Comportamento Meccanico di Calcestruzzo con Aggregati Riciclati

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1 Comportamento Meccanico di Calcestruzzo con Aggregati Riciclati A. Caggiano 1, C. Faella 2, C. Lima 3, E. Martinelli 4, M. Mele 5, A. Pasqualini 6, R. Realfonzo 7, M. Valente 8 CONTENUTI: Il presente studio è volto alla valutazione del comportamento meccanico di calcestruzzi con aggregati riciclati (RAC). Una estesa campagna sperimentale è stata prodotta su RAC confezionati sostituendo quantità variabili di aggregato naturale con aggregato riciclato derivanti dalla demolizione di edifici. Le proprietà meccaniche osservate sui provini RAC sono state confrontate con le corrispondenti caratteristiche ottenute per calcestruzzi convenzionali realizzati con il 1% di aggregati naturali. Il rapporto acqua/cemento (W/C) è stato tenuto costante in tutte le prove. Alcune proprietà principali (come la resistenza a compressione e la permeabilità) come anche alcuni parametri legati alla durabilità sono stati valutati allo scopo di verificare la possibilità di utilizzare RAC per usi strutturali. Inoltre, è stata considerata anche la possibilità di sostituire aggregati fini con Fly Ash. Come risultato della campagna sperimentale sono state valutate e comparate curve tensione-deformazione e la resistenza a compressione di RAC e calcestruzzi convenzionali. 1 INTRODUZIONE Oggigiorno, le problematiche di inquinamento e salvaguardia ambientale stanno diventando molto rilevanti e condizionano tutte le attività umane. I processi industriali generalmente producono grandi quantità di rifiuti che richiedono complesse procedure di smaltimento e quindi rappresentano grandi problematiche ambientali. Anche il settore edilizio è ovviamente coinvolto in tali problematiche. In particolare, I processi di manutenzione o demolizione di strutture esistenti (come edifici, ponti, ecc.) come anche la costruzione di nuovi edifici causa la produzione di grandi quantità di rifiuti (ben noti come rifiuti da costruzione e demolizione C&DWs). Per questa ragione, è molto studiata l ipotesi di riciclare gran parte di questi rifiuti utilizzandoli come materiali inerti per la costruzione di nuove strutture. L impiego di rifiuti provenienti da demolizione di strutture in calcestruzzo o dalla produzione industriale di elementi in calcestruzzo precompresso, è una scelta primaria per ottenere aggregati riciclati di solito indicati come RAC (acronimo di recycled aggregate concrete ) utili per produrre nuovo calcestruzzo. I calcestruzzi prodotti con aggregati riciclati sono oggetto di numerosi articoli scientifici recentemente pubblicati nella letteratura tecnica. Generalmente, le prestazioni di calcestruzzi con aggregati riciclati (RAC) sono confrontate con quelle dei calcestruzzi prodotti con aggregati naturali. Numerose ricerche dimostrano come le proprietà fisiche e meccaniche dei RAC sono strettamente dipendenti dalla qualità (natura e dimensioni) dell aggregato riciclato (Topcu, 1997). Un RAC richiede molta più acqua di un calcestruzzo con aggregato naturale (NAC), al 1 PhD student, University of Salerno, Italy, ancaggiano@unisa.it 2 Full Professor, University of Salerno, Italy, c.faella@unisa.it 3 Research Assistant, University of Salerno, Italy, clima@unisa.it 4 Assistant Professor, University of Salerno, Italy, e.martinelli@unisa.it 5 Quality control manager, Calcestruzzi Irpini SpA, Avellino, Italy, m.mele@irpiniacalcestruzzi.it 6 Engineer, General Admixtures SpA, Ponzano Veneto (TV), Italy, apasqualini@gageneral.com 7 Associate Professor, University of Salerno, Italy, rrealfonzo@unisa.it 8 President of General Admixtures SpA, Ponzano Veneto (TV), Italy, mvalente@gageneral.com

2 fine di ottenere la stessa lavorabilità (Casuccio et al., 28). Inoltre, la densità dei materiali, la resistenza a compressione e il modulo elastico dei RAC sono generalmente più bassi di quelli dei NAC (Corinaldesi and Moriconi, 29). Molte normative internazionali (RILEM Recommendation, 1994; ACI Committee 555, 22) e nazionali (in Italia il Decreto del Ministro dei Lavori Pubblici, Gennaio 28), mettono in luce l importanza e la possibilità di usare RAC come aggregati grossi. Un ulteriore strada eco-compatibile per produrre calcestruzzo consiste nell usare cenere volante (FA) in aggiunta o in parziale sostituzione del cemento Portland. La cenere volante è una polvere fine ottenuta dalla condensazione dei fumi generati dalla combustione nelle centrali termoelettriche. L uso della cenere volante nella produzione del calcestruzzo produce due vantaggi: riduce la quantità di rifiuti industriali; riduce la domanda di cemento Portland e le conseguenti emissioni di CO 2 in atmosfera. L uso della cenere volante combinata con i RAC nella produzione del calcestruzzo permette di migliorare le caratteristiche meccaniche dei RAC rendendole comparabili con quelle dei calcestruzzi prodotti con aggregato riciclato (Sani et al., 25). Questo lavoro presenta i risultati preliminari di uno studio sperimentale sulle prestazioni di calcestruzzi eco-compatibili, nella fattispecie di calcestruzzi prodotti con RAC in parziale o totale sostituzione degli aggregati naturali. Numerosi provini NAC e RAC sono stati testati nel laboratorio dell Università di Salerno e della General Admixtures SpA a Ponzano Veneto. Il comportamento dei calcestruzzi considerati è stato analizzato sia allo stato fresco che a quello indurito. Alcuni provini, realizzati con aggregati provenienti da costruzione e demolizione di strutture in calcestruzzo contenevano cenere volante in aggiunta o parziale sostituzione del cemento Portland. Siccome alcune proprietà dei RAC per esempio la loro forma, dimensione, assorbimento d acqua sono molto differenti rispetto a quelle degli aggregati naturali, il progetto delle miscele, finalizzato a valutare le proprietà allo stato fresco ed indurito è stato accuratamente studiato ed adattato. Sono state anche analizzate le problematiche legate alla durabilità e alle proprietà meccaniche dei RAC, derivanti dalla natura chimica e fisica degli aggregati riciclati. 2 PROGRAMMA SPERIMENTALE: MATERIALI E MISCELE Un accurata selezione e caratterizzazione meccanica degli aggregati derivanti dal processo di riciclo rappresentano le fasi preliminari per ottenere RAC di alta qualità. In questo lavoro, numerosi provini RAC sono stati ottenuti usando aggregati provenienti dalla demolizione di strutture in calcestruzzo (situate in Emilia Romagna, Italia); gli aggregati sono stati selezionati, puliti e setacciati in laboratorio. La setacciatura preliminare è stata effettuata allo scopo di stabilire la distribuzione granulometrica delle parti da utilizzare come aggregato nei RAC. Figura 1 mostra le fasi di setacciatura e selezione. Figura 1. operazioni di setacciatura e aggregati setacciati) Le frazioni di aggregati (sabbia, dimensione fine e grossa di naturale e riciclato) sono state miscelate secondo la curva di Bolomey (Bolomey, 1975), allo scopo di riprodurre una distribuzione granulometrica ottimale. Sia aggregati naturali (comunemente pietre

3 di cava) e aggregati riciclati, con diametro massimo di 31.5 mm, sono stati suddivisi in 4 classi di dimensioni (vedi Figura 1b): - N3, con diametro nominale variabile tra 2 e 31.5 mm; - N2, con diametro nominale variabile tra 1 e 2 mm; - N1, con diametro nominale variabile tra 2 e 1 mm; - Sabbia, con diametro nominale minore di 2 mm. La capacità di assorbimento (a 24 ore) sia degli inerti naturali che di quelli riciclati è stata valutata in accordo con le procedure proposte dalle ASTM Standards C127 (per aggregati grossi) e C128 (per aggregati fini). I risultati - mostrati in Tabella 1 - confermano che gli aggregati riciclati assorbono molta più acqua dei naturali. Tabella 1. Assorbimento d acqua (%) a 24 ore di aggregati naturali e riciclati. Type Sand (-2 mm) N1 (2-1 mm) N2 (1-2 mm) N3 ( mm) Natural Recycled Undici differenti tipi di calcestruzzi sono stati prodotti: - calcestruzzo di riferimento prodotto con il 1% di aggregati naturale (chiamato NAC); - due calcestruzzi ottenuti con sostituzione parziale di aggregato naturale con aggregato riciclato (RAC ottenuto sostituendo il % in volume di aggregato naturale con RACs; RAC6, con 6% di RAC e 4% di naturale); - un calcestruzzo prodotto con il 1%di aggregato riciclato (RAC1); - tre calcestruzzi aventi cenere volante come sostituzione della frazione di sabbia (RAC+FA, RAC6+FA, ecc.) tenendo costante il contenuto di cemento; - quattro calcestruzzi prodotti con aggregati riciclati e cenere volante usata come parziale sostituzione del cemento Portland (NAC+FAsub, Rac+FAsub, ecc.). I progetti delle miscele dei calcestruzzi sono riportati in Tabella 2. Si fa notare che è stato considerate un rapporto W/C pari a.56; inoltre questo rapporto è stato effettivamente usato solo per la produzione di NAC. Infatti, per tenere invariato il quantitativo di acqua necessario per la reazione del cemento, un maggiore rapporto acqua-cemento è stato usato per la produzione di RACs. L'acqua in eccesso necessaria per il progetto dei RAC tiene conto della maggiore capacità di assorbimento evidenziata dagli aggregati riciclati (Tabella 1). Tabella 2. Proporzioni delle miscele [in kn/m 3 ] e slumps [in mm] NAC RAC RAC6 RAC1 RAC RAC6 RAC1 NAC RAC RAC6 RAC1 + FA + FA + FA +FA sub + FA sub + FA sub + FA sub Sand 8,99 9,4 7,56-8,24 7,48-7,5 8,91 7,4 - RCA (Sand) - - 1,16 7, ,24 - -,82 6,1 N1 1,34 1, , ,65 1, RCA (N1) - - 1,16 1,15-1,18 1, ,14 1,14 N2 4,21 3, , ,7 3,3 - - RCA (N2) - 1,1 3,66 3,62 1,1 3,72 3,72-1, 3,59 3,59 N3 4, , RCA (N3) - 4,6 3,99 3,94 4,5 4,6 4,6-4,1 3,95 3,91 Cement 3,9 3,11 3,5 3,2 3,1 3,1 3,1 2,5 2,78 2,78 2,78 Water 1,57 1,57 1,55 1,53 1,57 1,57 1,57 1,55 1,56 1,56 1,56 FA ,6 1,2 2,4,8,6 1,2 2,4 Slump

4 Inoltre nella produzione di RAC+FA la quantità di cenere volante è stata incrementata al crescere della percentuale di utilizzo di aggregati riciclati. È stato utilizzato Cemento Portland, del tipo CEM II/A-LL 42.5R (Standards Europei EN-197/1, 2); il suo peso per unità di volume è pari a,3 kn/m 3. Il superfluidificante a base acrilica (Primium RM 28 della General Admixtures SpA) è stato inoltre utilizzato per ottenere una buona lavorabilità del calcestruzzo fresco. La tabella riporta anche il valore medio degli slump misurati (mm). I materiali utilizzati nelle miscele sono caratterizzati dai valori dei pesi specifici riportati in Tabella 3. La figura 2 mostra le prove di slump sul calcestruzzo convenzionale + cenere volante e sulla miscela RAC 1. Tabella 3. Densità [kn/m 3 ] Natural Aggregate Recycled Aggregate Cement Fly Ash 26,9 23,69, 21, Figura 2. Prove di slump: NAC+FAsub e RAC 1 3 PROGRAMMA SPERIMENTALE E RISULTATI DELLE PROVE Per ogni tipo di calcestruzzo sono stati realizzati quattordici provini cubici 15x15x15 mm in casseforme di poliuretano (EN , 23) e fatti maturare ad una temperatura di 22 C con circa il 1% di umidità. La Tabella 4 mostra la matrice delle prove del programma sperimentale proposto; la tabella riporta indicazioni circa i test completamente e parzialmente effettuati. Le proprietà meccaniche dei calcestruzzi sono state valutate come media dei test di compressione a 2, 7, 28 e 6 giorni di maturazione. Table 4. Experimental program. Mixtures # Compression tests Permeability 6 days tests () NAC RAC RAC RAC RAC+FA* RAC6+FA* RAC1+FA* NAC+FA sub RAC+FA sub ** RAC6+FA sub ** RAC1+FA sub ** * tests partially done; ** tests not done In accordo con le EN UNI (22), una misura della durabilità del calcestruzzo

5 è ottenuta da prove di permeabilità a 28 giorni (vedi Figura 3). La permeabilità è stata determinata attraverso l iniezione di acqua ad una pressione costante di P i = 5 bar. Figura 3. Alcuni provini di calcestruzzo durante e dopo prove di permeabilità I risultati sperimentali preliminari sono riportati in Tabella 5, la quale riporta I valori medi della resistenza a compressione e del coefficiente di permeabilità (la campagna sperimentale è in corso e le rimanenti prove saranno realizzate a breve) Mixtures Table 5. Risultati sperimentali Compression Strength [MPa] R cm R cm R cm R cm 6 days Permeability [mm] NAC * RAC * 2.2 RAC * RAC * RAC + FA * * RAC 6 + FA * * RAC 1 + FA * * NAC + FA sub * * RAC + FA sub * * * * * RAC6 + FA sub * * * * * RAC1 + FA sub * * * * * * tests not performed La Figura 4 mostra i risultati in termini di resistenza a compressione per differenti tempi di maturazione. I risultati disponibili dimostrano che la sostituzione di aggregato naturale con RAC influenza significativamente la resistenza a compressione (per ogni tempo di maturazione); maggiore è la percentuale di RAC, minore è la resistenza a compressione. 5 4 R cm [MPa] 2 1 NAC NAC + FAsub RAC RAC6 RAC1 RAC + FA RAC 6 + FA RAC 1 + FA Figura 4. Resistenza a compressione a 2, 7 e 28 giorni

6 Inoltre, la resistenza a compressione delle miscele RAC può essere significativamente migliorata con la parziale sostituzione di aggregati fini naturali con ceneri volanti; nel caso del RAC 1, il miglioramento della resistenza a compressione dovuto alle ceneri volanti è notevole. Le prove su calcestruzzi con aggregati naturali e ceneri volanti in sostituzione di una certa quantità di cemento Portland (NAC+FAsub) hanno resistenze più basse di quelli di riferimento (NAC) a 2 e 7 giorni di maturazione ma raggiungono valori di resistenza simili a 28 giorni, grazie al differente tempo di reazione della cenere volante rispetto al cemento. La Figura 5 mostra le densità dei calcestruzzi considerati. Si può osservare che la densità dei RAC è sempre minore dei NAC, questo è in accordo con il fatto che gli aggregati riciclati sono caratterizzati da alte percentuali di vuoti interni. Per questa stessa ragione l indice di permeabilità generalmente aumenta nel caso di calcestruzzi riciclati. 25 density [kn/m 3 ] NAC + FA RAC + RAC 6 + RAC 1 + NAC RAC RAC 6 RAC 1 sub FA FA FA avg Figure 5. Densità medie Figure 6 e 7 mostrano rispettivamente dei provini NAC e RAC dopo prove di compressione, mentre le curve sperimentali tensione-deformazione sono presentate in Figura 8 e 9. Figura 6. Prove di compressione su NAC e su NAC+FAsub a 7 giorni Figura 7. Prove di compressione a 7 giorni su RAC 1 e RAC 1 + FA

7 NAC ,% 4 4 NAC + FAsub 1,% 2,%.% 3,% 1.% 2.% 3.% Figura 8. Prove di compressione su NAC e NAC+FAsub : curve tensione-deformazione RAC RAC + FA ,% 2 1 1,% 2,%,% 3,% RAC 6 1,% 2,% RAC 6 + FA ,% 2 1 1,% 2,%,% 3,% 1,% 2,% ,% RAC 1 + FA RAC ,% 3,% 1,% 2,% 3,%.% 1.% 2.% 3.% Figura 9. Prove di compressione su RAC e RAC+FA : curve tensione-deformazione

8 Confrontando le figure 8 e 9, si osserva un comportamento più duttile dei RAC. Questa affermazione conferma quanto riportato in letteratura, per esempio che la duttilità del calcestruzzo è dipendente dalla qualità dello stesso (Van Mier, 1997). In particolare, maggiore è la resistenza del calcestruzzo, minore è la duttilità. 4 CONCLUSIONI In questo articolo è stato condotto uno studio per sviluppare ulteriormente le conoscenze sui calcestruzzi con aggregati riciclati (RAC) per usi strutturali. In particolare sono stati presentati e commentati i risultati preliminari di un ampia campagna sperimentale sui RAC. I risultati sperimentali hanno confermato che l uso di aggregati provenienti da C&DWs di strutture in calcestruzzo, in sostituzione di aggregati naturali, porta a realizzare calcestruzzi con resistenze minori e permeabilità maggiori. L utilizzo di cenere volante in calcestruzzi con aggregati riciclati da C&DWs ne migliora le proprietà meccaniche e fisiche mitigando gli effetti negativi degli aggregati riciclati. BIBLIOGRAFIA ACI Committee 555 (22). "Removal and reuse of hardened concrete", ACI Material Journal, 99(3), ASTM C (21). "Standard Test Method for Density, Relative Density (Specific Gravity), and Absorption of Coarse Aggregate". ASTM C (21). "Standard Test Method for Density, Relative Density (Specific Gravity), and Absorption of Fine Aggregate". EN (2). "Cement part 1: composition, specifications and conformity criteria for common cements". EN (23). Testing hardened concrete. Part 3: compressive strength of test specimens. EN (22). Testing hardened concrete - Depth of penetration of water under pressure. Italian Ministry of Public Work (28), Decree of January 14 th : New Italian Code for Constructions (in Italian), Ordinary Supplement n. to the Italian Official Journal of 4 February 28. Rilem recommendation (1994). "Specification for concrete with recycled aggregates", Mater. Struct., 27(173), Bolomey, J. (1975). "Revue Matèr Constr.", Trav. Publ. Edition C, p Corinaldesi, V. and Moriconi, G. (29). "Influence of mineral additions on the performance of 1% recycled aggregate concrete", Construction and Building Materials, 23, Casuccio, M., Torrijos, M.C., Giaccio, G. and Zerbino, R. (28). "Failure mechanism of recycled aggregate concrete", Construction and Building Materials, 22, Sani, D., Moriconi, G., Fava, G. and Corinaldesi, V. (25). "Leaching and mechanical behaviour of concrete manufactured with recycled aggregates", Waste Management, Topcu, I.B. (1997). "Physical and mechanical properties of concrete produced with waste concrete". Cem. Concr. Res., 27(12), Van Mier, J.G. (1997). Fracture Processes of Concrete, CRC Press.