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Ballast ferroviario: monitoraggio del degrado con georadar

Una campagna sperimentale che analizza scenari relativi a differenti spessori di ballast e, con riferimento a ciascuno di essi, differenti livelli di inquinamento

Il ballast è un aggregato grossolano di granulometria uniforme che funge da piano di posa per le traverse ferroviarie. La sua utilità è da individuarsi nella dissipazione degli sforzi imposti dal passaggio dei mezzi ferroviari tramite attrito tra i grani, nel drenaggio e allontanamento delle acque meteoriche attraverso l’elevato indice dei vuoti garantito dall’uniformità granulometrica degli aggregati e nell’attenuazione del rumore e delle vibrazioni generate dal carico dei convogli.

Il sub-ballast è invece un materiale di carattere ghiaioso o sabbioso posto al di sotto del ballast e inserito al fine di ottenere caratteristiche drenanti migliori e una maggiore distribuzione dei carichi al sottofondo. Ballast e sub-ballast formano dunque uno strato granulare di spessore variabile ma comunemente compreso tra 0,45 e 0,75 m. Nelle ferrovie di più recente costruzione, tra il sub-ballast (laddove presente) ed il sottofondo, è interposto uno strato filtro, generalmente costituito da una lastra di calcestruzzo, o da un telo geotessile. Nelle ferrovie tradizionali, invece, il ballast o il sub-ballast sono posti a diretto contatto con il sottofondo. Nel corso del tempo, il ballast viene progressivamente contaminato da materiale fino e polvere metallica che riempie gli spazi vuoti tra i grani di ballast. Questa contaminazione, nota con il nome di fouling (o “inquinamento”) può essere ricondotta ai seguenti fenomeni:

  • abrasione dei grani di ballast per contatto;
  • perdita di polvere metallica nel contatto ruota-bordino;
  • risalita capillare di materiale fino in presenza di falde sotterranee.

  • Il ballast è un aggregato grossolano
    Il ballast è un aggregato grossolano di granulometria uniforme che funge da piano di posa per le traverse ferroviarie
    Il ballast è un aggregato grossolano di granulometria uniforme che funge da piano di posa per le traverse ferroviarie
  • La tipica configurazione di una sovrastruttura ferroviaria inquinata
    La tipica configurazione di una sovrastruttura ferroviaria inquinata
    La tipica configurazione di una sovrastruttura ferroviaria inquinata
  • L’apparato sperimentale
    L’apparato sperimentale
    L’apparato sperimentale
  • L’apparato sperimentale
    L’apparato sperimentale
    L’apparato sperimentale
  • Le caratteristiche essenziali del ballast
    Le caratteristiche essenziali del ballast
    Le caratteristiche essenziali del ballast
  • Le caratteristiche del materiale inquinante
    Le caratteristiche del materiale inquinante ( * nelle sperimentazioni si è preventivamente essiccato l’inquinante)
    Le caratteristiche del materiale inquinante ( * nelle sperimentazioni si è preventivamente essiccato l’inquinante)
  • Gli scenari sperimentali esaminati
    Gli scenari sperimentali esaminati
    Gli scenari sperimentali esaminati
  • Il dominio numerico di simulazione del ballast
    Il dominio numerico di simulazione del ballast
    Il dominio numerico di simulazione del ballast
  • Il segnale georadar simulato a confronto con la misura reale
    Il segnale georadar simulato a confronto con la misura reale
    Il segnale georadar simulato a confronto con la misura reale
  • La ripetibilità della prova al variare dell’assetto fisico del ballast nella vasca
    La ripetibilità della prova al variare dell’assetto fisico del ballast nella vasca
    La ripetibilità della prova al variare dell’assetto fisico del ballast nella vasca
  • I valori rilevati della costante dielettrica
    I valori rilevati della costante dielettrica al crescere dell’inquinamento del ballast e al variare della frequenza d’indagine
    I valori rilevati della costante dielettrica al crescere dell’inquinamento del ballast e al variare della frequenza d’indagine
  • La costante dielettrica rilevata con i sistemi georadar horn
    La costante dielettrica rilevata con i sistemi georadar horn al variare del livello di inquinamento
    La costante dielettrica rilevata con i sistemi georadar horn al variare del livello di inquinamento

Quando il fouling raggiunge livelli importanti, l’integrità strutturale e la capacità drenante del ballast contaminato possono essere compromesse. Ciò può condurre a un’instabilità della sovrastruttura che, come ultima conseguenza, può determinare l’eventuale deragliamento dei convogli. In quest’ottica, dunque, una preventiva individuazione del fouling nel ballast ricopre un’importanza fondamentale nel tentativo di garantire un esercizio ferroviario sicuro e una manutenzione efficiente. Scendendo nel dettaglio del fenomeno esaminato, la componente del fouling dovuta alla risalita capillare di materiale fino risulta senza dubbio la più importante sotto il punto di vista della stabilità della sovrastruttura, in quanto il materiale di risalita può contenere percentuali a volte molto alte di argilla che possono indurre fenomeni di plasticità.

Se si considera che, su un totale di 16.726 km di lunghezza complessiva della rete ferroviaria attualmente in esercizio in Italia, solo 1.350 km (circa l’8%) è adibita al passaggio di treni AV e che queste ultime rappresentano la quasi totalità delle recenti realizzazioni, risulta evidente che circa nove ferrovie su dieci sono sottoposte ad inquinamento dovuto a risalita di materiale potenzialmente plastico dal sottofondo. Questi dati mostrano la gravità del problema e la necessità di un sistema efficiente ed efficace di individuazione preventiva del fenomeno al fine di ottenere una programmazione consapevole degli interventi manutentivi. Negli ultimi 25 anni, al fine di valutare efficacemente e speditamente lo stato del sistema ballast/sub-ballast si è diffuso l’utilizzo del Ground Penetrating Radar, uno strumento non distruttivo basato sull’utilizzo di tecnologie elettromagnetiche.

Tuttavia, mentre inizialmente sono stati utilizzati per lo più sistemi radar a contatto, a frequenza centrale tipicamente di 500 MHz, più recentemente si è notato che sistemi dotati di antenna a tromba (anche dette “horn”), nella maggioranza dei casi con frequenza centrale di 1 GHz, riescono a fornire immagini più risolute con una produttività decisamente superiore grazie alla possibilità di installare il sistema GPR direttamente su di un mezzo ferrato. È risultato evidente che un sistema di questo tipo è in grado di cogliere non solo le riflessioni dovute alle interfacce principali (aria-ballast, ballast/sub-ballast, …) ma anche di essere sensibile alla percentuale di vuoti, in quanto la lunghezza dell’onda elettromagnetica emessa risulta paragonabile alle dimensioni dei grani di ballast stessi. Tale risultato è di fondamentale importanza, perché è proprio negli spazi vuoti che si creano tra il materiale grossolano che si inserisce il fenomeno del fouling e, pertanto, solo un sistema dotato di una tale sensibilità ne consente la sua identificazione. Negli ultimi tempi, si sta valutando la possibilità di utilizzare sistemi ancora più risoluti con frequenza centrale di 2 GHz, sebbene vada valutata la profondità di trasmissione dell’onda.