Comportamento di geomembrane esposte su dighe in calcestruzzo e muratura Daniele Cazzuffi

INQUADRAMENTO STORICO Introduzione INQUADRAMENTO STORICO Prima installazione di una geomembrana su una diga: Contrada Sabetta, Italia, diga in materiali sciolti, 32 m, 1959. Geomembrana in poliisobutilene (PIB) da 2 mm protetta con lastre in calcestruzzo Prima installazione di una geomembrana in polivinilcloruro (PVC): Canada, diga Terzaghi, 1960. Geomembrana in PVC da 0,8 mm, coperta con argilla Prima installazione di una geomembrana esposta: Lago Baitone, Italia, diga in muratura, 37 m, 1971. Geomembrana in poliisobutilene (PIB) Prima installazione di una geomembrana in PVC esposta: Lago Miller, Italia, diga in muratura,11 m, 1976. Geomembrana in PVC da 2 mm Prima installazione di un geocomposito esposto: Lago Nero, Italia, diga in calcestruzzo,45 m, 1981. Geomembrana in PVC da 2 mm esposta e geotessile in poliestere (PET) da 350 g/m2 Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni

INQUADRAMENTO STATISTICO Introduzione INQUADRAMENTO STATISTICO Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni più di 180 dighe al mondo, di tutti i tipi, impermeabilizzate con geomembrane (dati ICOLD, International Commission on Large Dams) Massima altezza raggiunta su dighe in RCC nel mondo: Diga di Miel, Colombia, 188 m, 2002. Geomembrana in PVC, esposta Massima altezza raggiunta su dighe in materiali sciolti nel mondo: Diga di Bovilla, Albania, 91 m, 1996. Geomembrana in PVC, protetta con lastre in calcestruzzo

RIPRISTINO DI DIGHE IN CALCESTRUZZO E MURATURA Introduzione RIPRISTINO DI DIGHE IN CALCESTRUZZO E MURATURA Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Vengono presentati due esempi di interventi di ripristino con geomembrane su dighe italiane: diga in calcestruzzo (Lago Nero, 1929) diga in muratura (Camposecco, 1930)

Prelievi da dighe Campioni di geomembrane sono stati prelevati da 16 dighe situate nell’arco alpino e nell’Appennino Ligure. Per ogni diga, sono stati prelevati campioni ad intervalli di tempo regolari, in modo da tenere sotto controllo l’evoluzione delle proprietà delle geomembrane nel tempo. Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni

Prelievi da dighe Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni

Prelievi da dighe Sui campioni di geomembrana prelevati dalle varie dighe, si sono svolte le seguenti prove: analisi termogravimetrica; contenuto di plastificanti; spessore nominale; massa areica; durezza shore A; densità; flessibilità a freddo; stabilità dimensionale; trazione; permeabilità al vapor d’acqua. Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni

Prelievi da dighe 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 5 10 20 30 Tempo trascorso dall’applicazione (anni) Contenuto di plastificanti (%) Miller Lago Nero Pian Sapeio Pantano d'Avio Baitone Camposecco Ceresole Reale Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Contenuto di plastificanti per geomembrane in PVC applicate su dighe.

Prelievi da dighe 5 10 15 20 25 30 Tempo trascorso dall’applicazione (anni) Resistenza longitudinale a trazione [MPa] Miller Lago Nero Pian Sapeio Baitone Camposecco Ceresole Reale Pantano Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Resistenza longitudinale a trazione per geomembrane in PVC applicate su dighe.

Prelievi da dighe 50 100 150 200 250 300 5 10 15 20 25 30 Tempo trascorso dall’applicazione (anni) Deformazione longitudunale a rottura (%) Miller Lago Nero Pian Sapeio Pantano d'Avio Baitone Camposecco Ceresole Reale Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Deformazione longitudinale a rottura per geomembrane in PVC applicate su dighe.

Invecchiamento artificiale in laboratorio Campioni di geomembrana in PVC sono stati inoltre esposti ad un invecchiamento artificiale in forno. Questo tipo di invecchiamento, grazie alle elevate temperature in gioco, riesce ad accelerare l’evoluzione della struttura fisica della geomembrana ed in particolare la velocità della perdita di plastificante dovuta al fenomeno di diffusione. Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni

Invecchiamento artificiale in laboratorio In particolare, i campioni di geomembrana in PVC sono stati esposti in forno alle tre temperature rispettivamente di 65 °C, 80 °C e 95 °C. Queste temperature sono state scelte in modo da soddisfare le due seguenti condizioni: essere sufficientemente diverse (DT=15°C) in modo da riscontrare un’apprezzabile variazione delle proprietà della geomembrana tra una temperatura e l’altra; essere sufficientemente elevate (T>60°C) in modo da poter osservare una variazione delle proprietà della geomembrana in tempi non lunghissimi (ordine di grandezza: uno o due anni). Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni

Invecchiamento artificiale in laboratorio Sui provini invecchiati per 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 e 96 settimane si sono svolte le seguenti prove: - analisi termogravimetrica; - contenuto di plastificanti; - spessore nominale; - durezza Shore A; - densità; - flessibilità a freddo; - trazione. Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni

Invecchiamento artificiale in laboratorio Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Contenuto di plastificanti (%) Tempo d’invecchiamento (giorni) Contenuto di plastificanti per geomembrane in PVC soggette ad invecchiamento artificiale in laboratorio.

Invecchiamento artificiale in laboratorio Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Sforzo (MPa) 80°C 16 settimane Deformazione (%)

Invecchiamento artificiale in laboratorio Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Sforzo longitudinale a snervamento (MPa) Tempo d’invecchiamento (giorni) Sforzo longitudinale a snervamento per geomembrane in PVC sottoposte ad invecchiamento artificiale in laboratorio.

Invecchiamento artificiale in laboratorio Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Deformazione longitudinale a rottura (%) Tempo d’invecchiamento (giorni) Deformazione longitudinale a rottura per geomembrane in PVC sottoposte ad invecchiamento artificiale in laboratorio.

Invecchiamento artificiale in laboratorio Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Modulo tangente longitudinale (GPa) Tempo d’invecchiamento (giorni) Modulo tangente longitudinale per geomembrane in PVC sottoposte ad invecchiamento artificiale in laboratorio.

Modello di Arrhenius Il modello di Arrhenius consente di prevedere le velocità di reazione alle temperature di esercizio grazie ad una estrapolazione dei dati relativi a temperature più elevate. In particolare, per applicare l’approccio del modello di Arrhenius, è necessario procedere ad una stima dell’energia di attivazione sulla base dei dati ottenuti sui campioni invecchiati in forno. A questo proposito, sono state considerate le tre seguenti proprietà meccaniche (in entrambe le direzioni longitudinale e trasversale): -sforzo a snervamento sY ; -deformazione a rottura er ; -modulo tangente Et . Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni

Modello di Arrhenius Esempio di applicazione del modello di Arrhenius Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Sforzo longitudinale a snervamento (MPa) Tempo d’invecchiamento (giorni)

Tempo d’invecchiamento (giorni) Modello di Arrhenius Esempio di applicazione del modello di Arrhenius Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Ingrandimento 95 °C 80 °C 65 °C Tempo d’invecchiamento (giorni)

Modello di Arrhenius Esempio di applicazione del modello Arrhenius Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni 95 °C 80 °C 65 °C (giorni-1)

Deformazione a rottura Modello di Arrhenius Applicando il modello di Arrhenius allo sforzo di snervamento, alla deformazione a rottura ed al modulo tangente (in entrambe le direzioni longitudinale e trasversale) è stato possibile stimare l’energia di attivazione media Ea/R: Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Sforzo di snervamento Deformazione a rottura Modulo tangente

Vita residua E’ stato quindi possibile estrapolare il comportamento a lungo termine delle geomembrane in PVC. Le seguenti temperature sono state considerate rappresentative delle condizioni in sito sulle dighe: Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Fuori acqua Condizioni immerse Max + 45°C + 20°C Min - 20°C + 4°C Ai fini dell’applicazione del modello di Arrhenius, l’attenzione si è concentrata sulle massime temperature, pari rispettivamente a + 45°C (fuori acqua) e + 20°C (condizioni immerse).

Esempio: diga di Camposecco Vita residua La previsione di vita residua è stata confrontata con i risultati dei campionamenti in sito. In particolare, il modello di Arrhenius è stato applicato alle due seguenti proprietà ritenute più significative ai fini del comportamento nel tempo: - contenuto di plastificante; - deformazione a rottura in direzione longitudinale. Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Esempio: diga di Camposecco

Vita residua Diga di Camposecco Cross section of Camposecco Dam Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Cross section of Camposecco Dam Diga di Camposecco

Vita residua Esempio: diga di Camposecco 35 Vita residua a 20°C Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Vita residua a 45°C 30 25 Diminuzione del 30% 20 Diminuzione del 40% Contenuto di plastificanti [%] 15 Diminuzione del 50% 10 5 22,6 29,4 36,2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo d’invecchiamento (anni)

Vita residua Deformazione long. a rottura [%] 22,9 30,1 37,5 300 Diga di Camposecco Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni Vita residua a 20°C 250 Vita residua a 45°C 200 Deformazione long. a rottura [%] Diminuzione del 30% 150 Diminuzione del 40% Dimin. del 50% 100 50 22,9 30,1 37,5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tempo d’invecchiamento (anni)

Conclusioni In generale si è riscontrato un buon comportamento nel tempo delle geomembrane esposte su dighe in calcestruzzo e in muratura, anche a notevoli altitudini Fondamentale è risultato il monitoraggio del comportamento nel tempo con prelievi regolari di campioni di geomembrane in sito e successive prove di laboratorio Promettenti vengono considerate le prime valutazioni di vita residua delle geomembrane sulle dighe attraverso il modello di Arrhenius Tali valutazioni devono necessariamente essere validate da un constante monitoraggio, sia con ispezioni, sia con prelievi in sito di campioni di geomembrana (fuori acqua ed in condizioni immerse) Introduzione Prelievi da dighe Invecchiamento artificiale Modello di Arrhenius Vita residua Conclusioni