Cottura

La termoconsolidazione del terreno è una pratica applicabile in primo luogo ai terreni argillosi di cui provoca una vera e propria cottura, formando in essi colonne di materiale arrostito le cui caratteristiche meccaniche finali risultano fortemente modificate.

Cenni storici

I primi esperimenti di questa tecnica di miglioramento del terreno risalgono agli anni Trenta, periodo in cui si cercò in Australia di migliorare le caratteristiche meccaniche di sottofondi stradali, arrostendoli. Questa tecnica è stata utilizzata negli anni successivi in Unione Sovietica ed in Romania dove si è sviluppata in una serie di casi che vanno dalle realizzazioni di sottofondazioni di edifici e strutture industriali, alla stabilizzazione di scarpate e rilevati stradali.

Esecuzione

Si genera calore facendo bruciare combustibile liquido, gassoso, o solido; si possono distinguere i trattamenti con trasferimento del calore dalla superficie di contatto da quelli con trasferimento di calore attraverso fori e pozzi, i quali possono essere a circolazione forzata (tipo chiuso) o a tiraggio libero (tipo aperto).

Con la cottura si verificano modificazioni nella struttura dei minerali argillosi, tali da rendere irreversibile il fenomeno dell’espulsione dell’acqua, raggiungendo un limite superiore della temperatura di riscaldamento in cui si manifestano i primi tratti caratteristici della fusione delle argille.

Gli intervalli di temperatura in cui si manifestano modificazioni della struttura del terreno argilloso si possono considerare compresi tra i 350 e i 1000 °C, temperatura alla quale iniziano a manifestarsi i primi fenomeni di liquefazione con conseguente diminuzione della permeabilità per fessurazione manifestatasi a temperature inferiori. Con la temperatura aumenta la resistenza a compressione del terreno argilloso trattato che può raggiungere valori notevoli.

Cottura della superficie del terreno

Uno dei primi tentativi di cottura del terreno per la realizzazione di strade fu realizzato da Irvine (1930, 1934) in Australia. Egli progettò e costruì un forno con bruciatori a legna che viaggiava con una velocità compresa tra 2 e 10 m/h su una formazione di terreno precedentemente preparata; esso produceva a partire da un’argilla molto sensibile all’umidità uno strato cotto, spesso da 50 a 200 mm, di materiale compatto non plastico.  In seguito al trattamento termico, il materiale superficiale era lasciato sottoforma di pezzi di mattoni incastrati aventi dimensioni minori o uguali a 100 mm. Le particelle più grandi, infatti, venivano schiacciate e ridotte a ghiaietto in seguito a compattazione con un rullo. Mentre la pavimentazione era ancora calda poteva essere applicato bitume o uno strato di catrame, al fine di assicurare la penetrazione del legante nelle fessure.

La macchina di Irvine fu utilizzata per costruire parecchie miglia di strade provinciali nel New South Wales e nel Queensland, dove i materiali di pavimentazione a grana grossa sono una cosa rara. Irvine stimò che per trattare 1 m3 di terreno erano necessari più di 400 kg di legno, che erano comunque più economici di costruire una strada con ghiaia, se quest’ultima non era disponibile entro 16 km dal cantiere.

Fig. 1.4.4.1: Rappresentazione schematica della macchina di Irvine

Cottura attraverso fori

La cottura del terreno attraverso fori è stata realizzata nell’Unione Sovietica, in Romania e in Giappone. Forzando entro fori praticati nel terreno da consolidare gas arroventati da processi di combustione, si creano strati concentrici di terreno la cui caratteristica principale è quella di non contenere né acqua di saturazione, né acqua reticolare.

Fujii distingue tra un impianto di cottura di tipo aperto e uno di tipo chiuso.

In un impianto chiuso (fig. 1.4.4.2) sopra ogni pozzo è posizionata un’unità di combustione. Fujii (1971) descrive un intervento eseguito a Fukuoka in cui è stato trattato un deposito di rifiuti riscaldando 227 pozzi, profondi da 2 a 6 m e distanti 5 m l’uno dall’altro. Il calore è stato mantenuto da 7 a 15 giorni, consumando un totale di 760 L di olio combustibile; è stato trattato il volume di terreno compreso nel primo metro di raggio attorno al pozzo, risultando così un consumo d’olio di 60L/m3.

Fig. 1.4.4.2: Impianto di cottura di tipo chiuso

Una versione speciale di un impianto di cottura aperto fu utilizzata per stabilizzare un rilevato a Kanazawa, Giappone, come illustrato nella figura 4.35. In un periodo di 10 giorni furono fatti bruciare 1200L d’olio in ogni pozzo attraverso dei convenzionali bruciatori d’olio, finchè si raggiunse una temperatura di 300°C ad una distanza di 300 mm dal centro del pozzo. Il terreno trattato termicamente mostrò una resistenza pari a 10-20 volte il suo valore originario.

Fig. 1.4.4.3: Stabilizzazione termica di un rilevato