sustainable concrete: integrazione dei rifiuti nel ciclo di - SUS-CON

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]]