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INFLUENZA DELLE CENERI DA CARTIERA SULLE PRESTAZIONI DI CALCESTRUZZI AUTOCOMPATT
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Articoli di ingegneria strutturale
 INTRODUZIONE

Il calcestruzzo autocompattante è caratterizzato da elevata fluidità accompagnata da adeguata coesione dell’impasto, tali da consentirne la posa in opera in assenza di vibrazione, evitando fenomeni di segregazione durante le fasi di getto e successiva presa. Al fine di conseguire questi requisiti, di per sÚ antitetici, è necessario introdurre nella miscela un volume piuttosto elevato di materiali con finezza paragonabile a quella del cemento [Khayat e Guizani, 1997; Borsoi et al, 2006; Okamura e Ozawa, 2003], senza tuttavia eccedere nel contenuto di cemento stesso, onde evitare problemi di durabilità legati allo sviluppo del calore di idratazione o a fessurazioni per ritiro. Nel confezionamento di calcestruzzi autocompattanti risulta quindi importante l’impiego di aggiunte minerali, non necessariamente con attività pozzolanica, ma caratterizzate da un finezza pari ad almeno quella del cemento [Borsoi et al, 2006; Troli et al, 2003]. Si tratta spesso di sottoprodotti industriali che, essendo ben impiegabili anche per la produzione di cementi di miscela [EN 197-1], sono spesso difficili da reperire. 

Da Enco Journal n. 47 - 2009


Lo scopo di questo lavoro è di valutare se le ceneri provenienti dalla combustione di fanghi di cartiera possano essere utilmente reimpiegabili in qualità di aggiunte minerali per la produzione di calcestruzzi autocompattanti, ponendo l’attenzione sia alle proprietà reologiche dello stato fresco sia alle prestazioni meccaniche e al comportamento deformativo da essiccamento dello stato indurito [Collepardi et al, 2005; Bonen e Shah, 2005]. 

I fanghi di cartiera sono sottoprodotti della produzione della carta. Circa 6 kg di fango vengono prodotti per ogni tonnellata di carta. Nel 2004, la produzione italiana complessiva di fanghi di cartiera fu di circa 6•105 tonnellate [Asquini et al, 2008]. 

I fanghi di cartiera sono composti da filler minerali, sali inorganici, piccole fibre di cellulosa, acqua e composti organici. La composizione dei filler minerali dipende dal tipo di carta prodotta. I fanghi di cartiera vengono spesso inceneriti nelle cartiere stesse per ridurne il volume da smaltire in discarica e, a volte, per produrre energia per usi interni bruciando i fanghi assieme a residui di legno. Questo processo viene ottenuto mediante disidratazione a basse temperature (< 200°C), seguita da incenerimento ad elevate temperature (> 800 °C). Durante l’incenerimento, carta e componenti organiche vengono bruciati a temperature comprese nell’intervallo 350÷500°C, mentre i filler minerali ed i sali inorganici vengono trasformati nei rispettivi ossidi a temperature più elevate (> 800°C). CaO, Al2O3, MgO e SiO2 sono gli ossidi più abbondantemente presenti nei fanghi di cartiera inceneriti [Liaw et al, 1998]. I fumi di combustione trasportano le particelle leggere di cenere volante che in tal modo possono essere intercettate e raccolte per impiegarle come sottoprodotto riciclabile. Se non riciclate tali ceneri andrebbero conferite in discarica a costi elevati in quanto catalogate come rifiuto speciale (pur se non pericoloso). Il loro reimpiego avrebbe quindi una duplice valenza ambientale ed economica.

Alcuni tentativi di riutilizzo di tali ceneri sono rintracciabili in letteratura [Marcis et al, 2005; Ernstbrunner 2007; Liaw et al, 1998], in cui le ceneri di cartiera sono state miscelate con altri ingredienti per la produzione di cementi di miscela o mattoni. Infatti i principali elementi costituenti le ceneri da cartiera sono Al, Mg, Si e Ca, i cui ossidi vengono largamente impiegati nell’industria ceramica.

MATERIALI IMPIEGATI

In qualità di legante è stato impiegato un cemento portland di miscela al calcare CEM II/A-L 42.5 R secondo EN-197/1; quindi, per realizzare una miscela di riferimento sono stati impiegati i seguenti costituenti solidi: una sabbia silicea (0-4 mm), un ghiaietto di frantumazione (5-15 mm) ed un filler calcareo (L, dall’inglese ‘limestone’) con finezza Blaine pari a 0.52 m2/g.

In alternativa al filler calcareo, in questa sperimentazione sono state preparate delle miscele contenenti ceneri di combustione dei fanghi di cartiera (PMA, acronimo dall’inglese ‘Paper Mill Ash’). Tali ceneri sono state impiegate al posto del filler calcareo secondo due modalità: ceneri tal quali (PMAtq) così come prodotte in cartiera (Fig. 1), oppure dopo macinazione (PMAmac), finalizzata all’aumento della finezza Blaine, ottenendo un valore finale pari a 0.55 m2/g.

Per la cenere tal quale (PMAtq), la percentuale di materiale passante attraverso il setaccio da 0.150 mm è pari a circa l’80% (Fig. 1). Questa informazione è stata tenuta in considerazione in fase di proporzionamento delle miscela di calcestruzzo autocompattante al fine di controllare correttamente la quantità di filler effettivamente introdotto nella miscela stessa. Due immagini della cenere tal quale ottenute mediante microscopia elettronica a scansione con due diversi ingrandimenti sono riportate in Fig. 2. 




Come aggiunta minerale è stata impiegata una polvere ottenuta come scarto della lavorazione del marmo. La scelta è stata effettuata tenendo presenti alcuni suggerimenti riportati in letteratura (8), concernenti in particolare la finezza delle polveri per calcestruzzi autocompattanti. La finezza Blaine della polvere di marmo era 0,61 m2/g), mentre la sua massa volumica era pari a 2650 kg/m3; la sua composizione chimica è riportata in Tabella 1.

Alternativamente, come aggiunta minerale, è stata impiegata una polvere proveniente da processi di riciclaggio di calcestruzzo demolito. La polvere si forma durante la fase di macinazione del vecchio calcestruzzo, necessaria per separarlo dall’armatura metallica e ridurlo a pezzature idonee all’impiego come aggregato di riciclo, ed è stata ottenuta raccogliendo il materiale passante al setaccio con apertura 0,150 mm. La finezza Blaine della polvere di riciclo così ottenuta era pari a 0,73 m2/g, con una massa volumica di 2150 kg/m3; la sua composizione chimica è riportata in Tabella 1. 

Come aggregati sono state impiegate una frazione di sabbia naturale (diametro massimo 6 mm) ed una frazione di ghiaietto di frantumazione (diametro massimo 15 mm). La distribuzione granulometrica delle due frazioni è mostrata in Figura 1 e le principali proprietà fisiche sono riportate in Tabella 2.

Come additivo riduttore d’acqua è stata impiegata una soluzione acquosa al 30% di polimero a base acrilica.

Come fibre, in alcune miscele sono state impiegate fibre in acciaio uncinate dosate allo 0,6% in volume. Tale dosaggio è stato stabilito sulla base di alcune informazioni riportate in letteratura (9-11), che mostrano come un aumento del contenuto di fibre dallo 0,5% all’1,0% comporti un calcestruzzo complessivamente meno preformante.
In alternativa, sono state impiegate fibre polimeriche, sia in polivinilalcol (PVA) sia in polipropilene ad elevata tenacità (PPHT), aggiunte con dosaggi rispettivamente pari a 0,8 % e 0,6% in volume. La lunghezza ed il diametro delle fibre, il valore del rapporto d’aspetto, il modulo elastico e la resistenza a trazione delle stesse sono riportati in Tabella 3. Inoltre, la loro morfologia è osservabile in Figura 2.

PROPORZIONAMENTO DELLE MISCELE

Sono state preparate quattro diverse miscele di calcestruzzo autocompattante con lo stesso rapporto acqua/cemento pari a 0.54, lo stesso dosaggio del cemento (370 kg/m3) e degli inerti ma cambiando il tipo di aggiunta minerale (Tabella 1).

Per la miscela di riferimento (RIF) è stato impiegato filler calcareo, il cui impiego per la preparazione di calcestruzzi autocompattanti è ormai consolidato, poi è stata impiegata cenere tal quale in parziale sostituzione del filler calcareo per la miscela (L+PMAtq) ed infine cenere macinata in parziale o totale sostituzione del filler calcareo per le miscele ‘L+PMAmac’ e ‘PMAmac’ rispettivamente. Quando è stata impiegata la cenere di cartiera tal quale (PMAtq), il controllo del dosaggio introdotto è stato particolarmente difficile per la variabilità dei risultati ottenuti in fase di misurazione del suo volume apparente. È stato adottato un valore di massa volumica apparente pari a circa 1.2 g/cm3 per la cenere tal quale, mentre la massa volumica misurata per la cenere macinata è risultata pari a 2.1 g/cm3. Il dosaggio delle aggiunte minerali è stato scelto sulla base di considerazioni volumetriche per raggiungere un volume complessivo di particelle finissime nelle miscele (incluso quindi il cemento) pari a 180-190 litri per metro cubo di calcestruzzo. In questo modo il rapporto tra i volumi di acqua d’impasto e materiale finissimo è risultato compreso nell’intervallo 1.0-1.05. 

Sono stati inoltre impiegati due diversi tipi di additivi chimici: un superfluidificante a base acrilica con un dosaggio compreso tra 1.1-1.4% sul peso del cemento e, in alcuni casi, un additivo modificatore di viscosità (VMA) con un dosaggio pari allo 0.05% o 0.1% sul peso del cemento. In presenza di cenere di cartiera macinata, il dosaggio di additivo riduttore d’acqua è risultato maggiore per la maggiore richiesta d’acqua del filler caratterizzato da una finezza più elevata. Per lo stesso motivo non è stata necessaria l’aggiunta di additivo VMA nel caso di impiego di cenere macinata, infatti le miscele presentavano già un buon comportamento coesivo. 

Per quanto riguarda le frazioni di aggregato impiegate, sabbia silicea e ghiaietto di frantumazione sono stati proporzionati al 54% e 46% rispettivamente. In questo modo il rapporto tra i volumi di sabbia e quello di malta è risultato pari a 0.45 ed il volume di aggregato grosso molto basso, pari a 265 litri per metro cubo di calcestruzzo.




PRISULTATI E DISCUSSIONE

Prova allo stato fresco: slump flow


Il comportamento reologico del calcestruzzo allo stato fresco è stato valutato mediante prova dello slump flow, misurando sia il diametro medio della focaccia di calcestruzzo sia il tempo necessario al conseguimento della configurazione finale. I risultati ottenuti per le quattro miscele studiate sono riportati in Tabella 2.

Tutte le miscele hanno mostrato una adeguata deformabilità sotto l’azione del peso proprio. Infatti il valore del diametro medio della focaccia è sempre risultato superiore a 600 mm, a parte il caso in cui è stata impiegata cenere tal quale, per cui il valore misurato è stato di 580 mm. Anche in termini di viscosità (valutabile mediante la misura dei secondi intercorsi prima dell’arresto), tutte le miscele hanno mostrato un buon comportamento ad eccezione della miscela di riferimento che è sembrata troppo viscosa. Il motivo di tale eccesso di viscosità è probabilmente ascrivibile all’elevato dosaggio di VMA impiegato (0.1% in peso sul cemento). Comunque in nessun caso sono stati notati fenomeni di segregazione quali la comparsa di un’aureola di pasta cementizia attorno alla focaccia di calcestruzzo o il cosiddetto effetto sombrero.



Prove allo stato indurito: resistenza a compressione

La resistenza a compressione dei calcestruzzi autocompattanti è stata misurata su provini cubici (100x100x100 mm) a tempi di stagionatura crescenti: 1, 3, 7, 14 e 28 giorni. Tutti i provini, dopo lo scassero avvenuto a 24 ore dal getto, sono stati mantenuti in condizioni di umidità relativa pari ad almeno il 95%, ad una temperatura di 20°C. 

I risultati ottenuti sono riportati in Tabella 3 e mostrati graficamente in Fig. 3. Si può notare come la cenere di cartiera tal quale abbia leggermente penalizzato le prestazioni meccaniche del calcestruzzo (-4%). Una possibile spiegazione a cui si potrebbe imputare tale comportamento risiede nell’indebolimento della matrice cementizia conseguente alla elevata porosità della cenere tal quale. Al contrario, l’impiego di cenere di cartiera macinata caratterizzata da un elevato valore di finezza, leggermente superiore a quello del filler calcareo di riferimento, ha consentito il raggiungimento di un’ottima prestazione meccanica particolarmente alle medie e lunghe stagionature (+30% in caso di totale sostituzione del filler calcareo). Tale aumento della resistenza a compressione può essere imputabile alla maggiore finezza della cenere di cartiera macinata e quindi ad un maggiore effetto fillerizzante della stessa. BenchÚ tale cenere contenga ossidi di alluminio e silicio, sembrerebbe azzardato ipotizzare un’eventuale attività pozzolanica attivata dall’azione della macinatura con conseguente aumento della superficie specifica delle particelle di cenere





Prove allo stato indurito: misure di ritiro igrometrico

Il comportamento deformativo alle lunghe stagionature dei calcestruzzi autocompattanti sottoposti ad essiccamento è stato valutato mediante prove di ritiro igrometrico su provini prismatici (100x100x500 mm) a partire da 1 giorno dal getto fino a sei mesi. I provini dopo lo scassero sono stati esposti ad un ambiente condizionato con umidità relativa del 60% e temperatura di 20°C. I risultati ottenuti sono riportati in Fig. 4.




Rispetto alla miscela di riferimento l’impiego di cenere di cartiera in qualsiasi modalità (tal quale o macinata) ha prodotto valori di ritiro leggermente superiori. In particolare, nel caso di cenere tal quale è stato rilevato un valore del ritiro igrometrico dopo 180 giorni superiore del 12% rispetto alla miscela di riferimento. Il motivo in questo caso potrebbe essere ascrivibile al volume maggiore di materiale finissimo e/o alla maggiore porosità della miscela ‘PMAtq’ rispetto alla miscela ‘RIF’. 

Nel caso di impiego della cenere macinata, il valore del ritiro igrometrico dopo 180 giorni è risultato superiore a quello della miscela di riferimento del 16% o 30% a seconda della percentuale di sostituzione (il valore più elevato di ritiro corrisponde ad una sostituzione del 100%). In questo caso la maggiore sensibilità all’essiccamento del calcestruzzo può essere imputabile alla maggiore finezza dell’aggiunta minerale impiegata con conseguente aumento dell’acqua assorbita dalla stessa.


CONCLUSIONI

Sulla base dei risultati sperimentali ottenuti in questa sperimentazione si possono trarre le seguenti conclusioni di carattere generale:

● l’impiego di cenere di cartiera tal quale sembrerebbe promettente in termini di comportamento reologico allo stato fresco in presenza di additivo modificatore di viscosità; 

● tuttavia, quando viene impiegata cenere di cartiera tal quale le prestazioni meccaniche del calcestruzzo autocompattante ed il ritiro igrometrico risultano leggermente penalizzati rispetto ai risultati ottenuti per la miscela di riferimento;

● l’impiego di cenere di cartiera macinata è sembrato vantaggioso in termini di miglioramento del comportamento reologico allo stato fresco del calcestruzzo autocompattante, anche in assenza di additivi modificatori di viscosità;

● quando la cenere di cartiera macinata è stata impiegata al 100% ha comportato un significativo miglioramento delle prestazioni meccaniche del calcestruzzo (+30%) principalmente per un migliore effetto fillerizzante rispetto al filler calcareo;

● d’altra parte, quando è stata impiegata cenere di cartiera macinata in totale sostituzione del filler calcareo è stato rilevato un incremento significativo del ritiro igrometrico dopo sei mesi, imputabile alla maggior finezza dell’aggiunta minerale impiegata.


RIFERIMENTI

Asquini, L., Furlani, E., Bruckner, S., Maschio, S. (2008). “Production and characterization of sintered ceramics from paper mill sludge and glass cullet.”, Chemosphere, 71, 83–89.

Bonen, D., and Shah, S.P. (2005). “Fresh and hardened properties of self-consolidating concrete”, Progress in Structural Engineering and Materials, 7(1), 14-26.

Borsoi, A., Collepardi, M., Collepardi, S., Croce, E.N., Passuelo, A. (2006) “Influence of Viscosity Modifying Admixture on the Composition of SCC” Proceedings of Eight CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete, Supplementary Papers, 2006, 253-261.

Collepardi, M., Borsoi, A., Collepardi, S., Troli, R. (2005). “Strength, Shrinkage and Creep of SCC and Flowing Concrete” Proceedings of Fourth International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete, Ed. By S.P. Shah, Chicago, MI, USA, vol. 2, 911-919.

EN 197-1. “Cement – Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements.” CEN, 2000.

Ernstbrunner, L. (1997). “Rejects from paper manufacture utilized in the cement works”, Papier 51 (6), 284–286.

Khayat, K.H., Guizani, Z. (1997). “Use of viscosity-modifying admixture to enhance stability of fluid concrete”, ACI Materials Journal, 94(4), 332-340.

Liaw, C.T., Chang, H.L., Hsu, W.C., Huang, C.R. (1998). “A novel method to reuse paper sludge and cogeneration ashes from paper mill.”, J. Hazard. Mater. 58, 93–103.

Marcis, C., Minichelli, D., Bruckner, S., Bachiorrini, A., Maschio, S. (2005). “Production of monolithic ceramics from incinerated municipal sewage sludge, paper mill sludge and steelworks slag”, Ind. Ceram. 25 (2), 89–95.

Okamura, H., and Ozawa, K. (2003). “Mix design for Self-Compacting Concrete”, Concrete Library of JSCE, Rejkjavik, Iceland, 107-120.

Troli, R., Ogoumah Olagot, J.J., Monosi, S., Collepardi, M. (2003) “Low Heat Development in Self-Compacting Concrete for Massive Structure”, Proceedings of Seventh CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete. ACI SP 217-10, 103-112.

 
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