1. INTRODUZIONE

Dai termovalorizzatori per produrre energia termica dalla combustione dei rifiuti solidi urbani (RSU) si ricavano due tipi di ceneri: una trascurabile quantità di cenere leggera molto ricca in cloruri e che pertanto non può essere impiegata nella confezione del calcestruzzo armato per il rischio di corrosione dei ferri di armatura; una discreta percentuale (15-30 % dei rifiuti trattati) di ceneri pesanti (che non contengono cloruri o altre sostanze nocive per il calcestruzzo) che sono portate a discarica. Le ceneri pesanti (o, così come spesso vengono chiamate scorie o “bottom ash”), così come si raccolgono nella griglia del termovalorizzatore, sono grossolane e mescolate ad altri frammenti di natura metallica (Fig. 1).

Se si debbono impiegare come aggiunte minerali nel calcestruzzo, le ceneri pesanti da RSU debbono essere private dai metalli pesanti che sempre accompagnano i rifiuti solidi urbani (Fig. 2).

Dopo la eliminazione delle parti metalliche la cenere pesante si presenta in forma di granuli da 1-4 mm (Fig. 3).

La composizione delle ceneri da RSU non è molto diversa da quella loppa dì altoforno e della cenere volante del carbone tradizionalmente utilizzate per ridurre il dosaggio del cemento e migliorare la durabilità dei calcestruzzi. Infatti, le ceneri pesanti da termovalorizzatore contengono principalmente silice, allumina, calce e ossido ferrico (1-4). Questo significa che, se finemente macinate, queste ceneri possono presentare un’attività pozzolanica o un comportamento idraulico con benefici per la microstruttura della matrice cementizia.

L’impiego nel calcestruzzo delle ceneri pesanti da RSU comporta anche la produzione di un materiale eco-sostenibile perché attenua il conferimento a discarica di grosse quantità di un rifiuto convertendolo in una preziosa materia seconda da riciclare. Alcuni ricercatori (5,6) hanno effettivamente trovato che le ceneri pesanti da RSU, purché finemente macinate, reagiscono indurendo in presenza di calce o cemento Portland.

Tuttavia, nessuna applicazione pratica è stata finora segnalata sull’impiego di queste ceneri in combinazione con cemento a causa di un effetto collaterale che ne penalizza l’applicazione. Quest’effetto collaterale negativo consiste nella reazione tra le particelle di alluminio metallico presente nelle ceneri da RSU con l’idrossido di calcio che si forma per idratazione dei silicati (C₃S e C₂S) del cemento Portland (7). A seguito di questa reazione si formano bolle di idrogeno che fanno aumentare in modo erratico la porosità del calcestruzzo indebolendone la resistenza meccanica anche dopo una prolungata compattazione:

2 Al + 3 Ca(OH)₂ + 6 H₂O ⇒ 3CaO•Al₂O₃ • 6H₂0 +6 H₂

A causa di questo inconveniente, la cenere pesante, così come proviene dal processo RSU non è adatta, anche se finemente macinata, come componente in materiali cementizi ed è stata per lo più impiegata solo come aggregato per calcestruzzi bituminosi. Tuttavia, recentemente Quadrio Curzio ha messo a punto un processo brevettato (8) in base al quale l’alluminio ed altri metalli anfoteri presenti della cenere pesante sono in larghissima misura eliminati e, in misura residua, trasformati nei corrispondenti ossidi incapaci di reagire con la calce e quindi non sono più nocivi nei calcestruzzi cementizi perché si rimuove il rischio di sviluppare bolle di idrogeno.

Secondo il processo di produzione messo a punto da Quadrio Curzio, dopo aver rimosso le particelle metalliche, la cenere pesante da RSU può essere macinata in due modi: a secco producendo una polvere fine o a umido sotto acqua producendo un fango molto fluido (slurry) con circa 50% di acqua. Il secondo metodo produttivo è molto più efficace sia per maggiore finezza della cenere che può essere conseguita, sia per la più facile ed accurata rimozione delle parti metalliche ferrose ed alluminose.

2. CARATTERISTICHE DELLA CENERE PESANTE DA RSU

Nella Tabella 1 sono mostrate le composizione degli ingredienti impiegati per produrre calcestruzzi con e senza aggiunte minerali a base di cenere volante da carbone (CV) di tipo F, di fumo di silice (FS), di cemento Portland 52.5 R (CP) e di cenere pesante macinata (CPM) da RSU.

Da un punto di vista chimico la cenere pesante da RSU presenta qualche somiglianza con la cenere da carbone di tipo C, meno ricca in silice è più ricca in calce rispetto alla cenere da carbone di tipo F (Tabella 2). Anche l’analisi per diffrazione dei raggi X (Figura 4) per tre campioni di CPM di diversa provenienza è molto più simile a quella della cenere volante di carbone tipo C (assenza di silice amorfa e presenza di quarzo) che non alla cenere volante di carbone di tipo F.

La Tabella 2 mostra le caratteristiche granulometriche di tre campioni di cenere pesante da RSU macinata a 3 livelli di finezza. Aumentando il tempo di macinazione sotto acqua il diametro medio particellare (D50) è passato da circa 5 µm, a 3 µm e a 1,7 µm. Quest’ultimo, a causa della sua maggior finezza, contiene – a parità di fluidità dello slurry – un minor contenuto di CPM secco rispetto agli altri due slurry più grossolani.

La Figura 5 mostra la dimensione delle particelle macinate di cenere pesante da RSU con dimensione media di circa 5 µm, circa 3 µm e di 1,7 µm.

3. PROVE SPERIMENTALI SU CALCESTRUZZI CON CPM ED ALTRI MATERIALI POZZOLANICI

Nei paragrafi che seguono sono mostrati i materiali e le composizioni adottate per confezionare i calcestruzzi. Successivamente sono illustrate le prestazioni di questi calcestruzzi.

3.1 Proprietà del calcestruzzo con cenere pesante macinata da RSU

Nei paragrafi che sono illustrati i risultati ottenuti (9) con calcestruzzi a base dei tre campioni di slurry di CPM, di cenere leggera da carbone e da fumo di silice in confronto a un calcestruzzo privo di aggiunta minerale. Gli slurry sono stati prodotti macinando la cenere pesante dei termovalorizzatori industriali della Falk dopo aver rimosso in un impianto su scala semi-industriale i metalli ferrosi e non ferrosi.

La Tabella 3 mostra la composizione dei seguenti calcestruzzi identificati dai seguenti simboli:

- Control mix ⇒ calcestruzzo senza alcuna aggiunta minerale;

- CV mix ⇒ con 20% di cenere volante in sostituzione del cemento Portland;

- SF mix ⇒ con 10% di fumo di silice in sostituzione del cemento Portland;

- 5CPM ⇒ con 20% di cenere pesante da 5 µm in sostituzione del cemento Portland;

- 3CPM ⇒ con 20% di cenere pesante da 3 µm in sostituzione del cemento Portland;

- 1,7CPM ⇒ con 20% di cenere pesante da 1,7 µm in sostituzione del cemento Portland.

In tutti i calcestruzzi della Tabella 3 il dosaggio di materiale cementizio (mc) che include cemento Portland e le aggiunte minerali in sostituzione è circa 340 kg/m³. L’acqua di impasto, inclusiva di quella presente nello slurry di CPM, è circa 167 kg/m³, cosicché il rapporto a/mc è di 0,49. Un’adeguata quantità di superfluidificante a base policarbossilica (circa 1% sul peso del materiale cementizio) è stato impiegato per produrre calcestruzzi tutti a pari slump di 210 mm.

3.2 Proprietà dei calcestruzzi

Sono esaminate prove di lisciviazione, di resistenza meccanica, di impermeabilità e di durabilità nei confronti della diffusione dei cloruri e della penetrazione della CO₂.

3.2.1 Prove di lisciviazione
Sono state innanzitutto determinate le prove di lisciviazione eseguite secondo le normative sui rifiuti del Ministero dell’Ambiente (DL 03/08/05, DM 5/2/98 con le ultime modifiche del DM 186 del 5/4/2006). Tale caratterizzazione ha compreso la valutazione della composizione e i test di cessione sia sulla cenere pesante da RSU tal quale che sulle frazioni derivanti dal processo di selezione e macinazione. Al fine di comparare le proprietà della CPM sotto il profilo igienico/ambientale con altri leganti comunemente in uso, sono stati altresì previsti test di cessione su provini di calcestruzzo prodotti con cementi comuni, ceneri volanti da carbone ed CPM. Queste prove sono risultate tutte positive, nel senso che il rilascio di elementi pericolosi (come cromo, arsenico, ecc,) è apparso ben al di sotto dei valori tollerati e non sono qui riportate per brevità di esposizione.

3.2.2 Prove meccaniche
La resistenza meccanica a compressione è stata determinata su provini stagionati a umido a 20 °C fino a 90 giorni. La Figura 6 mostra lo sviluppo della resistenza meccanica del calcestruzzo di riferimento (Control mix) senza aggiunte minerali a confronto con i calcestruzzi CV mix ed FS mix dove il cemento Portland 52.5 R è stato sostituito con il 20 % di cenere o 10 % di fumo di silice. In presenza di CV la resistenza meccanica è sempre inferiore q quella del Control mix ma la differenza tende a diminuire con il tempo e si annulla a 90 giorni. In presenza di fumo di silice la resistenza meccanica è leggermente inferiore a quella del Control mix ma solo alle brevi stagionature (< 7 giorni), mentre tende ad aumentare all’aumentare della stagionatura successiva tra 14 e 90 giorni.

Le Figure 7, 8 e 9 mostrano la resistenza meccanica in funzione del tempo dei calcestruzzi dove il 20 % di cemento Portland 52.5 R è stato rispettivamente sostituito dal 5 CPM, dal 3 CPM e dall’1,7 CPM in confronto con le curve di resistenza meccanica della Figura 6. Maggiore è la finezza della cenere pesante macinata, maggiore è la resistenza meccanica. In particolare, la CPM più fine (D50 = 1,7 µm) si comporta come il fumo di silice e supera le prestazioni del Control mix dopo 7 giorni di stagionatura.

La sostituzione del 20 % di cemento Portland con la 3 µm CPM alle brevi stagionature riduce leggermente la resistenza rispetto al Control mix ma non modifica la resistenza a 90 giorni. Sostituendo il 20 % di cemento Portland con il 5 µm CPM il calcestruzzo si comporta leggermente meglio di quello con la cenere volante da carbone alle brevi stagionature.

Quindi, da un punto di vista meccanico la cenere pesante macinata da RSU si comporta in modo intermedio tra la cenere volante da carbone e il fumo di silice a seconda della finezza di macinazione dello slurry di CPM.

3.2.3 Impermeabilità all’acqua
La Tabella 4 mostra la penetrazione di acqua in calcestruzzi esposti ad una pressione d’acqua di 3 bar per un tempo di 5 giorni. Secondo la norma UNI EN 12390-8 il calcestruzzo è considerato impermeabile se il profilo medio della penetrazione dell’acqua non supera 20 mm e se la massima penetrazione rimane al di sotto di 50 mm. Tutti i calcestruzzi risultano essere impermeabili secondo questi criteri e ciò è da mettere in relazione con un relativamente basso rapporto acqua/legante (0,49) come è mostrato nella Tabella 5.3. Tuttavia, la penetrazione dell’acqua sotto pressione del calcestruzzo con la più fine delle CPM (D₅₀ = 1,7 µm) è molto simile a quella del calcestruzzo con fumo di silice e molto inferiore a quella del calcestruzzo con cenere volante che si comporta come le altre CPM più grossolane.

3.2.4 Diffusione del cloruro
La Tabella 5 mostra lo spessore di cloruro diffuso nei provini di calcestruzzo stagionati a umido per 28 giorni prima di essere esposti ad una soluzione di NaCl (3,5% in acqua) per 120 giorni dal loro confezionamento. Lo spessore di penetrazione del cloruro è stato determinato con un metodo colorimetrico basato sull’impiego del nitrato di argento e della fluoresceina (10). I risultati indicano che la cenere pesante da RSU si comporta come il fumo di silice quando è finemente macinata (D₅₀ = 1,7 µm). Le ceneri da RSU macinate più grossolanamente si comportano comunque meglio della cenere volante soprattutto ai tempi di esposizione più brevi.

3.2.5 Penetrazione della CO₂
I risultati della Tabella 6 mostrano lo spessore di calcestruzzo penetrato dall’anidride carbonica (CO₂) determinato con il test alla fenolftaleina che si colora in rosso dove il pH è maggiore di 13 per la presenza di calce di idrolisi formata per idratazione del cemento Portland. Lo spessore di calcestruzzo penetrato dalla CO₂ comporta la neutralizzazione del Ca(OH)₂ e indica la parte penetrata dall’anidride carbonica esposta al rischio di corrosione dei ferri di armatura.

I risultati della Tabella 6 indicano che la cenere pesante da RSU finemente macinata (D₅₀ = 1,7 µm) si comporta bene come il fumo di silice nel rallentare la velocità di carbonatazione sia rispetto al calcestruzzo di riferimento (Control mix) sia rispetto al calcestruzzo con cenere volante da carbone, rispetto alla quale anche le CPM più grossolane si comportano meglio.

4. CONCLUSIONI

La cenere pesante da rifiuti solidi urbani (RSU) macinata sotto acqua in forma di slurry fluido con circa 50 % di acqua è stata trattata con un nuovo processo (8) per eliminare e/o ossidare le particelle di alluminio metallico che viene ossidato e quindi reso innocuo per la sua potenziale reazione con la calce di idrolisi prodotta per idratazione del cemento Portland e la conseguente formazione di idrogeno gassoso che penalizza le prestazioni del calcestruzzo (7).

Grazie a questo innovativo processo, la cenere pesante macinata (CPM) da RSU consente di produrre ottimi calcestruzzi (paragonabili a quelli confezionati con il più caro ed introvabile fumo di silice) in termini di resistenza meccanica, di impermeabilità e di durabilità per la resistenza alla penetrazione dei cloruri e dell’anidride carbonica che potrebbero promuovere la corrosione dei ferri di armatura.

Si possono segnalare due aspetti che evidenziano la sostenibilità di questo processo:

- poiché la CPM sostituisce una parte del cemento Portland (fino al 20 % con miglioramenti prestazionali) si riduce il consumo energetico per la produzione del clinker e si riduce proporzionalmente l’inquinamento per la emissione atmosferica della CO₂;

- poiché la cenere pesante da RSU deve essere allocata a discarica (la quantità è di circa il 15-30 % dell’RSU trattato) si rende più sano l’ambiente e si migliora il rendimento economico dei termovalorizzatori.