Effetto dei fluidi bioetanolo/acqua e bioetanolo/benzina su alcune proprietà geologico-tecniche delle terre argillose

Negli ultimi quarant’anni molti studi in letteratura si sono occupati dell’effetto dei contaminanti sui parametri fisico-meccanici delle terre (Olson e Mesri, 1970; Rao e Sridharan, 1985; Fernandez e Quigley, 1985; Chen et alii, 2000; Di Maio et alii, 2004; Singh et alii, 2008; Di Matteo et alii, 2011; Spagnoli et alii, 2011). La maggior parte degli studi ha focalizzato l’attenzione sull’effetto dei principali componenti dei carburanti tradizionali (benzene, esano, eptano, ecc.) o, più in generale, delle sostanze organiche derivate dagli idrocarburi. L’infiltrazione accidentale dei contaminanti nel sottosuolo può compromettere la stabilità generale delle opere costruite su di esso a causa delle modifiche indotte nei limiti di Atterberg, nella compressibilità e nella resistenza al taglio delle terre. Negli ultimi dieci anni, in accordo con il progetto BEST (2006) ed alcune direttive Europee in campo ambientale (vedi Direttiva 2009/28/CE), si sta puntando molto all’aggiunta, nelle benzine tradizionali, di frazioni più o meno elevate di bioetanolo di origine organica (dal 10% all’85%, rispettivamente denominati E10 ed E85); questo per ridurre le emissioni di inquinanti in atmosfera e per ridurre l’utilizzo dei carburanti derivanti dagli idrocarburi. A livello nazionale, il Decreto 25 gennaio 2010 del Ministero dell'ambiente e della Tutela del Territorio, sulla base dei consumi annui dei carburanti convenzionali, ha fissato al 4,5% le quote minime di energia da biocarburanti da immettere sul mercato per il 2012. Tutto questo indica che è da attendersi in futuro un incremento dei casi di inquinamento da etanolo, o da carburanti ad alto contenuto di etanolo, a seguito di versamenti accidentali da serbatoi interrati o da impianti di produzione industriale. Questi possono perdurare anche per diversi anni modificando progressivamente le caratteristiche fisico-meccaniche dei terreni con cui i fluidi vengono a contatto. Il presente studio riporta i risultati di una serie di prove geotecniche di laboratorio (limiti di Atterberg e prove edometriche) condotte su caolinite e Na-montmorillonite contaminate da fluidi a base di bioetanolo. Queste due tipologie di argille sono state scelte in quanto rappresentano “gli estremi”, in termini di Attività, di quelle che si possono ritrovare nelle terre naturali. L’etanolo è stato miscelato, in differenti frazioni percentuali, sia con acqua che con benzina tradizionale. Per quanto riguarda gli effetti sulla compressibilità delle argille caolinitiche, lo studio ha dimostrato come, utilizzando, al posto dell’acqua distillata, della benzina contenente diverse frazioni di etanolo, la compressibilità dell’argilla tende ad aumentare. Nel complesso la compressibilità della caolinite miscelata con acqua risulta di circa la metà di quella ottenuta usando come fluido interstiziale l’E10 (fluido contenente il 90% di etanolo): 0.34 contro circa 0.60. Le modifiche osservate rispecchiano l’andamento delle forze attrattive interparticellari, la cui entità è strettamente legate alla costante dielettrica dei fluidi (epsilon); questa cambia da 78.0 a 2.8 (a 20 °C) passando dall’acqua all’E10 (fluido con maggior contenuto di benzina). Il lavoro ha inoltre investigato gli effetti sul limite liquido (LL) di diverse miscele bioetanolo/acqua, prendendo in esame non solo argille monomineraliche, come finora fatto in letteratura, ma anche miscele argillose formate da caolinite/Na-montmorillonite in differenti proporzioni. All’aumentare della costante dielettrica dei fluidi, le argille monomineraliche considerate mostrano tendenze opposte: all’aumentare della costante dielettrica del fluido interstiziale il LL della caolinite diminuisce mentre quello della Na-montmorillonite aumenta. Questi risultati concordano con quelli ottenuti anche da altri autori in letteratura quali Sridharan e Rao (1973), Kaya e Fang (2000) e Spagnoli et alii (2011). Come per la compressibilità, le variazioni del LL dipendono principalmente dalla tipologia di argilla e dalle interazioni interparticellari, legate alle proprietà fisico-chimiche ed elettriche dei fluidi. Per le argille caolinitiche, come noto dalla letteratura (Sridharan e Jayadeva, 1982), il LL tende a diminuire linearmente all’aumentare della costante dielettrica dei fluidi a causa dell’incremento delle forze di attrazione interparticellare. Al contrario nella Na-montmorillonite il LL aumenta all’aumentare della costante dielettrica del fluido a causa dell’incremento delle forze repulsive e quindi dello spessore del doppio strato diffuso (DDL). Miscelando le due argille in diverse proporzioni si osserva che, all’aumento della costante dielettrica, LL cresce purché la percentuale di Na-montmorillonite nella miscela superi il 5%. Tale crescita è tanto più marcata tanto maggiore è la percentuale di Na-montmorillonite nella miscela. Per percentuali di Na-montmorillonite pari al 5%, il valore del LL sembra essere pressoché indipendente dalle caratteristiche elettriche del fluido, attestandosi intorno ad un valore del 70%. Sono attualmente in corso altre prove su miscele caolinite/Ca-montmorillonite volte ad estendere l’analisi ad argille con valori di Attività intermedi tra quelli dei materiali finora investigati. I risultati ottenuti possono essere di qualche utilità anche nella caratterizzazione delle argille utilizzate nelle barriere reattive. Bibliografia BEST, 2006. Project Bioethanol for Sustainable Transport. www.best-europe.org. Chen J., Anandarajah A., Inyang H., 2000. Pore fluid properties and compressibility of kaolinite”. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 126(9), 798-807. Di Maio C., Santoli L., Schiavone P., 2004. Volume change behaviour of clays: the influence of mineral composition, pore fluid composition and stress state. Mechanics of materials 36, 435-451. Di Matteo L., Bigotti F., Ricco R., 2011. Effect of ethanol-gasoline blends contamination on compressibility of kaolinitic clay. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 137(9), 846-849. Fernandez F., Quigley R.M., 1985. Hydraulic conductivity of natural clays permeated with simple liquid hydrocarbons. Canadian Geotechnical Journal 22, 205-214. Kaya A., Fang H.Y., 2000. The effects of organic fluids on physicochemical parameters of fine-grained soils”. Canadian Geotechnical Journal 37, 943-950. Olson R.E., Mesri G., 1970. Mechanisms controlling the compressibility of clays. J Am Soc Civ Engrs 96, 1853-1878. Singh S.K., Srivastava R.K., John S., 2008. Settlement characteristics of clayey soils contaminated with petroleum hydrocarbons. Soil & Sediment Contamination 17, 290–300. Spagnoli G., Stanjek H, Sridharan, A. 2011. Influence of ethanol/water mixture on the undrained shear strength of pure clays. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, DOI: 10.1007/s10064-011-0393-4. Sridharan A., Jayadeva M.S., 1982. Double layer theory and compressibility of clays. Geotechnique 32, 133-144. Sridharan A., Rao G., (1975). Mechanisms controlling the liquid limit of clays. Proc. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Istanbul. 1, 65-75.