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L’utilizzo delle ceneri da biomassa nei conglomerati cementizi. Stato dell’arte per applicazioni nelle dighe

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L’utilizzo delle ceneri da biomassa nei conglomerati cementizi. Stato dell’arte per applicazioni nelle dighe

Il presente documento è stato redatto nell’ambito del progetto “Studi su potenziali sviluppi delle energie rinnovabili – Metodi per la sicurezza dei bacini idroelettrici e l’utilizzo ottimale della risorsa idrica” definito nell’Accordo Triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico e E.R.S.E. S.p.A. firmato il 29 Luglio 2009. La sempre maggiore diffusione in Italia degli impianti energetici basati sulla combustione di biomassa comincia a porre problemi riguardanti lo smaltimento dei residui solidi (ceneri) che si producono in quantità rilevanti. In alternativa al loro conferimento in discarica, le ceneri leggere da biomassa possono essere riutilizzate in applicazioni industriali, ad esempio nel settore delle costruzioni, come componenti del cemento e/o dei conglomerati cementizi (malta e calcestruzzo) e nella fabbricazione di materiali ceramici. Tuttavia, ancora scarse sono le informazioni disponibili sulle prestazioni dei materiali realizzati con tali tipologie di cenere. Con la ricerca in oggetto s’intende, pertanto, perseguire l’obiettivo del riutilizzo delle ceneri leggere derivanti dalla combustione di biomassa solida per la formulazione di conglomerati cementizi. Ciò in considerazione delle allettanti ricadute applicative che possono derivare da un tale riutilizzo, sia in termini di costi che di benefici di carattere ambientale e, probabilmente, anche di natura tecnica, almeno in talune applicazioni. Con particolare riferimento agli aspetti ambientali va, infatti, tenuto presente che la parziale sostituzione del cemento Portland con cenere leggera contribuisce, non solo, a risolvere il problema dello smaltimento delle ceneri, ma anche, a ridurre le emissioni di anidride carbonica connesse con la produzione industriale dei cementi. Nello specifico, si intendono verificare le principali proprietà delle miscele cementizie ottenute con le ceneri da biomassa: le caratteristiche allo stato fresco, il comportamento meccanico e deformativo e la durabilità nel tempo. Tra le problematiche di durabilità s’intendono approfondire gli eventuali effetti benefici delle ceneri da biomassa nei confronti della mitigazione del rischio di degrado per reazione alcali-silice, come pure per dilavamento ad opera di acque aggressive, fenomeni che coinvolgono sempre più frequentemente i processi d’invecchiamento dei calcestruzzi delle dighe Italiane. Con riferimento al periodo di svolgimento delle attività del PAR 2009, nell’ambito di una collaborazione gratuita con il Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente (ICMA) dell’Università di Roma “La Sapienza”, si è innanzitutto condotta una sperimentazione preliminare, atta a verificare l’idoneità all’uso, in miscele cementizie, di una cenere leggera da combustione mista di cippato di legna vergine e torba, proveniente da un impianto termico di combustione mista (“co-firing”) italiano. I risultati di tale sperimentazione, oggetto di una presentazione a un congresso internazionale 1 , hanno dimostrato l’idoneità di questa cenere all’uso in miscele cementizie dal punto di vista delle caratteristiche di presa, indurimento e sviluppo della resistenza meccanica, almeno fino al dosaggio massimo di cenere (30% in peso della miscela) e al tempo ultimo di stagionatura (60 giorni) indagati. Nello stesso periodo di attività del PAR 2009, è stata anche condotta un’indagine bibliografica a livello nazionale ed internazionale riguardo all’utilizzo delle ceneri leggere da biomassa (combustione mista di biomassa con carbone o combustione di biomassa pura) nei conglomerati cementizi. In particolare, sono state esaminate le prestazioni dei calcestruzzi con aggiunta di cenere leggera da biomassa (fisiche, meccaniche e di durabilità), a confronto con quelle dei calcestruzzi con ceneri leggere da carbone, le cui caratteristiche pozzolaniche sono note da tempo ed il cui impiego nei conglomerati cementizi costituisce una pratica consolidata da decenni. Specifica attenzione è stata posta anche alle proprietà di interesse dei calcestruzzi massivi quali l’aumento della temperatura in fase di idratazione, la resistenza ai cicli di gelo e disgelo, la durabilità nei confronti delle acque aggressive e la resistenza alla reazione alcali-silice. 1 Berra M., De Casa G., Ergul S., Mangialardi T., Paolini A.E., “Use of co-fired woody biomass and peat fly ash in cementitious mixes”, VII International Congress “Valorisation and Recycling of Industrial Wastes”, VARIREI 2009, L’Aquila, 21-23 Settembre 2009.

Qualche informazione è già disponibile per le ceneri leggere da combustione mista di biomassa e carbone, ceneri che possono essere utilizzate nel calcestruzzo alla stessa stregua delle ceneri da carbone, e cioè come “pozzolane”, secondo le modalità descritte nella norma UNI EN 206-1 ed in accordo alle prescrizioni della UNI EN 450 “Ceneri volanti per calcestruzzo”. Tuttavia, esistono ancora limitazioni e difficoltà di impiego dal momento che le loro caratteristiche non sono ancora ben conosciute e le prestazioni non sufficientemente sperimentate. Più problematico appare invece l’impiego, nei conglomerati cementizi, delle ceneri leggere da pura biomassa. Queste, infatti, possono presentare caratteristiche anche molto diverse tra loro (a seconda del tipo di biomassa di origine e del tipo di combustione) e, conseguentemente, il loro uso nel calcestruzzo può portare ad effetti decisamente differenti. Ad esempio sono documentati casi in cui la presenza di cenere da pura biomassa porta a evidenti cali delle resistenze meccaniche dei conglomerati cementizi ed altri casi in cui le ceneri da biomassa pura riescono, invece, a garantire resistenze a compressione superiori a quelle dei calcestruzzi di riferimento (con solo cemento Portland). Attualmente, non si è in grado di giudicare, sulla base della sola composizione chimica delle ceneri da pura biomassa, circa la loro potenziale idoneità all’uso in calcestruzzi e malte. Per questo motivo, sarebbe utile l’individuazione di specifici parametri tecnologici, riferiti alle ceneri stesse e determinati sperimentalmente con prove rapide, attraverso i quali formulare previsioni sulle prestazioni dei conglomerati cementizi contenenti ceneri da biomassa. L’esame e l’approfondimento di questi aspetti della ricerca, unitamente ad una loro verifica sperimentale, sono previsti nei prossimi anni, con una collaborazione formalizzata (contratto di ricerca) con il Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente dell’Università di Roma “La Sapienza”, con cui si è già lavorato congiuntamente, arrivando alla pubblicazione delle indagini preliminari nell’ambito del già citato congresso scientifico.

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