Techniques for sustainable building materials production: recycling in concrete industry

Le eccellenti proprietà meccaniche e di durabilità, unitamente alla sua grande disponibilità ed il suo basso costo, fanno del calcestruzzo il materiale da costruzione più utilizzato al mondo, con un consumo globale di circa 6 miliardi di tonnellate all'anno. A fronte di tale diffusione, il prezzo a livello di emissioni ambientali risulta essere gravoso: l'industria del calcestruzzo è infatti una delle principali responsabili delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera, in particolare dovute alla produzione di cemento ed all'estrazione di inerti naturali. Inoltre i grandi consumi energetici e di acqua, e la generazione di scarti dalle attività di demolizione, rendono il calcestruzzo, nella sua forma tradizionale, un materiale non adatto al concetto di sviluppo sostenibile. Al fine di ridurre i grandi impatti ambientali associati all'industria del calcestruzzo, è possibile ricorrere a varie opzioni, tra cui la sostituzione dei leganti tradizionali (cemento Portland) con materiali innovativi oppure l'utilizzo di aggregati riciclati. Queste due soluzioni permettono di ridurre il consumo delle risorse naturali ed incrementano la vita utile di materiali altrimenti destinati a conferimento in discarica. In particolar modo, l'attuale letteratura ha evidenziato come buoni risultati possano essere ottenuti qualora aggregati riciclati provenienti da scarti demolizione (noti con la sigla C&DWs) e scorie di acciaieria da forno elettrico ad arco (EAF slag) siano utilizzati in limitati rapporti di sostituzione rispetto l'inerte naturale. Nel corso di questo lavoro di tesi si illustreranno i risultati ottenuti nel corso di due campagne sperimentali, nelle quali sono state analizzate le potenzialità relative all'utilizzo di scorie EAF e aggregati provenienti da scarti C&DWs, per la produzione di calcestruzzi strutturali. Inoltre sono stati analizzati gli effetti legati all'utilizzo di leganti non tradizionali, come le ceneri di co-combustione, sulle proprietà meccaniche e di durabilità di calcestruzzi strutturali. Sono state svolte prove meccaniche e di durabilità su calcestruzzi contenenti scorie EAF, producendo varie miscele, con rapporto di sostituzione dell'inerte crescente, utilizzando sia la frazione fina che grossa dell'aggregato riciclato. Sono state condotte prove chimiche e microstrutturali al fine di valutare la compatibilità ambientale del materiale, la sua stabilità dimensionale, l'influenza del rapporto di sostituzione sulle proprietà meccaniche ed infine per studiare il legame di aderenza fra la matrice cementizia e l'inerte, in particolare una volta che i provini sono stati soggetti a cicli ambientali. Una volta determinata l'efficacia di talune miscele, sono state realizzate per la prima volta delle travi a scala reale, armate a flessione e taglio, e ne è stato studiato il comportamento strutturale tramite prove a flessione a quattro punti. La seconda parte della tesi riguarda l'utilizzo di aggregati riciclati provenienti da scarti di demolizione (C&DWs), e l'influenza del loro utilizzo rispetto le proprietà di lavorabilità dei calcestruzzi freschi. Una ulteriore campagna sperimentale è stata realizzata al fine di valutare le proprietà reologiche di diverse miscele, utilizzando un reometro cilindrico concentrico (reometro di Couette). I parametri di indagine sono stati il rapporto di sostituzione dell'inerte, il metodo di proporzionamento dello stesso, il contenuto di additivo fluidificante ed il rapporto acqua/cemento. Per quanto riguarda le soluzioni volte alla riduzione degli impatti ambientali legate alla riduzione della quantità di leganti tradizionali nei mix design, è stata condotta una campagna sperimentale volta al confronto di alcune proprietà meccaniche e di trasporto di calcestruzzi strutturali contenenti due tipologie di ceneri volanti, sia di carbone che di co-combustione, con un rapporto di sostituzione pari al 20% in volume del dosaggio nominale di cemento È stata inoltre redatta una procedura per la valutazione comparativa degli impatti ambientali dovuti alla produzione delle scorie EAF, degli inerti naturali, e di quelli riciclati da C&DWs. Tale procedura permette anche il confronto degli impatti dei calcestruzzi prodotti con tali materiali, tramite una analisi a ciclo di vita del materiale, utilizzando un approccio dalla culla al cancello. L'analisi è stata condotta utilizzando un inventario di dati italiano, direttamente raccolto presso gli impianti di produzione delle scorie EAF, degli aggregati riciclati ed una cava di aggregati naturali