TRATTAMENTO A CALCE DEI SEDIMENTI DI DRAGAGGIO · proprieta’ fisiche e meccaniche dei terreni...

GIACOMO RUSSO

Università di Cassino e del Lazio Meridionale

Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica

TRATTAMENTO A CALCE DEI SEDIMENTI DI DRAGAGGIO

CICLO DI SEMINARI SUL MIGLIORAMENTO DEI TERRENI

Cassino, 11.03.2016

Autostrada A1 Milano – NapoliRiuso of terreni di scavo di due gallerie di nuova costruzione (2000 - 2002)

STABILIZZAZIONE A CALCE @ UNICAS

G. RUSSO – TRATTAMENTO A CALCE DEI SEDIMENTI DI DRAGAGGIO

Firenze

53% del terreno di scavo ( 401.000 m3) è stato riutilizzato mediante trattamento a calce

Autostrada A1 Milano – NapoliRiuso of terreni di scavo di due gallerie di nuova costruzione (2000 - 2002)

STABILIZZAZIONE A CALCE @ UNICAS


• bonifica del piano di posa

Tradizionalmente la stabilizzazione a calce è stata utilizzata per:

In condizioni di esercizio il terreno è :

• stabilizzato

• compatatto

• parzialmente saturo

• fondazione della sovrastruttura

• corpo del rilevato


STABILIZZAZIONE A CALCE

Poggiolino

Locone

ContursiMonteforte

Benevento

TERRENI OGGETTO DI STUDIO @ UNICAS

Roma

Firenze

Benevento

Locone

Monteforte

alluvial clay

alluvial sandy silt

pyroclastic soil

clay shale

clay shale

Roma pyroclastic soil

Al Faw (Iraq) alluvial clayey silt

Poggiolino

Firenze

Natural soils

Clay minerals

Speswhite kaolin

Bentonite

clay shaleContursi

Fly ash



• REAZIONI INDOTTE DALLA CALCE

• IDONIETA’ DEI TERRENI AL TRATTAMENTO A CALCE

• PROPRIETA’ FISICHE E MECCANICHE DEI TERRENI TRATTATI

• MIX DESIGN

ARGOMENTI

• CASO DI STUDIO: AL FAW GRAND PORT (IRAQ)


calce

terreno

mixidratazione

dissociazione ionica

tempo

acqua

t = 0

1. scambio ionico/flocculazione2. reazioni pozzolaniche

1

2

REAZIONI INDOTTE DALLA CALCE


CaO + H2O = Ca(OH)2 + heat

Ca(OH)2 = Ca2+ + 2 OH-

CaO + H2O Ca(OH)2 + heat (65 kJ mol-1)

Idratazione della calce (calce viva)

Ca(OH)2 Ca2+ +2 OH-

Dissociazione ionica

Aumento del pH dell’acqua di porosità (pH di una soluzione satura in Ca++ : 12,4)

REAZIONI INDOTTE DALLA CALCE – breve termine

Scambio ionico


Flocculazione/aggregazione delle particelle

- Effetto del pH

- Effetto dello ione Ca++ +

++

++

+

+

+

++

+

++

+ ++

++

+

++

+

++

++

++

+ +

++ +

++

++

++

Repulsion

Attraction+ + + +++ +

+ + ++ +

++ +

++ +

+ +++++

+

++

++ + +

+ + + ++ + ++

+++

+++

+ ++ +

+++

++ +

++

++ +

+++ +

+

++ +

+ + ++++

+

Isomorphous substitution

Protonation Reaction Deprotonation Reaction

Al- OH + OH- Al-O - H2O

Si-O - H2O Si- OH + OH-Al- OH + H+ Al- OH2

+

Si- OH2+

Si- OH + H+

Isomorphous substitution

Protonation Reaction Deprotonation Reaction


Si-O - H2O Si- OH + OH-


Si-O - H2O Si- OH + OH-Al- OH + H+ Al- OH2

+

Si- OH2+

Si- OH + H+

Al- OH + H+ Al- OH2+

Si- OH2+

Si- OH + H+

Equilibrio fra attrazioni di van der Waals, forze di natura elettrostatica (double-layer, Coulombian forces)

edge-to-face (EF)edge-to-edge (EE)

face-to-face (FF)



Flocculazione/aggregazione delle particelle

edge-to-edge [EE]

face-to-face [FF]

shifted FF

edge-to-face [EF]



(Keller, 1964)

Dissoluzione di Silicio e Alluminio


REAZIONI INDOTTE DALLA CALCE – medio/lungo termine

2C3S + 6H —> C-S-H + 3Ca(OH)2

2C2S + 4H —> C-S-H + Ca(OH)2

C3A + H —> aluminate hydrates

C4AF + H —> aluminate ferrite hydrates

Calcium Silicate Hydrates (CSH)

Reazioni pozzolaniche

Calcium Alluminate Hydrates (CAH)

REAZIONI INDOTTE DALLA CALCE – medio/lungo termine






• MIX DESIGN

ARGOMENTI



Consumo iniziale di calce (Eades and Grim, 1965)

Alluvial silt

MIX DESIGN

wopt t=0gg

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

0 1 2 3 4 5% in peso di calce

pH

% CaO

Alluvial silt


MIX DESIGN

10.5

11

11.5

12

12.5

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84

Tempo di maturazione

pH

dry

opt

wet

1% calce Alluvial silt1% CaO

curing time (days)


10.5

11

11.5

12

12.5

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84


pH dry

opt

wet


curing time (days)

MIX DESIGN






• MIX DESIGN

ARGOMENTI



Scambio ionico + reazioni pozzolaniche

• Modifica della distribuzione granulometrica

• Riduzione della plasticità

• Modifica delle caratteristiche di compattamento

• Riduzione della compressibilità

• Aumento della resistenza al taglio

PROPRIETA’ FISICHE E MECCANICHE DEI TERRENI TRATTATI

Parametri di trattamento

• Tipo di calce

• Percentuale in peso di calce

• Energia di compattamento

• Contenuto d’acqua al compattamento

• Tempo di maturazione

EFFICACIA

EFFICIENZA

Natura e stato fisico del terreno non trattato


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

D (mm)

PP (

%)

Locone



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

D (mm)

PP (

%)

Locone

Locone_1% CaO



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

D (mm)

PP (

%)

Locone

Locone_1% CaO

Locone_2% CaO



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

D (mm)

PP (

%)

Locone

Locone_1% CaO

Locone_2% CaO

Locone_5% CaO



Contursi

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

diametro (mm)

PP

(%

) non trattato

D (mm)

Contursi



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

diametro (mm)

PP

(%

) non trattato

3%CaO_0gg

Contursi

D (mm)



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

diametro (mm)

PP

(%

) non trattato

3%CaO_0gg

3%CaO_21gg

Contursi

D (mm)



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

diametro (mm)

PP

(%

) non trattato

3%CaO_0gg

3%CaO_21gg

3%CaO_28gg

Contursi

D (mm)



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

diametro (mm)

PP

(%

) non trattato

3%CaO_0gg

3%CaO_21gg

3%CaO_28gg

3%CaO_35gg

Contursi

D (mm)



0

20

40

0 10 20 30 40 50 60 70 80limite di liquidità wL (%)

Indi

ce d

i pla

stic

ità

PI

Benevento

Benevento_3%CaO

Inorganic clays oflow plasticity

Inorganic silts of lowcompressibility

Inorganic clays ofhigh plasticity

Inorganicclays

of mediumplasticity

Inorganic silts of mediumcompressibility

Inorganic silts of highcompressibility

Pla

stic

ity

ind

ex, P

I

Liquid limit (%)



0

20

40


Indi

ce d

i pla

stic

ità

PI

Benevento

Benevento_3%CaO

Poggiolino

Poggiolino_2%CaO



Inorganicclays

of mediumplasticity




Pla

stic

ity

ind

ex, P

I

Liquid limit (%)



0

20

40


Indi

ce d

i pla

stic

ità

PI

Benevento

Benevento_3%CaO

Poggiolino

Poggiolino_2%CaO

Contursi

Contursi_3%CaO



Inorganicclays

of mediumplasticity




Pla

stic

ity

ind

ex, P

I

Liquid limit (%)



1.60

1.65

1.70

1.75

1.80

1.85

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

w (%)

γd (

g/cm

3)

Contursi Contursi_3% CaO

Locone Locone_3% CaO



Locone

t = 0 days



Locone – Harvard compaction

1.45

1.50

1.55

1.60

1.65

1.70

1.75

9 11 13 15 17 19 21 23

w (%)

gd (

g/c

m3)

naturale

t=0gg

t=7gg

t=14gg

t=21gg

t=28gg

2% CaO



Poggiolino – 3% CaO



0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 50 100 150 200 250 300 350

sv (kPa)

tf (k

Pa

)

naturale - wopt

3% - wopt - 7 gg

3% - wopt - 28 gg

Poggiolino – 3% CaO







• MIX DESIGN

ARGOMENTI



IDONEITA’ DEI TERRENI AL TRATTAMENTO

I terreni destinati alla stabilizzazione non devono contenere agenti che limitino lo sviluppo delle reazioni pozzolaniche

In base a tali considerazioni discende la valutazione relativa alla

idoneità dei terreni alla stabilizzazione con calce

• ridotta percentuale di frazione fina

• sostanza organica

• solfati


Prove di compressione ELL su provini di caolino stabilizzati in presenza di acido umico ( t = 7 gg)

(Mohd Yunus, Wanatowski and Stace, 2011)

Effetti della sostanza organica



(Mohd Yunus, Wanatowski and Stace, 2011)

Effetto del tempo di maturazione sulla resistenza al taglio di provini stabilizzati (5% calce idrata) in presenza di acido umico

Effetti della sostanza organica



Effetti dei solfati

(Harris, 2006)



Effetti della presenza di solfati

(Harris, 2006)



In presenza di solfati, l’addizione con calce favorisce la formazione di composti espandenti (taumasite, ettringite)

terreno non trattato terreno stabilizzato(Harris, 2006)




(adattato da Harris, Scullion and Sebesta, 2004)

Provini non trattati e stabilizzati con 6% di calce idrata

0% Ca(OH)2 + 0% (CaSO42H2O)

6% Ca(OH)2 + 0% (CaSO42H2O)





(adattato da Harris, Scullion and Sebesta, 2004)

Provini stabilizzati (6% calce idrata) in presenza di varie percentuali di solfati

0% Ca(OH)2 + 0% (CaSO42H2O)

6% Ca(OH)2 + 0% (CaSO42H2O)

6% Ca(OH)2 + X (CaSO42H2O)

0.3%

0.5%

0.7%

1.2%



(Sivapullaiah et al., 2000)

Resistenza al taglio di provini stabilizzati (6% calce idrata ) in presenza del 3.0% Na2SO4




(da ITALFERR, 2009)







• MIX DESIGN

ARGOMENTI



CASE STUDY – AL FAW GRAND PORT (IRAQ)



Reuse


0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

superficial crust

2-5 m interlayered transition

20 m silty clay

very dense sand with

metric layers of OC clays

G1-G1

SBH-02 (2 m depth):

Time: Holocene (10000 y - present day)

Depositional basin: alluvial plain interfingered

with intertidal and supratidal

zones

Description: silty clay/clayey silt

Consistency: low

Geotechnical unit: A2



Al Faw-Al Basrah area

quarry

Baghdad

Project area

0 100 km

Legend


LOCATION OF QUARRIES IN IRAQ


• Physical and chemical characterization of dredged sediments

• Effectiveness of lime stabilisation

• Suitability of dredged sediments to lime stabilisation

REUSE OF DREDGED SEDIMENTS

EXPERIMENTAL WORK @ UNICAS

• Reusing sediments in the construction process instead of quarry materials

• Assessing the suitability of lime treatment for improving their physical and mechanical properties

MAIN GOALS AT DESIGN STAGE:

• “Tuning” the construction process allowing the proper treatment procedure


CHARACTERIZATION OF DREDGED SEDIMENTS

X Ray Diffraction

Differential Thermal Analysis

Scanning Electron Microscopy

Organic Matter (LOI) = 3.29 %

Sulphates Content = 0.11 %

quartz, calcite for coarser fraction

Clayey minerals are mostly Chlorite


Physical properties of not treated sediment

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1Diameter [mm]

Pe

rce

nta

ge p

assi

ng

[%]

not treated

Specific gravity2.71

Liquid Limit 43 %

Plastic Limit 22 %

Plasticity Index 21 %

CHARACTERIZATION OF DREDGED SEDIMENTS


SUITABILITY TO LIME STABILISATION

Initial Consumption of Lime

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 1 2 3 4 5CaO (%)

pH

0 days

1 days

5 days

7 days

21 days

28 days


Grain size distribution of stabilised sediments (3% CaO)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10Diameter (mm)

Per

cen

tage

pas

sin

g [%

]

not treated

3%CaO_0 day

3%CaO_3 days

3%CaO_7 days

EFFECTIVENESS OF LIME STABILISATION


Compressibility (Oedometer tests)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 10 100 1000sv (kPa)

ev

(%)

not treated

3%CaO_0 day

3%CaO_3 days

3%CaO_7 days

3%CaO_14 days

3%CaO_28 days



0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10 100 1000

sv (kPa)

Eed (

MP

a)

not treated

3% CaO_0 days

3% CaO_7 days

Compressibility (Oedometer tests)



UNDRAINED SHEAR STRENGTH OF STABILISED SOIL




Undrained shear strength (Miniature Vane tests)

0

20

40

60

80

100

120

140

30 40 50 60 70 80w (%)

Cu

(kP

a)

not treated

0 day

1 day

2 days

3 days

3% CaO


dredging/pumping

discharge in ponds

sedimentationdessication

lime treatment

transportation

placement

CONSTRUCTION PROCESS


dredging/pumping

discharge in ponds


lime treatment

transportation

placement


(Glenister & Abbott, 1989Sofra & Boger, 2001

Palmer & Krizek, 1987)

Dry stacking method


dredging/pumping

discharge in ponds


lime treatment

transportation

placement


Target water content before lime treatment 40 %

Initial water content of dredged sediments 150 %


dredging/pumping

discharge in ponds


lime treatment

transportation

placement


Curing time before removal = 3 days


a

b

c

dredging/pumping

discharge in ponds


lime treatment

transportation

placement


a – under sea level (V = 29%)

b – intertidal zone (V = 43%)

c – above sea level (V = 28%)


11

11.5

12

12.5

13

0 5 10 15 20 25 30

curing time [days]

pH

w = 100 %

w = 150%

w= 200%3% CaO

11

11.5

12

12.5

13

0 5 10 15 20 25 30

curing time [days]

pH

w = 100 %

w = 150%

w= 200%5% CaO

EFFECTIVENESS OF LIME STABILISATION AT VERY HIGH WATER CONTENTS

11

11.5

12

12.5

13

0 5 10 15 20 25 30

curing time [days]

pH

w = 100 %

w = 150%

w= 200%7% CaO

LIME STABILISATION OF DREDGED SEDIMENTS

water contents = 100%, 150% and 200%

3%, 5% and 7% of quicklime

pH measurements at increasing curing times


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

Diameter [mm]

Pe

rce

nta

ge p

assi

ng

[%]

Not treated

3%CaO_0 days

5%CaO_0 days

7%CaO_0 days

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

Diameter [mm]

Pe

rce

nta

ge p

assi

ng

[%]

Not Treated

3%CaO_7 days

5%CaO_7 days

7%CaO_7 days

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

Diameter [mm]

Pe

rce

nta

ge p

assi

ng

[%]

Not Treated

3%CaO_14 days

5%CaO_14 days

7%CaO_14 days


EFFECTIVENESS OF LIME STABILISATION AT VERY HIGH WATER CONTENTS

water content = 150%

3%, 5% and 7% of quicklime

grain size distributions at increasing curing times


STABILITY OF TREATED SOIL AFTER IMMERSION IN WATER

Not treated sample 5% CaO stabilised sample immersedafter 5 days of curing


initial water content = 70 %


GIACOMO RUSSO

Università di Cassino e del Lazio Meridionale

Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica


CICLO DI SEMINARI SUL MIGLIORAMENTO DEI TERRENI

Cassino, 11.03.2016

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