Consolidamento dei Terreni con Iniettori per Miscele Chimiche: Tecnologie e Applicazioni

Il consolidamento dei terreni rappresenta un insieme di tecniche ingegneristiche volte a migliorare le caratteristiche geotecniche dei suoli, in particolare la loro capacità portante, la resistenza al taglio e la stabilità volumetrica, riducendo al contempo la compressibilità e i cedimenti. Tale necessità emerge frequentemente nella costruzione di nuove opere, nel risanamento di strutture esistenti che presentano cedimenti o lesioni, e nella stabilizzazione di pendii o scavi. Tra le diverse metodologie disponibili, un ruolo di crescente importanza è assunto dalle iniezioni di miscele chimiche, che offrono soluzioni efficaci, talvolta meno invasive e con tempistiche di esecuzione ridotte rispetto ai metodi più tradizionali.

Classificazione degli Interventi di Consolidamento del Terreno

La letteratura geotecnica riconosce diverse classificazioni degli interventi nel terreno. Una distinzione sommaria e puramente indicativa categorizza le sottofondazioni in due tipologie principali: superficiali e profonde. Le sottofondazioni superficiali possono includere le classiche sottomurazioni, realizzate con ampliamento e/o approfondimento del piano di posa, oppure attraverso l'uso di solette e/o cordoli in calcestruzzo armato. Le sottofondazioni profonde, invece, sono eseguite con pali in calcestruzzo armato, che possono essere trivellati di tipo convenzionale o, più frequentemente, con sezione ridotta (micropali: Ø ≤ 300 mm).

Altri metodi di modifica del terreno includono quelli termici, che agiscono attraverso il riscaldamento o il congelamento del terreno stesso. Tuttavia, è fondamentale sottolineare che questa classificazione, benché utile, è spesso indicativa, poiché gli interventi reali sono frequentemente il risultato di una combinazione di diversi processi meccanici, idraulici, fisici e chimici.

Iniezioni di Miscele: Evoluzione e Tipologie

Storicamente, nel consolidamento delle fondazioni, la tecnica delle iniezioni a base cementizia ha assunto un rilievo particolare, rientrando nella categoria degli interventi con modifiche fisiche e chimiche. Le iniezioni possono essere realizzate con metodi di idrofratturazione (claquage) e spostamento, in cui le miscele iniettate ad alta pressione creano fessure che vengono successivamente riempite con stratificazioni, reticoli o bulbi concentrati.

Oltre alle miscele cementizie, che sono comunemente utilizzate in terreni granulari, eventualmente stabilizzate con bentonite e/o additivi disperdenti, in terreni fini o per la soluzione di problematiche complesse si ricorre a prodotti chimici. Si parla di iniezioni chimiche quando, in particolari condizioni e tipologie del terreno da trattare, si impiegano miscele costituite da prodotti chimici quali miscele poliuretaniche, acriliche, epossidiche, silicatiche, etc. Questi possono essere impiegati sia nella fase di preconsolidamento, quando le condizioni del terreno (ad esempio, la presenza di acqua) lo richiedono, sia per il consolidamento definitivo.

Una prima suddivisione dell’ampia tipologia di prodotti chimici impiegabili può essere fatta in funzione della granulometria (decrescente) del terreno da trattare.

Iniezioni Poliuretaniche Espandenti

Le più comuni resine espandenti per il consolidamento dei terreni fanno parte della famiglia dei poliuretani. La resina poliuretanica ad elevata pressione di espansione, come quella di Uretek, è una resina di polimeri uretanici (poliuretani) bicomponente, costituita da una speciale miscela di polioli e isocianato. Questi componenti, reagendo chimicamente fra loro, determinano un cambiamento di stato da liquido a solido e provocano un forte incremento di volume all’aria libera con rapida formazione di un materiale plastico ed inerte, a basso peso di volume finale e altamente resistente.

L’iniezione nel sottosuolo comporta lo sviluppo di notevoli pressioni nel terreno trattato a causa del confinamento esistente. Queste pressioni sono in grado di addensare e/o precomprimere il terreno in funzione della sua granulometria e dello stato tensionale esistente in situ. La reazione chimica avviene anche in condizioni di completa sommersione in falda del terreno.

La finalità di un intervento di consolidamento con tali polimeri, diversamente da quanto accade per le sottofondazioni superficiali e profonde, è quella di migliorare considerevolmente le caratteristiche meccaniche ed idrauliche del terreno di fondazione di una costruzione, all’interno del volume geotecnico significativo esistente. Nel caso di manufatti in cedimento con fondazioni dirette, la filosofia di intervento prescinde sia dal concetto di ampliare/approfondire la base della fondazione per ridurre i carichi unitari al suolo (azioni), sia da quello del trasferimento in profondità dei carichi con immorsamento in strati di terreno più rigidi.

La normale espansione che la resina avrebbe in condizioni non confinate è parzialmente impedita a seguito della sua immissione nel sottosuolo. Da un punto di vista geotecnico, l’effetto sul terreno circostante è un incremento dei due parametri di stato di un qualsiasi mezzo particellare: la densità e lo stato tensionale. La resina viene iniettata nel terreno allo stato liquido, a bassa pressione, ma a seguito di una reazione chimica esotermica cambia rapidamente il suo stato fisico da liquido a solido, con conseguente aumento di volume.

Nei terreni granulari, il meccanismo di espansione si esplica determinando un processo di permeazione e contestuale compattazione in un intorno significativo del punto o dell’asse di iniezione, in relazione alla metodologia operativa adottata. Il processo è del tutto assimilabile alle iniezioni compattanti (compaction grouting) realizzate mediante immissione in pressione nel sottosuolo di conglomerati cementizi di elevata viscosità.

Nei terreni coesivi, il meccanismo di espansione determina una fratturazione idraulica e la formazione di un fitto reticolo di inclusioni solide che producono un mezzo precompresso relativamente più rigido nell’intorno significativo del punto o dell’asse di iniezione. Tale processo avviene in un tempo molto breve e in maniera circoscritta alle zone di iniezione nell’ammasso di terreno.

Esistono molteplici combinazioni nelle miscelazioni possibili dei componenti e le varie resine esistenti non hanno tutte le stesse caratteristiche prestazionali. La resina indurita nel terreno ha un peso di volume variabile grossomodo tra 1,50 e 3,00 kN/m³, proporzionale al confinamento esistente. Tali valori sono molto bassi in confronto ai pesi di volume delle miscele cementizie classiche e non producono appesantimenti nel terreno trattato, escludendo l’occorrenza di cedimenti a profondità maggiori.

Resina MAXIMA® del metodo GEOSEC®

MAXIMA® è un sistema poliuretanico bi-componente espandente a celle prevalentemente chiuse ed omogenee, dove la schiuma è costituita da polimero solido per circa il 5% del volume e dalla restante parte di fase gassosa. La reazione chimica utilizza l’acqua come agente espandente nel pieno rispetto delle direttive comunitarie contro ogni forma di inquinamento atmosferico. Il formulato chimico è caratterizzato da una reazione chimica irreversibile molto veloce rispetto ai comuni poliuretani industriali proprio per rimanere all’interno del volume significativo del terreno di fondazione. Terminata la reazione chimica, dopo circa qualche minuto, il sistema si stabilizza mantenendo uno stato inerte rigido e stabile, racchiudendosi in una pellicola di protezione continua ed impermeabile all’esterno, perfettamente resistente all’azione di funghi, batteri e dei principali agenti chimici aggressivi.

La resina espandente MAXIMA® raggruppa una famiglia di sistemi a differenti densità di lavoro per garantire la miglior prestazione nei diversi impieghi. Infatti, ogni problema e dunque ogni soluzione GEOSEC® raccomandano e prevedono una precisa resina d’iniezione caratterizzata da una differente densità che possiamo considerare variabile tra 0,3 kN/m³ e 11 kN/m³. La resina espandente MAXIMA® del metodo GEOSEC®, alle differenti densità può garantire una resistenza alla compressione anche notevole secondo valori simili o superiori a quelli di una generica portanza del terreno di fondazione per costruzioni edili senza appesantire ulteriormente il terreno come avverrebbe con iniezioni di cementi.

Una delle proprietà fondamentali per la buona riuscita di qualsiasi intervento di consolidamento del terreno è la stabilità dimensionale, ovvero la proprietà di un materiale di mantenere nel tempo e nelle diverse condizioni di esercizio le sue dimensioni originarie e la sua forma. Questa prestazione dipende da diverse caratteristiche che in genere per i poliuretani da consolidamento delle fondazioni sono la dilatazione termica e l'incurvamento sul gradiente termico. Ne consegue che in tutti i casi l’omogeneità della schiuma concorre a determinare la tipologia della prestazione. Anche per questo gli impianti di iniezione devono essere progettati e realizzati con sistemi di controllo della miscelazione e dei principali parametri di reazione, diffidando da macchinari riadattati inizialmente concepiti per usi differenti dall’iniezione nei terreni.

Iniezioni Poliuretaniche Consolidanti (senza aumento di volume)

I consolidanti organici sono polimeri sintetici, detti comunemente resine sintetiche. Molti polimeri termoplastici hanno una certa solubilità, caratteristica importante per il consolidamento in quanto ne permette l'impiego in soluzione. A differenza delle espandenti, queste resine non aumentano di volume in modo significativo, ma permeano il terreno e lo consolidano legando le particelle.

Iniezioni Acriliche ed Epossidiche

Queste trovano impiego come iniezioni di rinforzo strutturale, di consolidamento dei terreni e di impermeabilizzazione, creando una barriera chimica contro la risalita capillare dalle pareti in mattoni o pietra. Sono particolarmente adatte per migliorare la coesione in terreni granulari e per sigillare fessure.

Iniezioni con Nano-silicati

La silice colloidale è una sospensione acquosa in cui sono disperse particelle di silice di dimensioni infinitesimali che non tendono a sedimentare e con viscosità paragonabile a quella dell’acqua. Il tempo di gelificazione è regolato con un additivo. Per ottenere il gel basta mescolare la silice colloidale con una debole soluzione di acqua e cloruro di sodio (10%) prima del pompaggio. Più si incrementa la soluzione salina, più rapido è il tempo di gelificazione in modo da poter limitare l’intervento alle zone previste. È una sostanza ecocompatibile e durabile nel tempo, essendo composta semplicemente da ossido di silicio, acqua e sale. Queste iniezioni sono ideali per terreni a granulometria fine e per creare barriere impermeabilizzanti.

Metodologie e Attrezzature di Iniezione

La resina viene iniettata attraverso dei tubi in acciaio nei quali è spinta dall’azione meccanica di una pompa fino a fuoriuscire nel terreno da consolidare. Esistono diversi schemi e metodi di iniezione:

Schema di Intervento Uretek Multipunto

In questo schema, la resina fuoriesce contemporaneamente da predeterminate coppie di fori presenti sulla superficie laterale del condotto di iniezione infisso nel terreno. La pressione di iniezione non è elevata e non è particolarmente rilevante ai fini della buona riuscita dell’intervento; il grado di addensamento/compressione del terreno è infatti funzione solo della pressione di espansione della resina a parità di terreno e di condizioni operative.

Metodo Tradizionale TAM (Tubes A’ Manchettes)

Ad oggi uno dei sistemi di iniezione più comunemente utilizzato è il TAM (Tubes A’ Manchettes) che prevede l'impiego di canne valvolate (in PVC, metalliche o in VTR) da posizionare e sigillare nei fori in precedenza eseguiti nel terreno da iniettare. All’interno di un foro eseguito nel terreno, o nel mezzo da trattare, viene inserita una speciale canna in materiale sintetico o metallico dotata, alla profondità da trattare, di una serie di coppie di fori radiali posti ad intervalli regolari (variabili in genere da 33 a 100 cm); ciascuna coppia di fori è protetta da un collare esterno di gomma con funzione di valvola di "non ritorno" della miscela iniettata dall'interno di questa canna forata.

L’intercapedine anulare tra detta canna e foro viene cementata con miscela a bassa resistenza (guaina) prima dell'inizio del trattamento. La successiva iniezione della miscela in pressione avviene con l’ausilio di un packer doppio (double packer) che viene inserito all'interno del tubo valvolato in corrispondenza delle singole valvole. Il pompaggio della miscela in pressione provoca la rottura della guaina sigillante e permea il terreno circostante. Un doppio "packer" calato all'interno delle canne fa sì che la miscela venga iniettata valvola per valvola a pressione e volumi controllati e, se necessario, viene ripetuta a distanza di tempo anche con differenti tipi di miscela.

Per le iniezioni in terreni sciolti o in rocce degradate, si utilizzano tubi valvolati e installati nel terreno dopo la perforazione. Le valvole sono generalmente costituite da manicotti in gomma, posizionati sopra sezioni di tubo opportunamente punzonate, che dilatandosi sotto pressione consentono l’uscita della miscela, ma ne impediscono il ritorno. L’iniezione è eseguita isolando le singole sezioni con un doppio otturatore di espansione.

Iniezioni in Roccia Fessurata

L'iniezione in roccia fessurata viene realizzata direttamente nel foro aperto. In questo caso, si possono distinguere sistemi in avanzamento o in risalita, a seconda della direzione di avanzamento dell'iniezione all'interno del foro.

Pompe e Packer per Iniezione

Master Spray Technology produce apparecchiature di iniezione per il consolidamento del terreno, offrendo una vasta gamma di soluzioni: pompe monocomponenti e bicomponenti per iniettare resine acriliche e sistemi di iniezione per resine poliuretaniche. Queste includono apparecchiature elettriche, pompe pneumatiche e pompe a trapano. I sistemi Master Spray Technology possono essere ancorati a tutti i tipi di packer da iniezione.

Ca.Ti. Carnica Tiranti Srl è in grado di offrire diverse tipologie di packer per tubi di varie dimensioni. Le valvole sono dei cilindri in gomma ad elevata resistenza ed elasticità inserite ad intervalli fissi su di una tubazione in PVC. La caratteristica di queste valvole è quella di poter essere aperte dalla pressione di iniezione della boiacca di cemento e richiudersi non appena viene interrotta l'iniezione stessa. L'interasse più comune delle valvole è di 0,5/1m. Il packer viene introdotto nel tubo in PVC tramite una tubazione semirigida in tipo geberit e collegato all'impianto di iniezione.

La procedura di iniezione IRS (iniezioni ripetute e selettive) corretta, prevede l'introduzione di un packer all'interno del tubo in PVC sino al fondo dello stesso. Si effettua quindi l'iniezione delle singole valvole procedendo dal basso verso l'alto del tratto di bulbo del tirante. Se si verificano valori molto alti della pressione (circa 70 bar) a cui seguirà un'immediata sospensione del trattamento puntuale, si potrà affermare di aver ottenuto un buon miglioramento locale del bulbo.

Vantaggi e Applicazioni degli Interventi con Miscele Chimiche

Le iniezioni di resina poliuretanica ad elevata pressione di rigonfiamento di Uretek, ad esempio, hanno assunto un ruolo imprescindibile nella valutazione degli interventi per il consolidamento dei terreni di fondazione. In particolare, laddove esista il raggiungimento di uno Stato Limite di Esercizio indotto da eccessivo cedimento differenziale e/o assoluto, le soluzioni Uretek sono sempre alternative alle sottofondazioni e a tecniche di iniezione con miscele a base cementizia o chimica di tipo più tradizionale.

Questi metodi sono applicabili con bassa invasività e tempistiche di esecuzione ridotte rispetto a metodi più tradizionali su tutte le granulometrie di terreno. La presenza di falda acquifera non costituisce un problema per il buon esito dell’intervento e possono essere interessati edifici di ogni impegno costruttivo, dalla struttura in muratura portante ad un livello fuori terra, alle strutture intelaiate in calcestruzzo armato. Gli oneri di cantierizzazione sono praticamente assenti e non si hanno limitazioni di esecuzione in condizione di accesso difficile.

Le iniezioni in aggiunta ad elementi di armatura puntuale sono dei validi coadiuvanti per la stabilizzazione dei pendii. Spesso per migliorare le caratteristiche dei terreni che devono costituire una barriera all’acqua vengono trattati con iniezioni cementizie. Terreni sabbiosi e limosi, spesso soggetti a cedimenti, possono beneficiare significativamente di queste tecniche.

I cedimenti dei terreni di fondazione possono diventare un grande problema per le strutture; se non si interviene in modo tempestivo con interventi di iniezione di resine espansive mirati, si rischiano problematiche che vanno ben oltre le crepe nel muro. Le iniezioni di resine permettono di:

• Consolidare i terreni di fondazione di edifici che hanno subito lesioni e cedimenti per cause naturali od antropiche.
• Stabilizzare opere di scavo.
• Incrementare il bulbo di ancoraggio dei tiranti geotecnici.
• Migliorare la tenuta dei giunti di diaframmi.
• Distribuire più uniformemente il carico, riducendo le sollecitazioni concentrate nel terreno e aumentando la capacità portante.
• Aumentare la sicurezza delle infrastrutture sovrastanti, particolarmente utile in aree collinari e montuose, dove i pendii sono più soggetti a movimenti franosi.

Monitoraggio e Verifiche Post-Intervento

Il miglioramento del terreno può essere verificato direttamente mediante l’esecuzione di prove geotecniche comparative di vario tipo, eseguite in corso d’opera, ante e post intervento, nel pieno rispetto di quanto previsto nelle Norme Tecniche per le Costruzioni. La Norma Tecnica fa riferimento anche al monitoraggio degli interventi di consolidamento geotecnico. Palingeo si occupa della redazione del progetto in base alle caratteristiche del terreno e dell’intervento richiesto, del tipo di miscela da utilizzare e dei parametri di iniezione da adottare. Le miscele vengono confezionate e pompate con l’utilizzo di centrali di iniezione.

Compatibilità Ambientale e Stabilità delle Resine

Per valutare il rischio ambientale, dovendosi iniettare nel terreno al di sotto di fabbricati civili, è fondamentale che i prodotti siano sottoposti a test specifici di laboratorio. Ad esempio, l’Istituto Giordano s.p.a. di Rimini ha eseguito test per valutare la compatibilità ambientale della resina MAXIMA® di GEOSEC®. Non essendo disponibile una norma tecnica di riferimento per resine da iniezione, gli ingegneri hanno stabilito un approccio di indagine rigoroso che non considera la resina un semplice rifiuto, ma si concentra su "cosa dobbiamo concretamente temere". Questo approccio è risultato più vicino alla realtà di cantiere, riferendosi a un test di cessione più rigoroso di quello adottato normalmente per i rifiuti. Il test è stato eseguito volutamente su campioni interamente di resina MAXIMA® per esasperarne le condizioni di partenza, ponendo poi in acido acetico 0,5 M e analizzando sull’eluato tutti gli elementi relativi alla tabella 2 titolo V parte IV del D. Lgs. 152/06, un elenco di gran lunga superiore alla normativa rifiuti (D.M. 186/2006, che prevede solo 20 elementi).

In concreto, gli ingegneri dell’Istituto Giordano hanno di fatto considerato l’approccio diagnostico utilizzato in opere di confinamento e stabilizzazione fisica o chimica di siti contaminati (specie da metalli pesanti) per i quali resta identico il contenuto totale (mg/kg), ma diminuendo entro i limiti di tabella 2 titolo V parte IV del D. Lgs. 152/06 - la lisciviazione ed il possibile rischio ambientale. I risultati hanno dimostrato come i campioni di resina MAXIMA® siano risultati tutti inferiori ai valori limite imposti, laddove in molti casi addirittura in quantità talmente minime tali da risultare irrilevanti. Sono disponibili per i clienti i certificati di laboratorio prodotti dall’Istituto Giordano s.p.a.

La resistenza della resina all'aggressione chimica è stata valutata in funzione della perdita di volume subita in seguito ad esposizione prolungata. Soltanto in due casi precisi (con presenza di acido nitrico concentrato ed acido solforico concentrato) non si può parlare di resistenza, in quanto il materiale al semplice contatto si distrugge completamente. In tutti gli altri casi, la stabilità della resina è garantita. GEOSEC ha sottoposto periodicamente campioni di prodotto resina all’Istituto Giordano per test specifici di verifica, e i risultati ottenuti sui campioni hanno dimostrato la perfetta rispondenza alle norme vigenti a tutela dell’ambiente (D.Lgs. 152/06).

Considerazioni Finali sulle Iniezioni Chimiche

Le iniezioni di resine espandenti offrono un'alternativa valida e spesso preferibile a metodi più tradizionali, specialmente quando si tratta di interventi in edifici esistenti o in situazioni con difficoltà logistiche. La bassa invasività, le ridotte tempistiche di esecuzione e l'efficacia su diverse tipologie di terreno, anche in presenza di falda acquifera, le rendono una soluzione versatile.

La ricerca e sviluppo in questo settore è continua. Ca.Ti. Carnica Tiranti Srl, ad esempio, è sempre attiva nella ricerca e sviluppo di prodotti e soluzioni, come i tiranti già provvisti di tubo valvolato installato nel corpo stesso dell’ancoraggio, possedendo delle tubazioni elastiche che permettono di produrre il tubo in barra unica-senza giunzioni e arrotolabile. Questi progressi tecnologici contribuiscono a rendere gli interventi di consolidamento sempre più mirati, efficienti e sicuri.

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