Calcestruzzi con ceneri volanti

La cenere volante (FA, fly ash) è una polvere fine recuperata dai gas generati durante la combustione di carbone nelle centrali elettriche.

Tale carbone è composto in parte da una serie di minerali che, a seguito delle elevate temperature raggiunte nella camera di combustione, fondono assumendo la forma di minuscole goccioline.

Tali gocce vengono trascinate dai fumi all’esterno della camera di combustione (da qui il nome di

cenere volante) ed il brusco raffreddamento

impedisce la riorganizzazione del reticolo cristallino facendole solidificare con una struttura principalmente amorfa (o altrimenti detta vetrosa). Sono costituite da micro-particelle di forma sferoidale di dimensioni paragonabili a quelle del cemento; da un punto di vista della composizione chimica, in generale una cenere volante è costituita principalmente da silicio, alluminio, calcio, ferro e da quantitativi minori di sodio, potassio, manganese ed elementi in traccia (Tab.6)[n].

Centrale termica SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO

Brindisi 44,9 29,2 5,1 3,7 0,9

La Spezia 43,1 28,2 5,4 4,5 1,6

Fusina 45,7 29,7 4,2 4,8 1,1

Vado Ligure 43,4 24,7 8,7 3,0 1,6

Montefalcone 44,5 30,8 4,1 5,0 1,1

Tali peculiari caratteristiche conferiscono alle ceneri volanti la cosiddetta attività pozzolanica, cioè la capacita di reagire con l’acqua e l’idrossido di calcio per formare fibre C–S–H (silicati di calcio idrati) del tutto analoghe a quelle che derivano dalla reazione di idratazione del cemento.

Tale attività è strettamente connessa alla granulometria e, conseguentemente, alla finezza della cenere[n].

È stata verificato che la reattività di una cenere, ovvero la sua propensione a reagire

Tab. 6. Composizione chimica media delle ceneri volanti proventi da alcune centrali termoelettriche italiane. Fonte: www.gageneral.com

Fig. 35. Schematizzazione del processo di formazione della cenere volante. Fonte: www.gageneral.com

L’utilizzo di FA in sostituzione di cemento presenta un duplice effetto benefico:

- in termini di sostenibilità: il suo utilizzo implica una riduzione del quantitativo di cemento richiesto per la miscela;

- riduzione dell’impatto ambientale derivante dalla produzione di calcestruzzo: rappresenta una soluzione per il suo costoso smaltimento come rifiuto.

Inoltre, l’utilizzo di cenere volante in calcestruzzi confezionati con aggregati riciclati, permette di migliorarne le sue proprietà meccaniche, rendendole sostanzialmente confrontabili, entro certi limiti dei rapporti di sostituzione, con quelle di un calcestruzzo ordinario confezionato con aggregati naturali [14].

Si ricorda che secondo la norma EN 206-1 è possibile considerare la FA come legante fino ad un quantitativo massimo in peso pari al 33% della quantità di cemento contenuta nella miscela.

L’uso di cenere volante come sostituto del legante, in accordo con i dosaggi previsti dalla norma, non comporta sostanziali differenze di resistenza rispetto ai calcestruzzi convenzionali; al contrario, l’aggiunta di cenere volante, oltre i limiti dettati dalla norma, ossia anche come inerte oltre che come legante, porta ad ottenere calcestruzzi che raggiungono valori di resistenza a compressione anche maggiori rispetto al calcestruzzo di riferimento, ma a tempi di maturazione più lunghi dei canonici 28 giorni [n].

Ciò che fondamentalmente si è riscontrato negli studi, svolti per l’azienda General Admixtures di Ponzano Veneto, su calcestruzzi con aggregati riciclati e con uso di ceneri volanti è che la capacità di assorbimento d’acqua degli inerti riciclati condiziona negativamente sia la lavorabilità che le performance meccaniche del calcestruzzo ed il decadimento delle caratteristiche del calcestruzzo è maggiormente evidente quanto maggiore è la quantità di RCA.

L’utilizzo di cenere volante migliora sensibilmente la lavorabilità del calcestruzzo; tale vantaggio è evidente per rapporti “fly ash/cemento” maggiori di 0.33[n].

Fig. 36. Cenere volante vista al microscopio elettronico.

Fonte: American Coal Ash Association, Report No.

FHWAIF-03-019 Fly Ash Facts for Highway Engineers

Fig. 37. Incremento delle prestazioni meccaniche. Fonte: [o]

di resistenza ancora accettabili rispetto ai calcestruzzi convenzionali; all’aumentare del quantitativo di aggregati riciclati immessi nella miscela (60% e 100%) diminuisce la resistenza meccanica, essenzialmente a causa della presenza di inerte riciclato di piccole dimensioni che si rivela particolarmente deleterio.

Le prove di trazione indiretta (“prova brasiliana”) hanno mostrato che all’aumentare della percentuale di aggregati riciclati anche la resistenza a trazione decresce in maniera sostanzialmente proporzionale a quella a compressione.

Le applicazioni

L’utilizzo delle ceneri volanti all’interno dei calcestruzzi per opere civili, industriali, commerciali, pubbliche e private, è diffuso da oltre 50 anni. Le quantità sono in rapido aumento per ragioni economiche, tecnologiche ed ambientali.

Nei lavori autostradali ceneri volanti si usano, per esempio, per calcestruzzi ad alta prestazione e ad elevata durabilità nei ponti e nei viadotti, per gli stabilizzati nei sottofondi delle strade e delle pavimentazioni, nei riempimenti fluidi di trincee e cavità, per gli SCC (Self Compacting Concrete), per le malte, le boiacche, i riempimenti strutturali e come filler in genere (anche come filler nei conglomerati bituminosi). Nelle strutture massicce (plinti, pilastri, pulvini, platee di fondazione, muri di sostegno, rivestimenti di gallerie, ecc.) l’uso della cenere volante è particolarmente efficace poiché permette di ridurre la fessurazione dovuta all’incremento delle temperature causate dallo sviluppo del calore di idratazione del cemento[o].

Fig. 38. Riduzione della porosità e delle efflorescenze nel calcestruzzo per minor contenuto di Ca(OH)2 libero. Fonte: [o]

Nel nostro paese l’utilizzo della cenere volante sta crescendo e alcuni applicazioni importanti lo sono il Passante di Mestre, le Torri Alte, il Mose a Venezia, solo per citare alcuni esempi.

L’utilizzo delle ceneri volanti all’interno dei calcestruzzi ha anche un beneficio nei confronti dell’ambiente poiché, grazie al miglioramento della durabilità del materiale, la vita utile delle strutture aumenta considerevolmente. Inoltre in questo modo si riutilizzano prodotti secondari e si riduce il consumo di materie prime naturali e di energia, oltre che di emissione di CO2 in atmosfera.

In realtà i Governi dei paesi più avanzati stanno sempre più favorendo l’uso delle cosiddette Materie Prime Secondarie; vale a dire quei prodotti, come le ceneri volanti, che sono a valle di un processo produttivo e che possono essere le materie prime per un successivo processo che porta ad altri prodotti.