ITRE20090095A1 - Metodo di consolidamento dei terreni mediante iniezione di resine espandenti - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

METODO DI CONSOLIDAMENTO DEI TERRENI MEDIANTE INIEZIONE

DI RESINE ESPANDENTI

La presente invenzione inerisce ad un metodo per consolidare i terreni al di sotto delle fondazioni degli edifici che hanno subito cedimenti sia elastici che di consolidazione o di rottura a causa della comparsa di cavità dovute al dilavamento dell’acqua sotterranea, oppure a causa di una scarsa compattazione del terreno localmente circoscritta e mal valutata in sede di progetto della fondazione, o più in generale a causa di modificazioni geologiche, idrogeologiche o geomeccaniche del terreno di fondazione.

Per rimediare a questi inconvenienti sono noti metodi di consolidamento che prevedono l’iniezione di materiali espandenti, in specie di resine espandenti (sistemi poliuretanici) di consolidamento attraverso fori praticati nel terreno di fondazione dei fabbricati esistenti che hanno subito cedimenti.

Le resine espandenti impiegate nei processi di consolidamento sono materiali a due componenti, e quelle a base poliuretanica più comunemente impiegate nascono dalla miscela di un poliolo e di un isocianato, entrambi in forma liquida.

I due materiali, venendo a contatto, reagiscono formando una schiuma che aumenta di volume sino al raggiungimento della completa espansione in atmosfera, che si consegue quando la reazione chimica tra i due componenti à ̈ esaurita.

Il progettista di resine conosce benissimo le regole inerenti alla scelta del poliolo o dei polioli ed il dosaggio con l’isocianato per ottenere una certa espansione in atmosfera.

Il volume raggiunto dal materiale a fine espansione in atmosfera definisce la densità nominale della resina, vale a dire il peso specifico della resina espansa, che à ̈ uguale al peso dei componenti messi a contatto diviso per il volume totale raggiunto dalla massa di materiale espandendo liberamente in atmosfera.

Il valore di densità nominale viene normalmente espresso in Kg/m<3>.

Se anziché essere fatto espandere liberamente in atmosfera il materiale viene fatto espandere in un ambiente confinato, avente un volume inferiore a quello che sarebbe il volume della massa liberamente espansa, il materiale ottenuto avrà ovviamente una maggiore densità.

Si definisce densità finale il peso specifico della resina espansa, che à ̈ uguale al peso dei componenti messi a contatto diviso per il volume totale raggiunto.

La densità finale corrisponde quindi alla densità nominale quando l’espansione avviene in atmosfera ed à ̈ invece tanto maggiore quanto più à ̈ ridotto l’ambiente confinato entro cui la resina viene fatta espandere.

La densità del materiale influenza la sua resistenza meccanica, che risulta direttamente proporzionale alla densità.

Il medesimo formulato assume quindi caratteristiche di prestazione meccanica diverse a seconda che sia lasciato espandere liberamente in atmosfera o confinato: la sua resistenza meccanica risulta direttamente proporzionale alla densità finale.

A titolo di esempio si noti che mescolando 14 litri di un certo poliolo con 14 litri di isocianato, aventi un peso specifico medio di 1,08 Kg/dm<3>, e lasciandoli espandere liberamente in atmosfera si ottiene un metro cubo di materiale solido avente una densità di circa 30 Kg/m<3>. In pratica la miscela dei componenti si à ̈ espansa di circa 36 volte il volume iniziale.

Confinando l’espansione degli stessi componenti in un ambiente chiuso avente un volume di 0,25 m<3>si ottengono 250 litri di materiale espanso ed indurito avente una densità pari a circa 120 Kg/m<3>. In questo caso la miscela dei componenti si à ̈ espansa di circa 9 volte il volume iniziale. Pur trattandosi degli stessi componenti, la resistenza meccanica allo schiacciamento del primo materiale à ̈ circa 2,5 Kg/cm<2>, mentre quella del secondo materiale à ̈ tra 16 e 20 Kg/cm<2>.

E’ intuitivo comprendere che se obbligo una miscela a due componenti ad espandersi non all’aperto ma all’interno di un volume ridotto, la tendenza ad espandere della miscela confinata nel volume ridotto provoca una spinta in tutte le direzioni sino all’esaurimento della reazione chimica che genera la schiuma.

Le resine impiegate nei procedimenti di consolidamento si caratterizzano primariamente per la loro densità nominale. Il progettista di resine ha quindi i mezzi per determinare, mediante opportuna scelta dei materiali di partenza e il loro opportuno dosaggio, la densità nominale di una resina. Questo à ̈ il parametro più significativo che caratterizza i vari metodi noti di consolidamento, distinguendoli uno dall’altro.

La scelta delle caratteristiche della resina à ̈ essenziale per la riuscita di un procedimento di consolidamento, il successo del quale dipende però anche dalle caratteristiche del terreno che non sempre sono prevedibili a priori.

Infatti le caratteristiche del terreno hanno influenza sulla facilità della resina a penetrare nel terreno, o se vogliamo sulla resistenza opposta dal terreno alla penetrazione della resina.

Lo stato della tecnica privilegia l’uso di resine a bassa densità che consentono di ridurre i costi, i tempi, e di meglio controllare il processo di consolidamento.

Se la natura del terreno fosse omogenea, la scelta di una resina a bassa densità si rivelerebbe generalmente conveniente.

Se, come di norma, il terreno al contrario à ̈ disomogeneo, cioà ̈ presenta delle porzioni confinanti che presentano una resistenza a ricevere la resina molto diversa, ad esempio per la presenza di cavità dovute al dilavamento provocato dalla perdita di un tubo interrato, o dovute alla presenza di concrezioni che creano ponti sotterranei delimitanti zone a densità di terreno molto bassa, o anche vuote, la scelta della resina, secondo la tecnica nota, à ̈ frutto di un compromesso.

Le iniezioni hanno lo scopo di penetrare in una zona del terreno, o volume, nel quale la resina espandendosi si crea un proprio spazio e compatta il terreno di fondazione circostante, esercitando una spinta in tutte le direzioni. La spinta verticale verso l’alto agisce sulla fondazione, sino a conseguire una vera e propria riattivazione delle fondazioni stesse che avevano ceduto e non potevano sostenere il fabbricato che nel frattempo aveva trovato un equilibrio provvisorio.

Il compito della resina, oltre a creare una spinta isotropa nel terreno durante la fase di espansione, à ̈ anche di rendere disponibile un volume solido di resina indurita avente certe caratteristiche meccaniche, che saranno tanto maggiori quanto minore à ̈ il grado di espansione della resina nello spazio in cui essa à ̈ confinata.

In terreni disomogenei, cioà ̈ presentanti delle porzioni confinanti che presentano una resistenza a ricevere la resina molto diversa, la resina espandendosi incontra resistenze differenziate alla propria espansione, e quindi esercita spinte diverse.

Inoltre nelle suddette condizioni la resina, una volta indurita, presenta diverse densità da zona a zona e diversa resistenza meccanica.

Se ad esempio inietto il materiale espandente in un terreno omogeneo, esso incontrerà una certa resistenza alla espansione e raggiungerà una certa densità locale.

Il materiale indurito avrà una resistenza meccanica sufficiente a confinare la espansione della resina via via che viene iniettata e, a fine iniezione, a sostenere l’edificio sovrastante.

Se invece il terreno à ̈ disomogeneo, quando la resina incontra minor resistenza a penetrare e ad espandere, essa nella zona a minor resistenza espande più facilmente ed indurisce ad una densità minore offrendo quindi minore resistenza meccanica alla espansione della resina iniettata successivamente.

Se la minore resistenza incontrata dalla resina fosse dovuta ad una vera e propria cavità, in questa zona la resina potrebbe espandere sino al volume ed alla densità nominali. Se la resistenza meccanica offerta alla espansione della resina successivamente iniettata à ̈ insufficiente a contenerne la spinta durante l’espansione, il volume di resina a minor densità tende a sgretolarsi aggiungendo una ulteriore causa di instabilità al terreno.

Quando i sopra lamentati inconvenienti sono prevedibili, la tecnica nota suggerisce di volta in volta di modificare i seguenti parametri:

- Frequenza e profondità d’iniezione rispetto allo sviluppo ed alla quota d’appoggio delle strutture fondali; - densità nominale (in espansione libera) della resina impiegata;

Si fa inoltre ricorso a sistemi di controllo del quantitativo utilizzato, al monitoraggio continuo della struttura, e ad esami pre e post intervento sul terreno.

I risultati conseguiti dai sistemi noti sono sempre frutto di un compromesso, e quindi non sempre sono soddisfacenti. Lo scopo del presente brevetto à ̈ di rendere disponibile un procedimento di consolidamento dei terreni di fondazione mediante iniezione di resine espandibili che elimini gli inconvenienti sopra lamentati nell’ambito di una soluzione semplice ed economica.

Detto scopo viene conseguito secondo l’invenzione mediante la iniezione nel terreno di almeno due resine aventi densità nominale diversa, le quali vengono alternativamente iniettate nello stesso foro in funzione della velocità del flusso attraverso l’ugello di iniezione, o della portata istantanea della resina iniettata dopo miscelazione dei componenti, che dipende, come visto, dalla resistenza incontrata dalla resina a penetrare nel terreno e ad espandersi.

Una delle due resine avrà una densità nominale bassa, e sarà quindi in grado di esercitare una notevole spinta di consolidamento.

Se opportunamente confinata grazie alle caratteristiche del terreno, la resina indurirà ad una densità molto maggiore della densità nominale e presenterà una resistenza meccanica sufficiente non solo a confinare la resina successivamente iniettata, ma anche a collaborare efficacemente al sostegno dell’edificio.

Se la resina, durante la iniezione, incontra un volume di terreno molto meno denso, o anche vuoto, essa penetra con più facilità e la pressione all’ugello diminuisce corrispondentemente, mentre aumenta la velocità del flusso. La diminuzione tendenziale istantanea della pressione all’ugello à ̈ quindi un indice delle mutate condizioni del terreno entro cui la resina deve espandere, cioà ̈ indica che la resina ha incontrato un volume di terreno meno denso o anche vuoto.

Il metodo secondo la presente invenzione prevede che in queste condizioni si interrompa la iniezione della resina a bassa densità ed istantaneamente si passi alla iniezione di una resina ad alta densità.

Quest’ultima potrà eventualmente espandere anche sino a valori prossimi al volume nominale, e pur generando una spinta isotropa modesta consoliderà con valori di resistenza meccanica sufficienti a contenere la resina iniettata successivamente.

Una volta saturato il volume di terreno a bassa densità e bassa resistenza alla penetrazione, la pressione all’ugello della resina iniettata tenderà ad aumentare e l’iniezione potrà essere di nuovo commutata alla resina a minore densità nominale.

Quest’ultima resterà confinata dalla resina precedentemente iniettata, che sarà indurita con una resistenza meccanica sufficiente a contenere la resina iniettata successivamente. Le resine a bassa densità adatte ad attuare il trovato sono scelte tra le seguenti:

BAYER – poliolo BAYTHERM 55620/AO con isocianato DESMODUR ISL DOW – poliolo VORACOR CR 919 con isocianato VORACOR CR 761 Esse sono caratterizzate da una densità nominale intorno a 30 Kg/m<3>, una densità conveniente à ̈ compresa tra 24 Kg/m<3>e 36 Kg/m<3>.

Queste resine sono atte ad esercitare nel terreno una spinta isotropa di almeno 12 Kg/cm<2>.

Queste resine inoltre, una volta indurite in assenza di contenimento, presentano una resistenza meccanica allo schiacciamento di circa 2,5 Kg/cm<2>.

Le resine ad alta densità adatte ad attuare il trovato sono scelte tra le seguenti:

BAYER – poliolo BAYDUR 31 BD11/GO con isocianato DESMODUR ISL DOW – poliolo VORACOR CS 617 con isocianato VORACOR CS 679 Esse sono caratterizzate da una densità nominale compresa tra i 160 Kg/m<3>ed i 230 Kg/m<3>, una densità conveniente à ̈ ad esempio di 220 Kg/m<3>, ed esse espandono di circa 5 volte il volume iniziale.

Queste resine iniettate nel terreno di fondazione esercitano una spinta isotropa molto modesta e una volta consolidate, anche in assenza di contrasti o contenimento, presentano una resistenza minima alla compressione che si attesta sui 30 Kg/cm<2>.

I pregi e le caratteristiche dell’invenzione saranno chiare dall’esempio che segue, dato a titolo non limitativo con l’aiuto delle Figure della allegata tavola disegni.

La Fig.1 mostra uno schema generale dell’impianto, con parti indicate schematicamente.

La Fig.2 mostra lo schema idraulico dell’impianto.

L’esempio che segue à ̈ riferito al consolidamento delle fondazioni 1 di un edificio 2 che poggia su un terreno argilloso nel quale à ̈ interrata una tubazione 3 di adduzione di acqua.

Il terreno presenta delle sacche 4 piene di acqua che sono in parte generate da infiltrazioni di acqua piovana, e in parte generate da perdite della tubazione 3.

Il consolidamento prevede che venga creato un foro 5 nella costruzione, attraverso la fondazione, avente un diametro di circa 25 mm., posizionato in modo da scendere al di sotto della fondazione 1 ad una distanza verticale dalla medesima compresa tra i 10 ed i 20 cm.

In prossimità viene predisposta la attrezzatura 6 per effettuare il consolidamento, convenientemente sistemata su un autocarro 61 o altro mezzo semovente.

L’attrezzatura comprende un primo serbatoio 62 contenente un poliolo ad alta densità nominale come Bayer Baydur 31BD11/D, un secondo serbatoio 63 contenente un poliolo a bassa densità nominale, come Bayer Baytherm 55620/AO, un terzo serbatoio 64 contenente isocianato Bayer Desmodur ISL.

Ognuno dei serbatoi à ̈ collegato ad una specifica pompa rispettivamente 72, 73 e 74.

I condotti di uscita 720, 730 e 740 fanno capo, con interposizione di una valvola di chiusura a tre vie 7, alla camera di miscelazione 8.

La valvola a tre vie à ̈ stata illustrata distante dalla camera di miscelazione, ma può convenientemente essere integrata della medesima.

Ciò rende immediata la commutazione tra le due resine e consente di mantenere in pressione entrambi i polioli sino immediatamente a monte della camera di miscelazione 8.

La camera 8 Ã ̈ dotata di un ugello 80 atto ad iniettare il materiale liquido nel foro 5.

Essa à ̈ di usuale e nota costruzione ben nota ai tecnici del settore, e non verrà descritta in dettaglio.

L’ugello 80 comprende mezzi 81 per rilevare la pressione esistente nell’ugello, e/o 82 per rilevare la velocità del flusso del liquido in uscita dall’ugello.

Un processore 9 riceve i segnali dai mezzi 81 e/o 82 ed in funzione dei medesimi comanda la commutazione della valvola 7 in guisa che nella camera di miscelazione 8 arrivino i polioli dei serbatoi 62 o 63, e l’isocianato del serbatoio 64.

La miscela tra il poliolo del serbatoio 62 e l’isocianato del serbatoio 64 dà luogo ad una resina espandente A avente una densità nominale di circa 220 Kg/cm<2>, mentre la miscela tra il poliolo del serbatoio 63 e l’isocianato del serbatoio 64 dà luogo ad una resina espandente B avente densità nominale di 30 Kg/cm<2>.

Il processo di consolidamento inizia con l’iniezione della resina A, ad alta densità, quindi con elevate caratteristiche meccaniche allo schiacciamento anche in assenza di contenimento.

All’inizio della iniezione la pressione dell’ugello rilevata dai mezzi 81 si attesta su un certo valore che dipende dalla resistenza alla penetrazione della resina del terreno posto all’uscita del foro 5.

Il permanere della condizione di pressione iniziale significa che la resina iniettata incontra all’interno del terreno cavità o condizioni di discontinuità tali da non fornire un sufficiente contenimento, condizioni in cui la resina ad alta densità svolge la propria funzione prevalentemente riempitiva, generando materiale di adeguata resistenza meccanica senza però generare la spinta isotropa desiderata.

L’aumento della pressione segnala che il materiale iniettato ha riempito gli spazi vuoti e, attraverso la pressione complessiva applicata, ha inizialmente compattato il terreno compressibile.

L’aumento di pressione provoca, tramite il processore 9, la commutazione istantanea della valvola 7 dando luogo alla immissione di resina B a bassa densità.

La immissione della resina B, trovando un ambiente di espansione di dimensioni ridotte dalla presenza della resina A, genera la notevole spinta isotropa di consolidamento propria caratteristica.

Questa spinta viene sopportata sia dal terreno in consolidamento, sia dalla resina A avente elevate e sufficienti caratteristiche meccaniche.

Permanendo le condizioni di pressione elevata, la spinta isotropa provocherà il sollevamento del fabbricato quale risultato finale dell’avvenuto consolidamento.

In qualsiasi momento dell’iniezione potrà succedere che le pressioni generate determinino la rottura di diaframmi intercavità dando luogo ad un istantaneo calo di pressione, il quale tramite il processore 9 provoca la commutazione della valvola 7 in guisa che riprende la iniezione con la resina A ad alta densità idonea a riempire le cavità incontrate dalla penetrazione della resina, indurendo con alti valori di resistenza meccanica; il ciclo si ripete fino al definitivo raggiungimento del risultato.

L’esempio ha preso la misura della pressione come riferimento per l’azionamento della valvola di commutazione ma si può considerare ugualmente valido lo stesso esempio prendendo come riferimento la velocità del flusso, nel qual caso si dovranno invertire le grandezze (maggiore flusso corrisponde a minore pressione).

L’esempio inerisce alla iniezione di due resine aventi diversa densità nominale, ma à ̈ egualmente applicabile la iniezione di più di due resine.

Inoltre l’esempio prevede che il metodo abbia inizio con l’iniezione della resina ad alta densità, ma esso può essere egualmente attuato iniziando ad iniettare resina a bassa densità.

In questo caso, preferibile allorché il terreno à ̈ sostanzialmente omogeneo pur con la presenza di cavità o zone a minore densità, la iniezione della resina a bassa densità dà luogo ad una certa pressione, o velocità del flusso che permane sino a che la resina non incontra una cavità.

A questo punto la repentina diminuzione della pressione di iniezione, e/o rispettivamente il repentino aumento della velocità del flusso, provoca la commutazione alla iniezione della resina ad alta densità che provvede a riempire la cavità dando luogo ad una massa indurita con elevate caratteristiche meccaniche.

Il riempimento della cavità provoca una ulteriore commutazione alla resina a bassa densità ed il ciclo si ripete.

L’esempio prevede due diversi polioli che reagiscono con lo stesso isocianato e che hanno lo stesso rapporto volumetrico di miscelazione.

Nel caso in cui si vogliano utilizzare due polioli che utilizzano isocianati dedicati diversi tra di loro, oppure anche che hanno diversi rapporti di miscelazione, i serbatoi e le pompe saranno quattro anziché tre, e la valvola sarà a quattro vie anziché tre.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il consolidamento dei terreni mediante la iniezione nel terreno di una resina bi-componente derivante dalla reazione di polioli ed isocianato, caratterizzato dal prevedere la continua iniezione alternata di almeno due resine A e B aventi diversa densità nominale, ove la commutazione tra le resine iniettate à ̈ funzione della variazione della pressione di iniezione, e/o della velocità di flusso attraverso l’ugello, della resina iniettata.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato per il fatto che la resina ad alta densità presenta una densità nominale compresa tra 160 Kg/m<3>e 230 Kg/m<3>, e preferibilmente dell’ordine di 220 Kg/m<3>.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2 caratterizzato per il fatto che la resina ad alta densità esercita una spinta isotropa sul terreno inferiore a 3 Kg/cm<2>.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 caratterizzato per il fatto che la resina ad alta densità presenta una resistenza meccanica allo schiacciamento di almeno 30 Kg/cm<2>.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che le resine ad alta densità adatte ad attuare il trovato sono scelte tra le seguenti: BAYER – poliolo BAYDUR 31 BD11/GO con isocianato DESMODUR ISL, DOW – poliolo VORACOR CS 617 con isocianato VORACOR CS 679.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato per il fatto che la resina a bassa densità presenta una densità nominale compresa tra 24 Kg/m<3>e 36 Kg/m<3>e preferibilmente pari a 30 Kg/m<3>.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6 caratterizzato per il fatto che la resina a bassa densità esercita una spinta isotropa sul terreno di almeno 12 Kg/cm<2>.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 6 caratterizzato per il fatto che la resina a bassa densità, ove non contenuta in volume, presenta una resistenza meccanica allo schiacciamento dell’ordine di 2,5 Kg/cm<2>.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 6 caratterizzato per il fatto che la resina a bassa densità, ove contenuta in volume, presenta una resistenza meccanica allo schiacciamento sino a 30 Kg/cm<2>.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che le resine a bassa densità adatte ad attuare il trovato sono scelte tra le seguenti: BAYER – poliolo BAYTHERM 55620/AO con isocianato DESMODUR ISL, DOW – poliolo VORACOR CR 919 con isocianato VORACOR CR 761.