sustainable concrete: integrazione dei rifiuti nel ciclo di - SUS-CON
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SUSTAINABLE CONCRETE: INTEGRAZIONE DEI RIFIUTI NEL CICLO DI PRODUZIONE DI UN CALCESTRUZZO SOSTENIBILE, INNOVATIVO E AD ALTA EFFICIENZA ENERGETICA ALESSANDRO LARGO, Consorzio Cetma CLAUDIO FAILLA, Magnetti Building MARCO PREDA, Magnetti Building FRANCESCO SONZOGNI, Magnetti Building SUMMARY The SUS-CON project (funded in the framework of the Call FP7-2011-NMP-ENVENERGY-ICT-EeB) aims at developing new technology routes to integrate waste materials in the production cycle of concrete, for both readymixed and pre-cast applications, resulting in an innovative light-weight, eco-compatible and costeffective construction material, made by allwaste raw materials and characterized by low embodied energy and CO2 and by improved ductility and thermal insulation performances. The target of low embodied energy and CO2 will be mainly achieved through working on the binders’ side, while the target of energy efficiency (heat insulation) will be mainly achieved through working on the aggregates side. The focus will be on waste materials that, for quantity, distribution and characteristics are also a social problem but, on the other hand, are available in quantities enough for feeding the concrete industry. For the aggregate production several polymeric waste materials are investigated: waste tyre-rubber, waste electric and electronic equipment (WEEE), waste polyurethane, mixed plastic waste from the scrap of the sorting process of municipal solid wastes. Regarding the binder systems, their production is based on geopolymer technology which involves the alkaline activation of aluminosilicate raw materials. Several aluminosilicate wastes, commonly found within the EU, such as fly ashes, slags and mineral tailings were investigated as potential source materials for the production of binders. The project results, while setting-up a novel low cost material for producing energyefficient buildings components, will also contribute to solving the issue of “waste pressure” on towns and to reducing the consumption of not renewable natural raw materials. 1. INTRODUZIONE Il settore delle costruzioni è uno dei maggiori consumatori di energia e di materie prime e uno dei più grandi responsabili dell’emissione di gas serra. Affinché l’attività del settore diventi più sostenibile, è necessario limitare il suo impatto ambientale e, in particolare, ridurre l'uso di materie prime e di energia. In relazione a quanto detto, un ruolo predominante, in termini quantitativi, è da attribuire al settore del calcestruzzo. Considerando che le due principali componenti del calcestruzzo sono il legante e gli aggregati, vale la pena ricordare che il legante è in gran parte responsabile per il consumo di energia e per le emissioni di CO2; in aggiunta a questo, il legante è anche il componente più costoso del calcestruzzo. Gli aggregati hanno invece maggiore impatto sulla resistenza termica e rappresentano il parametro chiave per determinare le proprietà termiche del calcestruzzo. I risultati preliminari hanno dimostrato la possibilità da un lato di ridurre l'energia e l’emissione di CO2 sostituendo i leganti tradizionali del calcestruzzo con altri costituiti da soli rifiuti, dall’altro di utilizzare nuovi aggregati costituiti interamente da rifiuti per rendere elevata l’efficienza termica. Da questo quadro promettente è nata l'idea di incrementare le due linee di ricerca di cui sopra e unirle, sviluppando un nuovo tipo di calcestruzzo leggero, ottenuto integrando i rifiuti nel suo ciclo di produzione, sulla base di un nuovo modello di mix. L'approccio descritto viene seguito nel progetto SUS-CON (Figura 1), promosso e cofinanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del 7° Programma Quadro. Il presente lavoro descrive i risultati preliminari che hanno portato a proporre l'idea del progetto, insieme con gli obiettivi, le metodologie e le sfide attese. Figura 1. Il logo del progetto europeo SUS-CON. 2. ASPETTI LEGISLATIVI Da anni i Paesi legiferano prevedendo e disciplinando specifiche azioni per intervenire alla fonte nel processo produttivo e per agevolare e incentivare il riciclaggio e il recupero dei rifiuti prodotti, sulla base del rispetto dei principi ormai riconosciuti della prevenzione (riduzione della quantità e pericolosità dei rifiuti prodotti), riciclaggio e recupero (rifiuti come risorsa). Per quanto riguarda i rifiuti non recuperati né recepiti, le legislazioni europee prevedono in modo pressoché uniforme che debbano essere smaltiti in condizioni di sicurezza, con una progressiva riduzione del flusso dei rifiuti avviati in discarica. Nell’ambito della vasta normativa sui rifiuti si trovano tematiche come le materie prime secondarie (MPS) e i sottoprodotti, temi che negli ultimi anni sono stati al centro dell’attenzione e del dibattito tecnico e politico, al quale hanno fatto seguito diverse modifiche al D.Lgs. 152/2006 [1]. Dottrina e giurisprudenza ormai da tempo hanno chiarito la distinzione tra prodotto e rifiuto. Il prodotto è “una conseguenza voluta del ciclo produttivo e, ancorché si tratti di prodotti pericolosi, il suo trasporto ed il suo utilizzo non pongono problemi circa il destino finale, né vi è incertezza sul suo effettivo impiego secondo le pertinenti regole di tutela ambientale”. Si definisce invece rifiuto “una conseguenza non voluta del ciclo produttivo, del quale il detentore in qualche modo ha interesse a disfarsi. Per cui è necessario che la sua movimentazione ed il suo destino finale siano sottoposti ad un regime di controllo del tutto diverso da quello riservato ai prodotti, poiché lo scopo è quello di evitare che il rifiuto venga disperso nell’ambiente o recuperato o eliminato in modo improprio". Necessario che le MPS non debbano presentare caratteristiche di pericolo superiori a quelle dei prodotti e delle materie ottenuti dalla lavorazione di materie prime vergini. L'uso sempre più massiccio di materie prime secondarie è importante perché riduce la necessità di estrarre materia prima dalla Terra e comporta in genere cospicui risparmi di energia. Processo ulteriormente vantaggioso nei Paesi con poche o nulle materie prime, dove sarebbe necessario importarne da Paesi esteri. Infine un altro vantaggio è quello di avere un costo più basso per la materia prima, dato che questa non viene sprecata né durante la produzione di materiale nuovo, né con lo smaltimento dei rifiuti. 3. L’ESPERIENZA BUILDING DI MAGNETTI Magnetti Building, azienda leader nella realizzazione di edifici a destinazione industriale, commerciale e per la logistica con sistemi prefiniti a tecnologia avanzata (Figura 2), è in prima fila nello sviluppo di tecnologie attente al risparmio energetico ed è sensibile alla responsabilità dell’edificio nei confronti dell’ambiente. La razionalizzazione e il riutilizzo degli scarti del processo produttivo sono perciò anche per Magnetti Building un obiettivo primario per ottenere minor inquinamento ambientale, atmosferico, acustico, riduzione del traffico veicolare, di ore di trasporto e di costi. Nello stabilimento di produzione Magnetti Building di Carvico (Bg) si producono 30 ton di rifiuti al giorno; due sono gli scarti principali che la produzione degli elementi prefabbricati comporta: 1. blocchi di cls derivanti da scarti di fine getto; 2. fanghi derivanti da lavaggi di manufatti (pannelli) o da lavaggi di impianti/attrezzature di produzione (centrale di betonaggio, benne di getto, bocciardatrice, ecc.). Magnetti Building ha realizzato una fabbrica a ciclo chiuso [2], che consente di eliminare la gestione degli scarti in discarica e recuperare totalmente le materie prime impiegate: acqua e inerti. Con un idoneo utilizzo si hanno tre tipi di vantaggi economici: riduzione dei costi di conferimento in discarica; riduzione dei costi connessi a possibili danni ambientali presenti e/o futuri; compensazione dei costi tramite il valore economico derivante dall’impiego come materia prima secondaria (anche fino ad ottenere un bilancio economico positivo). Figura 2. Realizzazione Magnetti Building a Busto Garolfo (Milano). 4. RISULTATI PRELIMINARI 4.1 LEGANTI Un progetto pilota ha studiato gli effetti dei vari parametri sulla resistenza sviluppata da malte a base di leganti alcali-attivati, utilizzando il 100% di ceneri volanti polverizzate (PFA, Pulverized Fly Ash). Malte e calcestruzzi a base di PFA attivate da combinazioni di idrossido di sodio e silicato di sodio forniscono la migliore resistenza a compressione. Sono state definite le proporzioni di questi due alcali e le loro concentrazioni. Il rapporto acqua / solidi è stato definito come il rapporto tra la massa totale di acqua e la massa totale di PFA e solidi alcalini. Questo valore è stato mantenuto costante e pari a 0.37. La massa totale di acqua ha incluso il contenuto di acqua della soluzione di silicato di sodio. Il rapporto sabbia / PFA è stato fissato a 2,75. Si è constatato che un aumento nel dosaggio delle componenti alcaline porta ad un aumento della resistenza, ma solo fino al valore di 12,5%. Oltre tale valore la resistenza diminuisce; ciò è dovuto alla saturazione del gel con ioni alcalini. Inoltre, si è riscontrato che esiste un range ideale per il modulo alcali (compreso tra 1 e 1,25), al di sopra e al di sotto del quale la resistenza diminuisce. 4.2 AGGREGATI I residui provenienti dalla cernita di materie plastiche di rifiuti solidi urbani (RSU) è comunemente indicato come "mix di rifiuti in plastica" (MPW) ed ha una composizione che può variare molto da un lotto ad un altro, così come da un Paese all'altro, come conseguenza dei differenti usi di consumo. Inoltre, negli scarti sono contenuti diversi tipi di impurità (metalli, vetro, pietre, sabbia, carta), che rappresentano un problema per il trattamento dei materiali. Lo stato dell'arte consiste in processi di schiumatura o estrusione per ridurre la densità della miscela plastica riciclata. Le attività di ricerca [3] sono state effettuate da parte di alcuni partner del progetto (in particolare Consorzio CETMA e Centro Riciclo Vedelago). Le prove sperimentali hanno dimostrato la fattibilità di ottenere un aggregato (denominato "Remix"), che può essere prodotto sia leggero (Low-Density, LD), sia in una forma più pesante (High-Density, HD). Gli aggregati riciclati sono stati caratterizzati e confrontati con aggregati di tipo tradizionale aventi densità paragonabile (Tabella 1). Dato che le materie prime provengono da rifiuti senza alcun tipo di controllo, è stata misurata anche la carica batterica, mostrando che il processo di densificazione, che comporta un riscaldamento del materiale, consente l’eliminazione della carica batterica stessa. LD HD Expanded aggregate aggregate clay Granulometria [mm] 8-11 2-12 3-8 Assorbimento acqua [%] Riduzione densità 3 [kg/m ] Densità apparente 3 [kg/m ] 23 11 18 330 330 380 640 800-900 685 Tabella 1. Proprietà degli aggregati da plastica riciclata. Sono incluse per un confronto anche le proprietà dell’argilla espansa. Diverse miscele di calcestruzzo con aggregati leggeri sono state progettate e realizzate in modo da avere indicazioni circa le prestazioni fisicomeccaniche. Particolarmente significativi, anche in termini di isolamento termico, sono i risultati ottenuti con aggregati HD in un mix studiato per un piano di fondazione [4] (cemento Portland 42,5 R, contenuto d'acqua 190 kg/m3, rapporto acqua/cemento 0,5, contenuto Remix HD 100 kg/m3, contenuto sabbia 950 kg/ m3). Sono state misurate le seguenti proprietà (Tabella 2): Resistenza a compressione [MPa] 10.5 Densità [kg/m ] 3 1561 Conduttività termica [W/mK] 0.61 Tabella 2. Risultati dei test su calcestruzzo alleggerito con aggregati polimerici riciclati. Inoltre, sono stati effettuati numerosi studi [5] [6] [7] sulla valorizzazione dei rifiuti industriali, come scarti di pneumatici e rifiuti di plastica provenienti da apparecchiature elettriche ed elettroniche (RAEE). Anche se a volte è necessario un pretrattamento di questi rifiuti, la maggior parte degli studi concludono che l'uso dei rifiuti solidi come aggregati leggeri è un modo interessante per valorizzarli, a condizione che siano risolte specifiche questioni aperte: residui indesiderati, assorbimento d'acqua, incompatibilità aggregatilegante, resistenza insufficiente. 5. IL PROGETTO SUS-CON Il contesto descritto nell’Introduzione, nonché i risultati incoraggianti descritti nella sezione precedente, hanno portato al concept SUS-CON, in cui l'obiettivo principale è quello di integrare i rifiuti nel ciclo di produzione di un calcestruzzo innovativo, leggero, eco-compatibile ed economico. Inoltre si ricercano migliorate prestazioni termiche del materiale, che è concepito per applicazioni sia da preconfezionato che da prefabbricato (Figura 3). Figura 3. In queste immagini il concept del progetto SUS-CON: passare dalla trasformazione dei rifiuti all’utilizzo di un calcestruzzo progettato con aggregati e leganti di riciclo. L'accento è posto su materiali di scarto che stanno causando pesanti problemi socio-economici (a causa della loro quantità, distribuzione, caratteristiche e basse possibilità di riutilizzo in altre applicazioni a valore aggiunto) e che sono, allo stesso tempo, disponibili in quantità sufficiente per alimentare l'industria del calcestruzzo. Esempi di tali materiali, per la realizzazione di aggregati, sono i pneumatici usati, MPW, RAEE e schiume poliuretaniche. In termini di legante, i flussi di rifiuti da analizzare nel progetto possono essere raggruppati in base alla funzione che hanno nel meccanismo di reazione del geopolimero: alluminio-silicati come materiali di base e materiali alcalini come attivatori. Inoltre, al fine di compensare le inevitabili variazioni di composizione dei rifiuti, è studiata l'aggiunta di rifiuti o sottoprodotti leganti con la funzione di "regolatori", che contribuiscono sia a livello di presenza di alluminio-silicati attivi che sul potenziamento dei flussi alcalini. Mentre la parziale sostituzione del cemento Portland nel calcestruzzo con leganti alternativi è lo stato dell'arte, il progetto mira alla completa sostituzione del cemento con materiali di scarto ad alto contenuto di silicato. Nella pagina seguente vengono illustrati la struttura del progetto (Figura 4) e il ruolo principale dei partner nelle diverse aree di progetto (Figura 5). Preliminarmente le attività di progetto mapperanno i flussi di rifiuti rilevanti in tutta l'UE27. Quindi, come primo passo verso l’integrazione dei rifiuti nel ciclo di produzione di un calcestruzzo, sarà effettuato uno studio parallelo sia su un calcestruzzo realizzato da un lato con aggregati riciclati e legante tradizionale, dall'altro con aggregati tradizionali e leganti di riciclo. Il passo successivo sarà quindi studiare la combinazione di entrambi i componenti riciclati, approfittando di un nuovo approccio progettuale al mix design, il quale sarà poi sviluppato e ottimizzato. Verrà effettuato quindi uno studio sulle problematiche dei processi indagati, con dimostrazione dei risultati attraverso il getto di prototipi (pannelli di tamponamento, muri in blocchi, massetti e sottofondi) e la loro applicazione su edifici reali. L'ultima parte del progetto mirerà a creare le basi per il trasferimento dei risultati e delle metodologie sviluppate nel progetto stesso. Le principali sfide che il progetto dovrà affrontare sono le seguenti: variabilità dei flussi di rifiuti (che possono compromettere la bontà delle proprietà ottenibili), problemi di purezza (residui indesiderati possono influenzare negativamente la lavorabilità e durabilità del calcestruzzo), problemi di costo (il trattamento dei rifiuti può rendere i costi insostenibili), scarsa adesione tra legante e aggregati polimerici, effetto concomitante di assorbimento di acqua dell’aggregato sulla lavorabilità e sull’adesione aggregato-legante, effetto dell’eccesso di acqua durante il meccanismo di reazione dei leganti geopolimerici sulla resistenza e durabilità della matrice. Figura 4. Schema della struttura del progetto. Figura 5. Ruolo dei partner nel progetto. 6. CONCLUSIONI 8. RINGRAZIAMENTI Questa memoria presenta i temi, gli obiettivi, le metodologie e le sfide del progetto di ricerca SUS-CON finanziato dalla UE, che mira a integrare materiali di scarto nel ciclo di produzione del calcestruzzo, per applicazioni sia nel preconfezionato che in prefabbricazione. L’obiettivo è la definizione di un materiale innovativo, leggero, eco-compatibile ed economico, costituito da rifiuti come materie prime e caratterizzato da prestazioni di isolamento termico avanzate, basso consumo energetico e basse emissioni di CO2. La possibilità di raggiungere gli ambiziosi obiettivi è dimostrata dai risultati preliminari incoraggianti illustrati all’interno di questa memoria. Il progetto SUS-CON è promosso e cofinanziato all’interno del 7° Programma Quadro della Commissione Europea (FP7-2011-NMP-ENVENERGY-ICT-EeB). Di seguito si riportano l’elenco dei partner impegnati nel progetto e i relativi loghi: CONSORZIO CETMA CONSORZIO TRE UNIVERSITA’ DI ATENE S&B CENTRO RICICLO VEDELAGO TNO ACCIONA ISTON MAGNETTI BUILDING CENTI TUV ITALIA IRIDEX UNIVERSITA’ DI TAIWAN UNIVERSITA’ DI BELFAST BASF 7. BIBLIOGRAFIA [01]] DECRETO LEGISLATIVO 3 APRILE 2006, N. 152 “Norme in materia ambientale”, G.U. n. 88 del 14 aprile 2006. [02] FAILLA C., PREDA M., SONZOGNI F., “Un esempio di sostenibilità in prefabbricazione: realizzazione di una fabbrica a ciclo chiuso”, Atti Congresso CTE, Bologna, 2012. [03]] NUMIX PROJECT, 2008, “High performance lightweight aggregate for concrete from recycling of plastic waste”, Call CIPECOINNOVATION 2008, Project n. ECO/08/239110/SI2.535262. [04]] MANNI, O., 2011, “Sviluppo di calcestruzzi ecosostenibili mediante l’impiego di scarti derivanti da rifiuti”, SAIE Concrete Conference, Bologna, Italy. [05]] NIU, X., LI, Y., 2007, “Treatment of waste printed wire boards in electronic waste for safe disposal”, Journal of Hazardous Materials, Vol. 145, pp. 410–416. [06]] VERDOLOTTI, L., DI MAIO, E., LAVORGNA, M., IANNACE, S., NICOLAIS, L., 2008 “Polyurethane–Cement-Based Foams: Characterization and Potential Uses”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 107, pp. 1-8. Contatti con gli autori: CAIRNS, R., KEW, H.Y., KENNY, M.J., 2004 “The use of recycled rubber tyres in concrete constructions”, Final report, University of Strathclyde. Alessandro Largo: [email protected] Claudio Failla: [email protected] Marco Preda: [email protected] Francesco Sonzogni: [email protected] [07]]