IT201800007438A1 - Additivo schiumogeno a basso impatto ecotossicologico per il condizionamento del terreno in presenza di scavo meccanizzato - Google Patents
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Description
Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
“ADDITIVO SCHIUMOGENO A BASSO IMPATTO ECOTOSSICOLOGICO PER IL CONDIZIONAMENTO DEL TERRENO IN PRESENZA DI SCAVO MECCANIZZATO”
La presente invenzione riguarda additivi schiumogeni, in forma liquida o in pasta o in polvere, utilizzati per il condizionamento dei terreni scavati con fresa meccanica. Tali additivi possono essere classificati prontamente biodegradabili e sono caratterizzati da un minore impatto ecotossicologico rispetto ai prodotti commerciali.
Stato della tecnica
Attualmente, lo scavo delle gallerie può essere effettuato mediante due tecnologie principali:
• uso di esplosivi o metodo classico;
• attraverso l’impiego di mezzi meccanici.
Il primo metodo prevede l’applicazione ciclica delle operazioni di seguito riportate:
1) Per mezzo di un macchinario denominato “Jumbo”, si realizza sul fronte di scavo una serie di fori che vengono riempiti con esplosivo; sia la disposizione dei fori che la quantità d’esplosivo sono calibrate in modo da abbattere la porzione di roccia desiderata, senza causare danni alle porzioni di roccia che fungeranno da sostegno naturale allo scavo;
2) Il materiale di risulta (detto smarino) viene rimosso con ruspe e camion;
3) Lo scavo viene sostenuto con la realizzazione di centine e calcestruzzo proiettato.
Il metodo è basato sulla eliminazione della giusta porzione di roccia, così da realizzare al contorno dello scavo una re-distribuzione delle forze nota come effetto arco che, parzialmente, supporta l’azione consolidante dei ferri d’armatura e del calcestruzzo proiettato.
La seconda tecnica costruttiva può essere suddivisa in due grandi categorie, a seconda che lo scavo avvenga per sezioni parziali o a piena sezione (cioè scavando l’intera sezione della galleria nello stesso momento). Nel primo caso si procede come già descritto per il metodo tradizionale con frese puntuali e con demolitori (al posto dell’esplosivo), realizzando per gradi la sagoma della galleria che sarà in seguito rivestita con il calcestruzzo armato. Nel secondo caso l’avanzamento è realizzato con una complessa macchina detta TBM (Tunnel Boring Machine), nota anche come fresa o talpa, che, oltre ad eseguire lo scavo, è in grado di sostenere ed evitare i cedimenti del fronte, di portare all’esterno lo smarino (tramite una coclea ed un nastro trasportatore) e di mettere in opera il rivestimento definitivo che è costituito da conci prefabbricati in calcestruzzo armato. Questo tipo di macchina è in grado di scavare nella quasi totalità dei contesti geologici esistenti, dalla roccia compatta (fresa da roccia dura) a quella fratturata (fresa a doppio scudo) fino ai terreni sciolti e al di sotto delle falde acquifere (EPB – Earth Pressure Balance machine).
Una fresa è così costituita:
1) Una testa, cioè la parte anteriore a diretto contatto con il fronte, che serve a scavare, sostenere il fronte, raccogliere e convogliare lo smarino verso un sistema di evacuazione;
2) Un sistema di trasporto dello smarino verso l’esterno della galleria (per esempio un nastro trasportatore);
3) Una camera di scavo posta tra la testa e il sistema di trasporto dello smarino in cui è raccolto il materiale scavato. Il materiale esce dalla camera su una coclea, o vite senza fine, e viene posto su un rullo trasportatore.
4) Un sistema di messa in opera del rivestimento della galleria.
La testa fresante monta degli utensili chiamati “cutters”, ovvero dischi di acciaio che hanno la funzione di demolire il terreno. Gli “scrapers”, invece, convogliano il terreno sul nastro trasportatore che la trasferirà all’esterno.
L’avanzamento dovrà avvenire con la camera di scavo costantemente e completamente piena del materiale estratto, opportunamente condizionato, in modo da garantire una distribuzione omogenea ed uniforme di pressione di terra al fronte e senza cali di pressione tra una spinta e quella successiva. Tali macchine funzionano bene quando gli strati attraverso cui un tunnel viene scavato sono relativamente duri e rigidi, ma non sono così performanti quando vengono scavati terreni morbidi e friabili. Una tecnica utilizzata per superare questo problema è quello di applicare un agente condizionante al terreno tramite la testa della fresa. Questo stabilizza il terreno, permettendo uno scavo e una estrazione del terreno più facile.
Negli ultimi sviluppi di questa tecnologia sono state suggerite schiume polimeriche. Queste hanno il considerevole vantaggio che diminuiscono sensibilmente l’apporto di acqua nel terreno. Una formulazione standard di agente schiumogeno comprende un agente schiumogeno e un agente stabilizzante.
Così, in funzionamento, la schiuma viene iniettata direttamente nella testa di taglio nell’interfaccia di scavo.
Il terreno scavato è così caratterizzato da un apporto organico, derivante dall’utilizzo di questi additivi, che interferisce sull’ecosistema.
Questa influenza viene definita da test ecotossicologici svolti sui prodotti tal quali o su matrici condizionate con gli additivi in oggetto.
I prodotti schiumogeni generalmente utilizzati contengono tensioattivi anionici. Questi tensioattivi anionici sono generalmente alcol C12-16 etossilati (1-4 gruppi di etossilazione) solfati. Questi sono composti organici salificati, generalmente come sali di sodio.
Esempi di additivi schiumogeni disponibili sul mercato sono:
1. POLYFOAMER ECO 100 e POLYFOAMER FP/CC
2. FOAMEX EC, FOAMEX TR e FOAMEX SNG
3. MASTERROC SLF 30, MASTERROC SLF 41, MASTERROC ACP 143 e MASTERROC SLF 32
4. SIKA FOAM TBM 101
Attualmente il prodotto più comunemente utilizzato è denominato Polyfoamer ECO 100 comprendente dal10 al 20 % in peso di una miscela di alcoli lineari con catena alchilica C12 – C14 etossilata, solfonata e salificata con sodio.
EP 1027528 illustra un metodo di perforazione dove la composizione del materiale acquoso iniettato nel fronte di scavo è composta da un polietilenossido avente peso molecolare tra 2 e 8 milioni e un tensioattivo anionico contenente solfato.
US 6172010 descrive un additivo schiumogeno acquoso composto da un tensioattivo e da un polimero caratterizzati da cariche avente segno opposto, per ottenere una schiuma stabile.
US 6802673 descrive un additivo schiumogeno acquoso composto da un tensioattivo anionico e da un β-naftalene solfonato formaldeide condensata.
US 4442018 descrive la composizione di un additivo per la produzione di una schiuma stabile in fase acquosa composto da un polimero dell’acido acrilico, da un alcol C12-C14 e C16, da un alcol C4 e C5, da sodio laurilsolfato o alfa-olefina solfonata e da acqua.
Descrizione della invenzione
La presente invenzione riguarda un nuovo additivo condizionante schiumogeno in forma liquida o in pasta o in polvere, in grado di generare schiuma da iniettare sul fronte di scavo quando aggiunto in percentuali di 0,1 – 4% in peso a una soluzione acquosa che è utilizzata sul fronte per ammorbidire il terreno e permettere una più veloce estrazione e all’interno della camera di condizionamento, per mantenere una stabilità del fronte di scavo.
L’additivo condizionante dell’invenzione contiene almeno uno o una miscela dei seguenti tensioattivi:
a. alcoli naturali o sintetici caratterizzati da catena alchilica C7-C11 e etossilati con 1 - 9 moli di ossido di etilene ;
b. derivati dell’acido glutammico;
c. alchilpoliglucosidi.
Esempi di alcoli naturali o sintetici caratterizzati da catena alchilica C7-C11 e etossilati con 1 - 9 moli di ossido di etilene possono essere alcoli naturali o sintetici caratterizzati da 1 - 3 moli, oppure 4 - 6 moli oppure 7 - 9 moli di ossido di etilene. Sono preferiti alcoli con catena ramificata. Sono inoltre particolarmente preferiti alcoli con 4-6 o 7-9 moli di ossidi di etilene, più preferibilmente 7-9 moli di ossidi di etilene, ancora più preferibilmente 7 moli di ossido di etilene. Detti alcoli possono essere in forma di solfati e salificati con sodio.
Esempi di derivati dell’acido glutammico comprendono acil-glutammati e in particolare cocoil glutammato, lauroil glutammato, miristoil glutammato, capriloil, caproil glutammato e i loro sali di sodio. E’ preferito il lauroil glutammato, in particolare in forma di sale sodico.
Esempi di alchil poliglucosidi comprendono decil glucoside, capril glucoside, lauril glucoside e cocoilglucoside. E’ preferito il capril glucoside.
Sono preferiti additivi comprendenti alcoli naturali o sintetici caratterizzati da catena alchilica C7-C11 e etossilati con 1 - 9 moli di ossido di etilene in miscela con i derivati dell’acido glutammico e/o con gli alchilpoliglucosidi.
I tensioattivi secondo l’invenzione sono classificabili prontamente biodegradabili secondo le linee guida OECD 301.
Gli additivi dell’invenzione possono contenere stabilizzanti della schiuma, capaci di incrementare i tempi di semi-vita delle schiume generate.
Gli stabilizzanti posso essere biopolimeri. Con biopolimeri si intendono polimeri degradabili per effetto di micro-organismi, come batteri, funghi o alghe, e sono principalmente polisaccaridi solubili in acqua in grado di incrementare la viscosità di un sistema acquoso in un intervallo di pH tra 4 e 12. I biopolimeri preferiti sono gomma di xantana e gomma di guar.
Gli additivi dell’invenzione sono caratterizzati da un minor impatto ecotossicologico rispetto ai prodotti commercialmente disponibili e utilizzati nello scavo meccanizzato.
L’additivo può contenere un solo tensioattivo in una percentuale in peso da 1% a 100%.
Nel caso di miscele di più tensioattivi, le percentuali in peso dei singoli tensioattivi, espresse sul contenuto attivo, possono variare entro ampi limiti:
gli alcoli C7-C11 e etossilati sono tipicamente presenti in percentuali da 0% a 90%, i derivati dell’acido glutammico da 0% a 70% e gli alchilpoliglucosidi da 0% a 75%, con la condizione che ovviamente almeno due percentuali siano diverse da zero e che il totale sia 100.
L’additivo schiumogeno può contenere eventuali altri composti utili per specifiche problematiche quali possibili intasamenti dovuti a terreni argillosi, per evitare l’elevato consumo dei cutters posti nella testata della fresa o ridurre la quantità di sali solubili nell’acqua presente nel terreno di scavo.
Le caratteristiche e i vantaggi dell’additivo dell’invenzione sono meglio descritti negli esempi seguenti. Le percentuali dei componenti sono espresse in peso.
Esempio 1 Composizioni di additivi condizionanti dell’invenzione:
Tabella 1: composizione dei formulati
Nella colonna A viene riportata la composizione in peso espressa sul formulato, mentre nella colonna B viene riportata il peso percentuale del singolo composto sul contenuto attivo. Viene valutata la stabilità della schiuma generata da una soluzione acquosa preparata aggiungendo a 5000 g di acqua il 2% in peso di additivo schiumogeno. La stabilità viene espressa come tempo di semivita che indica il tempo necessario per ottenere una riduzione del 50% del peso della schiuma. Il test viene effettuato valutando il tempo in cui viene rilasciata acqua pari a metà del peso/volume della schiuma all’interno di un cilindro da 250 ml. La formazione della schiuma avviene attraverso un generatore che convoglia all’interno di un miscelatore a sfere di vetro il flusso del liquido a un flusso di aria costante.
Tabella 2: tempo di semivita
I dati riportati in tabella 2 evidenziano che la stabilità delle schiume generate con i prodotti a minor impatto ecotossicologico hanno tempi di semi-vita paragonabili o migliorativi in confronto alla schiuma generata con il prodotto commerciale.
Esempio 2: capacità condizionante degli additivi dell’Esempio 1
Si è valutata la capacità condizionante degli additivi dell’Esempio 1 utilizzando un terreno stabilizzato denominato ‘Vitali’ (granulometria 0,075 - 25 mm). La schiuma utilizzata per condizionare la matrice viene generata da una soluzione acquosa preparata aggiungendo a 5000 g di acqua il 2% in peso di additivo schiumogeno. La formazione della schiuma avviene attraverso un generatore che convoglia all’interno di un miscelatore a sfere di vetro il flusso del liquido a un flusso di aria costante. La valutazione consiste nell’aggiungere le schiume generate con gli additivi a tre campioni da 11 kg di inerte, omogeneizzando la miscela in una betoniera IMER S140 (capacità della vasca di 138 lt) per 5 minuti. Il condizionamento della matrice viene valutata con un valore di abbassamento al cono di Abrams. I risultati ottenuti sono riportati in tabella 3:
Tabella 3: abbassamento al cono di Abrams
I dati evidenziano una buona capacità condizionante dei nuovi formulati.
Esempio 3 Composizione di additivo senza alcol a minor grado di etossilazione (presente negli additivi commerciali).
Tabella 4: composizione dei campioni
Nella colonna A viene riportata la composizione in peso espresse sul formulato, mentre nella colonna B viene riportata il peso percentuale del singolo composto sul contenuto attivo. Il campione n°4 è stato formulato in assenza dell’alcol lineare C12-C14 etossilato (2-3 moli di ossido di etilene) e solfato di sodio.
Viene valutata la stabilità della schiuma generata da una soluzione acquosa preparata aggiungendo a 5000 g di acqua il 2% in peso di additivo schiumogeno. La stabilità viene espressa come tempo di semivita che indica il tempo necessario per ottenere una riduzione del 50% del peso della schiuma. Il test viene effettuato valutando il tempo in cui viene rilasciata acqua pari a metà del peso/volume della schiuma all’interno di un cilindro da 250 ml.
La formazione della schiuma avviene attraverso un generatore utilizzando un flusso di aria costante.
Tabella 5: tempo di semivita
I dati evidenziano un incremento della stabilità della schiuma.
Esempio 4
Gli additivi schiumogeni hanno le seguenti composizioni:
Tabella 6: composizione dei campioni
Nella colonna A viene riportata la composizione in peso espresse sul formulato, mentre nella colonna B viene riportata il peso percentuale del singolo composto sul contenuto attivo. Il campione n°7 è stato formulato in assenza dell’alcol lineare C12-C14 etossilato (2-3 moli di ossido di etilene) e solfato di sodio, sempre presente come generatore di schiuma nei prodotti commerciali.
Viene valutata la stabilità della schiuma generata da una soluzione acquosa preparata aggiungendo a 5000 g di acqua il 2% in peso di additivo schiumogeno. La stabilità viene espressa come tempo di semivita che indica il tempo necessario per ottenere una riduzione del 50% del peso della schiuma. Il test viene effettuato valutando il tempo in cui viene rilasciata acqua pari a metà del peso/volume della schiuma all’interno di un cilindro da 250 ml. La formazione della schiuma avviene attraverso un generatore utilizzando un flusso di aria costante.
Tabella 7: tempo di semivita
I dati riportati in tabella 7 evidenziamo un incremento della stabilità della schiuma.
Esempio 5: capacità condizionante dell’additivo dell’Esempio 3.
La capacità condizionante dell’additivo dell’Esempio 3 è stata valutata utilizzando la metodica descritta nell’esempio 2. I risultati ottenuti sono riportati in tabella 8:
Tabella 8: abbassamento al cono di Abrams
I dati evidenziano una buona capacità condizionante del campione n°4, formulato senza l’utilizzo dell’alcol lineare C12-C14 etossilato (2-3 moli di ossido di etilene) e solfato di sodio, sempre presente come generatore di schiuma nei prodotti commerciali.
Esempio 6: tossicità acquatica di un additivo dell’esempio 1 in confronto ad un additivo del commercio
Si è valutata la tossicità in ambiente acquatico degli additivi denominati ‘Polyfoamer ECO 100’ e ‘campione 1’ descritti in tabella 1 secondo le linee guida OECD della tossicità acuta su pesci (OECD 203), alghe (OECD 201) e dafnie (OECD 202). I dati vengono espressi come:
- OECD 203 LC 50: concentrazione letale in grado di uccidere il 50% dei soggetti a singola esposizione.
- OECD 202 e 201 EC 50: concentrazione mediana efficace che produce un determinato effetto, diverso dalla morte, sul 50% della popolazione. Più basso è il valore in mg/l più alta è la tossicità.
I dati sono riassunti nella seguente tabella 9:
Tabella 9: tossicità acquatica
I dati evidenziano un minor impatto ecotossicologico del campione 1. Sostituendo parte dell’alcol lineare C12-C14 etossilato (2-3 moli di ossido di etilene) e solfato di sodio con l’alcol ramificato C9-C11 etossilato (7 moli di ossido di etilene) solfato di sodio si ottiene un additivo schiumogeno con una minor ecotossicità acquatica.
Esempio 7 tossicità acquatica degli additivi dell’esempio 1 in confronto ad un additivo del commercio
Si è valutata la tossicità acuta sui pesci degli additivi denominati ‘Polyfoamer ECO 100’, ‘campione 2’ e ‘campione 3’ descritti in tabella 1. I dati, ottenuti secondo le linee guida OECD 203, vengono espressi come:
- OECD 203 LC 0: concentrazione massima in grado di non uccidere i soggetti a singola esposizione.
- OECD 203 LC 50: concentrazione letale in grado di uccidere il 50% dei soggetti a singola esposizione.
- OECD 203 LC 100: concentrazione letale in grado di uccidere il 50% dei soggetti a singola esposizione. I dati sono riassunti nella seguente tabella 10: più basso è il valore in mg/l più alta è la tossicità.
Tabella 10: tossicità acquatica
I dati evidenziano un minor impatto ecotossicologico dei campioni 2 e 3. Sostituendo l’alcol C12-C14 etossilato (2-3 moli di ossido di etilene) solfato di sodio con i tensioattivi ripotati in tabella 1 si ottengono additivi schiumogeni con una minor tossicità acuta sui pesci. Si evidenzia in particolare una tossicità decrescente al diminuire del contenuto di alcol C12-C14.
Esempio 8: tossicità acuta sui pesci dell’additivo dell’esempio 3
Si è valutata la tossicità acuta sui pesci secondo OECD 203 degli additivi denominati ‘Polyfoamer ECO 100’ e ‘campione 4’. I dati sono espressi come:
- OECD 203 LC 0: concentrazione massima in grado di non uccidere i soggetti a singola esposizione.
- OECD 203 LC 50: concentrazione letale in grado di uccidere il 50% dei soggetti a singola esposizione.
OECD 203 LC 100: concentrazione letale in grado di uccidere il 50% dei soggetti a singola esposizione. I dati sono riassunti nella seguente tabella 11: più basso è il valore in mg/l più alta è la tossicità
Tabella 11: tossicità acquatica
I dati evidenziano un minor impatto ecotossicologico del campione 4. Sostituendo totalmente l’alcol C12-C14 etossilato (2-3 moli di ossido di etilene) solfato di sodio con i tensioattivi ripotati in tabella 4 si è ottenuto un additivo caratterizzato da tossicità acuta sui pesci sensibilmente inferiore.
Esempio 9 tossicità acuta sui pesci dell’additivo dell’esempio 4
Gli additivi schiumogeni denominati ‘Polyfoamer ECO 100’ e ‘campione 7’ sono stati valutati per definire la loro tossicità acuta sui pesci (OECD 203).
I dati vengono espressi come:
- OECD 203 LC 0: concentrazione massima in grado di non uccidere i soggetti a singola esposizione. OECD 203 LC 50: concentrazione letale in grado di uccidere il 50% dei soggetti a singola esposizione.
- OECD 203 LC 100: concentrazione letale in grado di uccidere il 50% dei soggetti a singola esposizione. I dati sono riassunti nella seguente tabella 12: più basso è il valore espresso in mg/l più alta è la tossicità.
Tabella 12: tossicità acquatica
I dati riportati in tabella 12 evidenziano un minor impatto ecotossicologico del campione 7. Sostituendo totalmente l’alcol C12-C14 etossilato (2-3 moli di ossido di etilene) solfato di sodio con i tensioattivi ripotati in tabella 6 si è ottenuto un additivo schiumogeno caratterizzato da tossicità acuta sui pesci sensibilmente inferiore.
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Un additivo condizionante di terreni, in forma liquida o in pasta o in polvere, da utilizzare nello scavo meccanizzato in fresa, contenente almeno uno o una miscela dei seguenti tensioattivi: - alcoli naturali o sintetici caratterizzati da catena alchilica C7-C11 e etossilati con 1 - 9 moli di ossido di etilene; - derivati dell’acido glutammico; - alchilpoliglucosidi.
- 2. Un additivo condizionante secondo la rivendicazione 1 in cui gli alcoli naturali o sintetici C7-C11 sono etossilati con 4 - 9 moli di ossido di etilene.
- 3. Un additivo condizionante secondo la rivendicazione 2 in cui gli alcoli naturali o sintetici C7-C11 sono etossilati con 7 - 9 moli di ossido di etilene.
- 4. Un additivo condizionante secondo la rivendicazione 3 in cui il tensioattivo è un alcol naturale o sintetico caratterizzato da catena alchilica C7-C11, etossilata con 7 moli di ossido di etilene e solfonata eventualmente in forma di sale di sodio.
- 5. Un additivo condizionante secondo la rivendicazione 4 in cui il tensioattivo è un alcol naturale o sintetico caratterizzato da catena alchilica C7-C11 ramificata.
- 6. Un additivo condizionante secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5 in cui i derivati dell’acido glutammico sono acilglutammati.
- 7. Un additivo condizionante secondo la rivendicazione 6 in cui gli acil-glutammati sono scelti fra cocoil glutammato, lauroil glutammato, miristoil glutammato, capriloil, caproil glutammato e i loro sali sodici.
- 8. Un additivo condizionante secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5 in cui l’alchil poliglucoside è scelto fra decil glucoside, capril glucoside, lauril glucoside e/o cocoilglucoside.
- 9. Additivo condizionante secondo le rivendicazioni 1 - 8 in cui gli alcoli naturali o sintetici caratterizzati da catena alchilica C7-C11 e etossilati con 1 - 9 moli di ossido di etilene sono in miscela con i derivati dell’acido glutammico e/o con gli alchilpoliglucosidi.
- 10. Un additivo condizionante secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 9 contenente gomma di xantana o gomma di guar come stabilizzanti di schiuma.
- 11. Uso dell'additivo delle rivendicazioni 1 - 10 per condizionare i terreni durante lo scavo meccanizzato in fresa.
- 12. Uso secondo la rivendicazione 11 in cui l'additivo è aggiunto a una soluzione acquosa, in percentuali in peso di 0,1 - 4,0%, per ottenere una matrice caratterizzata da un contenuto di aria dipendente dal grado di espansione.
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