Caratterizzazione di scorie d’acciaieria per il recupero come aggregato riciclato nel calcestruzzo

Prof. Sabrina Sorlini

Università degli Studi di Brescia

Seminari Tecnici del Sabato

Brescia, 14 Maggio 2016

Il recupero di rifiuti speciali nel settore delle costruzioni:

aspetti normativi, tecnici e operativi

STRUTTURA DELLA SPERIMENTAZIONE

OBIETTIVO

Valutare la fattibilità del recupero della scoria d’acciaieria da EAF come aggregato all’interno di calcestruzzi

STRUTTURA

La sperimentazione si compone di due parti:

PARTE I – Determinazione delle caratteristiche prestazionali delle scorie d’acciaieria

• Valutazione della composizione chimica e della tendenza al rilascio di sostanze inquinanti (test di lisciviazione)

• Valutazione dei requisiti geometrici, fisici e chimici previsti dalla normativa di settore

PARTE II – Determinazione delle caratteristiche prestazionali del calcestruzzo confezionato con scorie di acciaieria

• Valutazione della lavorabilità e del rapporto acqua/cemento

• Valutazione delle caratteristiche prestazionali di provini di calcestruzzo realizzati sostituendo progressivamente le diverse frazioni granulometriche di aggregato naturale con scoria d’acciaieria

• Combinazione delle diverse frazioni granulometriche per definire il grado ottimale di sostituzione dell’aggregato naturale

2

Normative riguardanti la gestione dei rifiuti:

• D. Lgs. 152/2006 e s.m.i.

• D. M. 161/2002 per il recupero in procedura semplificata dei rifiuti pericolosi

• D. M. 186/2006 per il recupero in procedura semplificata dei rifiuti non pericolosi

Normative riguardanti gli aggregati per calcestruzzo:

• UNI EN 12620:2008

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NORMATIVE DI RIFERIMENTO

UNI 8520-1 “Designazione e criteri di conformità”

UNI 8520-2 “Requisiti” Requisiti geometrici

Requisiti fisici

Requisiti chimici

PROVENIENZA: Acciaieria situata in provincia di BS

TIPOLOGIA: Scoria nera di prima fusione derivante da forno ad arco elettrico

4

Sigla Descrizione Trattamento Granulometria Periodo di

campionamento

SM1 Scoria matura Vagliatura 0/63 mm Aprile 2010

SF Scoria fresca Vagliatura 0/30 mm Dicembre 2010

SM2 Scoria matura Frantumazione e

vagliatura 0/30 mm Dicembre 2010

SL 0/4 Sabbia lavata - 0/4 mm -

SFR 0/4 Sabbia frantumata - 0/4 mm -

GH 2/4 Ghiaietto - 2/4 mm -

GH 0/16 Ghiaietto - 0/16 mm -

GH 11/22 Ghiaietto - 11/22 mm -

FRA 0/80 Materiale frantumato - 0/80 mm -

STA 0/20 Materiale stabilizzato - 0/20 mm -

MATERIALI ANALIZZATI

TIPO DI RIFIUTO

CER 100201: rifiuti del trattamento delle scorie CER 100202: scorie non trattate

CER 100903: scorie di fusione

5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,01 0,1 1 10 100

% P

ass

an

te

Diametro setacci [mm]

Curve granulometriche

SF SM1 SM2 Curva di Bolomey

ANALISI GRANULOMETRICA

• Curva di Bolomey - Massimizza la lavorabilità e la densità del calcestruzzo

- Mantiene un volume dei vuoti contenuto

• SF e SM2 - Andamento simile

- Passanti elevati al di sopra degli 8 mm (scarsità di frazione grossolana)

- Passanti inferiori al riferimento al di sotto degli 8 mm (scarsità di

frazione fine)

• SM1 Passanti costantemente inferiori rispetto alla curva di Bolomey

6

Proprietà Utilizzo in

Italia SF SM1 SM2 Limiti

Coefficiente di appiattimento [%] NR 2 1 2 -

Indice di forma [%] NR 1 1 1 -

Contenuto in fini [%] SI 0,7 0,5 2 ≤ 3% per all-in

aggregate

Equivalente in sabbia [%] SI 92 89 66 SE ≥ 70 %

Valore di blu di metilene [g/kg] SI 0,1 0,1 0,5 MB ≤ 1,2 g/kg

REQUISITI GEOMETRICI

• SI: Requisito da valutare obbligatoriamente per l’utilizzo dell’aggregato in Italia

• NR (Nessun Requisito): Requisito da valutare obbligatoriamente soltanto per alcune destinazioni d’uso

specifiche del calcestruzzo

• NPD (Nessuna Prestazione Determinata): Requisito previsto dalla normativa UNI EN 12620, ma non

contemplato dalla normativa nazionale vigente

7

Proprietà Utilizzo in

Italia SF SM1 SM2 Limiti

Massa volumica dei granuli [kg/m3] SI 3.750 3.830 3.810 > 2.300 kg/m3

Assorbimento d'acqua [%] SI 1,3 0,9 2,4 ≤ 1% per cls XF altrimenti

dichiarare gelo/disgelo

Resistenza alla frammentazione

(prova Los Angeles) [%] NR 22 23 18

LA < 30 per calcestruzzi

ad alta resistenza Rck > C50/60

Resistenza all'usura (micro Deval) [%] NR 7 8 8 -

Resistenza al solfato di magnesio [%] SI 22 - 23 MS < 25 per calcestruzzi di

classe XF

Resistenza ai cicli gelo-disgelo [%] SI 1,1 1 1,2 F < 2 per calcestruzzi

di classe XF

Reattività alcali-silice [%] SI 0,05 - 0,03

≤ 0,1% dopo 14gg, o

≤ 0,05% dopo 3 mesi o

≤ 0,1% dopo 6 mesi

Ritiro per essiccamento [%] NPD 0,023 - 0,030 ≤ 0,075%

REQUISITI FISICI

0

1

2

3

4

5

6

7

SF SM1 SM2 SL0/4 SFR0/4 GH2/14 GH0/16 GH11/22 FRA0/80

Ass

orb

imen

to d

'acq

ua

[%]

Limite UNI 8520-2 per calcestruzzi XF

8

ASSORBIMENTO D’ACQUA

• SF e SM2 superano il limite previsto dell’1% Dichiarazione della resistenza al gelo-disgelo

• SM1 assorbimento d’acqua prossimo al limite

9

COMPOSIZIONE CHIMICA

Parametro SF [mg/kg] SM2 [mg/kg]

Solfati 128 70

Bario 1.528 1.322

Rame 365 248

Zinco 255 215

Vanadio 461 487

Cromo totale 4.393 6.346

Piombo 53,3 47,2

Ferro 277.000 276.000

Calcio 132.039 154.235

Silicio 1.568 3.253

Alluminio 36.475 33.133

Magnesio 42.671 38.239

Manganese 30.750 30.800

Sodio 1.841 1.593

Titanio 2.849 2.573

Ulteriori elementi ricercati:

- Nitrati

- Fluoruri

- Cloruri

- Cianuri

- Berillio

- Cobalto

- Nichel

- Arsenico

- Cadmio

- Selenio

- Mercurio

- Tallio

- Potassio

- Stagno

- Argento

- Antimonio

- Tellurio

- Litio

- Amianto

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

SF SM1 SM2

Oss

idi

D.M

. 1

86

/200

6

[%p

p]

Al2O3

MgO

SiO2

CaO

FeO

Limite D.M. 186/2006

• SF e SM2 non rispettano il limite minimo dell’80% in peso imposto dal D.M. 186/2006 per il

recupero della scoria d’acciaieria

- Elementi presenti in quantità elevate (analisi chimica)

- Elevato risultato ottenuto per SM1 (90%)

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CONTENUTO DI OSSIDI

Possibile errore nella metodica di

valutazione!

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Proprietà Utilizzo in Italia SF SM1 SM2 Limiti

Contenuto di cloruri solubili in acqua [%] SI < 0,01 - < 0,01 < 0,03%

Contenuto di cloruri solubili in acido [%] Per aggregati riciclati 0,04 - 0,04 -

Contenuto di solfati solubili in acqua [%] Per aggregati riciclati < 0,01 - < 0,01 -

Contenuto di solfati solubili in acido [%] SI < 0,2 0,18 < 0,2 ≤ 0,2 %

Contenuto di zolfo totale [%] SI < 0,2 0,06 < 0,2 ≤ 1 %

Contenuto di carbonato [%] NR 0,1 - 4,3 -

Solubilità dei componenti in acqua [%] - < 0,2 - < 0,2 -

Perdita di massa dopo ignizione [%] - 0,1 - 4,3 -

Contenuto di calce libera [%] - < 0,1 - < 0,1 -

Disintegrazione del silicato dicalcico Per scoria d'altoforno Stabile - Stabile -

Disintegrazione del ferro Per scoria d'altoforno Stabile - Stabile -

Espansione delle scorie [%] - 0,24 - 0,02 ASTM D 2940-98 = 0,5%

Influenza sul tempo di inizio presa del

cemento [minuti] SI 195 (+ 14%) - 180 (+ 6% ) -

Sostanza umica SI Incolore - Incolore Incolore

Acido fulvico SI Incolore - Incolore Incolore

Contenuto di contaminanti leggeri [%] SI 0,1 - < 0,1 ≤ 0,1 %

Contaminanti organici (metodo malta) SI ∆time = 5 min

∆strength = 70 % -

∆time = 0 min

∆strength = 93%

stiffening time < 120 min

compressive strength > 80%

REQUISITI CHIMICI

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,040

0,045

SF SM2 SL0/4 SFR0/4 GH2/14 GH0/16 GH11/22

Clo

ruri

so

lub

ili in

acq

ua

e i

n a

cid

o

[%]

Cloruri solubili in acqua Cloruri solubili in acido

Limite consigliato UNI 8520-2 per cloruri solubili in acqua

< 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01

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CLORURI SOLUBILI IN ACQUA E IN ACIDO

Verifica del contenuto di cloruri idrosolubili per calcestruzzi armati secondo UNI EN 206-1:

• Limite imposto: 0,2÷0,4% calcolato rispetto al quantitativo di cemento dosato

• Hp: 1 m3 di calcestruzzo

• % di cloruri idrosolubili riferita al cemento dosato pari allo 0,067% ampiamente entro il limite

300 kg di cemento + 2.000 kg di scoria avente contenuto di cloruri

idrosolubili pari allo 0,01%

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 1 2 3 4 5 6 7

Esp

an

sion

e [%

]

Tempo [giorni]

media SF media SM1 media SM2

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Limite ASTM D 2940-98

ESPANSIONE DELLA SCORIA

I fenomeni espansivi sono principalmente causati dalla reazione di idratazione della calce libera, che per

entrambi i provini testati è risultata inferiore al limite di rilevabilità dello 0,1%

• La normativa europea non prevede un limite di espansione normativa ASTM D 2940-98

• SF ha fatto registare un’espansione maggiore rispetto a SM1

• SM2 ha fatto registrare un comportamento anomalo di ritiro probabile compattazione

160 155

165 165

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0

10

20

30

40

50

60

70

SFtq SFinc SM2tq SM2inc

Tem

po

di in

izio p

resa

[min

uti]

Res

iste

nza

med

ia a

fle

ssio

ne

ind

iret

ta e

com

pre

ssio

ne

[MP

a]

Resistenza media a flessione indiretta Resistenza media a compressione Tempo di inizio presa

~20MPa

< 10MPa

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CONTAMINANTI ORGANICI (metodo malta)

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TEST DI LISCIVIAZIONE

Parametro SF SM2 SM1

0/4

Limiti D.M.

186/2006 0/4 16/32 0/4 16/32

Fluoruri [mg/L] 0,6 0,1 1,3 0,2 0,2 1,5

Solfati [mg/L] 4,3 1,7 4,5 1,1 7,4 250

Bario [mg/L] 0,71 0,3 0,18 0,1 0,29 1

Vanadio [µg/L] 168 90 132 72 98 250

Cromo totale [µg/L] 12 15 73 8 16 50

Mercurio [µg/L] < 0,2 < 0,2 < 0,2 < 0,2 0,2 1

COD [mg/L] 9 12 < 5 < 5 < 5 30

pH 10,5 10,1 10,5 9,7 10,5 5,5 ÷ 12

• Inferiori al limite di rilevabilità: nitrati, cloruri, cianuri, rame, zinco, berillio, cobalto,

nichel, arsenico, cadmio, piombo e selenio

• Lisciviazione maggiore per frazione 0/4 mm

• Cromo totale superiore al limite per SM2 0/4

Parametro SF SM2 Note

Assorbimento d’acqua X X Risulta però buona la resistenza al gelo/disgelo

Contenuto di ossidi X X Entrambe non rispettano il vincolo normativo

Contenuto di

contaminanti leggeri X Valori pari al limite normativo

Contaminanti organici X Resistenza a compressione risente della presenza di

contaminanti organici

Espansione delle scorie X Per un provino, valore molto vicino alla soglia

suggerita dall’ASTM D 2940-98

Test di cessione X Superamento del limite normativo per il contenuto di

cromo totale

Aspetti positivi:

1. Forma dell’aggregato grossolano: SI e FI bassi bassa presenza di grani non sferici

2. Resistenza a frammentazione e usura (LA e MDE): basse percentuali di perdita in massa

3. Reattività alcali-silice

4. Ritiro per essiccamento

5. Cloruri solubili in acqua

6. Contenuto di calce libera: basse percentuali riduzione rischio fenomeni espansione

Criticità:

16

IN CONCLUSIONE…