Misurare il Flusso di Iniezione? Con i Laser è Tutta un’Altra Storia!

Amici appassionati di tecnologia e ingegneria, oggi voglio parlarvi di una piccola grande rivoluzione che sta prendendo piede in un campo tanto specifico quanto cruciale: l’ingegneria geotecnica. Avete presente quando si lavora in cantiere, specialmente in quelle opere di ingegneria geotecnica un po’ complesse come gallerie o consolidamenti? Ecco, una delle sfide più grandi è misurare con precisione il flusso del materiale che iniettiamo nel terreno, la cosiddetta “boiacca”. Questa misurazione è fondamentale per garantire la qualità del lavoro, evitare sprechi di materiale (che costa!) e, non da ultimo, per la sicurezza.

Tradizionalmente, ci siamo affidati ai flussometri elettromagnetici. Strumenti validi, per carità, ma che mostrano la corda quando il flusso è basso. In queste condizioni, la loro precisione cala drasticamente, portando a errori che possono arrivare anche al 20%! Un’enormità, se ci pensate. Ma se vi dicessi che c’è un modo per superare questo limite, sfruttando una tecnologia che molti di noi hanno in tasca o usano quotidianamente, anche se in contesti diversi? Sto parlando della tecnologia di misurazione laser a distanza.

Laser all’Opera: Come Funziona la Magia?

L’idea, tanto semplice quanto geniale, è quella di analizzare le fluttuazioni del livello della boiacca cementizia direttamente nei tamburi di miscelazione. Immaginate un sensore laser, simile a quelli usati per misurare le distanze con precisione millimetrica, puntato sulla superficie del liquido. Questo sensore “legge” in continuazione e ad alta frequenza l’altezza del livello della boiacca. Dalle variazioni di questo livello, attraverso modelli matematici, possiamo calcolare il flusso istantaneo. Affascinante, vero?

Per arrivare a definire questo metodo, noi ricercatori (sì, mi ci metto in mezzo con entusiasmo!) abbiamo combinato modelli teorici, esperimenti di laboratorio super controllati e simulazioni numeriche al computer. Abbiamo studiato come si comporta la superficie della boiacca variando il rapporto acqua/cemento (da un molto liquido 5:1 a un più denso 0.5:1) e la velocità di agitazione (da 40 a 80 giri al minuto). E i risultati sono stati illuminanti!

Abbiamo scoperto, ad esempio, che per rapporti acqua/cemento maggiori o uguali a 0.7:1, la stabilità del livello del liquido aumenta man mano che ci si allontana dall’albero di agitazione centrale. Curiosamente, per il rapporto più denso (0.5:1), avviene il contrario! È come se la boiacca avesse una sua “personalità” che cambia in base a come è composta.

Identificare le Zone Calde (e Fredde!) per i Sensori

Grazie a questi studi, siamo riusciti a suddividere la superficie della boiacca in tre zone ben distinte, un po’ come gli anelli di un bersaglio:

• Zona Centrale Turbolenta: Vicino all’asse di agitazione (circa entro 1/3 del raggio del tamburo, che chiameremo R/3). Qui la superficie è molto agitata, c’è la formazione di quella che chiamiamo “boiacca galleggiante” che può ingannare i sensori. Meglio starne alla larga!
• Zona Intermedia Stabile: Questa è la nostra “sweet spot”! Si estende da R/3 fino a circa 7R/8 del raggio. Qui le fluttuazioni del livello sono minime e prevedibili. È il posto ideale per i nostri sensori laser.
• Zona Vicino alla Parete: Negli ultimi centimetri vicino alla parete del tamburo (da 7R/8 a R), le fluttuazioni tornano ad essere importanti, a causa dell’interazione del fluido con la parete stessa. Anche questa zona è da evitare per misurazioni precise.

Quindi, il segreto è piazzare i sensori laser nella zona intermedia stabile. Ma quanti e come? Anche questo è stato oggetto di studio.

Ottimizzare la Disposizione: Più Sensori, Meno Errori (ma con Criterio!)

Abbiamo simulato diverse configurazioni. Ad esempio, disponendo i sensori in modo uniforme nella zona stabile, abbiamo visto che l’errore di misurazione diminuisce significativamente all’aumentare del numero di sensori. Con 10 sensori (distanziati di 20 mm), l’errore massimo è stato solo dell’1,12%. Con 7 sensori (distanziati di 30 mm), l’errore è salito leggermente, ma sempre ottimo. Con 5 sensori, invece, l’errore iniziava ad essere più marcato. Quindi, la morale è: almeno 7 sensori per stare tranquilli!

Ma non è finita qui. Abbiamo testato anche disposizioni non uniformi, come quella a “funzione di potenza” (più densi alle estremità della zona stabile e più radi al centro) o parabolica. Ebbene, una disposizione a funzione di potenza con soli 7 sensori ha dato risultati incredibilmente vicini a quella con 10 sensori uniformemente distanziati, con un errore medio dello 0,83%! Pensate: errori ridotti a meno dell’1% contro un possibile 20% degli strumenti tradizionali! Questo significa non solo misurazioni più affidabili, ma anche un potenziale risparmio economico e una maggiore qualità costruttiva.

È interessante notare come, nel caso di una distribuzione parabolica dei sensori, una maggiore densità di sensori vicino al centro dell’albero di agitazione (dove le fluttuazioni sono maggiori) porti a risultati migliori. Logico, no? Bisogna “ascoltare” di più dove il segnale è più “rumoroso”.

Perché la Boiacca “Balla” in Modi Diversi?

Vi chiederete perché il livello della boiacca fluttui in quel modo. Tutto dipende dal flusso turbolento complesso che si crea sotto l’azione dell’albero di agitazione. La gravità e la forza centrifuga fanno sì che la boiacca sulla superficie ruoti attorno all’albero. La velocità di questo flusso superficiale corrisponde alle fluttuazioni del livello: velocità diverse portano a fluttuazioni diverse. Introducendo il famoso Numero di Reynolds (un parametro che in fluidodinamica ci dice se un flusso è calmo o turbolento), abbiamo visto che, in generale, più ci si allontana dall’albero, più il Numero di Reynolds diminuisce, e quindi le fluttuazioni si smorzano e la superficie diventa più stabile. Questo vale per la maggior parte dei rapporti acqua/cemento testati (da 5:1 a 0.7:1).

L’eccezione, come detto, è per il rapporto 0.5:1. Qui la boiacca è così densa che le particelle di cemento dominano e il fluido non si comporta più come un semplice fluido di Bingham (un modello che usiamo spesso per queste miscele). Probabilmente, un modello più complesso come quello di Herschel-Bulkley sarebbe più appropriato per descrivere questo caso specifico. In pratica, la coesione tra le particelle di boiacca diventa il fattore principale che influenza le fluttuazioni, e l’interazione con la parete del serbatoio causa le fluttuazioni più intense proprio lì.

Cosa ci Riserva il Futuro?

Certo, come in ogni ricerca che si rispetti, ci sono dei “ma” e dei “però”. Ad esempio, in questo studio abbiamo semplificato la boiacca considerandola un fluido di Bingham, trascurando effetti come la tixotropia (quel fenomeno per cui la viscosità cambia nel tempo sotto sforzo). Questa semplificazione potrebbe portare a delle deviazioni nella previsione dei comportamenti transitori del flusso, specialmente in operazioni di iniezione intermittenti. Inoltre, gli esperimenti sono stati condotti in laboratorio, in condizioni controllate. Il mondo reale, il cantiere, presenta complessità maggiori, come variazioni di temperatura e distribuzioni non omogenee delle particelle.

Le ricerche future dovranno quindi integrare modelli più sofisticati per la boiacca e, soprattutto, validare questi sistemi direttamente sul campo. Solo così potremo rendere queste strategie di ottimizzazione del layout dei sensori universalmente applicabili.

Nonostante queste piccole precisazioni, credo che questa ricerca apra una strada davvero promettente. L’uso della tecnologia laser per il rilevamento del flusso di iniezione non è più fantascienza, ma una realtà concreta che può portare a un miglioramento tangibile nella qualità, nell’efficienza e nella sostenibilità dei progetti di ingegneria geotecnica. E io non vedo l’ora di vedere come si evolverà!

Fonte: Springer