Aggregati da Riciclo: Possono sostituire gli inerti naturali per il confezionamento di calcestruzzi ordinari

Quali aggregati da riciclo si possono utilizzare nel calcestruzzo ? e quali le problematiche da affrontare ? ne abbiamo parlato con Valeria Corinaldesi, che da anni segue questo tema con grande attenzione e quindi con grande esperienza.

Andrea Dari

Cara Valeria, la maggiore attenzione al tema della sostenibilità e della preservazione delle risorse naturale, e la nascita dei CAM, ci porta oggi a occuparci sempre più spesso di aggregati provenienti da processi di riciclo. E’ un argomento che so essere di tuo interesse, da quanto tempo quindi ve ne occupate come ricerca e con quali tipologie di materiali da riciclo avete lavorato?

Valeria Corinaldesi

Il tema del riciclo di macerie da demolizione o di sottoprodotti industriali di varia origine nella realizzazione di nuove malte e calcestruzzi è da molti anni il focus principale delle ricerche svolte dal gruppo di ricerca di scienza e tecnologia dei materiali dell’Università Politecnica delle Marche di Ancona.

Io stessa ho discusso nel 2002 una tesi di dottorato dal titolo “Recupero e riutilizzo dei materiali da demolizione per il confezionamento di malte e calcestruzzi”, tutore Prof. Ing. Giacomo Moriconi. 

Ho continuato quindi le mie ricerche sulla sostenibilità dei materiali da costruzione, un’attività ventennale che ha portato a numerose partecipazioni a convegni e congressi internazionali, numerosi lavori su riviste scientifiche internazionali, tre brevetti nazionali e uno europeo, vari progetti finanziati a livello nazionale e internazionale, collaborazioni con aziende.

Da ottobre 2015 sono Membro del RILEM Technical Committee RAC on “Structural behaviour and innovation of recycled aggregate concrete”; inoltre sono membro del comitato scientifico ANPAR (Associazione Nazionale Produttori di Aggregato Riciclato) sin dalla sua costituzione a inizio 2018 (LINK).

L’attività scientifica ventennale del gruppo di ricerca dell’Università Politecnica delle Marche di Ancona ha affrontato lo studio dell’impiego di aggregati riciclati dalla demolizione di opere civili nella produzione di calcestruzzi strutturali.

In una prima fase lo studio ha riguardato l’ottimizzazione della miscela di calcestruzzi preparati con il 100% di aggregati riciclati mediante opportune aggiunte minerali e additivi chimici al fine di migliorarne le prestazioni meccaniche e la durabilità in ambienti aggressivi, quindi si è condotta una valutazione dei meccanismi di lisciviazione di tali miscele; la seconda fase ha riguardato lo studio di miscele contenenti aggregato riciclato in parziale sostituzione dell’inerte vergine, nel tentativo di determinare la percentuale ottimale di sostituzione che garantisse comunque soddisfacenti prestazioni meccaniche, impiegando anche cenere volante in sostituzione dell’aggregato fine; un’ulteriore fase ha riguardato lo studio del riciclaggio in prefabbricazione di scarti di produzione in calcestruzzo, individuando le massime percentuali di sostituzione che garantissero comunque il raggiungimento della classe di resistenza tipica della produzione corrente; è stata anche valutata la possibilità di impiegare gli aggregati riciclati nel confezionamento di calcestruzzi autocompattanti, sfruttando il duplice vantaggio derivante da una minore massa volumica degli inerti e da un effetto viscosizzante legato alle polveri di riciclo in essi contenute; un’ultima fase ha riguardato la realizzazione di nodi trave-pilastro con calcestruzzo ordinario o contenente aggregati riciclati per studiarne comparativamente il comportamento a sollecitazione ciclica simulando l’effetto sismico. 

Il gruppo di ricerca ha anche affrontato lo studio dell’impiego di aggregati riciclati dalla demolizione di opere civili nella produzione di malte, anche fibrorinforzate, ponendo l’attenzione sull’interazione malta-mattone, valutando l’effetto di diversi tipi di aggregato riciclato sulle prestazioni delle malte e pensando ad una loro applicazione su edifici storici.

La tipologia principale di materiale riciclato che abbiamo studiato è sicuramente la maceria da demolizione, mista o di solo calcestruzzo, proveniente da demolizioni di strutture o come scarto da impianti di prefabbricazione.

In parallelo abbiamo affrontato il tema del riciclo di numerosi scarti di origine industriale, in primo luogo quelli con attività pozzolanica come loppe d’altoforno, ceneri volanti, fumi di silice, oppure quelli provenienti da altre attività industriali come le sabbie da fonderia, il vetro riciclato finemente macinato, le polveri di marmo (ottenute in fase di taglio e lavorazione), le ceneri da biomassa (ottenute come sottoprodotto da impianti di combustione di cippato di legno, bio-triturato e ramaglie provenienti da potature), le ceneri di cartiera, le polveri di vetroresina (ottenute dai manufatti in composito a fine vita). 

Abbiamo riutilizzato anche materiali organici di scarto come frammenti di pneumatici in disuso per il confezionamento di malte cementizie alleggerite e con proprietà di coibenza termo-acustica; scarti di origine bio come la segatura, scarto di lavorazione del legno, o come la pula di riso, proveniente quindi dal settore agroalimentare.

Aggregati da Riciclo di calcestruzzo demolito e frantumanto

Andrea Dari

Parliamo di materie prime da demolizione, e in particolare di quelle più nobili, provenienti dalla frantumazione di calcestruzzo armato. Sulla base della vostra esperienza si tratta di materiali che possono sostituire gli inerti naturali per qualsiasi tipologia di calcestruzzo? quali controlli di caratterizzazione è opportuno eseguire prima dell’impiego ? 

Valeria Corinaldesi

Possono sostituire gli inerti naturali per il confezionamento di calcestruzzi ordinari, non per quelli ad alta resistenza, sarebbe antieconomico.

Infatti, a seconda della tipologia di calcestruzzo ed ai sensi del D.M. 17 Gennaio 2018 e della UNI 11104, l’aggregato riciclato da calcestruzzo (per il quale la sola frazione utilizzabile è quella con diametro superiore a 4 mm) può essere utilizzato come sostituto dell’aggregato naturale in diverse percentuali di sostituzione: fino al 100% per calcestruzzi C8/10, fino al 30% per calcestruzzi ≤ C30/37, fino al 20% per calcestruzzi ≤ C45/55 (considerando una classe di esposizione XC1, XC2 o XC3).

Ovviamente, prima dell’utilizzo, questi aggregati devono essere sottoposti a marcatura CE e devono rispettare i requisiti imposti dalla norma tecnica di settore UNI EN 12620 “Aggregati per calcestruzzo”.

In particolare, ai fini di una corretta progettazione del mix-design, è fondamentale valutare alcune proprietà peculiari dell’aggregato riciclato (sia misto che da solo calcestruzzo) quali l’assorbimento d’acqua e la massa volumica dei granuli. Come evidenziato anche da numerosi studi di letteratura, l’aggregato riciclato, a causa della malta cementizia aderente all’aggregato naturale originale, presenta un maggiore valore di assorbimento d’acqua (fino al 10%) ed una minore massa volumica (non oltre i 2400 kg/m3) a causa della maggior porosità della pasta cementizia rispetto all’inerte vergine. Questa porosità, ed il conseguente maggior assorbimento d’acqua, influenzano in modo negativo il mantenimento della lavorabilità nel tempo e si consiglia di pre-saturare d’acqua l’aggregato riciclato prima di aggiungerlo agli altri ingredienti in fase di miscelazione dell’impasto. 

Si consiglia di ridurre il rapporto acqua/cemento impiegando un additivo riduttore d’acqua per compensare per quanto possibile la perdita di resistenza arrecata dall’uso di un aggregato più leggero e quindi meccanicamente più debole.

Va tenuto presente che, pur potendo raggiungere la stessa classe di resistenza a compressione di un calcestruzzo confezionato in modo analogo ma impiegando solo inerti ordinari, quando si impiegano aggregati da calcestruzzo di riciclo, sostituendo l’inerte naturale fino al 30%, comunque si avrà una penalizzazione del 10% in termini di resistenza a trazione del materiale e un valore del modulo elastico ridotto del 15%.

Andrea Dari

Avete eseguito anche delle prove di durabilità sui calcestruzzi prodotti?

Valeria Corinaldesi

Sì, sono stati condotti numerosi studio a tal proposito per caratterizzare tutti gli aspetti più importanti connessi con la durabilità dei calcestruzzi con aggregati di calcestruzzo riciclato come:

• Resistenza all’attacco solfatico;
• Reattività alcali-aggregato;
• Corrosione barre di armatura in acciaio standard e zincato;
• Ritiro igrometrico e creep.

In genere non si sono riscontrati particolari problemi nel momento in cui sono stati confrontate le prestazioni nel tempo di calcestruzzi realizzati con aggregato ordinario o con calcestruzzo riciclato appartenenti alla stessa classe di resistenza e stessa classe di consistenza allo stato fresco (quindi impiegando un dosaggio extra di additivo riduttore d’acqua in presenza di aggregato di riciclo per migliorare la fluidità e le caratteristiche meccaniche della pasta cementizia al fine di compensare l’effetto deleterio dell’aggregato più poroso). Infatti, la leggera riduzione del rapporto acqua/cemento necessaria a ripristinare la stessa classe di resistenza è risultata utile nel bloccare l’ingresso di acqua dall’esterno e quindi rallentare eventuali fenomeni di degrado aggiuntivi rispetto al calcestruzzo di riferimento con aggregato naturale. Ovviamente l’aggregato ottenuto da calcestruzzo riciclato, dovendo superare i requisiti necessari alla marcatura CE secondo UNI EN 12620, dà garanzia in termini di contenuto di solfati, cloruri, componenti mineralogiche reattive agli alcali, sostanze organiche…

Un discorso a parte va fatto per il ritiro igrometrico per cui si sovrappongono due fenomeni: da un lato il calcestruzzo risultante è meno rigido in quanto il modulo elastico dell’aggregato impiegato è significativamente inferiore (30 GPa invece di 70-80 GPa) e quindi tende a deformarsi e a ritirarsi di più, dall’altro ha una tendenza a fessurare leggermente inferiore proprio perché a parità di contrazione insorge nel materiale uno stato tensione di minore intensità. Altro fenomeno che potrebbe sovrapporsi ai precedenti è un certo effetto “internal curing” garantito dall’aggregato di riciclo poroso che è in grado di assorbire più acqua inizialmente per poi cederla gradualmente alla pasta cementizia circostante, rifornendola di acqua anche quando è già iniziato il processo di essiccamento e quindi garantendo una certa protezione nei confronti dell’insorgenza di fessure. In virtù di queste considerazioni si può concludere senza troppe esitazioni che il calcestruzzo confezionato con aggregati di calcestruzzo riciclato non è più vulnerabile a fessurazione da ritiro igrometrico rispetto ad un calcestruzzo ordinario.

Aggregati riciclati provenienti dal recupero indifferenziato di demolizioni edilizie generiche

Andrea Dari

Per quanto riguarda invece i materiali di recupero da demolizioni edilizie più generiche, qual’è la vostra esperienza ? in quali casi è possibile un riuso nel calcestruzzo ? e altrimenti quale può essere la loro destinazione ?

Valeria Corinaldesi

Gli aggregati riciclati provenienti dal recupero indifferenziato di demolizioni edilizie generiche presentano una forte eterogeneità. Questo aspetto limita molto la loro applicabilità nel settore delle costruzioni in quanto la fluttuazione nel tempo delle caratteristiche fisiche e chimiche è difficile da tenere sotto controllo e influenzerebbe in modo negativo la qualità del calcestruzzo prodotto.

Pertanto, la principale destinazione d’uso degli aggregati riciclati misti è, ad oggi, l’utilizzo nel settore stradale o in altre applicazioni geotecniche quali sottofondi stradali, rilevati, riempimenti, recuperi ambientali. Viceversa, l’utilizzo in applicazioni più nobili, come la produzione di calcestruzzo, non trova ancora reale applicazione, se non in calcestruzzi a basse prestazioni destinati ad impieghi non strutturali come ad esempio magroni di fondazione, marciapiedi... A tal riguardo, infatti, il D.M. 17 Gennaio 2018 e la UNI 11104 consentono, per il confezionamento di calcestruzzi C8/10, percentuali massime di sostituzione dell’aggregato naturale fino al 100%. Tali norme consentono anche la possibilità di realizzare calcestruzzi strutturali (sostituzione massima del 30% per calcestruzzi C30/37 con classe di esposizione XC1, XC2 e XC3), ma il contenuto di impurità deve essere ridotto al minimo. In particolare, il contenuto di frazioni ceramiche deve essere inferiore al 10% in peso, così come il contenuto di materiali bituminosi (≤1%) o altri materiali come gesso, plastica e gomma (≤1%).

Aggregati da recupero industriale

Andrea Dari

Avete fatto ricerche anche su riusi speciali, provenienti da altri processi industriali ?

Valeria Corinaldesi

Sì, abbiamo riutilizzato come filler o aggregati vari tipi di materiali di scarto provenienti da altri processi come le sabbie da fonderia, il vetro riciclato finemente macinato, le polveri di marmo (ottenute in fase di taglio e lavorazione), le ceneri da biomassa (ottenute come sottoprodotto da impianti di combustione di cippato di legno, bio-triturato e ramaglie provenienti da potature), le ceneri di cartiera, le polveri di vetroresina (ottenute dai manufatti in composito a fine vita), frammenti di pneumatici in disuso (per il confezionamento di malte cementizie alleggerite e con proprietà di coibenza termo-acustica), scarti di origine bio come la segatura (scarto di lavorazione del legno) o come la pula di riso, provenienti quindi dal settore agroalimentare.

Ad esempio, in questo momento stiamo portando avanti un interessante progetto che riguarda un tipo particolare di aggregati artificiali realizzati partendo da processi di stabilizzazione/solidificazione di materiali di scarto (che consente il contenimento degli inquinanti e previene la lisciviazione di composti pericolosi). Mentre le applicazioni iniziali di S/S erano focalizzate sulla produzione di un rifiuto stabilizzato per uno smaltimento sicuro per l'ambiente, ora viene utilizzato come tecnologia per consentire il possibile riutilizzo di prodotti di scarto stabilizzati come aggregati da utilizzare nell'industria delle costruzioni. Un'applicazione interessante di ciò è la produzione di aggregati leggeri artificiali (LWA). Gli LWA possono essere prodotti attraverso la pellettizzazione che è un fenomeno di agglomerazione che si verifica per rifiuti umidi contenenti un legante.

Il prodotto LWA pellettizzato può quindi essere ottenuto mediante sinterizzazione, che comporta il riscaldamento degli aggregati dopo la pellettizzazione, o mediante pellettizzazione a freddo che consente la formazione di pellet LWA a temperatura ambiente. Nonostante la rapida produzione di un prodotto facilmente utilizzabile mediante sinterizzazione, le alte temperature (900-1400°C) necessarie, sono uno svantaggio rispetto al processo di pellettizzazione a freddo che richiede un minor consumo di energia e riduce la formazione di inquinamento secondario. Negli ultimi anni diversi studi hanno indagato i processi di pellettizzazione a freddo per determinare le condizioni operative ottimali. Questi hanno determinato progetti di miscelazione adatti per la produzione di LWA con proprietà appropriate. Il processo di pellettizzazione a freddo utilizza una piastra rotante, che causa la formazione di pellet da materiali umidi a causa dell'effetto di rotazione della piastra. Ciò consente la formazione di strutture granulari con forze di legame potenziate dovute a forze centrifughe e gravitazionali. Gli aggregati così prodotti consentono di valorizzare prodotti di scarto e di ottenere aggregati leggeri con buone proprietà meccaniche che ne consentono un impiego per calcestruzzi strutturali.

Economia Circolare in Edilizia: bastano i CAM ?

Andrea Dari

Infine una valutazione generale: qual è la strada maestra per una economia circolare nelle costruzioni, impiego di materie prime seconde a tutti i costi (la filosofia dei CAM di oggi), o una valutazione più generale che prenda a riferimento il LCA in modo più consistente rispetto a quanto fatto oggi ?

Valeria Corinaldesi

Per promuovere l’economia circolare nelle costruzioni occorre seguire un approccio olistico che tenga conto di tanti aspetti strettamente correlati tra loro.

Affinché una scelta tecnica risulti essere quella ottimale occorre soddisfare almeno tre requisiti fondamentali:

1. sicurezza e qualità, requisito imprescindibile per assicurare cha la soluzione proposta sia valida e sostenibile nel tempo in termini di sicurezza strutturale, funzionalità e durabilità;
2. fattibilità economica, in quanto una soluzione troppo costosa non è concorrenziale con le altre e quindi costituisce una via non percorribile;
3. impatto ambientale complessivo, che tenga conto di tutte le fasi del ciclo di vita e di tutti gli aspetti, inclusi logistica e trasporto.

Ho posto l’accento sul trasporto perché spesso questo aspetto viene sottovalutato e invece ha un impatto significativo sulla effettiva sostenibilità ambientale di una soluzione proposta. Facciamo un esempio: supponiamo di voler riutilizzare calcestruzzo demolito in un cantiere sito in Emilia Romagna e di procurarcelo da un cantiere di demolizione sito in Puglia. Tenendo conto della CO2 emessa durante il trasporto del calcestruzzo demolito durante un tragitto così lungo, siamo sicuri che l’operazione di riciclaggio delle macerie sia ancora sostenibile da un punto di vista ambientale? Nel momento in cui si pianifica il riutilizzo di materie prime seconde è fondamentale definire con esattezza la provenienza privilegiando quanto più possibile le fonti a kilometro zero.

Se l’unico obiettivo fosse la salvaguardia delle risorse naturali e il minor conferimento in discarica di rifiuti, l’incentivazione all’utilizzo di materiali riciclati, come previsto dai CAM, sarebbe sicuramente la via giusta da seguire per incoraggiare l’utilizzo di materiali alternativi e per superare la diffidenza verso materiali “derivati da rifiuti”.

Ma per avere una visione più globale è necessario integrare l’approccio tecnico apportato dai CAM con una valutazione della sostenibilità ambientale ed economica effettuata mediante analisi del ciclo vita “Life Cycle Assessment” e di analisi dei costi del ciclo di vita “Life Cycle Costing”, che tengano in conto tanti altri aspetti, i quali potrebbero inficiare in tutto o in parte la validità della soluzione proposta.