INTRODUZIONE

Le ceneri pesanti prodotte dagli inceneritori di rifiuti solidi urbani (RSU) sono prevalentemente composte da silice amorfa (in genere più del 50%) e ossidi di alluminio, ferro e calcio [1-4]. Questi residui hanno, quindi, una composizione simile a quella delle ceneri volanti prodotte dalle centrali termiche a carbone (coal fly ash, FA), tradizionalmente impiegate come aggiunte pozzolaniche in grado di migliorare la durabilità delle opere in calcestruzzo armato. Per questa similitudine, le ceneri pesanti da RSU, una volta macinate finemente, possono manifestare caratteristiche pozzolaniche o idrauliche. L’impatto ambientale dell’industria del calcestruzzo potrebbe notevolmente ridursi se le ceneri pesanti da RSU potessero essere effettivamente utilizzate come aggiunte minerali. In tal caso, infatti, residui come le ceneri pesanti da RSU, che devono essere smaltite in grandi quantità in tutto il mondo, potrebbero essere convertite in una risorsa utile per il confezionamento di calcestruzzi di qualità e durevoli.
Alcuni ricercatori hanno effettivamente mostrato l’attività pozzolanica delle ceneri pesanti da RSU macinate, mostrando la loro reattività con la calce o con il clinker di cemento portland [5,6]. Tuttavia, finora non si sono potute impiegare come aggiunte minerali, principalmente a causa dello sviluppo di gas che si produce in seguito alla loro introduzione negli impasti cementizi. Nell’ambiente alcalino prodotto dall’idratazione del cemento portland, con pH attorno a 13, la corrosione di alcuni metalli, e principalmente dell’alluminio, può produrre in tempi brevi una elevata quantità di idrogeno gassoso. Dopo la posa e la vibrazione del calcestruzzo, questo gas resta intrappolato nel calcestruzzo fresco, portando alla formazione di una rete di bolle che determina una marcata riduzione della resistenza e un aumento della permeabilità del calcestruzzo indurito.
Questa nota riassume i risultati di una ricerca volta allo sviluppo di trattamenti che consentono l’impiego delle ceneri pesanti da RSU come aggiunte minerali per calcestruzzi strutturali. I dettagli del lavoro sono illustrati nel riferimento [7].

PROVE

Le prove sono state eseguite con ceneri pesanti provenienti da diversi inceneritori del Nord Italia; queste sono state macinate sia a secco, con un mulino a sfere, sia ad umido, con un mulino a microsfere (ottenendo uno slurry con rapporto solido/liquido di 1:1) [7]. L’andamento nel tempo del pH degli slurry dopo la macinazione è stato rilevato con un elettrodo a vetro e un pH-metro. Sono stati confezionati calcestruzzi e malte nei quali si è sostituito il 30% di cemento portland con le ceneri macinate a secco e ad umido. Si sono utilizzati 440 kg/m³ di legante (70% cemento portland CEM I 52.5R e 30% di aggiunta minerale), rapporto acqua/cemento di 0,5 e 1700 kg/m³ di aggregato calcareo frantumato. Si sono inoltre realizzati tre impasti di riferimento rispettivamente con 100% di cemento, 30% delle tradizionali ceneri volanti da carbone e 30% di calcare macinato.
La resistenza a compressione è stata valutata su cubi di lato 100 mm per i calcestruzzi e su prismi 40x40x160 mm per le malte. Si è rilevato inoltre lo sviluppo nel tempo della resistività elettrica nei materiali saturi d’acqua. Per studiare l’effetto delle aggiunte sulla resistenza alla penetrazione dei cloruri, cubi di lato 150 mm sono stati sottoposti a cicli di asciugatura-bagnatura con una soluzione 35 g/L di cloruro di sodio; dopo diversi periodi di esposizione si sono rilevati i profili di penetrazione dei cloruri.

RISULTATI E DISCUSSIONE

La Tabella 1 mostra la composizione chimica delle ceneri da RSU studiate in questo lavoro. Una prima serie di prove è stata effettuata con ceneri prelevate dall’inceneritore di Udine. Dopo la macinazione a secco, queste ceneri hanno raggiunto una finezza corrispondente ad un passante al 50% (d₅₀) di circa 15 mm; con la successiva macinazione a umido d₅₀ è diminuito a circa 3 mm. La Fig. 1 confronta l’andamento nel tempo della resistenza a compressione dei diversi calcestruzzi. Il calcestruzzo di riferimento con 440 kg/m³ di cemento portland e rapporto a/c di 0.5 ha mostrato una resistenza a compressione media a 28 giorni di 64 MPa. La sostituzione del 30% di cemento con calcare (materiale inerte) ha ridotto la resistenza a 43 MPa, mentre la sostituzione con 30% di ceneri volanti da carbone (una tipica aggiunta pozzolanica) ha portato a una resistenza di 53 MPa.

Tabella 1 - Composizione dei materiali utilizzati per le prove (percentuale dei principali elementi, esclusi i cloruri, espressa in termini di ossidi).

Fig. 1 - Resistenza a compressione in funzione del tempo dei calcestruzzi di riferimento (100% cemento, 30% calcare macinato e 30% ceneri volanti da carbone) e del calcestruzzo con 30% di ceneri pesanti da RSU di Udine macinate a secco e a umido (slurry).

Il calcestruzzo con l’aggiunta di ceneri da RSU macinate a secco ha mostrato una rilevante espansione durante la presa, in seguito all’intrappolamento di bolle di idrogeno prodotto dalla reazione catodica del processo di corrosione delle particelle di alluminio presenti nelle ceneri (Fig. 2). Nel calcestruzzo confezionato con le ceneri da RSU macinate ad umido non si è, invece, osservata alcuna espansione. In questo caso nell’impasto si è introdotto direttamente lo slurry prodotto dalla macinazione (l’acqua dello slurry è stata considerata nel calcolo dell’acqua d’impasto). Il conglomerato ha mostrato una resistenza a compressione media a 28 giorni di stagionatura simile a quella del calcestruzzo di riferimento con 100% di cemento; si sono quindi ottenute prestazioni migliori rispetto al calcestruzzo a cui si sono aggiunte le ceneri volanti da carbone (FA). Anche a lunghe stagionature il calcestruzzo con le ceneri pesanti da RSU macinate ad umido ha evidenziato resistenze superiori di quelle dei calcestruzzi con 100% di cemento e con 30% FA; ad esempio in Fig. 1 sono mostrati i dati ottenuti a 90 giorni.
Il processo di macinazione ad umido ha avuto un ruolo chiave nel prevenire l’espansione durante la presa. Infatti, fin dall’inizio della macinazione ad umido si è osservata un’abbondante produzione di bolle di gas (idrogeno), dovuta alla corrosione delle nuove superfici delle particelle di alluminio prodotte dalla macinazione stessa. Il pH dello slurry si è portato spontaneamente a valori di circa 11.5, sufficienti per promuovere la corrosione dell’alluminio, ancorché a velocità inferiore rispetto a quella che determina la fase liquida della pasta di cemento idrata in funzione delle dimensioni delle particelle di alluminio dopo la macinazione, dell’effettiva velocità di corrosione dell’alluminio nello slurry e del tempo trascorso, le particelle di alluminio possano essere in buona parte consumate prima che lo slurry venga introdotto nell’impasto del calcestruzzo. In effetti, se questo accade, non può più avvenire alcuna espansione significativa nel calcestruzzo fresco. Con le ceneri di Udine hanno sono state sufficienti 48 ore di riposo dopo la macinazione a umido per esaurire le reazioni chimiche che portano allo sviluppo di gas.
La progressiva idratazione delle paste di cemento con aggiunta delle ceneri pesanti da RSU macinate ad umido si è potuta verificare indirettamente anche attraverso misure di resistività elettrica. La Fig. 3 mostra, ad esempio, la resistività rilevata dopo 28 giorni di stagionatura sui diversi calcestruzzi (conservati in camera di stagionatura a 23°C). Il calcestruzzo con l’aggiunta delle ceneri macinate ad umido ha mostrato la resistività elettrica più elevata (circa 200 W×m), persino superiore a quella del calcestruzzo con 30% FA (circa 150 W×m). Questo risultato supporta l’ipotesi che sia avvenuta una reazione pozzolanica anche nel caso delle ceneri da RSU che ha portato all’affinamento dei pori capillari tipico di questa reazione.

Fig. 2 - Bolle prodotte dall'idrogeno intrappolato nella matrice cementizia del calcestruzzo confezionato con le ceneri pesanti da RSU macinate a secco.

Fig. 3 - Resistività elettrica dei calcestruzzi con diversi tipi di aggiunte minerali dopo 28 giorni di stagionatura.

L’effetto benefico della reazione pozzolanica si è potuto osservare anche in relazione alla penetrazione dei cloruri. La Tabella 2, ad esempio, riporta i coefficienti di diffusione apparenti calcolati interpolando i profili del contenuto di cloruri misurati sui provini sottoposti a cicli di asciugatura e bagnatura con la soluzione con cloruri. Il calcestruzzo con l’aggiunta delle ceneri pesanti da RSU macinate ad umido mostra il minore coefficiente di diffusione. Questo comportamento può essere ancora spiegato dall’affinamento dei pori e dalla conseguente diminuzione di porosità del calcestruzzo, prodotti dalla reazione pozzolanica (anche se non si può escludere che abbia contribuito un parziale riempimento dei pori da parte delle particelle più fini dello slurry).

Per confermare i risultati precedenti, sono state effettuate ulteriori prove utilizzando le ceneri provenienti dagli altri inceneritori (Tabella 1). Per quanto riguarda gli effetti legati allo sviluppo di idrogeno si sono osservate notevoli differenze fra i diversi tipi di cenere pesante da RSU. Infatti, il tempo richiesto per consumare l’alluminio contenuto nello slurry (ed eventuali altri metalli che possono contribuire allo sviluppo di gas) è variato da meno di un giorno a diversi mesi. Di conseguenza si è studiato l’effetto di diversi fattori che possono influenzare il tempo per l’esaurimento della reazione di sviluppo di idrogeno nello slurry, allo scopo di individuare dei trattamenti che consentissero di ridurlo a valori accettabili (ad esempio pochi giorni), indipendentemente dalla provenienza delle ceneri e dal campione considerato. Si è studiata l’influenza dei seguenti parametri: a) la finezza delle ceneri pesanti da RSU nello slurry prodotto dalla macinazione ad umido; b) la temperatura dello slurry durante la macinazione e il successivo periodo di riposo, c) le condizioni di agitazione dello slurry durante il periodo di riposo; d) la possibile accelerazione dello sviluppo di idrogeno nello slurry attraverso l’aumento del suo pH; e) la riduzione dei metalli non-ferrosi nelle ceneri pesanti, prima della macinazione a umido. Si è così potuto verificare che il pH dello slurry ha un ruolo fondamentale. Per esempio, con il campione di ceneri provenienti dall’inceneritore di Vercelli, con le quali si è ottenuto uno slurry con pH di solo 9,6 (Fig. 4), la reazione di sviluppo di gas non si è esaurita nemmeno dopo un mese. Tuttavia si è potuto mostrare come una minima aggiunta di cemento allo slurry (70 g/L) consenta di raggiungere e mantenere un pH di circa 12,6. Questo è stato sufficiente per esaurire in alcuni giorni la reazione ed evitare l’espansione quando lo slurry è stato utilizzato per confezionare delle malte. La Fig. 5 mostra come la malta confezionata con l’aggiunta dello slurry di Vercelli trattato con cemento abbia raggiunto una resistenza a compressione superiore a quella di una malta di riferimento con 30% di ceneri volanti da carbone. Dopo 90 giorni di stagionatura la resistenza ha persino superato quella della malta con 100% di cemento.

Fig. 4 - Valori di pH misurati sugli slurry (rapporto solido/liquido 1:1) prodotti dalla macinazione a umido delle ceneri pesanti di diversi inceneritori.

Fig. 5 - Resistenza a compressione in funzione del tempo di malte di riferimento (100% cemento, 30% calcare macinato e 30% ceneri volanti da carbone) e malte con 30% di ceneri pesanti da RSU di Vercelli (prima e dopo l’aggiunta di cemento per aumentare il pH dello slurry).

CONCLUSIONI

Le ceneri pesanti prodotte dagli inceneritori di rifiuti solidi urbani (RSU), sottoposte ad un processo di macinazione ad umido, presentano caratteristiche tali da poter essere utilizzate come aggiunte minerali per la produzione di calcestruzzi e malte e contribuiscono attivamente all’aumento della resistenza e alla diminuzione della permeabilità.
Quando le ceneri pesanti da RSU sono aggiunte agli impasti dopo la sola macinazione a secco, sia la resistenza sia la permeabilità del calcestruzzo indurito sono influenzate negativamente dall’intrappolamento di bolle di gas. Questo è la conseguenza dell’idrogeno prodotto dalla reazione catodica della corrosione delle particelle di alluminio che sono contenute nelle ceneri. Viceversa, la macinazione ad umido può consentire di prevenire lo sviluppo di gas negli impasti freschi; in questo caso le reazioni di sviluppo di idrogeno iniziano nello slurry prodotto dalla macinazione e proseguono finché, dopo un certo tempo, si esauriscono, cosicché lo slurry può essere aggiunto in sicurezza agli impasti cementizi. Tuttavia si è osservata una grande variabilità del tempo necessario per l’esaurimento di queste reazioni. Per alcune ceneri sono stati sufficienti due giorni, mentre in altri casi anche tempi più lunghi, dell’ordine di due mesi, non sono stati sufficienti. Ulteriori prove hanno mostrato che il pH dello slurry può avere un ruolo primario e che l’aggiunta di piccole quantità di cemento può essere sufficiente per aumentare il pH dello slurry fino ad esaurire in tempi brevi lo sviluppo di gas.
Nei casi in cui si è potuto prevenire il rigonfiamento dell’impasto, le ceneri pesanti da RSU macinate ad umido hanno evidenziato gli effetti benefici della reazione pozzolanica in termini sia di resistenza a compressione sia di resistenza alla penetrazione delle specie aggressive.

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