Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

Nelle regioni settentrionali dell'Iran, sotto la città di Gorgan, si trova una vasta distesa di un terreno particolare noto come loess. Per l'occhio inesperto, appare come comune terra color crema, ma per un ingegnere geotecnico, è un pericolo nascosto. Questo suolo si è formato da polvere trasportata dal vento che si è depositata in una struttura rada, simile a un nido d'ape. Sebbene possa sostenere il peso quando è asciutto, possiede un segreto pericoloso: nel momento in cui viene saturato dall'acqua, i suoi fragili legami interni si dissolvono e il terreno crolla improvvisamente, sprofondando rapidamente sotto il peso di edifici e strade. Questo fenomeno, noto come collassabilità, ha causato significativi danni strutturali nella regione, dove i depositi di loess possono raggiungere profondità superiori ai 70 metri. La sfida per gli ingegneri è trovare un modo per rinforzare questo suolo senza renderlo fragile o costoso da trattare, garantendo che il terreno rimanga stabile anche quando arrivano le piogge.

Ricercatori dell'Università di Teheran e dell'Università di Qom si sono posti l'obiettivo di risolvere questo problema testando un materiale comune ed economico: il cemento. Il loro obiettivo era vedere se mescolando il cemento nel loess di Gorgan fosse possibile trasformarlo da un pericolo di collasso in una fondazione solida. Hanno preso campioni del suolo locale e li hanno mescolati con varie quantità di cemento, partendo da zero fino al 9 percento in peso. Per capire come il tempo influenzi il processo, non hanno testato le miscele immediatamente. Al contrario, hanno lasciato che i campioni riposassero in contenitori sigillati per periodi di sette, quattordici e ventotto giorni, simulando il processo di stagionatura che avviene nei veri progetti edilizi. Hanno poi sottoposto i campioni induriti a una serie di test, misurando quanto potessero comprimersi, quanto potessero gonfiarsi e quanta forza potessero sopportare prima di rompersi. Hanno anche osservato attentamente il suolo sotto potenti microscopi e ne hanno analizzato la composizione chimica per vedere cosa stesse accadendo a livello microscopico.

I risultati sono stati sorprendenti. Il loess non trattato era estremamente debole, con una resistenza alla compressione di appena 0,1 megapascal, una misura di quanta pressione il suolo può sopportare prima di cedere. Tuttavia, man mano che i ricercatori aggiungevano più cemento e lasciavano che la miscela stagionasse per più tempo, il suolo diventava significativamente più forte. Il miglioramento più drammatico si è verificato nei campioni trattati con il 9 percento di cemento. Dopo ventotto giorni di stagionatura, questi campioni erano 8,5 volte più forti del suolo non trattato. I ricercatori hanno osservato che più a lungo il suolo veniva lasciato stagionare, più diventava forte, indicando che le reazioni chimiche stavano continuamente legando insieme le particelle del suolo nel tempo. Questo aumento di forza non era solo una questione di cemento che agiva come riempitivo; era il risultato di una trasformazione chimica in cui il cemento reagiva con i minerali del suolo per creare nuovi legami durevoli.

Oltre a diventare più forte, anche il suolo trattato è diventato molto più stabile e meno propenso al pericoloso sprofondamento che affligge la regione. I ricercatori hanno misurato la tendenza del suolo a collassare quando bagnato e hanno scoperto che l'aggiunta di cemento riduceva drasticamente questo rischio. Nei campioni non trattati, il potenziale di collasso era classificato come moderatamente severo. Ma nei campioni con il 9 percento di cemento, questo rischio è sceso a un livello "lieve", il che significa che il suolo era molto meno propenso a subire cedimenti improvvisi. Allo stesso modo, la tendenza del suolo a comprimersi sotto pressione o a gonfiarsi quando bagnato è stata significativamente ridotta. Più cemento veniva aggiunto, meno il suolo si muoveva, creando un materiale che si comporta più come una roccia solida che come una terra sciolta e sensibile all'acqua.

Per capire perché sia avvenuta questa trasformazione, il team ha guardato all'interno del suolo utilizzando la microscopia elettronica a scansione e l'analisi chimica. Il loess non trattato rivelava una struttura caotica con grandi pori aperti e deboli connessioni tra le particelle, simile a un mucchio di sabbia ammucchiata in modo lasso. Al contrario, i campioni trattati con cemento mostravano un quadro completamente diverso. Le immagini microscopiche hanno rivelato che il cemento aveva creato strutture simili a aghi e una sostanza gelatinosa che riempiva gli spazi vuoti tra i grani del suolo. Queste nuove formazioni, note come silicato di calcio idrato, agivano come una colla, legando le singole particelle in una rete stretta e interconnessa. Questo processo, chiamato flocculazione, ha trasformato la struttura aperta e rada in una massa densa e compatta. L'analisi chimica ha confermato che la quantità di calcio e altri elementi leganti era aumentata, mentre la natura dispersiva e sciolta del suolo originale era stata sostituita da una struttura solida e coesiva.

Lo studio conclude che l'aggiunta di cemento è un metodo altamente efficace per stabilizzare il problematico loess presente nel nord dell'Iran. Aumentando il contenuto di cemento e permettendo alla miscela di stagionare per un tempo sufficiente, gli ingegneri possono creare un suolo che non è solo molto più forte, ma anche resistente al collasso improvviso che si verifica quando viene introdotta l'acqua. La ricerca dimostra che l'aggiunta di un semplice 9 percento di cemento può trasformare un pericolo geotecnico in una fondazione affidabile, offrendo una soluzione pratica e accessibile per la costruzione in aree soggette a questo specifico tipo di cedimento del suolo. I risultati suggeriscono che, con la giusta miscela e abbastanza tempo, il terreno sotto i nostri piedi può essere reso capace di reggere saldamente.