Classificazione delle miscele (reologia)

Le miscele di iniezione possono essere suddivise in sospensioni instabili, stabili, soluzioni colloidali, soluzioni pure e emulsioni gassose. Una tale suddivisione è determinata dalle loro caratteristiche reologiche, la cui determinazione viene di solito fatta in laboratorio dove si misurano i parametri di viscosità, di densità, di rigidità, di pompabilità per le miscele cementizie e di sedimentazione.

Vi sono poi le verifiche meccaniche che si eseguono su campioni di materiali iniettati, giunti a maturazione; la principale di queste verifiche è quella allo schiacciamento che si esegue come per i provini di calcestruzzo, per mezzo di una pressa.

La viscosità è misurata con frazioni di unità poise in laboratorio con il viscosimetro, o in cantiere utilizzando l’imbuto di Marsh. Per quanto concerne le miscele cementizie non si parla però di viscosità, dato che non dimostrano un comportamento di fluidi reali, ma di consistenza, e viene comunque mantenuta l’unità di misura in poise.

In base al comportamento reologico le miscele possono essere classificate in:

  • sospensioni instabili: la loro fase solida tende a sedimentare quando la miscela non è mantenuta in agitazione o comunque in movimento. Sono ad esempio le sospensioni di cemento puro in acqua, adatte al trattamento di rocce fessurate ma non all’impregnazione di terreni incoerenti in generale.

Questo tipo di miscele è soggetto alla sedimentazione e alla pressofiltrazione, la prima propria delle miscele instabili e la seconda comune a tutte le sospensioni ma più accentuata in quest’ultime.

La pressofiltrazione comporta un drenaggio, attraverso i fori più piccoli, che ispessisce la miscela e ne riduce il raggio di azione. Venendo così limitata la diffusione per permeazione della miscela, se continua la sua immissione, si ha un aumento di pressione che porta alla rottura della massa di terreno iniettato.

La sedimentazione si manifesta al di sotto di un valore limite della velocità di flusso e crea delle ostruzioni; può inoltre creare dei vuoti anche dove ci fosse stata una buona iniezione.

Fig. 4.12: Effetto arco durante l’iniezione di sospensioni instabili in terreno granulare

Fig. 4.13: Sedimentazione di una sospensione instabile iniettata in terreno granulare

L’iniezione di sospensioni instabili è pienamente efficace solo in un mezzo poroso con grani aventi dimensioni minime di 5-10 mm. Essa ha successo anche nei mezzi fessurati, in cui l’acqua costituisce il mezzo di trasporto ad esempio dei grani di cemento.

  • sospensioni stabili: la loro tendenza alla sedimentazione è nulla o trascurabile. A questa classe appartengono in ordine crescente di penetrabilità le miscele di cemento con aggiunte di argilla o bentonite, e le miscele di argilla o bentonite trattate con additivi chimici. Sono sospensioni stabili anche i fanghi da perforazione, che non sedimentano e presentano tixotropia.

La tixotropia è il fenomeno esibito da alcuni fluidi che a riposo formano una struttura gel, la quale si disperde non appena vengono nuovamente messi in movimento, dimostrando inoltre una sorta di memoria della loro passata condizione.

Questi tipi di miscele si comportano come fluidi non newtoniani e seguono in generale la legge di Bingham.

  • soluzioni colloidali: sono anche dette “evolutive” dal momento che in esse la viscosità, parametro di proporzionalità tra sforzi di taglio e velocità di flusso secondo la legge di Newton, aumenta nel tempo. Il suo incremento è di lieve entità fino ad una certa frazione del periodo di iniettabilità, che a sua volta è una frazione più o meno importante del tempo di solidificazione.

Alle soluzioni colloidali appartengono le miscele a base di silicato sodico, i lignocromati e le emulsioni bituminose. Le soluzioni di bentonite trattata (con additivi deflocculanti e rigonfianti) si avvicinano allo schema reologico delle soluzioni colloidali.

La relazione tra la loro viscosità e la resistenza che esse conferiscono ad un dato materiale è estremamente variabile a seconda dei tipi di prodotti; i recenti progressi in questo campo consentono comunque di ottenere un buon grado di consolidamento anche con soluzioni notevolmente diluite.

I vantaggi delle soluzioni colloidali rispetto alle sospensioni sono:

– l’assenza di rigidità;
– l’assenza di una fase solida che può separarsi da quella liquida per effetti di sedimentazione e pressofiltrazione.

  • soluzioni pure: hanno il privilegio di non essere evolutive, cioè mantengono costante la viscosità fino alla solidificazione. A questa classe reologica appartengono le miscele a base di resine organiche, che si dividono in due grandi categorie:

– i monomeri acquosi che dopo la polimerizzazione possono conferire resistenze notevoli;
– i polimeri precondensati che danno luogo a prodotti ad altissima resistenza, anche molto superiore a quella dei calcestruzzi. Essi sono i più costosi e sono di conseguenza adottati in casi particolari, i monomeri acquosi sono molto più noti ed utilizzati.

Il loro limite di iniettabilità è teoricamente indefinito, ma subordinato a considerazioni di carattere pratico ed economico: si adottano portate e tempi accettabili con pressioni tali da evitare diffusi fenomeni di rottura del terreno (claquage).

  • emulsioni gassose (miscele espansive ad alto grado di rigonfiamento). Il trattamento fisico o chimico delle sospensioni cementizie può permettere di ottenere un inglobamento d’aria. Se il tasso di rigonfiamento è contenuto entro il 20-30% le bolle d’aria inglobata hanno un effetto fluidificante che favorisce la penetrabilità, in quanto eliminano l’effetto d’arco tra gli interstizi. Tale miscele, dette “areate” appartengono comunque alla classe delle sospensioni stabili.

Se invece si vogliono riempire grandi cavità o si ricerca comunque un maggiore potere espansivo, si trattano le sospensioni cementizie in maniera tale da ottenere tassi di rigonfiamento fino a tre volte il volume iniziale. In tal modo si ottengono le “emulsioni gassose”, caratterizzate da una normale fluidità in fase di pompaggio e da una rapida rigidificazione successiva.

Con cavità o fessure molto aperte con forti circolazioni d’acqua che dilaverebbero le normali miscele, il problema è risolvibile con emulsioni organiche (a base di poliuretani) che si formano e polverizzano l’acqua anche in movimento; il loro tasso di rigonfiamento può raggiungere valori elevatissimi.