ECO-CEMENTO:
Un nuovo cemento portland per risolvere i problemi 
di rifiuti solidi urbani ed industriali

Parte II - Caratteristiche, proprietà ed applicazioni dell'Eco-cemento

Takashi Shimoda, Shigeru Yoloyama e Hiroshi Hirao,
Taiheyo Cement Corporation

 

Nel precedente numero di Enco Journal è stata pubblicata la I Parte dell'articolo sulla produzione dell'Eco-cemento basata sull'impiego (oltre 50%) di cenere da inceneritore urbano o da fanghi fognari quale materia prima per produrre il clinker di Eco-cemento.
In questa II Parte dell'articolo vengono descritte le caratteristiche, le proprietà ed alcune applicazioni dell'Eco-cemento.


IL CLINKER DELL'ECO-CEMENTO

La Fig. 1 mostra le immagini a elettroni retro-diffusi dei due clinker di Eco-cemento (il tipo Portland e quello a rapido indurimento a confronto con quella di un clinker di normale cemento Portland (NCP).

Eco Cemento tipo Portland
Eco Cemento a rapido indurimento
NCP
     
Fig. 1 - Immagini a elettroni retro-diffusi del clinker.


CLINKER DI ECO-CEMENTO TIPO PORTLAND

Il clinker di Eco-cemento di tipo Portland contiene gli usuali quattro costituenti mineralogici: C3S, C2S, C3A e C4AF. L'alite (C3S) di questo clinker cristallizza nel sistema monoclino e mostra l'automorfismo tipico anche del clinker di NCP. La dimensione media dei crisalliti di alite è circa 30 mm.

La belite (C2S) è il tipo I con striature trasversali e dimensione media dei cristalliti di circa 15 mm. La quantità di fase interstiziale è maggiore che non quella del clinker di NCP. Il C3A si presenta in forma cubica con un basso tenore di alcali, e ciò dipende dalla volatilizzazione degli alcali insieme al cloruro durante il processo di clinkerizzazione. Il C4AF nel clinker dell'Eco-cemento è lo stesso di quello che si trova nel clinker di NCP.

Il cloruro presente nelle materie prime agisce da mineralizzatore; accelera la formazione di alite e riduce la calce libera.

CLINKER DI ECO-CEMENTO TIPO PORTLAND

La matrice del clinker dell'Eco-cemento a rapido indurimento consiste di C3S, C2S, C4AF E C11A7· CaCl2. L'alite mostra la forma automorfica con una dimensione media dei suoi cristalliti di 30 mm. La belite è di tipo I con una dimensione media dei cristalliti di 15 mm. Il cloruro è presente in forma di C11A7·CaCl2 ed agisce da mineralizzante dell'alite (1,2).

IDRATAZIONE DELL'ECO-CEMENTO TIPO PORTLAND

Poiché questo tipo di Eco-cemento contiene una quantità di C3A maggiore di quella presente nell'NCP, anche lo sviluppo di calore risulta altrettanto maggiore. Subito dopo il contatto con acqua il C3A si combina con il gesso semidrato (CaSO4·1/2 H2O) per formare ettringite (C3A·3CaSO4·32H2O). Segue quindi un periodo di induzione del tutto simile a quello che si registra per l'NCP. Il gesso viene quindi rapidamente consumato per formare il monosulfoalluminato (C3A·CaSO4·12H2O) poiché la quantità di gesso non è più sufficiente per formare ettringite con il C3A. Nel giro di 2 ore l'alite comincia a reagire con l'acqua nella stessa maniera che avviene per l'NCP.

Alla fine, si ottiene una microstruttura densa di pasta cementizia indurita formata dagli idrosilicati di calcio (C-S-H), idrossido di calcio, Ca(OH)2, e monosolfoalluminato.

IDRATAZIONE DELL'ECO-CEMENTO A RAPIDO INDURIMENTO

Il composto C11A7·CaCl2 comincia a formare ettringite con l'anidrite (CaSO4) subito dopo la miscelazione del cemento con acqua. Al tempo stesso, il cloruro reagisce per formare piccole quantità del sale di Friedel (C3A·CaCl2·xH2O). Nel giro di un'ora si attiva l'idratazione dell'alite. Quindi la matrice degli idrati aumenta la densità perché il C-S-H, formato per idratazione dell'alite e della belite, riempie i pori tra i cristalli aghiformi lunghi 1 mm di ettringite.

Alla fine, la pasta di cemento indurita è densificata dalla presenza di C-S-H, Ca(OH)2, ettringite e monosolfalluminato.

PROPRIETA' FISICHE

Le proprietà fisiche dei due tipi di Eco-cemento sono mostrate in Tabella 1.


Tabella 1 - Proprietà fisiche dei cementi.
Tipo di cemento
Peso specifico (g/cm3)
Area sup. specifica (cm3/g)
Tempo di presa
(h-min)
Resistenza a compressione (N/mm2)
iniziale
finale
3 h
6 h
1 g
3 gg
7 gg
28 gg
Eco-cemento tipo Portland
3.19
4500
2-0
4-30
-
-
9
22
37
53
Eco-cemento rapido
3.13
4600
0-9
0-13
10
16
23
30
38
46
NCP
3.17
3220
2-22
3-20
-
-
11
27
43
59

L'Eco-cemento tipo Portland, con 3.5-4.0% di SO3, presenta più o meno le stesse prestazioni meccaniche del normale cemento Portland (NCP).

L'Eco-cemento a rapido indurimento si distingue soprattutto per il tempo di presa molto breve (circa 10 minuti) ed il rapido sviluppo delle resistenze meccaniche alle stagionature brevissime (3-6 ore) e brevi (1-3 giorni). Questo comportamento è da mettere in relazione con l'idratazione del C11A7·CaCl2 che forma immediatamente l'ettringite. In caso sia necessario, si può allungare il tempo di presa con additivi ritardanti a base di acido citrico o si può aggiungere la loppa granulata d'altoforno durante la macinazione del clinker di Eco-cemento a rapido indurimento.

LISCIVAZIONE DEI METALLI PESANTI SU MALTE DI ECO-CEMENTO

Prove di liscivazione dei metalli pesanti su malte di Eco-cemento sono state eseguite in accordo ai procedimenti della Japanese Environment Portection Agency (JEPA). I risultati sono mostrati in Tabella 2 ed indicano che le quantità di metalli pesanti liscivabili sono nettamente al di sotto dei valori standard previsti dalla JEPA.

Ancorché il cloruro sia lisciviabile esso rimane comunque al di sotto dei valori limiti fissati dalla JEPA.

 
Tabella 2 - Lisciviazione dei metalli pesanti o anioni (mg/l) da malte di Eco-cemento.
Tempo
(mg/l)
Cd
Pb
As
CN-
Cu
Hg
Cr6+
Se
Cl-
1 gg
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
41
3 gg
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
39
7 gg
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
38
28 gg
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
34
Valori standard
< 0,01
< 0,05
< 0,01
< 0,01
< 1
< 0,0005
< 0,05
< 0,05
< 200
ND: valori Non Determinabili perchè troppo al di sotto dei valori standard

APPLICAZIONI DELL'ECO-CEMENTO

L'Eco-cemento di tipo Portland può essere impiegato esattamente per gli stessi calcestruzzi per i quali si impiega un normale cemento Portland (NCP). Quindi esso è applicabile per un vasto impiego in diversi settori.

L'Eco-cemento a rapido indurimento contiene un alto contenuto di cloruro (1%) e perciò non può essere impiegato per i calcestruzzi destinati alle opere in c.a. Esso può essere impiegato nella produzione di blocchi, massetti autobloccanti, pannelli in legno-cemento, ecc. In questi casi il tempo di presa può essere regolato impiegando un additivo ritardante o aggiungendo loppa d'altoforno.

La più interessante applicazione (3, 4) dell'Eco-cemento a rapido indurimento è quella destinata al consolidamento di terreni bagnati, zone paludose ed altri terreni cedevoli (Fig. 2).

 

CONCLUSIONI

  • Ceneri da inceneritori o da fanghi fognari sono stato per molto tempo portati a discarica. L'Eco-cemento ha reso possibile un reimpiego di queste ceneri per prodotti industiali.
  • L'Eco-cemento contribuisce alla produzione di cemento ma anche alla soluzione di problemi ambientali ed al riciclo di metalli pesanti.
  • Attualmente gli impianti progettati per l'Eco-cemento in Giappone, sono in grado di produrre 295.000 Ton/anno.


Fig. 2 - Uso dell'Eco-cemento a rapido indurimento per consolidare terreni bagnati.

BIBLIOGRAFIA

  1. Y. Takuma, Y. Tsuchida, S. Uchida, "Characteristic and hydration of cement produced from ash from incinerated urban garbage", Proceedings of the 10th International Congress on the Chemistry of Cement, 3, ii 118, (1997);
  2. T. Nakano, Y. Tsuchida, T. Uwabo, S. Uchida, "Fundamental research on manufacture of cement from urban composite waste", Proceedings, The 3rd International Conference on ECOMATERIALS, 114-117, (1997);
  3. H. Ohmori, T. Maruta, M. Moriya, H. Isoda, "Decreasing the amount of chloride ion elution in the Ecocement made from municipal waste ash", Inorganic Materials, 4, 119-125, (1997);
  4. T. Maruta, H. Ohmori, M. Moriya, K. Uchida, H. Isoda, "Properties of the soil imporved by the special cement made from municipal solid waste incineration ashes", Inorganic Materials, 4, 152-155, (1997).