Materiali cementizi innovativi confezionati con materiale PFU e zeolite 5A: prove meccaniche a compressione e resistenza ai cicli di gelo/disgelo

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1 Materiali cementizi innovativi confezionati con materiale PFU e zeolite A: prove meccaniche a compressione e resistenza ai cicli di gelo/disgelo I.Iacobini *, P.Frontera **, F.Crea*, G.Porco*** * Dipartimento di Ingegneria Chimica e dei Materiali, Università della Calabria, Arcavacata di Rende, (CS), Italy ** Dipartimento di Meccanica e Materiali, Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria, Reggio Calabria (RC), Italy *** Dipartimento di Strutture, Università della Calabria, Arcavacata di Rende, (CS), Italy SOMMARIO Negli ultimi anni, lo smaltimento dei rifiuti in gomma derivanti dalla periodica sostituzione dei pneumatici usurati e dalla rottamazione degli autoveicoli (pneumatici fuori uso, PFU), ha suscitato crescente interesse, tanto che il relativo flusso è stato inserito tra i Flussi Prioritari di Rifiuti in ambito Comunitario. A livello nazionale, con decreto legislativo n.36/2003, è stata recepita la direttiva 1999/31/CE relativa alle discariche di rifiuti, in cui si stabilisce che a partire dal luglio 2003 i pneumatici possono essere conferiti in discarica solo triturati, mentre a partire dal luglio 2006 è scattato un divieto assoluto di conferimento, per cui occorre promuovere idonee forme di riutilizzo del materiale. L interesse in materia è giustificato dal fatto che il materiale polimerico, anche se smaltito in discarica controllata, potrebbe dar luogo ad effetti assai nocivi, come ad esempio la possibilità di incendio e di instabilità meccanica all interno della massa di rifiuti. Essendo poi la gomma un materiale recuperabile sia sotto forma di materia che di energia, non recuperarla costituirebbe un importante perdita di risorse. In questo lavoro è stata sperimentata la possibilità di utilizzo del materiale PFU nei conglomerati cementizi in abbinamento ad un materiale microporoso zeolitico (zeolite A industriale), al fine di recuperare parte della resistenza meccanica persa a causa dell utilizzo del materiale polimerico. E stato, inoltre, studiato il comportamento di tali conglomerati cementizi in condizione di alternanza termica (resistenza ai cicli di gelo/disgelo). Autore di riferimento : Fortunato Crea Ente di appartenenza: Dipartimento di Ingegneria Chimica e dei Materiali, Università della Calabria, Arcavacata di Rende, (CS) , tel., fax: f.crea@unical.it, , settore applicativo aipnd: Caratterizzazione e prove dei materiali

2 Introduzione La produzione di rifiuti in gomma derivanti principalmente dalla periodica sostituzione dei pneumatici usurati (PFU: pneumatici fuori uso) ha avuto negli ultimi anni una crescita significativa dovuta anche alle campagne di rottamazione degli autoveicoli. E necessario, pertanto, attuare opportune forme di trattamento e recupero di questo materiale. Tra le principali applicazioni vi sono il recupero energetico in forni per la produzione di cemento o nei termovalorizzatori ed il recupero di energia attraverso pirolisi, combustione o gassificazione. Con l entrata in vigore di norme restrittive circa la possibilità di incenerimento dei rifiuti, però, si pone il problema della riduzione sostanziale delle emissioni inquinanti. Attualmente, sarebbero quanto mai necessarie nuove tecnologie di riciclo e recupero della gomma, sviluppabili su scala industriale e sicure a livello ambientale. E in questo contesto che l impiego del materiale PFU nel campo dei manufatti cementizi potrebbe svilupparsi come un nuovo metodo di riciclo alternativo. Dalla letteratura scientifica in merito emergono sia le potenzialità di utilizzo, sia le limitazioni. L uso di materiali polimerici nel confezionamento di malte e di calcestruzzi conferisce allo stato indurito interessanti proprietà quali, ad esempio, bassa densità, elevata resistenza agli urti, migliori caratteristiche di isolamento acustico, ecc. [1-10]. La limitazione più stringente nell impiego di materiale derivante dai PFU nel confezionamento dei conglomerati cementizi è la riduzione di resistenza meccanica a compressione causata sia dal basso valore di resistenza meccanica a compressione del materiale polimerico, sia dalla scadente adesione tra le particelle di gomma e la matrice cementizia. Per ridurre soprattutto il decremento di resistenza del materiale cementizio in questo lavoro è stato previsto l utilizzo di un materiale microporoso zeolitico congiuntamente all aggiunta del materiale polimerico. L aggiunta del materiale zeolitico dovrebbe consentire l ottenimento di un interfaccia più resistente tra la matrice cementizia ed il materiale polimerico, conferendo una maggiore resistenza meccanica al conglomerato cementizio realizzato. Inoltre, nel presente lavoro, è stato valutato il comportamento dei conglomerati cementizi ottenuti in termini di resistenza ai cicli di gelo/disgelo. Materiali e metodi Nella realizzazione dei provini di malta e calcestruzzo sono stati utilizzati i seguenti materiali (Figura 1): CEM III/A 32,N e CEM II/A-S 42,R conformi alla UNI EN 197-1; aggregati per calcestruzzo di tipo tondeggiante (diametro massimo 16 mm) conformi alla UNI EN 12620; materiale PFU di tipo polverino con diametro massimo 1 mm, grana media con diametro massimo 2,8mm e grana grossa con diametro massimo 16 mm; zeolite A; acqua di impasto conforme alla UNI EN 1008; additivo superfluidificante per impasti cementizi conforme alla UNI Su tali materiali sono state condotte indagini di laboratorio di carattere fisico, chimico e meccanico, al fine di poter attestare la qualità degli stessi. La zeolite A è stata incorporata negli impasti come aggiunta percentuale in peso sul dosaggio di cemento, il quantitativo di polverino è stato calcolato come percentuale in volume aggiunto in sostituzione alla sabbia, mentre le quantità di grana media e di grana grossa nel caso del confezionamento dei cls, sono state calcolate come percentuale in volume aggiunto in sostituzione all aggregato grosso. Le malte cementizie sono state confezionate utilizzando diverse percentuali di zeolite (tra 0-1% in peso in aggiunta al cemento) e materiale polimerico. In particolare, il materiale polimerico polverino è stato sostituito al volume di

3 sabbia in proporzioni variabili tra 0-0%; il materiale polimerico grana media è stato sostituito al volume di sabbia in proporzioni variabili tra 0-0%; e una miscela del 40 % in peso materiale polimerico polverino e del 60% in peso grana media è stato sostituito al volume di sabbia in proporzioni variabili tra 0-0%. Micrografia del CEM III/A 32, N Micrografia CEM II/A-S 42, R Micrografia della Zeolite A Micrografia del Polverino Foto del materiale Grana fine Foto del materiale Grana Grossa Figura 1 Materiali utilizzati Nel confezionamento dei provini, è stata adottata una metodologia standard, in termini di temperatura, pressione, umidità, tempi, step, numeri di colpi per la costipazione, attrezzature e condizioni di stagionatura per la loro realizzazione e inoltre gli impasti sono stati realizzati mantenendo costante la lavorabilità dell impasto. Dopo 24 ore di stagionatura i provini sono stati tolti dalle casseforme e posti in un ambiente ad umidità controllata maggiore del 9% e ad una temperatura di 20 C. A 2, 7, 28 giorni, sono state eseguite le prove di resistenza a compressione, valutando preliminarmente il peso dei provini da sottoporre a prova. In base ai risultati ottenuti sulle malte, è stato eseguito uno studio per la determinazione del corretto mix-design delle miscele di calcestruzzo che ha previsto l esecuzione di una serie di impasti di prova. Dopo questa fase sono state realizzate 4 miscele definitive di calcestruzzo per ogni tipologia di cemento con rapporto a/c pari a 0,0 e un dosaggio di cemento pari a 440 kg/mc. Per ogni impasto di cls sono stati realizzati serie di provini di dimensioni 10cm x 10cm x 10cm. Nella tabella 1 è riportata la composizione tipica di una miscela confezionata utilizzando la zeolite A di produzione industriale e cemento CEM II/A-S 42, R come legante idraulico, mentre nella tabella 2 sono indicate le varie miscele dei cls realizzati. Le prove meccaniche di compressione sui provini di calcestruzzo sono state eseguite in conformità alla norma UNI EN La velocità di carico è stata di 0, MPa/s ed il carico al provino è stato applicato in modo continuo. E stato quindi registrato il carico massimo. Dopo il confezionamento diversi provini per ogni miscela sono stati posti nella

4 cella termostatica per essere sottoposti ai cicli di gelo e disgelo mentre i rimanenti provini sono stati conservati in acqua a 20 C come provini di riferimento. I provini sottoposti ai cicli sono stati collocati alla distanza minima di 10 cm dalle pareti della cella di prova. I cicli di gelo e disgelo sono stati preceduti da una fase di stabilizzazione termica dei provini mediante immersione in acqua a ( ± 2) C con un battente idraulico non minore di 30 mm. La durata della fase di stabilizzazione termica è stata di 1h. Componente CEM II/A-S 42,R Miscela Tipo Peso specifico (kg/l) Peso (kg/m 3 ) Volume (l/m 3 ) 3, ,9 Acqua ,0 Zeolite A 2, ,9 Aria (1%) ,0 Aggregati tot. 2,6 1608,9 607,1 Ф 10 mm 370,0 139,6 Ф 7,1 mm 220,4 83,2 Ф 4 mm 2,6 294,4 111,1 Sabbia 724,0 273,2 Rapporto a/c 0,0 Volume totale 1000 l Tabella 1- Miscela di calcestruzzo Tipo Nome Miscela Tipo di Cemento CEM III/A 32, N CEM III/A 32, N CEM III/A 32, N CEM III/A 32, N CEM II/A-S 42,R CEM II/A-S 42,R CEM II/A-S 42,R CEM II/A-S 42,R Zeolite A (%) Polverino (%) Grana media (%) Grana grossa (%) ,, ,, Tabella 2- Tipi di miscele di calcestruzzo realizzate Il ciclo di gelo e disgelo è costituito dalle fasi seguenti: fase di raffreddamento (abbassamento della temperatura dei provini in aria da + C a -20 C alla velocità costante di 4, C/h); fase di mantenimento all estremo inferiore del ciclo (mantenimento dei provini a -20 C per 2 h in aria); fase di riscaldamento e mantenimento all estremo superiore del ciclo (riscaldamento dei provini mediante immersione in acqua mantenuta nella cella alla temperatura costante di + C). Sono stati eseguiti sui diversi provini 300 cicli. I rilievi sui provini sottoposti a cicli di gelo e disgelo sono stati effettuati a seguito del loro condizionamento in acqua a 20 C per 3h dopo la fase di mantenimento a C ed avendo cura di limitare il loro essiccamento. Risultati Nella campagna di indagine compiuta sono state realizzate diverse serie di miscele di malte e calcestruzzi ottenute variando le percentuali dei vari componenti. I provini di malta realizzati sono stati sottoposti ai test per la valutazione della resistenza meccanica a compressione (Tabelle 3, 4 e ) dopo 2, 7, 28 giorni di stagionatura. In figura 2 è riportato un grafico riassuntivo dei risultati delle prove meccaniche a compressione a 28 giorni medi registrati su provini di malta confezionati variando la percentuale di zeolite e di polverino. In figura 3 è riportato un grafico riassuntivo dei valori medi di peso misurati su provini di malta confezionati con cemento CEM II/A-S 42,R ed il 10% di zeolite al variare della percentuale di polverino. I risultati sperimentali ottenuti sulle malte hanno evidenziato che una aggiunta di zeolite del 10% sul peso del cemento conferisce a tutte le miscele realizzate, una maggior compattezza, dunque un recupero di resistenza a parità di lavorabilità. In base a tale considerazione si è deciso di utilizzare negli impasti di calcestruzzo un dosaggio di zeolite pari proprio al 10% sul peso del cemento.

5 Zeolite (% in aggiunta al peso del cemento) Polverino (% in sostituzione in volume alla sabbia) 0% % 10% 1% 20% 0% 0% % 10% 1% 20% 0% 0% 32,21 29,44 26,8 20,81 16,48,24 8,18 46,09 39,06 32,22 2,04 9,19 % 34,87 32,4 28,28 23,94 21,09 6,44 8,91 47,87 41,04 34,31 29,74 7,87 10% 36,42 33,41 29,64 24,46 22,83 6,74 9,4,16 48,0 44,10 32,70 10,48 1% 33,96 27,43 2,3 18,40 17,00 3,62 64,30 8,19 47,3 43,60 31,1 4,62 CEM III/A 32,N CEM II/A-S 42,R Tabella 3 Valori di resistenza a compressione medi (MPa) dei provini di malta confezionati con polverino Zeolite (% in aggiunta al peso del cemento) Grana media (% in sostituzione in volume alla sabbia) 0% % 10% 1% 20% 0% 0% % 10% 1% 20% 0% 0% 34,84 32,20 27,29 23,93 19,37 7,78 6,1 47,98 42, 33,02 29,43 7,88 % 36,9 32,6 28,82 2,6 22,71 8,41 61,97 49,72 41,91 34,79 28,2 7,28 10% 37,22 33,06 29,81 26,23 23,0 9,00 62,74 4,0 4,4 37,82 33,78 8,08 1% 28,1 21,87 22,28 20,47 17,96 7,3 64,74 3,36 4,01 3,89 33,87 9,1 CEM III/A 32,N CEM II/A-S 42,R Tabella 4 Valori di resistenza a compressione medi (MPa) dei provini di malta confezionati con grana media Zeolite (% in aggiunta al peso del cemento) Polverino - Grana fina (% in sostituzione in volume alla sabbia) 0% % 10% 1% 20% 0% 0% % 10% 1% 20% 0% 0% 38,97 31,0 29,83 24,23 18,88 7,88 6,26 46,6 36,91 33,62 27,44 9,61 % 38,28 31,18 29,17 21,88 21,12 8,69 7,38 48,28 42, 36,67 30,76 12,68 10% 39,06 32,02 30,87 23,0 21,12 9,91 9,2 49,68 42,49 37,24 32,00 14,72 1% 27,0 21,06 17,62 14,23 16,76 6,02 2,0 39,4 36,6 36,01 31,7 9,63 CEM III/A 32,N CEM II/A-S 42,R Tabella Valori di res. a compressione medi (MPa) dei provini di malta confezionati con polverino e grana media % % 10% 0% 1% % 20% 0% 10% % polverino 1% % zeolite Figura 2 Res. a compr. medi (MPa) dei provini di malta con CEM III/A 32,N, polverino e zeolite

6 peso (gr) giorni 0 7 giorni 2 28 giorni % 10% 20% 30% 40% 0% % polverino Figura 3 Pesi medi dei provini di malta (CEM II/A-S 42,R e 10% di zeolite) al variare della percentuale di polverino In figura 4 sono riportati i valori di resistenza meccanica a compressione medi sui provini di calcestruzzo non sottoposti a cicli di gelo e di disgelo per tutte le miscele realizzate a 2, 7, 28, 90 e 120 giorni di stagionatura. R (MPa) giorni 7 giorni 28 giorni 90 giorni 120 giorni R (MPa) giorni 7 giorni 28 giorni 90 giorni 120 giorni a) Figura 4 Valori medi di res. a compr.per le miscele confezionate con: (a) CEM III/A 32,N; (b)cem II/A-S42,R I risultati ottenuti mostrano il raggiungimento di un soddisfacente livello di resistenza meccanica a compressione: anche le miscele 4 ed 8, confezionate mediante l utilizzo di un elevato quantitativo di polverino, grana media e grossa in sostituzione all aggregato tradizionale, hanno raggiunto un livello di resistenza apprezzabile. Dopo 28 giorni di stagionatura, infatti, i provini della serie 4 hanno superato il valore dei 1MPa, mentre i provini della serie 8 hanno raggiunto valori prossimi a 2MPa, nonostante il rapporto acqua/cemento fosse stato fissato al valore 0,0. Sui provini sottoposti a degrado da gelo/disgelo, effettuati il numero di cicli prescritti a livello normativo, sono state eseguite prove meccaniche di resistenza a compressione. I risultati ottenuti sono stati confrontati, per ogni miscela, con i valori corrispondenti di resistenza meccanica a compressione a 28 giorni non sottoposti ad attacco. In tabella 7 sono stati messi a confronto tali valori di resistenza e sono stati riportati le variazioni percentuali di resistenza registrati. Nella tabella 8 sono riportati i valori medi del peso dei provini misurati prima e dopo 300 cicli di gelo/disgelo. Nella medesima tabella è riportata anche la variazione di peso percentuale per ogni tipologia di miscela. b)

7 Resistenza mecc. a Resistenza mecc. a Miscela compressione compressione Variazione Percentuale a 28gg (MPa) dopo 300 cicli (MPa) di Resistenza (%) 1 29,4 24,90-1,71% 2 26,14 22,01-1,80% 3 2,18 24,77-1,63% 4 1,30 11,96-21,83% 41,4 40,9-2,08% 6 47,41 44,82 -,46% 7 32,41 31,90-1,7% 8 21,49 17,20-19,96% Tabella 7 Variazioni medie percentuali di resistenza meccanica a compressione Miscela Peso a secco dei provini sottoposti ad attacco Variazione percentuale prima dei cicli (gr) dopo i cicli (gr) di peso (%) , 2298, -2,87% , ,% ,7 2276,7-0,3% ,2-2,02% 2342, 2312,2-1,29% , 2310, -0,82% 7 223, 223-0,02% ,7% Tabella 8 Variazione percentuale media del peso dei provini sottoposti ad attacco da gelo/disgelo In figura ed in figura 6 sono riportati gli andamenti del peso rilevati durante l esecuzione dei cicli di gelo/disgelo (peso dei provini umidi). Nelle figure 7 ed 8 sono riportate le variazioni di peso in termini percentuali al variare del numero di cicli effettuati. 200 Peso del provino (gr) Inizio Ciclo Numero cicli Figura - Variazione di peso: provini confezionati con CEM III/A 32,N

8 200 Peso del provino (gr) Inizio Ciclo Numero cicli 8 Figura 6- Variazione di peso provini confezionati con CEM II/A-S 42,R 2,00% Variazione p ercentuale di p eso 1,0% 1,00% 0,0% 0,00% Inizio -0,0% Ciclo -1,00% -1,0% -2,00% Numero cicli Figura 7- Variazione percentuale di peso: provini confezionati con CEM III/A 32,N, 2,00% Variazione percentuale di peso 1,0% 1,00% 0,0% 0,00% Inizio -0,0% Ciclo -1,00% -1,0% ,00% Numero cicli Figura 8-Variazione percentuale di peso: provini confezionati con CEM II/A-S 42,R

9 Conclusioni I risultati ottenuti, sulla base delle numerose prove effettuate in laboratorio, permettono di valutare, in linea di massima, l influenza dell utilizzo della gomma proveniente da pneumatici a fine vita (PFU) nel confezionamento di malte cementizie. Considerando la miscela di malta confezionata senza aggiunta di zeolite e sostituzione di gomma come punto di riferimento per la misura della lavorabilità, peso e resistenza a compressione e flessione, dalle prove condotte, possiamo affermare che: l utilizzo di materiale polimerico PFU provoca in tutti i provini realizzati una perdita di resistenza meccanica; l utilizzo del polverino di gomma nelle miscele di malta permette una migliore omogeneizzazione dell impasto, influenzando in modo positivo la lavorabilità, rispetto all utilizzo di grana media; la zeolite, se aggiunta in quantità limitate (fino al 10% in peso rispetto al cemento), non influisce sulla lavorabilità dell impasto e conferisce una maggiore compattezza, dunque un recupero di resistenza meccanica a compressione dei provini; dall utilizzo delle diverse pezzature di gomma impiegate negli impasti si è potuto constatare che le pezzature di gomma più piccole permettono una migliore omogeneizzazione delle miscele; le miscele confezionate con il 60% di grana media e 40% di polverino hanno una lavorabilità inferiore se paragonate alle miscele in cui si è utilizzato solo polverino, ma superiore rispetto alle miscele contenenti solo grana media; dall analisi del peso dei provini di malta emerge che all aumentare della percentuale di gomma PFU si registra una sensibile diminuzione di peso direttamente proporzionale al suo dosaggio, mentre all aumentare della percentuale di zeolite non si verificano significative variazioni di peso; per quanto riguarda l utilizzo delle diverse pezzature di gomma è da sottolineare che i provini confezionati con grana fina presentano, a parità di condizioni, un peso maggiore rispetto a quelli confezionati con polverino di gomma; tuttavia, per una percentuale di gomma compresa tra 0% e 1% tale andamento non è nettamente definito, mentre per percentuali superiori al 1% si ha un sensibile aumento di peso; i risultati delle prove a compressione dimostrano che l utilizzo di pezzature più piccole riduce la perdita di resistenza; l impiego di alte percentuali di gomma (20-0%) e di zeolite (1%) comporta un decremento brusco delle resistenza meccaniche, diminuzione legata probabilmente alla scarsa lavorabilità che tali miscele presentano. Anche per i calcestruzzi i risultati della sperimentazione hanno confermato che l utilizzo di materiale PFU porta una diminuzione della resistenza meccanica dovuta alla scarsa aderenza tra l aggregato polimerico e la matrice cementizia, oltre che alla minore resistenza intrinseca del polimero stesso rispetto al tradizionale aggregato. I risultati confermano che la presenza di zeolite A migliora l adesione tra matrice cementizia e aggregato PFU, recuperando il decremento di resistenza dovuto alla presenza di materiale polimerico. Tuttavia, tutti i provini di calcestruzzo realizzati presentano a 28 giorni di stagionatura una resistenza meccanica a compressione non inferiore a 1MPa, anche per il dosaggio di materiale cementizio

10 impiegato. L analisi del comportamento dei conglomerati confezionati, in seguito agli effetti degradanti dei cicli di gelo e disgelo, ha evidenziato che: i provini realizzati senza materiale polimerico, dopo circa 200 cicli iniziano a deteriorarsi sfaldandosi e provocando perdite di materiale; l aggiunta di zeolite negli impasti, migliora la resistenza ai cicli di gelo-disgelo, ritardando il fenomeno della disgregazione di cicli (complessivi cicli); la presenza di materiale PFU fa si che i provini arrivino senza sostanziali problemi di deterioramento ai 300 cicli di gelo/disgelo previsti dalla normativa, principalmente in presenza di polverino. In sintesi è possibile affermare che tutte le miscele prodotte hanno esibito almeno un sufficiente livello di resistenza ai cicli di gelo-disgelo effettuati; nelle miscele realizzate con zeolite e polverino si è registrato una maggiore durabilità. L uso di materiale polimerico più grossolano ( grana media e grana grossa ) non comporta un miglioramento delle caratteristiche dei provini di resistenza ai cicli di gelo/disgelo. Bibilografia 1. Bignozzi MC, Saccani A, Sandrolini F, Composites: Part A 2000, 31 (2) 2. Benazzouk A, Mezreb K, Doyen G, Goullieux A, Quéneudec M. Effect of rubber aggregates on the physico-mechanical behaviour of cement rubber composites-in.uence of the alveolar texture of rubber aggregates. Cem Concr Compos 2003;2(7): Benazzouk A, Douzane O, Mezreb K, Quéneudec M. Physico-mechanical properties of aerated cement composites containing shredded rubber waste. Cem Concr Compos 2006;28(7): Benazzouk A, Douzane O, Queneudec M. Effect of weight reduction on the physicomechanical and hydraulic properties of cement rubber composites formulated with shredding operation waste. In: Dhir RK, Arrison TAMD, editors. Cement combinations for durable concrete. Newlands: Thomas Telford Publishing; 200. p Turatsinze A, Bonnet S, Granju JL. Mechanical characterisation of cementbased mortar incorporating rubber aggregates from recycled worn tyres. Build Environ 200;40(2): Turki M, Molines E, Dheilly RM, Rouis MJ, Quéneudec M. Valorization of rubber aggregate in cementitious composites: influence of the interface between the aggregates and the cement paste. In: Proceedings of the 8th international conference on eco-materials, UK: The Brunel University; Turki M, Rouis MJ, Bretagne E, Queneudec M. Evolution of mechanical properties with matrix porosity in mortar rubber aggregates mixtures. In: Proceedings of the 12th international conference of structural faults & repair, theme concrete + composites-inspection and repair. Concrete Repair, Scotland: Edinburgh; Eldin NN, Senouci AB. Measurement and prediction of the strength of rubberized concrete. Cem Concr Compos 1994;16: Toutanji HA. The use of rubber tire particles in concrete to replace mineral aggregates. Cem Concr Compos 1996;18: Al-Akhras NM, Smadi MM. Properties of tire rubber ash mortar. Cem Concr Compos 2004;26:821 6.