Vantaggi ingegneristici derivanti dalla sostituzione della sabbia naturale con sabbia artificiale nella costruzione di discariche

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6444 (2023) Citare questo articolo

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I cedimenti da scorrimento traslatorio nelle discariche sono spesso innescati da una resistenza al taglio inadeguata delle interfacce nei rivestimenti e nelle coperture. I Geosintetici Clay Liner (GCL) vengono utilizzati in diversi componenti delle discariche per contenere il percolato. I GCL vengono solitamente posizionati sopra un sottofondo di sabbia compattata per sviluppare una maggiore resistenza al taglio. Nel contesto dell’esaurimento delle risorse naturali di sabbia, il presente studio esplora la fattibilità della sostituzione della sabbia naturale con sabbia artificiale (Msand) nella costruzione di discariche. Sono stati eseguiti test di taglio dell'interfaccia su GCL a contatto con sabbia fluviale e Msand di gradazione simile per valutare la resistenza al taglio a diverse sollecitazioni normali e condizioni di idratazione. Si è riscontrato che Msand fornisce una maggiore resistenza al taglio dell'interfaccia con GCL rispetto alla sabbia fluviale. L'analisi delle immagini digitali dei campioni testati di GCL ha mostrato che la variazione nella morfologia delle particelle delle due sabbie ha un'influenza diretta sui meccanismi di interazione a livello microlivello che governano la resistenza al taglio. La quantificazione dei parametri morfologici ha mostrato che le particelle di sabbia M sono spigolose e ruvide rispetto alle particelle di sabbia naturale, portando a un maggiore incastro delle particelle. L'idratazione del GCL ha ridotto la resistenza al taglio dell'interfaccia, l'effetto è stato minore nel caso di Msand. Lo studio evidenzia che la sostituzione della sabbia naturale con Msand ha apportato ulteriori vantaggi.

I rivestimenti in argilla geosintetica (GCL) sono geocompositi polimerici utilizzati per contenere elementi dannosi per l'ambiente come i percolati in discariche progettate per impedire loro di entrare nel terreno e eventualmente contaminare le acque sotterranee. I GCL comprendono argilla bentonitica in combinazione con materiali polimerici come geomembrane e geotessili. La bentonite è legata adesivamente alla geomembrana o incapsulata tra due geotessili, che sono agugliati o cuciti. I GCL rappresentano il sostituto ideale dei tradizionali rivestimenti in argilla compattata (CCL) grazie alle loro efficaci proprietà idrauliche, capacità di autoriparazione, convenienza e vantaggi di facile installazione1,2,3. I GCL presentano numerosi vantaggi rispetto ai CCL in termini di garanzia della qualità, spessore ridotto degli strati, resistenza al gelo e allo scongelamento, facile accessibilità e maggiore velocità di costruzione4,5. I GCL con geotessili tessuti o non tessuti sono comunemente usati per formare interfacce con altri geosintetici e materiale di sottofondo. Il posizionamento dei GCL nei rivestimenti e nei sistemi di copertura è mostrato in Fig. 1, in cui i GCL sono in contatto con strati di sabbia in vari punti. La disomogeneità nel rivestimento e nelle coperture delle discariche provoca cedimenti sotto sollecitazioni normali e sollecitazioni di taglio imposte dallo scarico dei rifiuti e da altre condizioni speciali come i terremoti. La causa principale di cedimento nei rivestimenti con GCL è il cedimento per scorrimento traslatorio dovuto all'insufficiente resistenza al taglio alle interfacce GCL-sabbia, le probabilità sono maggiori in caso di terreni in pendenza. È necessaria una valutazione precisa della resistenza al taglio dell'interfaccia dei GCL per controllare lo scorrimento e altre instabilità meccaniche delle discariche.

Rappresentazione schematica di una discarica ingegnerizzata.

La letteratura su diversi test di interfaccia eseguiti utilizzando la scatola di taglio diretta convenzionale rivela che lo sviluppo di attrito e adesione tra gli strati interagenti è governato da diverse interazioni a livello micro6,7,8,9. Il progresso tecnologico ha facilitato lo studio dei meccanismi di interazione che influenzano il comportamento di taglio delle interfacce a livello micro. I ricercatori hanno esplorato l'effetto delle dimensioni e della forma delle particelle di sabbia sul comportamento dell'interfaccia con diversi tipi di rinforzi. La dimensione dei granelli di sabbia combinata con le caratteristiche di rugosità del rinforzo controlla la resistenza al taglio dell'interfaccia10,11,12,13. Durante il loro funzionamento in discarica, i GCL si idratano a causa della loro esposizione al percolato o alle precipitazioni infiltranti, provocando il rigonfiamento dello strato di bentonite incapsulato. Il rigonfiamento della bentonite può ridurre considerevolmente la resistenza al taglio dell'interfaccia. L'estrusione e il rigonfiamento laterale della bentonite dipendono dalla struttura superficiale del GCL14,15,16.