INTRODUZIONE

L’industria del cemento e del calcestruzzo occupa i primi posti nell’ambito dei settori di applicazione dei rifiuti. Sotto questo profilo essa ricopre un ruolo di grande importanza in relazione all’elevato livello tecnologico e al considerevole fabbisogno di materie prime ed energia che le impongono una costante ricerca di materiali e combustibili a basso costo. Per quanto riguarda il recupero dei rifiuti sia come componenti delle materie prime sia come costituenti dei prodotti finiti, l’industria cementiera è stata sempre all’avanguardia: la loppa d’altoforno, sottoprodotto della produzione della ghisa, e la cenere volante, derivante dalla combustione del carbone nelle centrali termoelettriche, costituiscono gli esempi più rilevanti di rifiuti di primario interesse per l’industria cementiera sia sotto l’aspetto qualitativo che quantitativo. La sperimentazione oggetto della presente ricerca è volta a verificare la possibilità di reimpiego di una scoria metallurgica non ferrosa prodotta dall’impianto Kivcet, nella produzione di cemento e calcestruzzo. I conglomerati cementizi dovranno esibire buone caratteristiche meccaniche ed essere non pericolosi per l’ambiente secondo l’attuale ottica del recupero delle materie prime che consente il risparmio di energia ed evita il conferimento a discarica.

PREPARAZIONE DEI MATERIALI E SPERIMENTAZIONE

I calcestruzzi impiegati per la realizzazione dei provini da sottoporre alle diverse prove sperimentali sono stati realizzati usando tre tipi di cemento: il CEM I, il CEM II/A-S ottenuto dalla miscela dell’85% di cemento Portland 52.5R e il 15% di loppa d’altoforno e il CEM II/A-Q ottenuto con l’85% di cemento Portland e il 15% di scoria Kivcet finemente macinata (nella Tabella 1 è riportata la composizione chimica).
Gli aggregati lapidei di frantumazione con D_max di 15 mm, riproducono una distribuzione di tipo bolomeyano. Per alcune tipologie di calcestruzzi, la scoria Kivcet tal quale è stata utilizzata in sostituzione parziale della sabbia (20% in volume).
E’ stato anche impiegato un additivo superfluidificante di tipo acrilico per mantenere costante la lavorabilità e il dosaggio di cemento anche nel caso del minor rapporto acqua/cemento.
Sono state confezionate 10 tipologie di calcestruzzi di cui una metà con rapporto acqua/legante pari 0.6 e l’altra metà con rapporto acqua/legante 0.4. Nella Tabella 2 è riportata la composizione delle miscele.
Come si può notare la scoria Kivcet compare sia come costituente (macinato) del legante (PK/IN), sia come componente (tal quale) dell’aggregato (P/IK), sia, infine, come costituente del legante e dell’aggregato (PK/IK). Infatti essa è stata impiegata sia in sostituzione del cemento Portland per l’ottenimento del CEM II/A-Q, sia in sostituzione di una parte della sabbia (20% in volume).
Tutti i provini realizzati sono stati scasserati ad un giorno dal getto e la successiva stagionatura della durata di 4 mesi è avvenuta in ambiente mantenuto alla temperatura di 20°C e umidità relativa del 95%. Su tali provini sono state eseguite prove di resistenza meccanica a compressione (a 1, 3, 7, 28, 90 e 120 giorni) per poter valutare gli eventuali effetti sulle prestazioni meccaniche derivanti dalla presenza della scoria Kivcet. E’ noto infatti che i metalli pesanti, presenti nella scoria Kivcet, possono fungere da ritardanti di idratazione con effetti penalizzanti sullo sviluppo della resistenza meccanica.
Inoltre, per valutare il potenziale pericolo dovuto alla cessione delle sostanze inquinanti sono state effettuate prove di cessione in accordo con le prescrizioni del DM del 5 febbraio 1998.
Per il test di cessione il campione monolitico è stato immerso per 16 giorni in acqua deionizzata in un recipiente in polietilene ad alta densità (HDPE) chiuso ermeticamente. L’agente lisciviante, avente un volume pari a cinque volte in volume del campione, è stato rinnovato ad intervalli di tempo prescritti dalla Norma (2, 8, 24, 48, 72, 102, 168 e 384 ore) per mantenerne inalterata la concentrazione. Sui campioni di liquido, prelevati a ciascun intervallo, sono state fatte le analisi di concentrazione di alcali (Ca, Na, K), di metalli pesanti (Cd, As, Fe, Cr, Cu, Pb, Zn), e misure di conducibilità elettrica. La concentrazione di metalli pesanti à stata analizzata con spettrometro induttivo al plasma (Perkin Elmer Optima 3200XL).

RISULTATI DELLE PROVE MECCANICHE

Di seguito sono riportati i grafici relativi agli andamenti della resistenza a compressione dei calcestruzzi confezionati con la scoria Kivcet a confronto con quelli dei calcestruzzi di riferimento. In particolare, sono stati messi a confronto i calcestruzzi al variare del tipo di legante utilizzato ed i calcestruzzi contenenti la scoria nelle diverse modalità di aggiunta.
Nel grafico della Fig. 1 sono riportati gli andamenti della resistenza a compressione al variare della stagionatura di tre serie di calcestruzzi con rapporto a/l=0.6 che differiscono per il tipo di legante. Si può notare che impiegando il cemento Portland CEM I si ottengono resistenze meccaniche più elevate. Con l’impiego dei cementi di miscela CEM II/A-S e CEM II/A-Q si risente della minore velocità di idratazione dovuta alla presenza delle aggiunte minerali sui valori di resistenza meccanica alle brevi stagionature.
Alle lunghe stagionature si osserva un recupero delle prestazioni meccaniche, pressoché totale in presenza di loppa d’altoforno.
Nel grafico della Fig. 2 sono raffrontati gli andamenti della resistenza meccanica dei calcestruzzi contenenti la scoria Kivcet o nel legante o nell’inerte o in entrambi con il calcestruzzo di riferimento (CEM I e inerte naturale).

Fig.1 -Resistenza meccanica dei calcestruzzi con cemento Portland e cementi di miscela tutti con inerti naturali; a/l = 0.60.

Fig. 2 - Resistenza meccanica dei calcestruzzi con cemento Portland ed inerti naturali e cementi con la scoria Kivcet; a/l = 0.60.

I calcestruzzi prodotti con il CEM I anche nel caso contengano la scoria, in sostituzione parziale della sabbia, presentano prestazioni meccaniche del tutto equivalenti a tutte le stagionature. Quelli confezionati con il CEM II/A-Q presentano delle resistenze meccaniche più modeste a tutte le stagionature, anche se la penalizzazione è molto contenuta e passa da un iniziale 15% ad un valore di circa il 10%. C’è da sottolineare che la scoria influenza lo sviluppo della resistenza meccanica solo se è presente nel legante, cioè sotto forma di polvere molto fine, mentre non ha nessun effetto se è presente come aggregato, in forma granulare. Probabilmente nel caso di elevata superficie specifica la scoria cede all’impasto una quantità maggiore di ioni metallici quali Zn, Pb, Cu noti come agenti ritardanti di idratazione del cemento.
Per quanto riguarda i calcestruzzi prodotti con rapporto acqua/legante pari a 0,40 si registrano comportamenti del tutto simili (qui non mostrati per ragioni di brevità), dal punto di vista qualitativo, con una sola eccezione del calcestruzzo confezionato con il cemento Portland puro e inerti naturali. Si può osservare che quando il calcestruzzo è di migliore qualità (rapporto acqua/legante più basso) la presenza di scoria risulta leggermente penalizzante anche se essa è impiegata in sostituzione della sabbia, cioè in forma granulare. Si può ipotizzare che quando aumenta il rapporto scoria/acqua in conseguenza del minor rapporto acqua/legante si raggiungano delle concentrazioni di metalli pesanti nella fase acquosa tali far sentire un certo effetto ritardante sull’idratazione.

I risultati ottenuti mostrano che le quantità più elevate di rilascio sono relative ai campioni con il maggior rapporto acqua/legante (0,60). D’altra parte è a tutti noto che all’aumentare del rapporto acqua/legante aumenta la porosità della pasta cementizia e di conseguenza ci si deve ragionevolmente aspettare una maggiore mobilità dei metalli pesanti. Per quanto riguarda la cessione di rame e cromo, la presenza della scoria nell’impasto non aumenta i rilasci di tale sostanze, anzi si può perfino pensare ad un beneficio dell’impiego della scoria. Per quanto riguarda invece la cessione del piombo, utilizzando la scoria finemente macinata in sostituzione del cemento (PK/IK e PK/IN), la concentrazione totale, seppur sempre al di sotto del limite di legge, aumenta considerevolmente, triplicando rispetto ai casi in cui la scoria o non è presente (P/IN, PL/IN) o è presente in forma granulare (P/IK). Questo risultato è da imputare alla maggiore quantità totale disponibile e ad una maggiore mobilità dello ione piombo nei calcestruzzi contenenti la scoria finemente macinata. In Fig. 3 sono riportate le concentrazioni totali del cromo, rame e piombo rilasciati dai calcestruzzi aventi la scoria sia in forma macinata che in forma granulare (PK/IK-0,6-0.4). Tutti i valori sono al di sotto del limite di legge, si può quindi affermare che la matrice cementizia ha la capacità di incapsulare gli ioni dei metalli pesanti.

Fig. 3 -Concentrazione di metalli di PK/IK - 0.6-0.4.

Fig. 4 - Cessione di metalli nel tempo da PK/IL con 0.60.

Fig. 5 - Cessione di metalli nel tempo da PK/IL con 0.40.

MECCANISMO DI RILASCIO

La concentrazione dei metalli riportata in funzione del tempo su scala logaritmica ha un andamento lineare con pendenza prossima a 0,50 (Fig. 4 e Fig. 5). Lo stesso andamento si registra per la conducibilità elettrica (Fig. 6 e Fig. 7) che rappresenta la cessione di tutti gli elementi più solubili: questo fa ipotizzare che la diffusione sia il principale meccanismo di rilascio come già osservato da altri autori.

Fig. 6 -Conducibilità elettrica nel tempo dai calcestruzzi con a/l=0.40.

Fig. 7 - Conducibilità elettrica nel tempo dai calcestruzzi con a/l=0.60..

CONCLUSIONI

- La resistenza meccanica a compressione dei calcestruzzi con rapporto acqua/legante 0,60 mostra una leggera penalizzazione quando la scoria Kivcet è presente in forma finemente macinata in sostituzione parziale del cemento (15%) mentre non si rileva nessun effetto se la scoria è in sostituzione dell’aggregato cioè in forma granulare.

- I calcestruzzi con rapporto acqua/legante 0,40 fanno registrare una leggerissima penalizzazione anche se la scoria è presente solo al posto dell’aggregato fine.

- Il meccanismo prevalente di cessione è un processo in controllo di diffusione e quindi dipendente dalla porosità della matrice cementizia, dalla tortuosità dei pori capillari e dalla maggiore o minore interconnessione tra essi.

- La cessione dei metalli pesanti è molto bassa e decisamente al di sotto dei limiti ammessi dalla attuale normativa italiana; si può dunque ammettere che la matrice cementizia ha un’ottima capacità di bloccare gli ioni dei metalli presenti nella scoria.


Bibliografia

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