Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2005 - IARG 2005 Ancona, 29 giugno-1 luglio 2005
Giacomo Simoni e Giovanni Vannucchi
POTENZIALITÀ E LIMITI DEI
PENETROMETRI AMBIENTALI
Giacomo Simoni, Giovanni Vannucchi
Dipartimento di Ingegneria Civile – Università degli Studi di Firenze e-mail: gsimoni@dicea.unifi.it, giovan@dicea.unifi.it
Sommario
Sono presentati alcuni risultati della più recente sperimentazione di laboratorio condotta con il piezocono con modulo per la misura della resistività elettrica (RCPTU) ed il penetrometro con modulo per la misura della fluorescenza (FFD) al fine di verificarne le potenzialità ed i limiti nelle indagini geotecniche ambientali in sito. L’attività sperimentale ha permesso di verificare, per le misure eseguite con piezocono RCPTU, l’influenza della concentrazione di NaCl in tre diverse sabbie e l’influenza della percentuale in peso di argilla in sabbia, mentre, mediante le misure effettuate con penetrometro FFD, è stata analizzata l’influenza della natura e della granulometria di sei diversi tipi di materiale, della concentrazione di alcuni idrocarburi in sabbia e del contenuto di argilla in sabbia.
Introduzione
I sistemi di indagine in sito finalizzati all’individuazione e perimetrazione di siti contaminati hanno avuto un rapido sviluppo negli ultimi anni; alle tecniche tradizionali, che prevedevano l’esecuzione di scavi e/o fori di sondaggio ed il campionamento dei materiali da sottoporre a prove di laboratorio, si sono affiancate tecniche di indagine indiretta che, oltre ad evitare il diretto contatto degli operatori con sostanze che possono risultare nocive, permettono un notevole risparmio di tempo ed economico.
Le tecniche di indagine in sito a fini ambientali più incoraggianti sono quelle che si avvalgono delle prove penetrometriche statiche (CPT); infatti, oltre che al riconoscimento stratigrafico e alla caratterizzazione meccanica dei terreni attraversati, ai penetrometri statici può essere richiesta la misura di alcune caratteristiche chimico-fisiche del terreno da correlare alla presenza di inquinanti.
Nel presente lavoro sono presentati alcuni dei recenti risultati della sperimentazione di laboratorio condotta con l’obiettivo di valutare le potenzialità ed i limiti di due tipi di penetrometro ambientale1: il piezocono dotato di sensore per la misura della resistività elettrica (RCPTU) ed il penetrometro a fluorescenza (FFD), per terreni aventi diversa natura e diversa granulometria e al variare della concentrazione di alcuni contaminanti quali il cloruro di sodio e cinque diversi idrocarburi policiclici aromatici.
Sperimentazione con il piezocono con modulo per la misura della resistività RCPTU Il piezocono RCPTU è un apparecchio che, oltre alle consuete misure effettuabili mediante piezocono (resistenza di punta qc, attrito laterale fs, e pressione del fluido interstiziale u), permette di misurare la conducibilità elettrica, C, ovvero la resistività elettrica, ρ = 1 / C.
L’attività sperimentale di laboratorio, condotta misurando in condizioni statiche la conducibilità, è stata preceduta dalla verifica dell’assenza di effetti di bordo dovuti al
1 I primi risultati della ricerca condotta con tale obiettivo sono riportati in Simoni e Vannucchi, 2004.
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2005 - IARG 2005 Ancona, 29 giugno-1 luglio 2005
Giacomo Simoni e Giovanni Vannucchi
diametro del contenitore cilindrico2. Le misure di conducibilità elettrica sono state effettuate utilizzando quattro diversi tipi di terreno e soluzioni acquose a diversa concentrazione di cloruro di sodio.
I materiali utilizzati nella sperimentazione sono tre sabbie di diversa natura, con diversi coefficienti di uniformità, U, e di curvatura, C (sabbia A: sabbia ghiaiosa silicea, U = 4.1 e C
= 1.2; sabbia B: sabbia silicea U = 2.9 e C = 1.3; sabbia C: sabbia ghiaiosa calcarea, U = 44.1 e C = 4.6) e una argilla bianca (argilla a: CL, wL = 45%, wP = 18%). Alcuni dei principali risultati della sperimentazione condotta con piezocono con modulo per le misure della resistività sono riportati nelle Figure 1 e 2.
In Figura 1 sono confrontate le misure di conducibilità eseguite in acqua con quelle condotte sulle tre sabbie sature per diversi valori della concentrazione di sale. I risultati della sperimentazione, avvenuta alla stessa temperatura (T = 6°C) e con provini realizzati in modo da avere la stessa porosità (n = 36.3%), mostrano che: la legge che meglio si adatta alle misure sperimentali è una funzione di potenza del tipo C =a⋅Salb (nella quale: C è la conducibilità, Sal è la concentrazione di NaCl, mentre a e b sono costanti sperimentali); le regressioni trovate per le tre sabbie sono molto simili.
In Figura 2 sono confrontati i risultati della sperimentazione su sabbia calcarea satura per due diversi valori della concentrazione di sale finalizzata a valutare l’influenza del contenuto di fine. La figura, nella quale i valori di conducibilità in ordinata sono stati normalizzati con il valore che tale grandezza assume in assenza di argilla (C0 = 31.3mS/m in mancanza di NaCl e C0 = 381.1mS/m per 100g/l di NaCl), evidenzia che vi è una sostanziale indipendenza della conducibilità dalla frazione di fine alle alte concentrazioni di sale, mentre a basse concentrazioni di NaCl, all’aumentare di argilla, si assiste ad una marcata riduzione della conducibilità da imputarsi alla capacità di scambio cationico che, a basse concentrazioni di sale, diviene un fattore apprezzabile.
2 La sperimentazione condotta in tale direzione ha permesso di verificare che il diametro ottimale del contenitore di plastica, ovvero tale da non influenzare le misure di resistività, è di 200mm (la capacità di penetrazione del campo elettrico trovata è risultata circa pari a 40mm, ovvero il doppio della distanza tra gli elettrodi, come riportato da altri autori, Davies e Campanella, 1995).
Figura 1: Misure con RCPTU in acqua e in tre diverse sabbie sature. Dipendenza della conducibilità dalla concentrazione di cloruro di sodio.
Figura 2: Misure con RCPTU in sabbia calcarea satura per due diverse concentrazioni di NaCl. Dipendenza della conducibilità dalla percentuale in peso di argilla (a).
1 10 100 1000 10000
0,1 1 10 100
Concentrazione NaCl [g/l]
C [mS/m]
Acqua
Sabbia silicea (A) Sabbia silicea (B) Sabbia calcarea (C)
0,50 0,75 1,00 1,25 1,50
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12%
Percentuale in peso di argilla [%]
C/C0 [-]
0g/l di NaCl 100g/l di NaCl
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2005 - IARG 2005 Ancona, 29 giugno-1 luglio 2005
Giacomo Simoni e Giovanni Vannucchi
Sperimentazione con il penetrometro per la misura della fluorescenza (FFD)
I primi risultati della sperimentazione di laboratorio, Simoni e Vannucchi (2004), si differenziano dai più recenti per alcune modifiche occorse al penetrometro FFD. Infatti, le più recenti misure di fluorescenza, sono state precedute dalla sostituzione della lampada ai vapori di mercurio perché esaurita. La nuova calibrazione dei due sensori, avvenuta in tale occasione, ha portato a cambiamenti sostanziali dei valori di riferimento per le tarature iniziali con cartoncini. In particolare le misure di taratura hanno subito riduzioni dell’ordine dell’80%
con entrambe i sensori impostati a guadagno nullo.
I materiali utilizzati nella sperimentazione sono le stesse tre sabbie (A, B e C) e la stessa argilla (a) descritte sopra, e altre due argille (argilla b: argilla rossa, CL, wL = 46%, wP = 20%;
argilla c: argilla bianca, CL, wL = 25%, wP = 17%). Come contaminanti sono stati impiegati cinque diversi idrocarburi: antracene, C14H10; benzene, C6H6; 2-metilnaftalene, C11H10; naftalene C10H8 e toluene, C7H8. Alcuni dei risultati della sperimentazione recente condotta con il penetrometro FFD sono riportati nelle Figure 3, 4, 5 e 6.
Le misure di fluorescenza effettuate nei sei terreni asciutti, Figura 3, indicano che, in assenza di fluido interstiziale, la fluorescenza sembra essere prevalentemente condizionata dal colore del materiale. Utilizzando acqua dolce per saturare il terreno si è osservato che i valori di fluorescenza assumono i valori caratteristici dell’acqua, analogamente a quanto rilevato da altri autori (Pasqualini et al., 2001); mentre, utilizzando acqua contaminata dai 5 idrocarburi per saturare i terreni, sono stati registrati valori di fluorescenza circa dieci volte inferiori a quelli che si hanno per la sola soluzione. In Figura 4 sono riportate le misure di fluorescenza condotte in sabbia calcarea (C), utilizzando diverse soluzioni acquose contaminate con i cinque idrocarburi in diverse concentrazioni. La figura mostra che: l’emissione di fluorescenza in funzione della concentrazione di antracene, 2-metilnaftalene e di naftalene seguono approssimativamente una legge iperbolica fino al limite massimo di solubilità delle sostanze; la fluorescenza misurata per i diversi contaminanti risulta direttamente legata al numero di anelli benzenici, ovvero aumenta al crescere del numero di atomi di carbonio presenti nelle molecole costituenti il contaminante.
In Figura 5 sono riportate le misure di fluorescenza effettuate sulle tre sabbie utilizzando come contaminante il naftalene a diverse concentrazioni. La Figura 5 mostra che, per bassi valori della concentrazione di naftalene in soluzione, il valore di fluorescenza misurato per le sabbie silicee decresce raggiungendo valori inferiori a quelli registrati in presenza di sola
Figura 3: Misure con FFD in acqua pulita e in sei diversi terreni asciutti. Dipendenza della fluorescenza dal colore del materiale.
Figura 4: Misure con FFD, S1-g0, in sabbia calcarea per diverse concentrazioni di 5 idrocarburi. Dipendenza della fluorescenza dalla concentrazione del contaminate.
0 10 20 30 40 50 60 70
Argilla (a) Sabbia (C) Argilla (c) Sabbia (A) Sabbia (B) Argilla (b) Acqua
Fluorescenza [mV]
S1-g0 S2-g0
0 50 100 150 200 250
0 200 400 600
Concentrazione [mg/l]
Fluorescenza [mV]
Antracene Benzene 2-Metilnaftalene Naftalene Toluene
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2005 - IARG 2005 Ancona, 29 giugno-1 luglio 2005
Giacomo Simoni e Giovanni Vannucchi
acqua; superati poi i 50mg/l, la fluorescenza torna a crescere con l’aumentare della concentrazione. Le riduzioni, registrate per i più bassi valori della concentrazione, sono imputabili alla riduzione di trasparenza che si verifica fino ad una data concentrazione d’inquinante oltre la quale prevale invece l’effetto fluorescente della soluzione. I valori di fluorescenza registrati per la sabbia C sono risultati più alti di quelli relativi alle due sabbie silicee principalmente perché questa, essendo di colore chiaro, riflette maggiormente il raggio luminoso. La Figura 6 mostra i risultati della sperimentazione condotta su sabbia silicea (B), saturata con una soluzione acquosa con 200mg/l di antracene o naftalene, finalizzata a valutare l’influenza del contenuto di argilla bianca (a). La sperimentazione ha mostrato che sono sufficienti poche particelle di argilla (1%) per abbattere valori di fluorescenza elevati come quelli emessi da sabbia saturata con una soluzione ad alto tenore di antracene.
Conclusioni
Le potenzialità dei penetrometri ambientali nel compiere indagini finalizzate all’individuazione e delimitazione di siti contaminati sono note ormai da tempo. I principali limiti nell’impiego di tali strumenti a fini ambientali sono legati alla constatazione che tali apparecchi risentono delle specificità del caso in esame, ovvero: della natura e granulometria del terreno; del tipo di contaminante da ricercare e della sua concentrazione e, talvolta, dall’usura della strumentazione stessa. La sperimentazione condotta ha permesso di verificare, per le misure eseguite con RCPTU, l’influenza della temperatura, della porosità del terreno, del tipo di sabbia, della frazione di argilla in sabbia e della concentrazione di sale in soluzione, e per le misure eseguite con FFD, l’influenza della porosità del terreno, della concentrazione di gasolio, della concentrazione di cinque diversi idrocarburi policiclici aromatici, del tipo di sabbia, della frazione di argilla in sabbia e, non ultima, dell’usura stessa dell’apparecchiatura.
Riferimenti bibliografici
DAVIES,M.P.,CAMPANELLA,R.G.(1995)–Piezocone technology: downhole for the geoenviromental characterization of soil. Proc. SAGEEP 95, Orlando, Florida.
PASQUALINI,E.,FRATALOCCHI,E,PERONI,N. (2001) - Sonde penetrometriche per la caratterizzazione dei siti inquinati. Atti delle conferenze di geotecnica di Torino XVIII ciclo, Indagini in sito per la caratterizzazione meccanica ed ambientale del sottosuolo.
SIMONI,G.,VANNUCCHI,G. (2004) – Potenzialità e limiti dei penetrometri ambientali (primi risultati).
Atti dell’Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica, 7-9 Luglio, Trento.
Figura 5: Misure con FFD, S1-g0, in tre diverse sabbie contaminate con naftalene.
Dipendenza della fluorescenza dal tipo di sabbia e dalla concentrazione di contaminante.
Figura 6: Misure con FFD, S1-g0, in sabbia (B) saturata con soluzione acquosa a 200g/l di antracene o naftalene. Dipendenza della fluorescenza dalla percentuale in peso di argilla (a).
0 10 20 30 40 50 60
0 200 400 600
Concentrazione [mg/l]
Fluorescenza [mV]
Sabbia (C) Sabbia (B) Sabbia (A)
0 40 80 120 160 200
0 10 20 30
% di argilla in peso
Fluorescenza [mV]
Antracene Naftalene
