& Cls strutturale con

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1 cemento cemento & calcestruzzo & Cls strutturale con aggregati riciclati F. La Marca*, C. Marcoccio**, P. Zambito*** Risultati di una campagna di prove sul possibile impiego di varie tipologie di aggregati riciclati per la produzione di calcestruzzi strutturali * Prof. Ing., Università degli studi di Roma La Sapienza, Facoltà di Ingegneria, Dip.Ingegneria Chimica Materiali Ambiente ** Ing., Libero Professionista *** Geol., Direttore del Laboratorio Prove Cavetest srl - Carpenedolo (Bs) Introduzione Le società occidentali hanno sempre più incentivato, nel corso del loro sviluppo, l utilizzo delle risorse naturali per la produzione di una notevole quantità di beni e prodotti, spesso con durata di vita limitata nel tempo. Ciò ha comportato un prelievo di risorse naturali superiore alla capacità di rinnovamento ed una produzione di rifiuti maggiore della capacità di assorbimento degli stessi da parte dell ambiente. Da analisi effettuate è risultato che i rifiuti da costruzione e demolizione rappresentano la maggior porzione del totale dei rifiuti solidi prodotti nel mondo e molti di questi vengono ancora oggi smaltiti nelle discariche (RILEM TC 37-DRC). La scarsa quantità di materie prime e le grandi quantità di rifiuti prodotti sono aspetti che riguardano un po tutti i Pae-si. Ciò ha promosso la ricerca di metodi e possibilità di riutilizzo e riciclaggio dai rifiuti, facendo diminuire il quantitativo destinato alle discariche. L utilizzo di materiale riciclato trova però numerose barriere e impedimenti dovuti alla scarsa fiducia nei materiali riciclati, alla carenza di leggi, alla inconsapevolezza che le materie prime prima o poi finiscono, alla mancanza di rispetto per l ambiente, ma soprattutto alla mancanza di norme e standard per il riutilizzo di questi materiali verso l impiego nel calcestruzzo. Negli ultimi anni si è verificato, invece, un crescente interesse da parte di Università o laboratori indipendenti e di imprese oculate, ad eseguire ricerche su questi materiali per impiegarli prevalentemente come sottofondi stradali, riempimenti drenanti o calcestruzzo di tipo non strutturale. A questo proposito fondamentale è la norma italiana UNI :2005, che recepisce la UNI EN 12620:2002+A1:2008 per gli aggregati di riciclo. Per questo motivo in Italia esistono diverse sperimentazioni a livello universitario e di laboratorio che evidenziano la necessità di maggiori approfondimenti e verifiche in materia di calcestruzzo riciclato per usi strutturali. Scopo del presente studio è quello di contribuire in modo fattivo alla valutazione dell impiego di varie tipologie di aggregati riciclati, provenienti da attività di C&D, demolizione di solo calcestruzzo e da processi di soil washing, dosati in percentuali diverse e con l utilizzo di un cemento comunemente impiegato dai produttori di calcestruzzo preconfezionato. Input dei dati L attività di studio del presente lavoro è stata articolata in varie fasi, attraverso indagini sia teoriche sia sperimentali in un periodo di tempo abbastanza ampio: da settembre 2010 ad aprile quarry & construction 125

2 L arco temporale ampio ha permesso di confezionare le stesse miscele in periodi diversi, dove la variabilità dei componenti gli aggregati riciclati si può dimostrare molto ampia; sappiamo infatti che l aggregato riciclato viene prodotto tramite un processo non selettivo della materia prima in ingresso (nei centri di recupero il rifiuto non arriva selezionato e in questi centri non esistono cumuli di accantonamento in funzione della composizione del rifiuto stesso). La prima campagna di prove è stata eseguita a Settembre 2010, la seconda nel mese di Dicembre 2010 e la terza nel mese di Marzo Nella prima fase di studio ci si è dedicati allo studio delle caratteristiche fisico-chimiche-meccaniche degli aggregati da impiegare nel confezionamento della miscela cementizia. Successivamente tramite analisi teorica si è voluta verificare la possibilità di confezionare un calcestruzzo Rck 25 d25 S4 X0 cem 32,5R mantenendo fisso il rapporto a/c e variando la percentuale di impiego di aggregati naturali e aggregati riciclati. Lo scopo di tale lavoro è quello di aumentare sempre più la percentuale di aggregati riciclati per confezionare nuovo calcestruzzo, anche non rispettando i limiti normativi. Al fine di ottenere più informazioni possibili, si è cercato di trattare una varietà di aggregati riciclati la più ampia possibile, comprendendo quindi gli aggregati da riciclo provenienti da demolizione da solo calcestruzzo, riciclo da C&D e riciclo da Soil Washing. Figura 1 Analisi composizionale dell aggregato riciclato da C&D (UNI EN ) Figura 2 Fuso granulometrico della miscela di riferimento Caratteristiche degli aggregati Aggregato naturale: Sabbia, ghiaino e ghiaia naturale sono stati forniti dalla Inerti Belvedere srl di Montichiari (BS); i materiali sono certificati secondo la norma UNI EN con il sistema di attestazione 2+. La petrografia dei materiali evidenzia una componente prevalente di minerali carbonatici costituenti calcari con piccole percentuali di materiale magmatico (graniti) da depositi fluvio glaciali della fascia pedemontana delle PreAlpi Bresciane. Aggregato riciclato da C&D: è stato impiegato il solo aggregato grosso (d>4 mm), come da disposizione normativa e legislativa. Il materiale è stato fornito dalla RIME1 srl di Roma, che si occupa di attività di recupero e riciclaggio di materiali provenienti dall attività di C&D. I costituenti principali dei materiali prodotti sono riassunti in Figura 1 sottostante, espressi come composizione percentuale media dei tre campionamenti. Aggregato da solo calcestruzzo demolito: aggregato proveniente dalla demolizione di edifici in calcestruzzo o calcestruzzo prefabbricato prodotto dalla Stroppiana Spa, azienda con sede ad Alba (Cn). Aggregato da Soil Washing: aggregati derivanti da un trattamento chimico-fisico finalizzato all allontanamento del contaminante dal terreno, al recupero e riutilizzo di sedimenti e alla riduzione al minimo del materiale per cui non esista altra possibilità che lo smaltimento in discarica. L azienda che utilizza questa metodologia per il recupero di siti inquinati e relativa bonifica è la Teseco di Pisa, che ha fornito tre pezzature di inerti con i quali realizzare alcune miscele cementizie. Composizione dei Mix Design Gli ingredienti per confezionare un calcestruzzo, cioè acqua, cemento, sabbia e ghiaia, sono facilmente e largamente disponibili e chiunque è in grado di produrre un calcestruzzo anche se non è dotato di preparazione tecnologica. La differenza tra un calcestruzzo mediocre e uno di alta qualità non sta tanto negli ingredienti, ma piuttosto nel loro proporzionamento. Si è proceduto quindi nello studio di diversi fusi granulometrici che rientrassero all interno di un fuso composto dalle curve di Fuller e di Bolomey, definendo in primis il di riferimento composto integralmente da aggregati naturali, cemento, acqua e additivo superfluidificante. (Fig.2) 126 quarry & construction

3 cemento & calcestruzzo Miscela Caratteristiche Successivamente sono stati progettati i mix design delle miscele con l utilizzo di aggregati riciclati sostituendo proporzionalmente l aggregato grosso naturale (sia ghiaia 15/25 sia ghiaino 5/15) con le relative pezzature degli aggregati riciclati. Solo in un caso (Miscela 2) è stato realizzato un Mix Design con l utilizzazione totale di materiale proveniente dal processo di Soil Washing. Di seguito l elenco delle miscele confezionate (Tab. 1). Confezionamento del calcestruzzo Tutte le prove di caratterizzazione dei materiali ai fini del confezionamento del calcestruzzo sperimentale sono state realizzate presso il laboratorio prove sui materiali da costruzione Cavetest srl di Carpenedolo (BS). Le miscele sono state confezionate nell arco della stessa giornata in locali climatizzati, per minimizzare gli effetti legati alla variabilità della temperatura e dell umidità. Gli aggregati, naturali e riciclati, sono stati utilizzati negli impasti in condizione di s.s.a.(superficie satura asciutta). Sono state preparate diverse miscele di aggregati (naturali e riciclati), cemento, acqua e additivi, dove le variabili sono state solo le percentuali di aggregati. In qualche caso è stato necessario, al fine di rispettare la regola di Lyse, variare il contenuto d acqua e quindi del cemento poiché l aggregato era frantumato mantenendo comunque fisso il rapporto acqua cemento. La composizione della miscela di un metro cubo rispetta i seguenti dati di input: % aggregato Naturale Miscela 1 Cls di riferimento Miscela 2 Aggregato da Soil washing Miscela 3 Aggregato da Soil washing Miscela 4 Aggregato da calcestruzzo demolito Miscela 5 Aggregato da calcestruzzo demolito Miscela 6 Aggregato da C&D 95 5 Miscela 7 Aggregato da C&D Miscela 8 Aggregato da C&D Tabella 1 Proporzione di utilizzo degli aggregati nei mix design % aggregato Riciclato Aggregati: 1890 kg Cemento : 300 kg Cem II B-LL 32,5R. Il tipo di cemento utilizzato nella miscela è un cemento Portland al calcare con un basso contenuto di clinker (65-79%). Si è scelto volutamente un cemento con caratteristiche di resistenza basse, al fine di valutare il corretto funzionamento meccanico della miscela cementizia. Acqua: 160 lt Additivo superfluidificante: dosato al 1% rispetto al quantitativo di cemento Rapporto acqua/cemento: 0.53 Il materiale è stato miscelato in un impastatrice da laboratorio in modo da amalgamare e omogeneizzare tutti i componenti della miscela. L impasto cementizio così ottenuto è stato sottoposto alle seguenti prove: slump test per misurare la lavorabilità, secondo la norma UNI EN :2009 massa volumica del calcestruzzo fresco, secondo la norma UNI EN :2009 rapporto a/c, secondo la norma CEN CR Figura 3 Miscela con il 50% di acqua d impasto Gli impasti sono stati eseguiti in laboratorio in condizioni di temperatura costante (20 C) rispettando i tempi di miscelazione e con aggiunta di additivo dopo la prima fase di idratazione del cemento. Sono stati confezionati 8 provini cubici con spigoli di 150 mm per ogni miscela, per un totale di 64 provini, dopo 24 h sono stati scasserati e messi in una vasca termoregolata (20 C) e umidità del 100% per la stagionatura e maturazione. La misura della resistenza a compressione è stata eseguita con cadenza a 3, 7, 21 e 28 giorni. I provini sono stati confezionati all interno di casseri in bachelite indeformabili, in tre strati successivi e costipati tramite vibratore ad ago fino al rifiuto, cioè fino a raggiungere il γmax, identificati tramite un codice numerico scritto in un etichetta in plastica e affondata all interno del cassero. Figura 4 Miscela a impasto completato Figura 5 Riempimento dei casseri Figura 6 Costipamento a rifiuto tramite vibratore ad ago quarry & construction 127

4 Valori di Slump Test ottenuti nelle tre serie di campagne prove Settembre 2010 Dicembre 2010 Marzo 2010 Miscela Miscela Miscela Miscela Miscela Miscela Miscela Miscela Tabella 2 Valori di slump test ottenuti nelle tre serie di campagne prove Figura 7 Grafico di riepilogo dei valori di slump Prove di Slump test (UNI EN :2009) Le prove di slump sono state eseguite immediatamente dopo la fine della miscelazione e vengono riassunte nella tabella sottostante (Tab. 2) con il relativo grafico (Fig. 7). Dalla tabella e dal grafico si può notare come la classe di lavorabilità del calcestruzzo definita nel progetto (classe di consistenza S4) è stata sempre ottenuta; si precisa comunque che non è stato necessario effettuare aggiunte di acqua durante gli impasti. Prove di determinazione della massa volumica del calcestruzzo fresco (UNI EN :2009) La massa volumica del calcestruzzo fresco è risultata nella maggioranza delle miscele leggermente maggiore rispetto a quella di progetto (Figura 8). Ciò è dovuta alla compattazione della miscela tramite vibrazione ad ago, mentre nelle miscele 7 e 8, cioè le miscele con l utilizzo di aggregati riciclati da C&D, il valore della massa volumica è stato leggermente più basso a causa della minore massa volumica degli inerti presenti nella miscela. Resistenza a compressione (UNI EN :2009) I provini, dopo la maturazione in vasca di stagionatura, sono stati sottoposti a prova di resistenza meccanica per compressione, eseguite con una macchina standard (pressa da 3000 kn tarata da un centro SIT) (Figura 9). Tutte le rotture sono state conformi e non hanno mostrato anomalie, fessurazioni da trazione o altro, segno di una buona miscelazione dei componenti e del buon proporzionamento degli aggregati nell impasto. Figura 9 Macchina per la rottura a compressione dei provini cubici e particolare di un provino con rottura a 3 gg. Figura 8 - Massa volumica cls fresco relativa alle miscele 128 quarry & construction

5 cemento & calcestruzzo Figura 10 e 11 Riepilogo grafico delle resistenze a compressione a 3, 7, 14, 28 gg e istogramma delle resistenze a soli 28 gg. Analisi dei risultati Come già specificato gli impasti sono stati ripetuti per tre volte. Questo ha comportato una mole di dati non indifferente, considerando che per ognuna delle otto miscele sono stati confezionati per 3 volte 8 provini ciascuna. In tutto sono state quindi effettuate prove a compressione per un totale di 192 risultati utili. I dati di rottura a compressione riportati in Fig. 10 e Fig. 11 sono la media delle tre serie di ogni miscela. Considerando unicamente i valori di resistenza a compressione a 28 gg, la Tabella 3 evidenzia la deviazione standard di ogni miscela. Analizzando i dati riepilogati in Tabella 3 è possibile notare come quasi tutte le miscele hanno raggiunto la resistenza di progetto (25 MPa), tranne la miscela 8 che presenta comunque una componente di aggregato riciclato da C&D pari al 30% e con una deviazione standard di soli 0,60 MPa, segno di una costanza del dato. I valori riscontrati dalla miscela 2, progettata con il solo utilizzo di aggregati provenienti da impianti con trattamenti di Soil Washing, risultano soddisfacenti anche se presentano il valore di deviazione standard più elevato se confrontato anche con la Miscela 1 (miscela di riferimento) che presenta un valore di deviazione di soli 0,06 MPa. Conclusioni Attraverso questo studio è stato possibile dimostrare come gli aggregati riciclati possono essere equiparati e quindi sostituire Denominazione della miscela Resistenza a compressione in MPa Dev. Standard in MPa Miscela 1 (agg. Naturale 100%) 29,2 0,06 Miscela 2 (agg. Soil Was. 100%) 27,2 1,48 Miscela 3 (agg. Soil Was. al 20%) 28,6 0,10 Miscela 4 (agg. da cls al 10%) 29,0 0,60 Miscela 5 (agg. da cls al 30%) 28,0 0,10 Miscela 6 (agg. da C&D al 5%) 28,4 1,83 Miscela 7 (agg. da C&D al 15%) 25,9 0,96 Miscela 8 (agg. da C&D al 70%) 24,2 0,60 Tabella 3: Riepilogo delle resistenze medie a 28 gg e della deviazione standard delle tre serie a tutti gli effetti (per gli impieghi in cui si dimostrano adeguati), gli aggregati naturali. Si auspica perciò un impulso nell attività di riciclaggio dei materiali da demolizione soprattutto nel campo della produzione di calcestruzzo e ci si attende una maggiore tendenza alla collocazione delle macerie da demolizione negli impianti di riciclaggio anziché in discarica. Alla luce dei risultati sperimentali ottenuti in questo caso di studio, si auspica un impiego degli aggregati da demolizione di edifici anche per la produzione di calcestruzzi strutturali. Infatti i risultati hanno dimostrato come tutte le miscele progettate e confezionate abbiano raggiunto dopo 28 giorni il valore di Rck25, ovvero la resistenza minima di progetto prefissata; si potrebbe avere un maggior conforto nell utilizzo di aggregati riciclati impiegando un cemento 42,5R, garantendo certamente risultati più ottimali e con deviazioni standard ancora più basse. Dai risultati conseguiti, si evince che le miscele confezionate usando diverse percentuali di aggregati riciclati, se opportunamente progettate e realizzate, possono raggiungere resistenze a compressione paragonabili a quelle dei calcestruzzi utilizzati nell edilizia corrente. Nelle prove sperimentali effettuate, le prestazioni migliori si sono ottenute per la miscela 4, quella cioè composta da aggregato riciclato di calcestruzzo con un dosaggio del 10%. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che l aggregato da riciclo di calcestruzzo è totalmente ricoperto da cemento che è rimasto attaccato all inerte naturale e che, se in modeste quantità e non totalmente idratato nella miscela di origine, può reagire con l acqua di impasto e incrementare le resistenze finali. Ai fini dello studio delle caratteristiche tecniche per il riutilizzo di aggregati riciclati nel calcestruzzo strutturale, risulta però evidente e opportuno effettuare, più che una classificazione dell aggregato riciclato basata sull origine dello stesso (ovvero da demolizione di edi- quarry & construction 129

6 fici o da demolizione di solo calcestruzzo) una classificazione basata sulle proprietà fisiche dell aggregato (in particolare massa volumica ed assorbimento d acqua), che vanno effettivamente ad influenzare il comportamento meccanico del relativo calcestruzzo. Questo concetto è stato introdotto dalla marcatura CE e dalle relative norme armonizzate, in modo tale che i prodotti immessi sul mercato siano valutati per le proprie caratteristiche prestazionali e non in base alla loro origine. Sebbene la marcatura CE costituisca un primo importante elemento per allontanare gli aggregati riciclati dall idea di rifiuto, è possibile affermare che tale obbiettivo non sia ancora stato raggiunto. La causa di tale ritardato successo va ricercata nei numerosi ostacoli che il settore ha dovuto superare e di altrettanti che deve ancora affrontare. La maggior parte di essi possono essere riassunti in: impedimenti di carattere burocratico che non permettono l attuazione di leggi fondamentali per lo sviluppo del settore; Bibliografia M.Collepardi, Il nuovo calcestruzzo. Edizioni Tintoretto. Hansen, T.C., Recycled Aggregates and Recycled Aggregate Concrete. Second state of the art report. Materials and Structures. RILEM TC 37-DRC. mancanza di adeguati strumenti tecnici aggiornati; mancanza di dati certi sulla produzione di rifiuti inerti; pregiudizi verso i materiali riciclati, che vengono additati come rifiuti. Dopo i recenti episodi accaduti in Campania, diventa sempre più evidente che occorre diminuire il quantitativo di rifiuti da conferire in discarica, usufruendo di impianti di riciclaggio e riutilizzando materiale di scarto. Infatti dall analisi quantitativa effettuata in seguito si è potuto dimostrare come sostituendo il 15% di aggregati naturali con quelli riciclati, si otterrebbe un risparmio economico non indifferente, oltre che una riduzione di materiale da smaltire in discarica. Dati provenienti dal CRE- SME, attestano che la produzione annua totale di calcestruzzo in Italia risulta pari a 70 milioni di metri cubi. Sapendo che in un metro cubo di calcestruzzo vengono impiegati circa 1800 kg di aggregato, è possibile calcolare il quantitativo di aggregati naturali necessari in un anno per produrre calcestruzzo in Italia. Infatti moltiplicando i 70 milioni di metri cubi prodotti per 1,8 tonnellate si ottengono 140 milioni di tonnellate di aggregati. Supponendo di sostituire il 15% di aggregati naturali con quelli riciclati, rimanendo così all interno dei limiti normativi e assicurandosi la stabilità e sicurezza delle strutture, si potrebbero salvaguardare ben 21 milioni di tonnellate di aggregati naturali. A questo ne consegue un risparmio in termini di volumetrie di discarica e un risparmio di materie prime, oltre che un guadagno per gli impianti di riciclaggio di inerti. Questo valore corrisponde solo al quantitativo di aggregati utilizzati per calcestruzzo, al quale occorre aggiungere il risparmio di materie prime impiegate per le applicazioni stradali, ferroviarie e aeroportuali e per realizzazioni di recuperi ambientali, riempimenti e colmate. E perciò chiaro che il risparmio aumenterà, sia in termini economici che ambientali, solo sostituendo aggregati riciclati con quelli naturali. n CRESME, La filiera del cemento armato, Rapporto CRESME. G.Bressi, E.Pavesi, Il settore del riciclaggio dei rifiuti inerti. Rapporto ANPAR 2010 sul settore del riciclaggio dei rifiuti inerti 130 quarry & construction