ITUB20159216A1 - Additivo schiumogeno per il condizionamento del terreno in presenza di scavo meccanizzato per la realizzazione di gallerie - Google Patents

Additivo schiumogeno per il condizionamento del terreno in presenza di scavo meccanizzato per la realizzazione di gallerie Download PDF

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ITUB20159216A1
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Carlo Pistolesi
Marco Squinzi
Negro Enrico Dal
Cristiano Maltese
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Description

“ADDITIVO SCHIUMOGENO PER IL CONDIZIONAMENTO DEL TERRENO IN PRESENZA DI SCAVO MECCANIZZATO PER LA REALIZZAZIONE DI GALLERIE”
La presente invenzione riguarda additivi schiumogeni utilizzati per il condizionamento dei terreni scavati con fresa meccanica. Tali additivi possono essere classificati prontamente biodegradabili e sono caratterizzati da una elevato tempo di semivita della schiuma generata che porta ad ottenere un condizionamento del terreno più duraturo e una migliore stabilità del fronte di scavo. Gli additivi descritti nella presente invenzione presentano elevate stabilità anche in presenza di soluzione acquose salmastre.
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 Γ applicazione ciclica delle operazioni di seguito riportate che permettono l’avanzamento del tracciato:
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 procederà 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 sarà 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.
Agenti stabilizzanti noti includono sospensioni bentonitiche e polimeriche. Questi possono portare a problemi in alcuni terreni, perché aumentano sensibilmente il contenuto di acqua del suolo, ottenendo sistemi molto liquidi che risultano di difficile estrazione. Inoltre alcuni suoli (quali argille) possono diventare appiccicosi e di difficile rimozione fino ad intasare la testa di taglio, con conseguente perdita sostanziale di efficienza.
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.
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.
EP 0070074 descrive un additivo schiumogeno composto da un tensioattivo alchilpolisaccaride e un solfato o solfonato e/o co-tensioattivo carbossilato.
US 5851960 descrive un metodo di scavo che utilizza un fluido di perforazione composto da una argilla reidratata, acqua e un tensioattivo schiumogeno.
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 composta da un polimero dell’acido acrilico, da un alcol C 12-04 e 06, da un alcol C4 e C5, da sodio laurilsolfato o alfa-olefina solfonata e da acqua.
Descrizione della invenzione
La presente invenzione è relativa a un nuovo additivo schiumogeno, da aggiungere a percentuali di 0,1 - 4% in peso a una soluzione acquosa, in grado di generare schiuma da iniettare sul fronte di scavo. Questa viene 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’elevata stabilità della schiuma generata, espressa come tempo di semivita, permette di mantenere più a lungo il condizionamento all’ interno della camera di scavo.
L’additivo deirinvenzione, in forma di soluzione acquosa classificabile come prontamente biodegradabile, comprende almeno un tensioattivo in percentuali in peso comprese fra 5 e 40% e almeno un biopolimero in percentuali in peso comprese fra 0,01 e 5%. La percentuale in peso di acqua può variare da 55% a 94,09%. Il tensioattivo può essere di natura anionica, cationica o non-ionica, preferibilmente anionica. Tensioattivi anionici preferiti sono sali di alchil solfati e alchil eterisolfati, in particolare i sali di sodio.
Per 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. Biopolimeri preferiti sono gomma di xantana e gomma di guar.
L’additivo schiumogeno secondo l'invenzione è classificabile prontamente biodegradabile secondo le linee guida OECD 301.
L’additivo schiumogeno descritto nella presente invenzione è caratterizzato da una elevata stabilità anche in presenza di una soluzione salmastra.
L’additivo schiumogeno può contenere eventuali altri composti utilizzati per affrontare 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
Gli additivi schiumogeni hanno le seguenti composizioni:
Parti in peso (%)
Campione Campione Campione Campione 1 2 3 4 Sodio lauril etere solfato 20,0 20,0 20,0 12,0 Gomma di xantana 0,0 0,5 2,0 0,3
Biocida 0,2 0,2 0,2 0,2 Acqua 79,8 79,3 77,8 87,5
Tabella 1 : composizione dei campioni
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 mi.
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.
Tempo di semivita (sec) Campione 1 540 Campione 2 730 Campione 3 1800 Campione 4 690
Tabella 2; tempo di semivita
I dati riportati in tabella 2 evidenziano un incremento della stabilità della schiuma aumentando il dosaggio di biopolimero. I risultati di degradazione biologica del campione 4 secondo OECD 301 classificano il prodotto prontamente biodegradabile con un valore a 28 giorni di 84%.
Esempio 2
Gli additivi schiumogeni hanno le composizioni riportate in tabella 1. L’inerte utilizzato per valutare la stabilità del condizionamento è un quarzo standard con una curva granulometrica definita (0,06 - 0,25 mm).
La schiuma utilizzata per condizionare la matrice viene generata con miscelazione meccanica a 2000 rpm partendo da una soluzione acquosa preparata con 65 g di acqua e 0,65 g di additivo schiumogeno.
La valutazione consiste nell’aggiungere le schiume generate con gli additivi schiumogeni riportati in tabella 1, a tre campioni da 1000 g di quarzo standard, omogeneizzando la miscela in un mescolatore Hobart per 3 minuti a velocità standard. Il condizionamento della matrice viene espressa come valore di viscosità, misurata tramite il viscosimetro Brookfield DV-I Prime utilizzando l’alberino D e velocità 5 rpm. La viscosità della matrice condizionata viene valutata a tempo 0 e dopo 60 minuti dalla miscelazione. Una minore differenza dei valori ottenuti dopo 60 minuti rispetto al dato iniziale, suppongono un migliore condizionamento da parte della schiuma utilizzata. I risultati ottenuti sono riportati in tabella 3:
Viscosità (Pa*s)
0 minuti 60 minuti
Acqua Non valutabile
Campione 1 145 325
Campione 2 150 240
Campione 3 145 200
Campione 4 155 300
Tabella 3; viscosità del quarzo condizionato .
Il test effettuato con l’aggiunta di sola acqua ha portato ad ottenere una matrice non coesa, la misura della viscosità risulta non significativa.
I dati riportati in tabella 3 evidenziano un miglioramento della stabilità del condizionamento del terreno utilizzando schiume caratterizzate da alti tempi di semivita.
Esempio 3
Gli additivi schiumogeni hanno le seguenti composizioni:
Parti in peso ( %)
Campione 5 Campione 6 Campione 7 Sodio lauril etere solfato 15.0 15,0 15,0
Gomma di guar 0,0 0,1 0,5
Acqua 85.0 84,9 84,5
Tabella 4: composizione dei campioni
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 mi.
La formazione della schiuma avviene attraverso un generatore utilizzando un flusso di aria costante.
Tempo di semivita (sec) Campione 5 480 Campione 6 530 Campione 7 560
Tabella 5; tempo di semivita
I dati riportati in tabella 5 evidenziano un incremento della stabilità della schiuma aumentando il dosaggio di biopolimero.
Esempio 4
Gli additivi schiumogeni hanno le seguenti composizioni:
Parti in peso (%)
Campione Campione Campione Campione Campione S 9 10 11 12 Sodio lauril
10,0 10,0 0,0 0,0 5,0 etere solfato
Sodio lauril 0,0 0,0 10,0 10,0 0,0 solfato
Cocammide
0,0 0,0 0,0 0,0 5,0 di MEA
Gomma di
0,1 5.0 0,0 0,5 0,5 guar
acqua 89,9 85.0 90,0 89,5 89,5
Tabella 6: composizione dei campioni
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 mi.
La formazione della schiuma avviene attraverso un generatore che convoglia, all’interno di un miscelatore a sfere di vetro, il flusso di liquido a un flusso di aria costante.
Tempo di semivita (sec)
Campione 8 600
Campione 9 7200
Campione 10 450
Campione 11 860
Campione 12 650
Tabella 7: tempo di semivita
I dati riportati in tabella 7 evidenziano un incremento della stabilità della schiuma aumentando il dosaggio di biopolimero all’ interno dell’additivo.
Esempio 5
Gli additivi schiumogeni hanno le seguenti composizioni:
Parti in peso (%)
Campione 13 Campione 14 Campione 15 Sodio lauril etere
12,0 12,0 12,0 solfato
Gomma di xantana 0,0 0,3 2,0
acqua 88,0 87,7 86,0
Tabella 8: composizione dei campioni
Viene valutata la stabilità della schiuma generata da una soluzione di acqua preparata aggiungendo a 5000 g di acqua salmastra il 2% in peso di additivo schiumogeno. L’acqua salmastra utilizzata è caratterizzata da una concentrazione di sodio cloruro pari al 2%. 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 mi.
La formazione della schiuma avviene attraverso un generatore che convoglia, all’interno di un miscelatore a sfere di vetro, il flusso di liquido a un flusso di aria costante.
Tempo di semivita (sec)
Campione 13 510
Campione 14 650
Campione 15 1720
Tabella 9: tempo di semivita
I dati riportati in tabella 9 evidenziano un incremento della stabilità della schiuma, generata da una soluzione acquosa salmastra, aumentando il dosaggio di biopolimero all’ interno dell’additivo utilizzando.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un additivo schiumogeno liquido da utilizzare nello scavo meccanizzato in fresa, contenente 5 - 40% in peso di uno o più tensioattivi, 0,01 - 5% in peso di uno o più biopolimeri e 55 - 94,09% di acqua.
  2. 2. Un additivo schiumogeno secondo la rivendicazione 1 in cui il tensioattivo è anionico, cationico, non ionico o anfotero.
  3. 3. Un additivo schiumogeno secondo le rivendicazione 2 in cui il tensioattivo è anionico.
  4. 4. Un additivo secondo la rivendicazione 3 in cui il tensioattivo anionico è un sale di alchil solfato o di lauril solfato.
  5. 5. Un additivo schiumogeno secondo le rivendicazione 4 in cui il sale è il sale di sodio.
  6. 6. Un additivo schiumogeno secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5 che in cui i biopolimeri sono polisaccaridi.
  7. 7. Un additivo schiumogeno secondo le rivendicazione 6 in cui il biopolimero è gomma di xantana o la gomma di guar.
  8. 8. Uso dell'additivo delle rivendicazioni 1-7 per generare la schiuma in grado di condizionare terreni di scavo.
  9. 9. Uso secondo la rivendicazione 8 in cui l'additivo è aggiunto in percentuali in peso di 0,1 - 4,0% all'acqua contenuta in un generatore di schiuma.
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