Congelamento

Cenni storici

La tecnica del congelamento dei terreni per scopo geotecnici si è sviluppata da circa 40 anni, anche se le prime esperienze in materia possono essere fatte risalire a più di 60 anni fa. Veniva eseguita in modo estremamente rudimentale in campo minerario per bloccare sfornella menti di materiali granulari fini, saturi d’acqua, è già negli anni Quaranta in Unione Sovietica si sviluppò la trattazione teorica di questo metodo.

Esecuzione

Il congelamento del terreno viene usato quando bisogna eseguire uno scavo in terreno difficile ed in condizioni statiche di pericolo. Abbassando la temperatura del terreno fino al suo punto di congelamento si attribuisce ad esso un forte grado di coesione, che esalta notevolmente la sua resistenza a compressione. In tal modo si ottengono dei setti o delle colonne di terreno congelato che presentano buone caratteristiche meccaniche e che è possibile scavare o iniettare senza possibili ulteriori difficoltà derivanti da deformazioni dei terreni circostanti.

L’effetto del congelamento è purtroppo ridotto nel tempo e bisogna quindi provvedere continuamente per tutta la durata dei lavori al ripetuto raffreddamento del terreno da trattare. Queste operazioni comportano un costo notevole e la loro programmazione deve essere fatta con la massima precisione per evitare tutti i possibili sprechi.

Il congelamento del terreno può produrre effetti collaterali, spesso non voluti e di cui occorre tenere conto. Il primo è quello di un generale rigonfiamento del terreno trattato, che può divenire pericoloso per l’integrità delle strutture coinvolte nel trattamento. Il secondo effetto deriva dal fatto che i terreni sottoposti a congelamento dimostrano un notevole deterioramento delle loro caratteristiche geomeccaniche, una volta scongelati.

Al congelamento, per controllare efficacemente questi effetti, si abbinano quindi interventi di iniezioni consolidanti, che rendono più stabilizzata la composizione del terreno da trattare.

I terreni che maggiormente possono essere influenzati dal congelamento, nei confronti del miglioramento delle loro caratteristiche geomeccaniche, sono le sabbie e in genere i terreni granulari fini pervii. I terreni argillosi, non potendo subire congelamento, non riusciranno a mostrare miglioramenti delle loro caratteristiche geomeccaniche dello stesso ordine di grandezza di quelle evidenti nei terreni sabbiosi.

Durante il congelamento del terreno non tutta l’acqua in esso contenuta è trasformata in ghiaccio, ma una notevole parte di essa si mantiene allo stato liquido; anche per questo motivo i terreni argillosi presentano maggiori volumi di acqua libera, rispetto a terreni sabbiosi trattati con le stesse temperature e che presentano lo stesso grado di saturazione di acqua iniziale.

Il comportamento meccanico del terreno congelato è assimilabile a quello di un corpo con caratteristiche elasto-plastiche, con plasticità di tipo viscoso. Le attuali tecniche di congelamento possono ricondursi a tre tipologie differenti:

Ø  metodo diretto;

Ø  metodo indiretto;

Ø  metodo misto.

Metodo diretto

Il metodo diretto è anche noto come metodo a ciclo aperto ed è quello che adotta le temperature più basse (-194°C). Si realizza pompando azoto liquido entro apposite sonde inserite nel terreno da congelare per mezzo di normali perforazioni. L’azoto liquido è portato in cantiere con cisterne coibentate e trasferito in serbatoi con le stesse caratteristiche di coibentazione, in cui viene mantenuto con pressioni di poco superiori a 1 MPa.

Con tale pressione l’azoto è spinto entro le sonde congelanti dove, liberandosi, vaporizza dopo aver trasmesso al terreno l’energia refrigerante e si libera nell’aria con temperature ancora attorno ai -60/-80 °C. La temperatura di -194°C è la temperatura di passaggio di stato dell’azoto alla pressione atmosferica in cui vaporizza.

Fig. 1.4.4.4: Schema operativo di un cantiere di congelamento del terreno realizzato usando il metodo diretto

Fig. 1.4.4.5: Schematizzazione del metodo diretto

Le sonde congelatrici sono formate da tubi concentrici in cui viene fatto circolare l’azoto liquido, fino a raggiungere l’ultima sonda congelatrice della batteria, da cui l’azoto vaporizza nell’atmosfera. Il congelamento omogeneo del terreno avviene per il continuo spostamento in progressione del punto di passaggio di stato dell’azoto liquido entro le sonde congelatrici.

In seguito alla prima fase di congelamento del terreno vi è quella di mantenimento del freddo, che permette l’esecuzione dei lavori progettati. Il rendimento di questa tecnica, viste le bassissime temperature ottenute, è molto alto ma sono tali anche il consumo di azoto liquido e il costo di realizzazione di questo trattamento.

I vantaggi del metodo diretto sono l’estrema velocità che si ottiene nel raggiungere temperature di congelamento efficaci per l’esecuzione di lavori in sotterraneo.

Metodo indiretto

Con questo sistema si adottano veri e propri impianti frigoriferi che permettono di produrre una circolazione di liquido refrigerante nel terreno. Le temperature raggiungibili con questa tecnica sono nettamente inferiori a quelle caratteristiche del metodo diretto, esse si aggirano attorno ai -25/-30 °C.

Si realizzano due circuiti di refrigerazione, tra cui uno primario, alimentato da gruppi di compressione e condensazione che portano a bassa temperatura un fluido, liquefacendolo. Questo fluido liquefatto circolando all’interno di uno scambiatore di calore vaporizza nuovamente, cedendo la bassa temperatura accumulata al circuito secondario. Nel circuito secondario è mantenuto in movimento il vero liquido refrigerante del terreno (salamoia), che circola entro le sonde congelatrici. I fluidi frigoriferi usati nel circuito primario sono generalmente ammoniaca o freon ed il liquido frigorifero che circola nel secondario è dato da una soluzione satura di cloruro di calcio in acqua. Con questi componenti si raggiungono, come già detto, temperature di -25/-30 °C.

Fig. 1.4.4.6: Schema operativo di un cantiere di congelamento del terreno realizzato usando il metodo indiretto

Fig. 1.4.4.7: Schematizzazione del metodo indiretto

Più recentemente con l’impiego di liquidi frigoriferi che hanno temperature di solidificazione molto basse, abbinati a bassi valori della viscosità, si riescono a raggiungere con il metodo indiretto temperature dell’ordine di -60 °C.

Utilizzando il metodo indiretto si usano le stesse sonde criogeniche usate nel metodo diretto ad azoto liquido ed esse vengono collegate in parallelo con un collettore munito di saracinesche di regolazione. Il rendimento refrigerante ottenuto è inferiore a quello del metodo diretto ed inoltre è necessario un maggior tempo di refrigerazione per giungere ai risultati richiesti.

Con il metodo indiretto, a causa del lungo periodo di tempo richiesto per raggiungere le temperature adeguate alla esecuzione dei lavori di progetto, si verificano nel terreno consistenti mutamenti strutturali: diviene considerevole principalmente il problema del rigonfiamento. Questo sistema resta economicamente più competitivo del precedente, in particolar modo dove può essere abbinato ad altri lavori specializzati che lo possono integrare e completare.

Metodo misto

Il metodo misto si realizza con l’abbinamento dei due precedenti metodi, sfruttando così l’alta capacità criogenica dell’azoto liquido (metodo diretto) che consente la veloce realizzazione del congelamento del terreno ed il mantenimento di basse temperature con il metodo indiretto a costi accettabili. I due metodi vanno quindi coniugati utilizzando sempre le stesse sonde congelatrici ed abbinandone opportunamente le linee adduttrici dei liquidi refrigeranti.

Aspetti pratici del congelamento

Il congelamento può essere utilizzato per le più svariate tipologie geometriche di intervento e per condizioni geomeccaniche estreme. Si possono per esempio realizzare corone cilindriche di terreno congelato entro cui effettuare scavi di fondazione o getti, evitando negli scavi la presenza di acqua senza ricorrere alle lavorazioni entro cassoni con aria compressa.

Si possono eseguire vere e proprie paratie a protezione di strutture soprastanti scavi che interessano terreni sotto falda sull’immediato estradosso della sezione di terreno congelato. E’ possibile eseguire il congelamento sulla calotta e sui piedritti di cunicoli e gallerie da scavare in terreni difficili saturi all’interno di centri abitati. Lo scavo di trincee, inoltre, è considerevolmente agevolato dal congelamento del terreno in margine.

Le tipologie di intervento, come già ricordato, possono essere innumerevoli, ma occorre tenere presente i due aspetti fortemente negativi del procedimento: l’alto costo di realizzazione che ne confina l’uso a problemi geotecnici veramente non trattabili con sistemi più economici e le consistenti variazioni strutturali indotte nei terreni in cui tale metodologia viene applicata (rilassamenti al termine del congelamento con perdite di coesione ed aumenti di volume dei materiali congelati che si verificano durante il trattamento).

Fig. 1.4.4.8: Esempi di applicazioni del congelamento