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Geocompositi bentonitici a prestazioni migliorate
Francesco Mazzieri
Università Politecnica delle Marche, Ancona
Convegno sul tema:
Barriere attive e passive: nuovi materiali e recenti sviluppi in ambito
progettuale e tecnologico
Ferrara, 19 Settembre 2018
CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE
• Introduzione sui geocompositi bentonitici
• Sviluppi sul miglioramento delle prestazioni di bentoniti e geocompositi bentonitici
• Prestazioni in presenza di scambio cationico essiccamento e
• Prestazioni in termini di compatibilità e capacità di contenimento degli inquinanti
• Considerazioni sulla previsione e modellazione del comportamento
Barriere attive e passive: nuovi materiali e recenti sviluppi in ambito
progettuale e tecnologico
F.Mazzieri - Geocompositi bentonici a prestazioni migliorate
Barriere attive e passive: nuovi materiali e recenti sviluppi in ambito
progettuale e tecnologico
F.Mazzieri - Geocompositi bentonici a prestazioni migliorate
Barriere attive e passive: nuovi materiali e recenti sviluppi in ambito
progettuale e tecnologico
F.Mazzieri - Geocompositi bentonici a prestazioni migliorate
GEO-COMPOSITI BENTONITICI (GCL o CGB)
Bentonite = materiale composto prevalentemente (>70 %) di
montmorillonite, minerale argilloso con proprietà rigonfianti e
impermeabilizzanti in presenza di acqua
Bentonite nei GCL: sodica naturale (Na) o attivata (Ca →Na); in alcuni casi calcica
Bentonite sodica idratata con acqua: k 10-11 m/s s’ =10-20 kPa
Geocomposito bentonitico = bentonite (3.500 – 5.000 g/m2) + uno o più strati di
materiale sintetico uniti con varie tecniche (agugliatura, cucitura, etc.)
Geocomposito bentonitico idratato = barriera idraulica prefabbricata di modesto
ingombro ~ 10 mm) e facile messa in opera
IDRATAZIONE5- 8 mm ~10 mm
Geotessili
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progettuale e tecnologico
F.Mazzieri - Geocompositi bentonici a prestazioni migliorate
Barriere attive e passive: nuovi materiali e recenti sviluppi in ambito
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F.Mazzieri - Geocompositi bentonici a prestazioni migliorate
Immagini da: www.naue.com www.rawell.co.uk
GCL – INSTALLAZIONE
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F.Mazzieri - Geocompositi bentonici a prestazioni migliorate
da www.cetco.com
• Le giunzioni di ottengono per
semplice sovrapposizione dei
lembi
• La larghezza di sovrapposizione
minima raccomandata (15 cm – 30
cm) dipende dal tipo di prodotto,
e dal tipo di applicazione
• può essere necessaria l’aggiunta
di bentonite nella zona di
sovrapposizione
GCL - GIUNZIONI
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APPLICAZIONE GCL COME BARRIERA IDRAULICA
• Impermeabilizzazioni fondali di bacini e canali
• Realizzazione di capping di discariche e siti inquinati
(solitamente accoppiati a cinturazione perimetrale )
• Protezione del sottosuolo da sversamenti/perdite (serbatoi,
vasche, bacini artificiali, lagunaggi, industria mineraria.. )
• Barriere di fondo di discariche controllate (in sostituzione o
in associazione con barriere minerali compattate
• Impermeabilizzazione di strutture civili
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progettuale e tecnologico
F.Mazzieri - Geocompositi bentonici a prestazioni migliorate
• Impatto negativo di cicli di wet-dry (fessurazione stato bentonite)
• Variazione nella composizione della bentonite (interazione con
soluti acque interstiziali)
• Controllo effettiva idratazione in sito (soprattutto in barriere
composite GM-GCL)
• Compatibilità chimica (incremento di permeabilità in presenza
acque naturali ricche di ioni polivalenti, percolati, soluzioni di
processo nell’industria mineraria…)
PRINCIPALI PROBLEMI EMERSI DALLE APPLICAZIONI
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Sviluppo di bentoniti e geocompositi a
“prestazioni migliorate” con lo scopo di
superare o mitigare gli impatti negativi
Trattamenti di tipo fisico
• Preidratazione
• Densificazione (e.g. preconsolidazione)
Trattamento di tipo chimico
• Additivazione con molecole organiche
- Cationi organici (“organo”clays)
- Solventi organici (Propilene carbonato, Glicerol carbonato)
• Addtivazione con polimeri organici (anionici)
- Miscelazione (dry o wet mixing)
- Formazione di nanocompositi (B - P- N )
Combinazione di trattamento fisico e chimico
• Preidratazione, densificazione miscelazione con polimeri (DPH GCL)
METODI DI MIGLIORAMENTO DELLE PRESTAZIONI DI BENTONITI E GCL
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Effetto della PREIDRATAZIONE
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GCL convenzionale
bentonite sodica
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
k -100 % etanolo -nonpreidratato
k acqua (preidratazione)
k -100% etanolo - preidratato
Pore volumes
k (cm/s)
FWP - tensione efficace di confinamento s'= 50 kPa
100% Ethanolo DW
Effetto della PRECONSOLIDAZIONE
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Bentonite sodica
1.0E-10
1.0E-09
1.0E-08
-4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
k - DW k - CaCl2
k - DW k - CaCl2
Net Pore Volumes of Flow
k (cm/s)
DW CaCl2 0.25 M
Permeazione in FWP (s'= 50 kPa)
1600 kPa
50 kPa 50 kPa
50 kPa
consolidazione permeazione
eT=6.3
eT=3.5
MSB (“Multiswellable” bentonite) Onikata and Kondo (JP)
- Additivazione con Propilene Carbonato
- PC: Attivatore di swelling, conferisce capacità di rigonfiamento anche in
soluzioni elettolitiche concentrate
HC (“Hyper Clay”) Di Emidio (Be)
- Wet mixing con Carbossimetlicelllulosa Sodica (Na CMC)
- Na-CMC: Polimero fortemente idrofilo che aumenta la ritenzione dell’acqua le
la capacità di rigonfiamento
GeoCompositi Preidratati DPH GCL Flynn and Carter (UK)
- Preidratazione, miscelazione con additivi e polimeri idrofili Na-CMC. Na-
PAAC, densificazione
ALCUNE TIPOLOGIE DI BENTONITI MIGLIORATE
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GCL PREIDRATATI (DPH GCL)
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(da Flynn and Carte 2001, r,con n modifiche)
Tecnologia di Produzione
da Flynn et al. (2003)
bentonite
Acqua +
additivi+
polimeri
Estrusione
sottovuoto
Strato bentonitico
DPH-GCL
mixer
S
LGCL = 5.4 mm (“)
Geotessuti
DPH = Dense PreHydrated
Ms =5’000 ( 10 %) g/m2
S = 4.6 mm
w= 44 % e =1.4 (valori medi)
GEOCOMPOSITI BENTONITICI PREIDRATATI (DPH GCL)
dove:
• Coperture di siti inquinati e discariche
• Fondali di bacini artificiali/canali in periodi asciutti
Condizioni sfavorevoli:
• Presenza di scambio cationico ( da Ca, Mg dai terreni di copertura)
• Concentrazioni elettrolitiche elevate (es. acque salate )
Descritti casi di perdita di efficienza
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• Cicli DRY-WET in acqua: la bentonite subisce ma rimane sodica
( = rigonfiamento + “autocicatrizzazione”) k = COSTANTE
• Cicli DRY-WET in acqua + CALCIO: la bentonite si fessura ma diventa
calcica ( rigonfiamento , autocicatrizzazione ) k
EFFETTO DI CICLI DRY-WET E SCAMBIO CATIONICO
Evidenze sperimentali
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Soluzione permeante: 0.0125 M CaCl2
k (cm/s)
Tempo di permeazione (anni)
FWP; s’=20 kPa
Permeati direttamente con 12.5 mM CaCl2
DPH GCL vs GCL CONVENZIONALI
(Benson et al, 2007)
GCL convenzionale DPH GCL
SCAMBIO CATIONICO
SCAMBIO CATIONICO (?)
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0
10
20
30
40
50
60
70
Na Ca
meq/1
00 g
0
10
20
30
40
50
60
70
Na Ca
meq/1
00 g
Possibili contromisure
• aumentare spessore terreno di copertura (>= 1 m cfr. D.Lgs.36/2003 )
• utilizzo in combinazione con GM (barriera composita)
• GCL con bentonite calcica, meno sensibile all’essiccamento (minore
capacità di rigonfiamento, minore ritiro)
GCL preidratato: completo scambio cationico (Na-Ca) no incremento
significativo di k se mantenuto saturo
GCL convenzionale : completo scambio cationico (Na - Ca) moderato
aumento di k ( 10) ; essiccamento w 50 % k
SCAMBIO CATIONICO ED ESSICCAMENTO
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DPH GCL - ESSICCAMENTO E SCAMBIO CATIONICO
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Cicli DW in acqua distillata (DW) minimo incremento di k (2)
Cicli in 0.0125 M CaCl2 drastico incremento in in k (~ 8000)
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0 1 2 3 4 5
Number of Wetting (-)
k(c
m/s
)
DW
0.0125 M CaCl2
reference k
permeant
Essiccamento severo wdry = 510 %
(Mazzieri, 2011)
wdry= minimo contenuto d’acqua nella fase dry
DPH GCL - SCAMBIO CATIONICO ED ESSICCAMENTO
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Progressiva riduzione della capacità di rigonfiamento (scambio cationico)
(Mazzieri, 2011)
wdry=85% wdry=75% wdry=65% wdry=55% wdry=45% wdry=35%
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Pore voumes (-)
k (
cm
/s)
initial
Wdry = 85%
Wdry = 75%
Wdry = 65%
Wdry = 55%
Wdry = 45%
Wdry = 35%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
I II III VI V VI
Number of Dry/Wet Cycles
Gra
vim
etr
ic
wa
ter
co
nte
nt
(%)
dry stage
wet stage (endof permeation)
as-r
ece
ive
d
(pre
hyd
ratio
n)
initia
l p
erm
ea
tio
n
Fasi wet e permeabilità in 0.0125 M CaCl2
DPH GCL - SCAMBIO CATIONICO ED ESSICCAMENTO
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1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
0 1 2 3 4 5 6 7Number of Wetting (-)
k(c
m/s
)
severe dehydration
partial dehydration
w =97%
w dry= 85% w dry=75% w dry=65% w dry=55% w dry=45% w dry=35%
• Impatto su k modesto per w dry 45%
wdry= minimo contenuto
d’acqua nella fase dry
Wetting e permeabilità in 12.5 mM CaCl2
Fessurazione
(Mazzieri, 2011)
ALTRI STUDI SULL’EFFETTO DELL’ESSICCAMENTO
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wdry 40%, Wetting e permeabilità in CaCl2 8 mM (325mg/L Ca)
da Goldenberg (2015)
Prototipi di GCL con PMD (Polymer Modified Bentonite) in varie formulazioni (2-3-4)
wdry 40%, Wetting e permeabilità in CaCl2 8 mM (325mg/L Ca)
Prototipi di GCL con PMD (Polymer Modified Bentonite) in varie formulazioni (2-3-4)
- Prestazione variabile con la formulazione
- Buoni risultati per alcune tipologie (3,4) ma necessari ulteriori dati (in campo)
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In: Barriere di base in discariche, stoccaggio liquidi inquinanti..etc
Proprietà di interesse
Compatibilità (mantenimento delle caratteristiche di bassa
permeabilità in presenza di soluzioni aggressive come percolati o
acque salate)
Capacità di contenimento degli inquinanti ( diffusione
assorbimento )
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PROPRIETA DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI
1.0E-10
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
GCL convenzionale
MultiSwellable bentonite
DPH GCL - Acqua marina
HYPER clay with 2% Na-CMC (Di Emidio, 2010)k (cm/s)
Tempo di permeazione (giorni)
Prove in FWP - si'= 14 kPa
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COMPATIBILITA’ACQUA MARINA
…950 g
NB permeazione diretta (no preidratazione)
NB= stesso numero di PV con percolato (PV=21.5)
Percolato sintetico:
[Cu2+]= [Zn2+]= [Pb2+]=25mM,
[NO3-]= 0.161 M (pH=2)
Prove in colonna (FWP)
s’= 27 kPa
DW seguita da percolato sintetico
Risultati- Curve di “breakthrough”
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420
DPH-GCL - Nitrato
DPH-GCL - Zinco
C-GCL - Nitrato
C-GCL - Zinco
C/C0
(-)
Tempo di permeazione con percolato (giorni)
1.0E-10
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540
C-GCL - Acqua distillata
C-GCL - Percolato sintetico
DPH-GCL - Acqua distillata
DPH-GCL - Percolato sintetico
k (cm/s)
Tempo di permeazione (giorni)
- C-GCL: C/C01 per tutti i soluti
- DPH GCL; C/C01 per NO3-, Zn 2+
C-GCL: Geocomposito convenzionale agugliato
DPH GCL Geocomposito preidratato
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CONTENIMENTO DI SOLUTI
k
Parametri di migrazione?
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CURVE DI BREAKTHOUGH
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0 5 10 15 20
Pore Volumes permeati (-)
C-GCL
DPH-GCL
C/Co
NITRATO
ZINCO
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MODELLAZIONE DELLA MIGRAZIONE DEI SOLUTI
Caso Conducibilità
idraulica, k
Velocità di
filtrazione,
v
Assorbimento
S=f(c)
Equazione
del trasporto
soluti
Parametri Soluzione
1 k=cost v=cost Assente o
Lineare
Lineare
(ADRE)
D, Rd Analitica -
Brenner
(1962)
2 k=k(t) v=v(t) Assente o
Lineare
Lineare
(riconducibile
a ADRE)
D(t), Rd Analitica -
Jaiswal et
al (2011)
3 k=cost
k=k(t)
v=cost
v=v(t)
Non-lineare Non-lineare D(t), Sm,
b
(Langmuir)
Numerica-
(e.g.
Pollute v.7)
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PROVE DI ASSORBIMENTO BATCH
0
5
10
15
0 5 10 15 20 25 30
C- CGL bentonite
DPH GCL (dried bentonite)
equilibrium Zn2+
concentration, Ce (mM)
Zn
2+ m
ass s
orb
ed/m
ass o
f d
ry s
oil,
S (
mg/g
)
Best-fit Langmuir isotherms:
e
em
bC
bCSS
+=
1
ISOTERME DI ASSORBIMENTO ione ZINCO
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MODELLAZIONE DELLA MIGRAZIONE DEI SOLUTI
Soluto considerato; NO3, ipotesi di assorbimento lineare
Soluzione analitica per v=v(t) e D=D(t), ricavata per le c.c. delle prove in colonna
1.7 dR =7 2 1 7 2 1 0.7 10 cm 2 10 cms D s− − − −
7 2 1 7 2 1 1 10 cm 5 10 cms D s− − − −
1.5 dR =
3.2 4.8Pe 0.8 3.2Pe
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
C rel misurata
Modello teorico
Nitrato C - CGL
Pore Volumes permeati
Crel
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
C rel misurata
Modello teorico
Nitrato - DPH GCLCrel
Pore Volumes permeati
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MICROSTRUTTURA
C-GCL: post –permeazione con percolato
sintetico
DPH GCL : post permeazione con percolato
sintetico
M/A = 5000 g/m2M/A = 4500 g/m2
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CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
• L’utilizzo di geocompositi bentonitici come barriere idrauliche è ormai consolidato
• Materiali a prestazioni “migliorate” sono stati proposti anche per superare o mitigare
alcune criticità emerse dall’utilizzo dei materiali convenzionali
• Le tecnologie proposte consistono in additivazione chimica della bentonite o su una
combinazione di additivazione chimica e trattamento fisico.
• GCL preidratati hanno evidenziato minore sensitività allo scambio cationico, (IN
LAB); in combinazione con essiccamento effetti irreversibili per wdry=35%
• I dati disponibili (principalmente lab) mostrano prestazioni migliorate in termini di
compatibilità e capacità di contenimento dei soluti anche in prove di lunga durata
• La previsione del comportamento richiede la valutazione degli opportuni parametri di
migrazione da determinare in prove specifiche e appropriati modelli di
interpretazione
• Ancora scarsi i dati sulle prestazioni e sulla durabilità in scala reale