Scorie da industrie metallurgiche

Il settore siderurgico rappresenta un’attività che potenzialmente è in grado di esercitare una notevole pressione sull’ambiente a causa delle quantità di materiali coinvolti o della loro natura.

Il ferro e le scorie ferrose sono co-prodotti dell’industria siderurgica e si presentano come materiali scuri simili a rocce.

Possono essere prodotte tipi di scorie differenti in base al processo produttivo dell’acciaio.

L’industria europea dell’acciaio è concorde nel distinguere essenzialmente quattro grandi famiglie di scorie siderurgiche:

- scoria da altoforno granulata (GBS) o raffreddata a aria (ABS), detta comunemente loppa da altoforno;

- scoria da convertitore (basic oxygen furnace slag- BOS);

- scoria da forno elettrico (electric arc furnace slag - from carbon (EAF C) o

stainless/high alloy steel production (EAF S));

- scoria da metallurgia secondaria (SECS).5

In commercio non esistono ancora calcestruzzi con aggregati riciclati utilizzati nell’edilizia, ma si stanno sostenendo diversi studi al riguardo. All’Università di Padova il Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale ed Edile con il Dipartimento di Ingegneria Industriale stanno investigando da diversi anni sulla possibilità di sostituire, anche parzialmente, gli aggregati naturali con le scorie da EAF.

Scorie da Electric Arc Furnace

Le EAF scorie sono prodotte durante la lavorazione dell’acciaio grezzo tramite il processo con forno elettrico ad arco. In questo processo i rottami di acciaio sono scaldati con dei flussi (es. calce e/o dolomite) allo stato liquido per mezzo di una corrente elettrica. Durante il processo di fusione i flussi, combinati con componenti dei rottami non metallici, formano la scoria liquida. Poiché la scoria ha una densità inferiore dell’acciaio, essa galleggia sopra il bagno fuso.

A seconda della qualità dell'acciaio destinazione (acciaio al carbonio o acciaio /alta acciai legati), possono essere generati due diversi tipi di scorie:

- EAF C: Elettrico scorie di forno ad arco dalla produzione di acciaio al carbonio - EAF S: Elettrico scorie di forno ad arco di produzione di acciaio inossidabile.

Le scorie EAF sono un aggregato forte, denso e non poroso di forma cubica con una buona resistenza alla lucidatura ed ha un'eccellente affinità con bitume. Questo lo rende un aggregato ideale per materiali di superficie come l’asfalto o materiali resistenti alla deformazione, sicuri e durevoli.

Quest’ultimo tipo di forno produce più del 40% dell’acciaio globale, permettendo la sua produzione a partire da rottami e mirando a una produzione competitiva e sostenibile.

A differenza delle scorie prodotte dagli alti forni, le quali vengono riciclate come additivi attivi con il cemento Portland, le scorie EAF hanno grossi problemi nel riutilizzo.

Con tale scopo sono stati eseguiti dei test su calcestruzzi con diverse percentuali di scorie EAF, sia come aggregato fine che a grossa granulometria.

Uso delle scorie come aggregati

L'utilizzo di aggregati scorie derivanti dalla produzione di ferro e acciaio nelle costruzioni risale ai Romani, i quali utilizzavano scorie schiacciate provenienti dalla

produzione di ferro per costruire le loro strade. Al giorno d'oggi le scorie sono ancora

utilizzate per costruire strade ma, il loro uso non è più solo limitato a questo, ma sono ampiamente utilizzati in tutti i tipi di opere civili.

Le scorie EAF sono particolarmente utili come aggregato, poiché possiedono un’elevata resistenza meccanica dei granuli, che supera quella di molti aggregati naturali.

Per la produzione di aggregati le scorie subiscono un trattamento consistente principalmente nello schiacciamento e/o nella schermatura. Questo permette di ottenere una classificazione degli aggregati e altre proprietà correlate in conformità alle norme o specifiche europee sui prodotti, concordate con il cliente.

A partire dal 1990 la maggior parte dei requisiti indicati nelle norme nazionali per l'edilizia sono state armonizzate e sostituite da norme europee. Le più importanti norme europee, riguardanti l’utilizzo di scorie nel settore della costruzione e come fertilizzante, sono riportate nella seguente tabella.

European standards/technical guides

EN 197-1 Cement – Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common

cements

EN 206 Concrete

EN 1744-1 Tests for chemical properties of aggregates – Part 1: Chemical analysis

EN 1744-3 Tests for chemical properties of aggregates – Part 3: Leaching of aggregates

EN 12945 Fertiliser

EN 12620 Aggregates for concrete

EN 13139 Aggregates for mortar

EN 13043 Aggregates for bituminous mixtures and surface treatments for roads, airfields and

EN 13242 Aggregates for unbound and hydraulically bound materials for use in civil engineering work and roads construction

EN 13383-1 Armourstone – Part 1: Specification

EN 13383-2 Armourstone – Part 2: Test methods

EN 13285 Unbound mixtures - specifications

EN 14227-2 Hydraulically bound mixtures – Specifications – Part 2: Slag bound mixtures

EN 14227-12 Hydraulically bound mixtures – Specifictions – Part 12: Soil treated by slag

EN 15167-1 Ground granulated blastfurnace slag for use in concrete, mortar and grout - Part 1: Definitions, specifications and conformity cryteria

EN 13282 Hydraulic road blinders – Composition, specifications and conformity criteria

EN 13450 Aggregates for railway ballast

Le norme sugli aggregati contengono i requisiti aggiuntivi per loppa d'altoforno e scorie di acciaio per quanto riguarda la stabilità del volume. In generale le proprietà delle scorie di ferro e acciaio per aggregati sono comparabili con le proprietà degli aggregati naturali.

L’aggregato di scorie può essere utilizzato come materiale da costruzione in applicazioni non legate (dove l'aggregato non è vincolato) nonché in applicazioni associate (miscele contenenti leganti quali cemento, bitume o una sostanza che vincola le strutture ad essere a contatto con l'acqua). Inoltre tali aggregati possono essere utilizzati all’interno del campo delle costruzioni per il trattamento delle acque reflue in virtù delle loro proprietà assorbenti per le sostanze inquinanti.

Uso degli aggregati BLAST FURNACE SLAG STEEL SLAG (BOS, EAF C and EAF

S)

GBS ABS

Miscele nonlegate e leganti idraulici x x x

Miscele bituminose x x x Calcestruzzo x x x Malta x x x Ferrovie x x Coperture x x Argini e riempimento x x x

Trattamento delle acque di scarto x x

Controllo della qualità dell’aria x

Le sperimentazioni eseguite dall’Università di Padova constatano che l’uso di aggregati di scorie EAF ha un impatto negativo sulla lavorabilità delle miscele quando il rapporto di sostituzione diventa alto (più del 50%). Viene infatti consigliato di mantenere almeno il 50% del contenuto di aggregati naturali fini, per evitare difficoltà nella preparazione della miscela[13].

Oltre ad aumentare il peso specifico del calcestruzzo, l’uso di scorie EAF come aggregato grosso contribuisce ad aumentare la resistenza alla compressione e alla trazione e il modulo elastico.

D'altro canto quando viene sostituito l’aggregato fine nella sua totalità, questo ha un'influenza negativa sulla resistenza alla compressione causando perdite fino al 7% rispetto alla miscela tradizionale.

L’invecchiamento accelerato dei campioni di calcestruzzo ha dimostrato che quelli contenenti scorie EAF come aggregati fini aveva un amento meno significativo della resistenza a compressione rispetto a quelli con scorie EAF solo come aggregati grossi. Entrambe le miscele, tradizionali e riciclate, hanno mostrato una diminuzione significativa in resistenza quando sottoposti a cicli di bagnatura e asciugatura: perdite circa del 15% per il calcestruzzo tradizionale e fino al 22% circa per il calcestruzzo con aggregati riciclati.

Infine si è constatato che il reticolo cristallino di scorie EAF possiede una struttura complessa che sembra migliorare la stabilità del materiale e che non si osserva una significativa differenza della struttura chimica e mineralogica in campioni prima e dopo le prove di durata.