Study on plasticity and compressibility behaviour of jute and coir reinforced soft soil

Sotto le fondamenta di molti edifici, strade e ponti si trova uno strato di terra che si comporta più come una spessa spugna umida che come un terreno solido. Questo è il suolo tenero, un materiale noto per la sua tendenza a schiacciarsi sotto il peso e a gonfiarsi quando è bagnato. Quando le strutture vengono costruite su un terreno simile, il suolo può comprimersi in modo irregolare, causando crepe nelle pareti, l'inclinazione di torri o persino il collasso totale. Gli ingegneri cercano da tempo modi per rendere questa terra instabile più forte e meno incline a cambiare forma. Un approccio tradizionale prevede la miscelazione di sostanze chimiche come calce o cemento, ma questi materiali richiedono spesso un'energia significativa per essere prodotti e possono alterare la chimica naturale del terreno. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a un'alternativa più sostenibile: l'uso di fibre naturali. Queste sono sottili fibre simili a fili raccolte dalle piante, che possono essere mescolate al terreno per agire come uno scheletro nascosto, tenendo insieme le particelle sciolte e resistendo alle forze che causano il cedimento del terreno.

Un team di ricercatori in India ha recentemente indagato come due tipi specifici di fibre naturali, la juta e la fibra di cocco (coir), potessero trasformare il comportamento del suolo tenero. La juta proviene dal fusto di una pianta ornamentale ed è nota per la sua resistenza, mentre la fibra di cocco è una fibra grossolana estratta dal guscio di un cocco. Gli scienziati volevano vedere se mescolare queste fibre nel terreno avrebbe ridotto la sua tendenza ad assorbire troppa acqua, a restringersi quando si asciuga o a schiacciarsi sotto pressione. Hanno preso campioni di argilla tenera da Chennai, una regione nota per le sue difficili condizioni del suolo, e hanno mescolato in essi piccole lunghezze di un centimetro di queste fibre a varie quantità, che vanno da una traccia minima fino al 2,5 percento del peso totale del suolo. Testando queste miscele in laboratorio, miravano a trovare il perfetto equilibrio in cui il terreno diventasse abbastanza forte da sostenere strutture pesanti senza perdere il suo carattere naturale ed ecologico.

I risultati hanno mostrato che l'aggiunta di queste fibre ha cambiato fondamentalmente il modo in cui il suolo si comporta, rendendolo più stabile e più facile da lavorare. Quando i ricercatori hanno misurato la "plasticità" del suolo — un modo per descrivere quanta acqua può contenere prima di trasformarsi in un fango liquido — hanno scoperto che le fibre agivano come una spugna che assorbe l'umidità in eccesso. Il suolo che originariamente richiedeva una grande quantità d'acqua per diventare plastico necessitava significativamente di meno acqua una volta aggiunte le fibre. Questo è stato particolarmente vero per le fibre di cocco, che hanno ridotto il limite di liquidità del suolo dall'82 percento al 74,31 percento. Anche le fibre di juta hanno aiutato, abbassando il limite al 76,98 percento. Più importante ancora, le fibre hanno aumentato il "limite di ritiro" del suolo, ovvero il punto in cui il suolo smette di restringersi mentre si asciuga. Il suolo non rinforzato iniziava a restringersi a un contenuto di umidità di appena l'11,28 percento, ma con l'aggiunta di cocco e juta, questa soglia è salita rispettivamente al 15,18 percento e al 16,52 percento. Ciò significa che il terreno rinforzato può asciugarsi molto di più senza creare crepe o distaccarsi dalle fondamenta di un edificio.

Oltre a cambiare il modo in cui il suolo trattiene l'acqua, le fibre hanno reso il terreno significativamente più forte. I ricercatori hanno testato la capacità del suolo di resistere allo schiacciamento tramite l'applicazione di un carico pesante. Il suolo originale, non rinforzato, poteva sopportare solo una pressione di 54,47 kilopascal prima di cedere. Tuttavia, quando mescolato con il 2 percento di fibre di cocco, la forza del suolo è balzata a 97,34 kilopascal, un miglioramento di quasi il 79 percento. Le fibre di juta hanno fornito anch'esse una spinta, raggiungendo una forza di 81,82 kilopascal con una miscelazione al 2,5 percento. Questo aumento di forza significa che un edificio posto su questo terreno rinforzato sarebbe molto meno propenso ad affondare o inclinarsi. Le fibre hanno anche aiutato il suolo a compattarsi maggiormente. La densità massima che il suolo poteva raggiungere è aumentata da 13,71 kilonewton per metro cubo a 15,62 con il cocco, indicando che le fibre hanno aiutato le particelle del suolo a sistemarsi in una disposizione più densa e compatta.

Per capire esattamente come questi minuscoli fili stessero svolgendo il loro lavoro, gli scienziati hanno osservato il suolo sotto potenti microscopi e ne hanno analizzato la composizione minerale. Hanno scoperto che le fibre non reagivano chimicamente con il suolo per creare nuove sostanze; agivano invece attraverso una semplice meccanica fisica. Le immagini microscopiche hanno rivelato che le fibre si intrecciavano attraverso il suolo, creando dei ponti tra le singole particelle di argilla e bloccandole insieme. Ciò creava una rete tridimensionale che impediva al suolo di collassare o di allontanarsi quando veniva applicata la pressione. Le fibre agivano essenzialmente come una rete di rinforzo, mantenendo in posizione le particelle sciolte e riducendo gli spazi vuoti, o pori, all'interno della struttura del suolo. Questo incastro fisico era la ragione principale del miglioramento della forza e della riduzione della comprimibilità.

Lo studio ha concluso che, sebbene entrambe le fibre fossero efficaci, offrivano vantaggi leggermente diversi. Le fibre di cocco si sono dimostrate la scelta superiore per aumentare la forza complessiva e la densità del suolo, rendendole il candidato migliore per sostenere carichi pesanti. La juta, d'altra parte, ha mostrato una capacità particolarmente forte di resistere al ritiro, rendendola estremamente preziosa per prevenire crepe in condizioni di secchezza. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di troppa fibra, specificamente oltre il 2 percento per il cocco, non portava sempre a ulteriori miglioramenti, suggerendo che esiste una quantità ottimale per ottenere i migliori risultati. In definitiva, questa ricerca dimostra che le fibre naturali possono servire come soluzione sostenibile ed economica per stabilizzare i suoli teneri e problematici. Utilizzando materiali che sono rinnovabili e biodegradabili, gli ingegneri possono migliorare la sicurezza e la longevità delle strutture senza fare affidamento su sostanze chimiche che richiedono molta energia, offrendo una via pratica per la costruzione in aree con terreni difficili.