l`impiego delle ceneri di carbone nei calcestruzzi

L’IMPIEGO DELLE CENERI DI
CARBONE NEI CALCESTRUZZI
Giulio Belz - Enel Ricerca [ 1 ]
COSA
SOMMARIO:
Cosa sono e come si
generano le ceneri di
carbone
1
Principali caratteristiche delle ceneri di
carbone
1
La legislazione italiana sul riutilizzo delle
ceneri di carbone
2
I vantaggi conseguenti all’uso delle ceneri
nei calcestruzzi
2
Le norme tecniche per
il riutilizzo delle ceneri nei calcestruzzi
4
Schema della linea fumi
di una centrale termoelettrica a carbone
Caldaia
SONO E COME SI GENERANO LE
CENERI DI CARBONE
Le ceneri sono il prodotto della
trasformazione subita dalle impurità minerali presenti nel carbone (principalmente quarzo,
argilla e pirite) a seguito della
sua combustione nelle caldaie
delle centrali termoelettriche.
Questa frazione non combustibile, riscaldata ad oltre 1400°C
nella camera di combustione,
fonde formano piccole goccioline trascinate dai fumi, che in
uscita dalla caldaia subiscono un
brusco raffreddamento e solidificano sotto forma di particelle
vetrose di forma sferoidale.
L’impianto di abbattimento pol- Le ceneri di carbone osservate al microscopio elettroveri, costituito da precipitatori
nico (3000x)
elettrostatici o da filtri a maniche,
provvede a purificare i fumi separando le ceneri, che vengono successivamente inviate per
via pneumatica ai sili finali di stoccaggio, pronte per il loro riutilizzo.
Catalizzatore
DeNOx
Filtro
polveri
Torre di
lavaggio
DeSOx
Silo
Ceneri
Carbone
Camino
P R I N C I PA L I
Le ceneri di carbone si presentano come una polvere fine di
colore grigio, di dimensione compresa tra 1 e 100 micron (1
mm = 10-3 mm), paragonabile a quella di un cemento. La massa volumica reale delle ceneri varia tra 2100 e 2400 kg/m3;
quella apparente è compresa tra 600 e 800 kg/m3.
Distribuzione granulometrica tipica delle ceneri di carbone
Distribuzione (%)
CARATTERISTICHE DELLE
CENERI DI CARBONE
100
80
60
40
20
0
1
10
100
Diam etro particelle (m icron)
1000
P a gi n a 2
Elemento
componente
Si (%)
Al (%)
Fe (%)
Ca (%)
Mg (%)
K (%)
Na (%)
C (%)
Ceneri da
carbone
16÷22
12÷18
1,5÷8,7
0,7÷6,5
0,1÷1,1
0,4÷0,9
0,1÷0,4
4,0÷8,0
Pozzolana
naturale
21÷31
8,0÷16
3,0÷8,0
2,0÷7,0
0,5÷2,0
1,0÷7,0
0,6÷3,2
-
Dal punto di vista chimico le ceneri
sono principalmente costituite da
silice (SiO2), allumina (Al2O3) e
ossido di ferro (Fe2O3).
La loro composizione è assimilabile
quella di una pozzolana naturale di
origine vulcanica, cui le ceneri sono
paragonabili anche dal punto di vista microstrutturale, essendo costituite per più del 70% da particelle di
natura vetrosa amorfa.
Intervalli di composizione chimica delle ceneri di
carbone
LA
L E G I S L A Z I O N E I TA L I A N A S U L
RIUTILIZZO DELLE CENERI DI CARBONE
In base al Decreto Ronchi (DLgs n° 22 del
05/02/97) che riporta in allegato il Catalogo
Europeo dei Rifiuti, recentemente aggiornato dalla Direttiva n° 102 del 9 aprile 2002
(s.o. G.U. n° 108 del 10/05/02), le ceneri di
carbone sono identificate dal codice CER
10 01 02 e classificate come rifiuto speciale
non pericoloso.
Il Decreto Ministeriale 05/02/98, che individua le attività di recupero agevolate cui
destinare i rifiuti non pericolosi, indica la
produzione di calcestruzzi e di manufatti
prefabbricati in calcestruzzo fra i settori
produttivi di riutilizzo delle ceneri.
I V A N TA G G I
CONSEGUENTI ALL’USO DELLE
CENERI NEI CALCESTRUZZI
“I requisiti
fondamentali di un
calcestruzzo sono la
lavorabilità, la
resistenza e la
durabilità”
I requisiti fondamentali di un calcestruzzo
perficiale e più compatti, quindi più residi qualità sono la lavorabilità, la resistenza
stenti, impermeabili e durabili nel tempo.
a compressione, la durabilità agli agenti
L’aggiunta di ceneri rappresenta inoltre la
atmosferici.
soluzione più immediata a problemi di seUna buona la lavorabilità consente la posa
gregazione dei componenti di impasto e di
in opera di getti a matrice compatta (privi
affioramento dell’acqua di miscela
di difetti microscopici) ed esenti da difetti
(bleeding) conseguenti alla carenza di comdi riempimento dei casseri (difetti macroponenti fini.
scopici). La resistenza meccanica è imposta
Una migliore fluidità del calcestruzzo fredal progetto finale dell’opera i calcestruzzo,
sco consente inoltre di adottare rapporti
che definisce i carichi che esso dovrà sopacqua/legante più bassi (minore richiesta
portare. La durabilità è infine la capacità
d’acqua), elevando così le resistenze finali
del calcestruzzo di resistere nel tempo
del manufatto con ceneri.
all’aggressione degli agenti atmosferici
specifici dell’ambiente cui l’opera verrà
esposta.
Le ceneri leggere di carbone contribuiscono a migliorare tutti i precedenti requisiti,
agendo nei calcestruzzi sia come filler
(contributo fisico), sia come pozzolana
artificiale (contributo chimico).
L’elevata finezza e la forma sferoidale
delle particelle di cenere di carbone migliorano la fluidità del calcestruzzo fresco
e quindi la sua lavorabilità e pompabilità.
Miscele più omogenee e prive di difetti,
grazie all’effetto filler delle ceneri, geneInfluenza dell’aggiunta di ceneri sulla richiesta
rano calcestruzzi di migliore finitura sud’acqua di impasto
L ’ i mp ie g o d e ll e c en e ri d i c a rb on e n ei ca lc es tr u z z i
Dal punto di vista chimico, le ceneri
di carbone, al pari delle pozzolane
naturali finemente macinate, sono
capaci di reagire a temperatura ambiente con l’idrossido di calcio (Ca
(OH)2) liberato dall’idratazione del
cemento Portland generando silicoalluminati idrati di calcio del tutto
simili a quelli prodotti dalla reazione del cemento.
L’eccesso di calce idrata rappresenta un componente di indebolimento del manufatto finale in calceAcqua bleeding raccolta nel calcestruzzo fresco in funstruzzo, spesso all’origine del suo zione del tempo
degrado nel tempo. I cristalli di
idrossido di calcio sono infatti poco comconfezionati, nei quali risulta ridotta la perpatti e resistenti, e risultano chimicamente
dita di lavorabilità nel tempo (fase di trareattivi con numerosi agenti chimici esterni.
sporto), e dei getti di grosse dimensioni. In
Fra questi l’anidride carbonica e le acque
questi ultimi, l'adozione delle ceneri concarbonatiche (con formazione di carbonato
sente di ridurre i forti aumenti di temperatura interni al getto conseguenti ai processi
esotermici di idratazione del cemento ed
alla bassa conducibilità termica propria del
calcestruzzo. Viene così eliminato il pericolo di fessurazioni e di cedimenti conseguenti alle tensioni generate dalla dilatazione
differenziale fra le zone interne ed esterne
del getto. L’adozione delle ceneri di carbone consente infine di prevenire efficacemente il potenziale degrado da reazione
alcali-aggregati.
La silice finemente suddivisa della cenere
risulta infatti molto reattiva nei confronti
degli alcali (NaOH, MgOH) eventualmente
presenti nell’impasto, che vengono fissati
dalle ceneri all’interno della matrice ceRiduzione del tenore di calce idrata nelle
mentizia allorché essa è ancora plastica. Gli
miscele con ceneri
alcali risultano in tal modo sottratti da potenziali fenomeni di lenta reazione con
e bicarbonato di calcio che causano effetti
l’eventuale silice amorfa presente negli
espansivi o dilavanti e la depassivazione
aggregati naturali utilizzati nel calcestruzzo
dei ferri di armatura) ed i solfati (con proche sono causa degli effetti espansivi e diduzione di ettringite espansiva).
struttivi tipici di questa forma di degrado.
Le ricerche dell’Enel[2] hanno dimostrato
che l’introduzione delle ceneri, che fissano
la calce in prodotti stabili e resistenti, consente di ottenere il duplice risultato di contribuire allo sviluppo della resistenza del
calcestruzzo e di renderlo meno permeabile
e più durabile.
Se le ceneri sostituiscono parte del cemento, si osserva nel getto una presa più lenta
ed più lento sviluppo delle resistenze alle
basse stagionature (3÷28 giorni), a parità di
resistenze finali (a 28÷90 giorni). Tale
comportamento, più evidente nei calcestruzzi con cemento di classe 32,5 e molto
meno con cementi di classe 42,5 e 52,5 in
virtù del più rapido rilascio della calce di
idrolisi che accelera la reazione pozzolanica
delle ceneri, costituisce spesso un vantagSviluppo delle resistenze in una miscela
gio. E’ questo il caso dei calcestruzzi precon ceneri
P a gi n a 3
“L’introduzione delle
ceneri, … contribuisce
allo sviluppo della
resistenza del
calcestruzzo, lo rende
meno permeabile, più
durabile e meno soggetto
al degrado.”
P a gi n a 4
Effetto dell’aggiunta di cenere sul gradiente termico all’interno del getto
LE
NORME TECNICHE PER IL RIUTILIZZO
DELLE CENERI NEI CALCESTRUZZI
In base alla normativa tecnica vigente le
ceneri di carbone possono essere utilizzate
nelle miscele per calcestruzzi:
• come aggiunte di tipo II (pozzolane), in
parziale sostituzione del cemento, secondo le modalità descritte nella UNI EN
206-1 e in accordo alle prescrizione della
UNI EN 450 “Ceneri volanti per calcestruzzo” (1995);
• come aggiunte di tipo I (filler), ad integrazione della frazione fine degli aggregati, secondo le modalità descritte nella
UNI EN 206-1 e in accordo alle prescrizione della UNI prEN 12620 “Aggregati
per calcestruzzo” (2000).
La norma UNI EN 206-1 “Calcestruzzo:
Specificazione, prestazione, produzione e
conformità” (2001) distingue i calcestruzzi
in base alle classi di esposizione ambientale
cui saranno soggetti in esercizio (ambiente
secco o umido, con gelo, marino, chimicamente aggressivo, ecc.) e per ciascuna classe indica il contenuto minimo di cemento
(cmin) necessario per garantire una sufficiente durabilità del manufatto all’azione degli
agenti atmosferici.
Nel calcolo del tenore di cemento, la norma
consente di tener conto delle ceneri introdotte utilizzando un fattore di equivalenza
“k” . Secondo il concetto di “legante equivalente”, il tenore minimo di cemento prescritto dalla UNI EN 206-1 per la durabilità
del calcestruzzo può essere calcolato applicando la formula [cemento] + k · [cenere].
Il valore di “k” da assumere nella formula è
pari a 0,4 se le ceneri sono introdotte in
parziale sostituzione di cemento tipo I con
classe di resistenza ≥ 42,5 N/R; è invece
pari a 0,2 se si adotta un cemento tipo I,
[1] http://www.enel.it/it/produzione/ricerca/script/05_1.asp
[2] http://tecnet.pte.enel.it
classe 32,5 N/R o cementi tipo II A, III A,
IV A, V A con classi di resistenza 32,5 N/R
o ≥ 42,5 N/R. Il tenore massimo di cemento sostituibile, ∆c, è indicato dalla relazione: ∆cmax ≤ k (cmin - 200) [kg/m3], mentre la
quantità massima di ceneri considerate nel
calcolo del legante equivalente è dato dalla
ulteriore relazione cenere/cemento ≤ 0,33.
Ad esempio, volendo progettare un calcestruzzo da esporre in opera a fenomeni corrosivi indotti da carbonatazione e cicli bagnato/asciutto (classe di esposizione XC4)
ovvero indotti da cloruri per nebbia salina
(classe XS1), il contenuto minimo di cemento consigliato è di 300 kg/m3. Utilizzando un cemento tipo CEM I 42,5 per il
quale vale k=0.4, dalla prima delle precedenti disuguaglianze si ricava con facili
passaggi un tenore limite di ceneri di 100
kg/m3, mentre dalla seconda di 88,2 kg/m3.
Assumendo la condizione più restrittiva, è
quindi possibile introdurre 88,2 kg di ceneri
per m3 di calcestruzzo sostituendo 35,2 kg/
m3 di cemento.
Le ceneri non conformi alla UNI EN 450, e
con valori di incombusti fino al 10%, possono essere utilizzate nei calcestruzzi come
aggiunte di tipo I (filler) in aggiunta al cemento (quindi con k=0), adottando un tenore limite suggerito di 45 kg/m3. Il loro utilizzo è comunque sconsigliato nel caso di
calcestruzzo soggetto a cicli alternati di
gelo/disgelo (classe di esposizione ambientale XF1-4), essendo stata talvolta osservata
in corrispondenza dei più elevati tenori di
incombusti (7-10%) una riduzione
dell’efficacia degli additivi aeranti utilizzati
per contrastare questa forma di aggressione.