INTRODUZIONE

La cenere volante da carbone (CV) è un materiale pozzolanico largamente usato in tutto il mondo per sostituire una parte del cemento Portland al fine di migliorare alcune prestazioni del calcestruzzo in termini di:

a) minor sviluppo di calore e quindi di minor rischio di fessurazioni di origine termica;

b) maggiore impermeabilità particolarmente apprezzata nelle opere idrauliche;

c) maggiore durabilità soprattutto nei confronti del cloruro che, nelle opere marittime ed in quelle autostradali, provocherebbe la corrosione dei ferri di armatura.

L’unico inconveniente del calcestruzzo con cemento parzialmente sostituito da cenere volante è la minore resistenza meccanica alle brevi stagionature (1-7 giorni).
In Italia la sostituzione parziale del cemento Portland con la cenere volante può essere messa in pratica impiegando i cementi alla cenere II A/V e II B/V o, in mancanza di questi, sostituendo il cemento Portland con cenere volante da un minimo del 10% fino ad un massimo del 35%.

Il fumo di silice (FS) si comporta molto meglio della cenere volante ed il suo impiego è solitamente riservato ai calcestruzzi ad alte prestazioni, per il costo relativamente elevato di questo materiale pozzolanico. La sostituzione del cemento con fumo di silice è generalmente limitata ad un massimo del 10%.

In questo articolo viene descritto un lavoro di ricerca sull’impiego di una particolare cenere volante “beneficiata” (CVB) attraverso due processi:

- rimozione del carbone incombusto mediante la tecnologia tribo-elettrostatica [1];
- rimozione delle particelle di ceneri più grosse e di forma irregolare mediante un processo di flottazione all’aria [2].

Entrambi i processi sono finalizzati ad ottenere un calcestruzzo più fluido nello stato fresco fino a diventare autolivellante, ed un calcestruzzo meno poroso nello stato indurito.

PARTE SPERIMENTALE: MATERIALI E METODI

I materiali CVB, CV ed FS sono stati impiegati per produrre due distinte serie di calcestruzzi. Nella Tabella 1 sono riportate le composizioni chimiche delle tre pozzolane. In particolare la CVB si distingue dalla CV per la minore perdita al fuoco (p.a.f.) dovuta alla rimozione del carbone incombusto. Il fumo di silice si presenta molto più ricco in silice amorfa rispetto alla CV ed alla CVB.

Nella Fig. 2 sono mostrate le caratteristiche granulometriche delle tre pozzolane ottenute con la tecnica della laser-granulometria. Il fumo di silice si presenta come un materiale sub-micronico con un diametro medio (corrispondente al flesso della curva granulometrica) di circa 0.4 µm. La cenere volante (CV) si presenta con un diametro medio di circa 30-40 µm. La cenere volante (CVB) da un punto di vista granulometrico è un prodotto intermedio tra l’FS e la CV, con un diametro medio di circa 4 µm.

Sono stati preparati due serie di calcestruzzi:

I) il primo riguarda calcestruzzi ordinari in classe di consistenza fluida (slump=170 mm) contenenti 80 kg/m³ di CVB a confronto con 40 kg/m³ di FS;

II) il secondo riguarda calcestruzzi auto-compattanti (SCC) nei quali il 50% di cemento è stato sostituito da cenere volante normale (CV) o “beneficiata” (CVB).

Le Tabelle 2 e 3 mostrano la composizione dei calcestruzzi ordinari a consistenza fluida S3 e dei calcestruzzi SCC rispettivamente. Sono riportati sia i rapporti acqua-cemento (a/c) riferiti al solo cemento Portland CEM I 52.5R, sia i rapporti acqua-legante (a/l) riferiti alla somma del cemento Portland con i vari materiali pozzolanici.

Come inerte è stato impiegato sabbia naturale e ghiaia con diametro massimo di 32 mm per i calcestruzzi ordinari e di 16 mm per i calcestruzzi autocompattanti SCC.

Il superfluidificante di tipo policarbossilico (SP) per i calcestruzzi con FS e CVB (Tabella 2) è stato impiegato in modo da ottenere circa lo stesso slump oppure lo stesso dosaggio di additivo (2.6 kg/m³) e lo stesso slump.

Nei calcestruzzi autocompattanti (Tabella 3) il dosaggio di superfluidificante SP è stato adeguatamente variato per ottenere lo stesso slump-flow (750 mm) a parità di rapporto a/c (circa 0.67) ed a/l (circa 0.34). Si può notare come in presenza di cenere volante “beneficiata” (CVB) il dosaggio di additivo sia un terzo (3 entro 9 kg/m³) rispetto a quello impiegato per l’SCC con la cenere volante normale (CV).

Sui conglomerati SCC sono state eseguite anche misure consistenti nella determinazione dei tempi (in secondi) necessari a completare le vari prove reologiche (V-funnel, U-box, L-box, slump-flow) in accordo alle raccomandazioni della Sicietà di Ingegneria Civile Giapponese [3].

Per ogni calcestruzzo sono stati preparati provini cubici (150 mm) stagionati a 20°C con umidità relativa del 100%. Inoltre, per i soli calcestruzzi ordinari in classe di consistenza S3, sono stati maturati alcuni provini a vapore (55°C) dopo una pre-stagionatura di 3 ore a 20°C, ed un riscaldamento da 20°C a 55°C in 4 ore.

RISULTATI
Calcestruzzi ordinari

La Tabella 2 indica che il dosaggio di superfluidificante SP necessario a produrre un calcestruzzo fluido ed un determinato rapporto acqua-legante di 0.39 è di 2.6 kg/m³ con il fumo di silice e scende a meno della metà (1.2 kg/m³) se si impiega CVB. Quando si impiega per entrambi i calcestruzzi lo stesso dosaggio di superfluidificante (2.6 kg/m³), il rapporto acqua-legante del calcestruzzo con cenere “beneficiata” è molto più basso di quello adottato nel calcestruzzo con fumo di silice (0.31 contro 0.39). Questi risultati sono da attribuire alla maggiore dimensione (4 µm contro 0.4 µm) delle particelle di CVB rispetto a quelle di fumo di silice (Fig. 2) a parità di morfologia consistente per entrambi i materiali in granuli perfettamente sferici (Fig. 3).

Le prestazioni meccaniche dei calcestruzzi ordinari sono mostrati in Fig. 4. Quando i calcestruzzi sono confrontati a parità di rapporto acqua-legante (0.39), la resistenza meccanica del calcestruzzo con FS è maggiore di quella del calcestruzzo con CVB; la differenza percentuale è maggiore alle brevi stagionature e tende a diminuire alle lunghe stagionature.

D’altra parte, se il confronto è fatto a pari dosaggio di additivo superfluidificante (2.6 kg/m³), oltre che a pari slump (circa 165 mm) la resistenza meccanica del calcestruzzo con CVB è sistematicamente maggiore di quella con fumo di silice (Fig. 4).

La Fig. 5 mostra la resistenza meccanica in funzione del tempo dopo una maturazione a vapore a 55°C: i risultati ottenuti sono in linea con quelli ottenuti con maturazione a temperatura ambiente (Fig. 4).

Tutti questi risultati indicano che 80 kg/m³ di CVB si comportano meglio di 40 kg/m³ di fumo di silice se i calcestruzzi sono confrontati a parità di dosaggio di additivo oltre che a parità di slump. Questo comportamento è in sostanza dovuto alla maggiore richiesta di acqua da parte del fumo di silice con dimensione media (0.4 µm) dieci volte minore di quella della cenere volante “beneficiata” (4 µm).

Se, il costo delle CVB non supera la metà di quello del fumo di silice, anche il rapporto prestazione/costo appare migliore per la cenere volante “beneficiata” che non per il fumo di silice.

Calcestruzzi autocompattanti

La Tabella 3 mostra le composizioni dei due conglomerati SCC con lo stesso dosaggio di cemento Portland (245 kg/m³), e lo stesso contenuto di cenere (245 kg/m³). A parità di slump.flow (750 mm) il dosaggio di additivo superfluidificante SP scende da 9 kg/m³ a 3 kg/m³ se si passa dalla CV alla CVB. Questo diverso comportamento è dovuto alla perfetta sfericità delle particelle di CVB rispetto alla cenere normale che presenta particelle più grosse dal contorno irregolare e particelle di carbone incombusto che assorbe l’additivo SP [4]. In conseguenza di questa più favorevole morfologia, il calcestruzzo SCC con CVB si presenta molto più mobile che non il corrispondente SCC con CV.

La maggiore mobilità del conglomerato SCC-CVB rispetto al conglomerato SCC-CV, a parità di slump-flow (750 mm) si estrinseca nei tempi notevolmente più corti per completare le varie prove reologiche (Tabella 4):

- nel test V-funnel: 7 contro 50 secondi;
- nel test U-box: 2 contro 40 secondi;
- nel test L-box: 6 contro 57 secondi;
- nel test slump-flow: 7 contro 50 secondi.

Queste speciali caratteristiche del conglomerato SCC-CVB sono particolarmente vantaggiose nella produzione di lastre o pavimenti su terreni e nel riempimento di casseforme con armatura metallica congestionata.

Le prestazioni meccaniche di conglomerati SCC-CVB ed SCC-CV sono molto simili alle brevi stagionature e leggermente più alte per i calcestruzzi con CVB alle stagionature più lunghe (Fig. 6).

Questi risultati indicano che non esistono vantaggi nell’impiegare CVB in luogo della più economica cenere volante normale, se non in qualche applicazione speciale per trarre vantaggio nella rapidità di scorrimento dell’SCC-CVB.

CONCLUSIONI

I risultati di questa ricerca indicano che l’impiego di cenere volante beneficiata (CVB) si presenta molto vantaggioso rispetto a quello del fumo di silice, molto costoso e poco disponibile. In particolare con 80 kg/m³ di CVB si ottengono calcestruzzi con migliori prestazioni mecaniche rispetto a quelle con 40 kg/m³ di fumo di silice. In particolare, a parità di additivo superfluidificante e di lavorabilità, si può ridurre l’acqua di impasto molto di più nel calcestruzzo con CVB che non in quello con FS.

D’altra parte, nella produzione di SCC l’impiego di CVB in luogo della normale cenere volante, la differenza più significativa consiste nella maggiore mobilità del primo rispetto al secondo. Tuttavia questo vantaggio non giustifica la sostituzione della cenere volante con quella “beneficiata” (molto più costosa) se non in casi particolari che richiedano un comportamento auto-livellante nelle pavimentazioni ed un rapido riempimento di cassaforme molto congestionate dalla presenza di armature metalliche.



BIBLIOGRAFIA

[1] Bittner, J.D. and Gasiorowski “ STI’s Commercial Beneficiation of high LOI Fly Ash”, Proceedings of 15th International Symposium on Management and Use of Coal Combustion Products, 2003, pp. 1-7.

[2] Seedat, E.Y., “The new generation pozzolan for superior concrete”, private communication.

[3] Uomoto T. and Ozawa K., “Recommendation for Self-Compacting Concrete”, Japanese Society of Civil Engineers, Shinjyuku, Tokyo, pp.1-70, August 1999.

[4] L. Coppola, R. Troli, P. Zaffaroni, G. Belz and M. Collepardi, “Influence of Unburnt Carbon in the Performance of Concrete Mixtures”, Proceedings of the 6th CANMET/ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans”, Bangkok, Tailandia, pp. 257-271, 1998.