Costipamento

L’ingegnere americano Proctor ha eseguito per primo studi sistematici su questo argomento e fin dal 1933 ha esaminato l’influenza del contenuto in acqua e dell’energia di costipamento. Egli ha ideato una prova nella quale la terra, posta a strati in un recipiente metallico cilindrico, viene compattata per azione di un pestello a caduta libera. L’energia di costipamento può essere variata modificando il peso del pestello, l’altezza di caduta, il numero di colpi per strato e lo spessore degli strati.

Se si fa variare il contenuto d’acqua del campione di terra in esame, mantenendo costante l’energia di costipamento e si rappresenta in un diagramma la variazione del peso di volume secco y_d o densità secca, in funzione del contenuto in acqua w, si ottiene una curva a campana che presenta un massimo in corrispondenza di un certo contenuto in acqua indicato anche come optimum Proctor.

Per ogni terra l’optimum, il maximum e la forma della curva variano con l’energia e con i diversi metodi di costipamento. Andando verso contenuti di acqua elevati, cioè oltre l’optimum, la curva di costipamento è all’incirca parallela alla curva di costipazione; tale curva può essere facilmente individuata calcolando per ciascun valore di peso di volume secco il contenuto d’acqua necessario a saturare il materiale.

Se per una stessa terra si adopera lo stesso metodo di costipamento, ma si varia l’energia, si ottiene una famiglia di curve con andamento simile. Al crescere dell’energia di costipamento aumenta il peso di volume secco massimo y_d e diminuisce il contenuto in acqua optimum. La linea che congiunge i punti di optimum si dispone all’incirca parallela alla curva di saturazione e, per contenuti d’acqua superiori all’optimum, le curve corrispondenti alle diverse energie tendono a confondersi in un’unica linea. Ciò significa che per un dato tipo di apparecchiatura di costipamento e per un certo contenuto d’acqua c’è un grado di saturazione massimo che può essere ottenuto indipendentemente dall’energia di costipamento. Pertanto un aumento dell’energia di costipamento è più efficace quando si lavora con contenuto d’acqua inferiore all’optimum.

La forma della curva di costipamento varia con il tipo di terra; la variazione di contenuto d’acqua influenza la densità secca maggiormente in alcuni tipi di terra per i quali, con piccole variazioni di contenuto d’acqua si possono avere notevoli variazioni di densità.

Le prove di costipamento vengono eseguite sia in laboratori specializzati che in cantiere e in genere consistono, com’è già stato detto, nel compattare il materiale posto a strati, in un recipiente cilindrico di metallo.

Oltre alle prove Proctor sono state utilizzate anche altre metodologie. Si hanno così le prove kneading in cui il materiale è compattato in starti con un pistone che comprime il terreno con una pressione nota e per un certo tempo, le prove statiche, nelle quali la terra è compattata in strati sotto l’azione di un pistone con area uguale a quella del recipiente, e le prove per vibrazione, che adoperano tavoli o altre apparecchiature vibranti.

Come si è detto quelle più usate sono quelle di tipo Proctor per quali si fa riferimento generalmente a due tipi particolari indicate come Proctor normale o AASHTO standard e Proctor modificato o AASHTO modificato:

Come si vede l’energia di costipamento della prova standard è notevolmente inferiore a quella della prova modificata. I risultati della prova standard vengono utilizzati generalmente per lo studio dei rilevati di vario tipo mentre quelli della prova modificata riguardano particolarmente i terreni di sottofondo, i materiali per i rilevati e i materiali per le pavimentazioni stradali ed aeroportuali.

Viene anche eseguita la prova CBR prova ideata e molto usata negli Stati Uniti.

In questa prova il terreno viene compattato, secondo il procedimento AASHTO modificato o secondo quello standard, in una fustella di maggiori dimensioni di quella Proctor (6 pollici di diametro, 8 pollici d’altezza). In questa fustella si può compattare il materiale passante al vaglio con apertura di 19 mm.

La prova CBR vera e propria consiste nel far penetrare nel materiale un pistone di 49,5 mm di diametro con velocità pari a 1,27 mm al minuto fino ad una profondità di 12,7 mm misurando la forza corrispondente.

Si raffrontano poi le pressioni misurate in corrispondenza degli affondamenti di 2,5 e 5 mm con i valori standard pari a 70 kg/cm² e 105 kg/cm² relativi ad un terreno campione della California compattato alla densità massima AASHTO modificata; si assume quindi come risultato il maggior valore tra i due, espresso in percentuale. Nella maggior parte dei casi la prova viene eseguita dopo aver imbibito il campione con l’immersione in acqua per quattro giorni; per il materiale coesivo si misura il rigonfiamento a seguito della imbibizione.

Con i materiali coesivi le prove CBR vengono eseguite variando il contenuto d’acqua e la densità.
Come è stato detto inizialmente il costipamento permette di esaltare le proprietà delle terre in accordo con le diverse esigenze. Aumentando la densità si aumenta la resistenza, diminuisce la compressibilità, si riduce la permeabilità e si riduce il potenziale di liquefazione.

Sorge però il problema del mantenimento nel tempo delle caratteristiche ottenute con il costipamento. I terreni incoerenti praticamente mantengono costanti le loro proprietà nel tempo, mentre quelli coerenti spesso le modificano. In particolare la terre coerenti risentono delle variazioni di contenuto d’acqua e della conseguente variazione del grado di saturazione dando luogo a fenomeni di rigonfiamento e di ritiro con la conseguente variazione delle proprietà meccaniche e idrauliche.

Il costipamento delle terre limose ed argillose è stato studiato specialmente da parte di vari ricercatori americano. In particolare sono stati esaminati gli effetti del costipamento sulla struttura e sulle varie caratteristiche che interessano dal punto di vista ingegneristico.

La natura e l’entità del costipamento influenzano notevolmente e varie caratteristiche delle terre fini. Così, all’aumentare del contenuto d’acqua, per valori che si mantengono inferiori all’optimum, si ha una sensibile diminuzione di permeabilità, mentre si ha un leggero aumento per contenuti d’acqua superiori all’optimum.

All’aumentare dell’energia di costipamento si riduce la permeabilità perché aumentano sia la densità che l’orientazione delle particelle.

Quando viene dato accesso all’acqua un campione costipato con w inferiore all’optimum rigonfia di più di un campione costipato con w maggiore dell’optimum, poiché ha una maggiore deficienza d’acqua ed un minor grado di saturazione insieme ad una distribuzione più disordinata delle particelle.

Infine le condizioni di costipamento possono avere un notevole effetto sulle caratteristiche sforzi-deformazioni di un argilla compatta. Campioni compattati con contenuto in acqua inferiore all’optimum hanno maggiore resistenza e rigidità di quelli compattati con contenuto in acqua superiore all’optimum.

Per sapere se il materiale che si pone in opera ha le stesse caratteristiche richieste si può procedere in due modi diversi.

In un primo modo, quando si devo costruire opere in terra di notevole importanza per dimensioni, costo e per esigenze di sicurezza, si ricorre, dopo aver scelto il materiale da adoperare, alla costruzione di rilevati di prova al fine di determinare lo spessore degli strati, il tipo di macchina, il numero dei passaggi, il campo di contenuto d’acqua. Talvolta è possibile fare riferimento a precedenti esperienze per lo stesso materiale e le stesse esigenze; pertanto in questa situazione il controllo del costipamento riguarda la verifica del rispetto delle indicazioni precedentemente determinate.

Un secondo modo è quello di inserire nel capitolato alcune prescrizioni riguardanti principalmente la densità secca minima da raggiungere e talvolta la portanza da controllare con prove di carico con il rispetto di valori minimi da raggiungere per il modulo svizzero M_E.

Per quanto riguarda la densità da raggiungere generalmente si usa prescrivere una percentuale dell’ordine del 90% o del 95% della densità massima ottenuta in laboratorio con la prova AASHTO modificata. Il controllo del peso di volume in cantiere viene generalmente eseguito prelevando un campione di terra di cui si determina il contenuto in acqua e la densità secca. La maggiore difficoltà in questo controllo si ha nella determinazione del volume del campione quando si tratta di materiale ghiaioso.