili rispetto al minerale originario (MEMI, 2006).
E' dunque importante studiare le caratteristiche mineralogiche della miscela, la tendenza a generare percolati acidi, le cinetiche di reazione e la potenziale cessione di contaminanti, sia nel breve che nel lungo periodo.
Il pre-trattamento del rifiuto può dunque essere una strategia operativa efficace per evitare o ridurre al minimo il rilascio di contaminati nell'ambiente.
A tal proposito, dunque, le tecniche di S/S mediante leganti idraulici, descritte nel Capitolo 1, possono essere adottate per la riduzione della capacità di cessione dei contaminanti da parte del rifiuto e conferire allo stesso quelle proprietà fisiche necessarie per una operazione di backfilling.