Vetro riciclato negli aggregati fini per calcestruzzo

Gli aggregati provenienti da recupero di vetro trovano la loro giustificazione di impiego in alcune ricerche disponibili in letteratura internazionale che accrescono la percezione delle potenzialità di impiego degli aggregati di vetro. Di seguito caso di studio australiano sul vetro riciclato in sostituzione parziale degli aggregati fini nel calcestruzzo strutturale

La gestione dei rifiuti è diventato un argomento chiave su scala mondiale. Il vetro, essendo non biodegradabile, non è adatto allo smaltimento in discarica e pertanto occorre cercarne opportunità di riciclo. A causa dell'elevato utilizzo di materiali da parte dell'industria delle costruzioni, l'impiego di rifiuti di vetro in sostituzione parziale degli aggregati fini nel calcestruzzo strutturale appare una scelta interessante.
La ricerca mostra il livello percentuale di sostituzione del vetro che garantisce risultati ottimali sulla resistenza alla compressione, dunque un impiego ottimale, non una scelta di ripiego per mettere da qualche parte un materiale da abbandonare. Il vetro per le sue applicazioni tipiche può essere riciclato all'infinito senza alcuna perdita in termini di qualità, ma deve prima essere separato per colori. Si tratta di un processo costoso, e di conseguenza i rifiuti di vetro sono sempre più utilizzati per applicazioni dove avere un mix di colori non costituisce un problema, e cioè come aggregato nelle costruzioni civili.
L'industria delle costruzioni rappresenta un mercato interessante per l'impiego dei rifiuti di vetro. La produzione di calcestruzzo è un'attività che richiede un elevato consumo di risorse ed energia, essendo un settore responsabile per circa il 5-8% delle emissioni globali di gas serra (Scrivener and Kirkpatrick 2008). E' pertanto necessario valutare delle opportunità per ridurre gli impatti ambientali dell'industria del calcestruzzo. Si può quindi dedurre che incorporare il vetro riciclato come aggregato nel calcestruzzo strutturale ha il potenziale non solo di produrre benefici ambientali risultanti nella riduzione delle discariche e dell'utilizzo di materie prime, ma anche di ridurre i costi sostenuti dall'industria delle costruzioni.

in cosa consiste lo studio preso in esame?
Tre campioni di calcestruzzo sono stati sottoposti a prove a 7 e 28 giorni, con percentuali di sostituzione del vetro del 15, 20, 25, 30 e 40%. La resistenza a compressione è aumentata fino ad una percentuale di sostituzione di aggregato fine pari al 30%, e precisamente la resistenza sviluppata è stata rispettivamente del 9% e del 6% in più rispetto al mix di base con maturazione a 7 e a 28 giorni. Ciò dimostra come il calcestruzzo contenente fino al 30% di aggregato fine di vetro mostri uno sviluppo della resistenza alla compressione maggiore rispetto al calcestruzzo tradizionale.

La storia
Studi precedenti sugli effetti dell'incorporazione dei rifiuti di vetro nel calcestruzzo avevano posto l'attenzione in merito alla loro idoneità in sostituzione degli aggregati grossi. I risultati di questi test avevano dimostrato come la presenza di particelle più grandi di vetro causa un'espansione eccessiva e la spaccatura dei campioni di calcestruzzo, compromettendone l'integrità strutturale. Questi effetti possono essere attribuiti alla forte reazione tra gli alcali presenti nel cemento e la silice reattiva nel vetro (Johnson 1974). Al fine di minimizzare la reazione alcali-silice (ASR), si era proceduto a valutare la sostituzione parziale degli aggregati fini e/o cemento nel calcestruzzo. La ricerca aveva concluso che proporzioni crescenti di vetro frantumato in sostituzione degli aggregati fini determinano una crescita della reazione alcali-silice (Oliveira et al. 2013, Serpa et al. 2013).
Saccani e Bignozzi (2008) avevano rilevato che le miscele contenenti fino al 35% di aggregati fini di vetro mostrano livelli di espansione inferiori al limite stabilito nell'ASTM C1260 (American Society for Testing and Materials 2007). Inoltre, Zhu et al. (2004) avevano individuato come le particelle di vetro più fini di 1,18 mm determinino un'espansione minore rispetto agli aggregati fini naturali, anche dopo test prolungati.
Chen e altri (2006) hanno provato che quando il vetro è stato frantumato in particelle con dimensioni inferiori a 75µm, i campioni di calcestruzzo hanno raggiunto un prolungato sviluppo della resistenza alla compressione; questo comportamento può essere attribuito alla natura pozzolanica della polvere di vetro molto fine. Uno studio svolto da Shayan e Xu (2006) aveva confermato che i campioni di calcestruzzo contenenti vetro come aggregato fine hanno raggiunto livelli superiori di resistenza a compressione rispetto a quelli contenenti vetro in sostituzione del cemento. Simili risultati erano stati ottenuti da Taha e Nouno (2009), che avevano scoperto come il calcestruzzo contenente vetro in sostituzione parziale del cemento mostra livelli di resistenza alla compressione più bassi rispetto al mix di base. A causa dell'importanza dello sviluppo della resistenza a compressione nel calcestruzzo strutturale, si può concludere da questi risultati che i benefici maggiori possono derivare dall'incorporare i rifiuti di vetro in sostituzione degli aggregati fini, con dimensioni delle particelle limitate per assicurare che gli effetti nocivi della reazione alcali-silice siano mitigati. Studi recenti focalizzati sull'idoneità dell'utilizzo dei rifiuti di vetro in sostituzione parziale degli aggregati fini avevano riscontrato risultati più confortanti.
Uno dei risultati chiave di questa ricerca aveva dimostrato che il colore del vetro non influisce sulle proprietà del calcestruzzo (Park et al. 2004), eliminando la necessità di separare il vetro post-consumo per colori, rendendo così questa una forma più semplice ed economica di riciclo. Era stato dimostrato come l'aggiunta di aggregati di vetro riduca lo slump del calcestruzzo, con la lavorabilità considerata comunque ancora sufficientemente adeguata, senza bisogno di miscele a livelli di sostituzione fino al 50% (Taha and Nounu 2008).
Era stato dimostrato che l'aggiunta di rifiuti di vetro in proporzioni maggiori influenza negativamente le proprietà del calcestruzzo fresco, determinando gravi situazioni di segregazione e bleeding (essudamento) del calcestruzzo (Taha e Nounu 2009).

Metodologia impiegata nell'esperimento australiano

Mix design
I mix design adottati nello studio sono in accordo con le procedure specificate nell'ACI 211.1 (American Concrete Institute 2009).
Tutte le miscele sono state impostate al fine di poter raggiungere una resistenza alla compressione di progetto di 40 MPa dopo 28 giorni. Il corrispondente rapporto acqua/cemento è stato assunto pari a 0,42. È stato prodotto un mix di base contenente solo aggregati naturali, con 5 miscele risultanti che incorporano rifiuti di vetro in sostituzione parziale di aggregati fini in percentuali del 15, 20, 25, 30 e 40%. Poiché il vetro frantumato ha mostrato un modulo di finezza inferiore rispetto agli aggregati naturali, sono state fatte piccole modifiche in ogni mix design per assicurare che i parametri progettuali di resistenza e lavorabilità rimanessero costanti.
Le modifiche hanno riguardato l'aumento del volume dell'aggregato grosso per compensare il ridotto modulo di finezza, e quindi una conseguente riduzione nel volume dell'aggregato fine. Questi cambiamenti hanno assicurato il raggiungimento di una resistenza a compressione di progetto di 40 MPa per tutte le ricette. Un riassunto dei singoli mix design è presentato nella Tabella 1 di seguito riportata.

Preparazione del materiale

Aggregati fini e grossi
Per quanto riguarda gli aggregati utilizzati in questo progetto, l'aggregato grosso è di natura angolare, con una dimensione nominale massima di 19 mm, l'aggregato fine è sotto forma di sabbia di fiume. Le proprietà fisiche di entrambi gli aggregati sono descritte nella Tabella 2. Sia l'aggregato grosso sia quello fine utilizzati in questo progetto sono conformi ai requisiti specificati nell'AS 2758 (Australian Standards 2014).

Rifiuti di vetro
I rifiuti di vetro per questo esperimento provengono da un'azienda di riciclaggio che li sottopone ai processi di frantumazione e macinazione per creare aggregati fini.
Il vetro è stato poi sottoposto ad un ulteriore processo di setacciatura meccanica, scartando i frammenti maggiori di 1,18 mm. Il processo di setacciatura ha anche consentito la rimozione di impurità organiche. Ciò ha portato ad una granulometria non conforme tra i due aggregati fini (quello naturale e quello artificiale di vetro), con il vetro caratterizzato con un modulo di finezza inferiore (Tabella 2). La tipica composizione chimica degli aggregati di vetro è riportata nella Tabella 3. Le dimensioni delle particelle di vetro risultanti e la granulometria della sabbia sono esposti nella Tabella 4, mentre le proprietà fisiche sono descritte nella Tabella 2. Queste variazioni sono state considerate nei processi di mix design per assicurare che i campioni di calcestruzzo risultanti fossero paragonabili. La rimozione dei frammenti maggiori di 1,18 mm consente di limitare la reazione alcali-silice. è possibile affermare che aggregati di vetro di dimensioni superiori a 1,18 mm si comportano come elementi di silice amorfa, che, a contatto con gli alcali del cemento e in ambiente favorevole, innescano il fenomeno di reazione.

Cemento
Il cemento utilizzato nella produzione di tutto il calcestruzzo per la ricerca illustrata è un cemento Portland per scopo generico.

Risultati sperimentali e discussione

Lavorabilità
La prova di slump è stata adottata come misura primaria della lavorabilità del calcestruzzo ed è stata condotta in conformità all'AS 1012.3.1 (Australian Standards 2014). I risultati ottenuti da questi test sono riportati nello Schema 1.
Uno slump iniziale di 65 mm è stato ottenuto per il mix del calcestruzzo normale, con miscele contenenti rifiuti di vetro che hanno mostrato uno slump che oscillava tra il 15% in più e il 30% in meno rispetto al mix di base. Indipendentemente da queste discrepanze, si nota come lo slump dimostri una tendenza decrescente in risposta all'aggiunta degli aggregati di vetro. Simili osservazioni erano state registrate nelle ricerche precedenti, concludendo che ciò può essere attribuito alla azione combinata della geometria del vetro e della riduzione nel modulo di finezza (Ismail e AlHashmi 2009).
Si potrebbe discutere sul contributo del modulo di finezza a questa tendenza, in quanto questi effetti erano stati tenuti in considerazione durante il processo di mix design attraverso un'alterazione del rapporto tra l'aggregato grosso e fine.
Si può pertanto dedurre che la riduzione dello slump sia dovuta alla geometria angolare delle particelle di vetro, che aumenta l'attrito interno, nell'impasto cementizio, alterando la fluidità del mix. Gli aggregati di vetro creano un attrito interno maggiore rispetto ad aggregati con particelle tondeggianti. Nonostante la riduzione nei valori di slump, tutti i mix del calcestruzzo sono stati considerati lavorabili e rientravano nei livelli di tolleranza di 25 mm.
Durante la preparazione non sono stati riscontrati eccessivi bleeding (o essudamento) o segregazione dei campioni di calcestruzzo, a conferma delle precedenti ricerche che avevano indicato come le sostituzioni di aggregati fini per meno del 50% avessero effetti negativi minimi sulle proprietà del calcestruzzo fresco (Taha e Nounu 2009).

Test su densità del calcestruzzo fresco e secco
Come si evince dallo Schema 2, la sostituzione della sabbia con i rifiuti di vetro ha un effetto misurabile sia sulla densità del calcestruzzo fresco sia secco, con una tendenza decrescente che risulta dall'aggiunta di vetro al mix.
Ad un livello di sostituzione del vetro del 40%, si ha una variazione rispettivamente del 2,4% e del 2% nelle densità del calcestruzzo fresco e secco, in rapporto al mix di base. Ciò può essere attribuito alla massa inferiore dell'aggregato di vetro, del 5,4% inferiore rispetto alla sabbia utilizzata. Questo effetto è stato comunque marginalmente compensato dalla riduzione nella proporzione tra l'aggregato fine e grosso in ogni mix risultante.
Questi risultati sono a supporto della ricerca precedente (Józsa e Nemes 2002; Topcu e Canbaz 2004) che era arrivata alla conclusione secondo cui l'unità di massa del calcestruzzo viene ridotta dalla sostituzione di aggregati fini naturali con il vetro.

Test di resistenza alla compressione a 7 e 28 giorni
Lo Schema 3 mostra i valori medi registrati dai test di resistenza alla compressione condotti sui campioni maturati per 7 giorni.
Si nota una tendenza crescente in linea con l'aggiunta degli aggregati di vetro, fino a raggiungere lo sviluppo della massima resistenza a compressione (46,5 MPa) ad un livello di sostituzione del 30%. Tutte le miscele contenenti rifiuti di vetro a questo livello hanno superato la resistenza sviluppata dal calcestruzzo base, con il 30% del mix di vetro che ha determinato una resistenza alla compressione superiore del 9%.
Questi risultati confermano la precedente ricerca condotta da Tuncan et al. (2001), dalla quale era risultato che la resistenza a compressione del calcestruzzo dopo 7 giorni di maturazione era aumentata con l'aggiunta del vetro, anche se con percentuali di sostituzione più basse.
L'aggiunta di rifiuti di vetro oltre il livello ottimale aveva avuto come risultato una riduzione significativa del livello di resistenza alla compressione sviluppato.
Ad un livello di sostituzione del vetro del 40%, la resistenza a compressione raggiunta (35,1 MPa) era stata del 17% inferiore rispetto al mix di base e del 25% inferiore rispetto al valore massimo registrato.
Lo Schema 4 mostra i risultati dei test di resistenza alla compressione dopo una maturazione di 28 giorni.
I risultati rispecchiano quelli del test a 7 giorni, con la resistenza a compressione che segue una tendenza crescente con l'aggiunta di rifiuti di vetro, fino ad una percentuale ottimale del 30%. A questo punto, la massima resistenza a compressione sviluppata è stata di 58,5 MPa, 6% in più rispetto a quella raggiunta dal calcestruzzo normale (55,1 MPa). L'aumento della resistenza rispetto a quella del mix di base può essere attribuita alla natura angolare dell'aggregato di vetro, che ha una superficie più ampia rispetto alle particelle di sabbia, tonde per natura. Questa superficie maggiore garantisce un migliore legame con l'impasto cementizio, risultante in una matrice di calcestruzzo più forte.
I campioni contenenti il 40% dei rifiuti di vetro avevano raggiunto una resistenza a compressione di 47,2 MPa, 16% in meno di quella del mix di base.
Ciò coincide con i risultati ottenuti dal test a 7 giorni, e si può pertanto concludere che i livelli di sostituzione del vetro oltre il 30% influenzano negativamente lo sviluppo della resistenza a compressione.
Simili risultati erano stati ottenuti da Malik e altri (2013), che avevano scoperto come la resistenza alla compressione sia ridotta dell'8% con una percentuale di sostituzione del vetro del 40% quando si adotta una distribuzione di particelle di vetro simile a quella adottata nel presente studio. Se studi precedenti avevano dedotto che questa tendenza è un risultato della ridotta aderenza tra le particelle di vetro e l'impasto cementizio di riferimento, i risultati della ricerca australiana suggeriscono che la natura angolare delle particelle di vetro può contribuire ulteriormente alla riduzione di resistenza già testimoniata. Si deduce che laddove siano presenti aggregati di vetro in proporzioni maggiori, vi sia un insufficiente impasto cementizio disponibile per facilitare il legame con tutte le particelle, risultando nella formazione di piccoli vuoti che influenzano negativamente la resistenza del conglomerato.

Commenti
I risultati ottenuti dai testi di resistenza alla compressione a 7 e 28 giorni (Schemi 3 e 4) apparirebbero mostrare risultati discordanti. Nelle prove a 7 giorni la resistenza a compressione per il campione con una sostituzione dell'aggregato di vetro del 20% aveva raggiunto un livello dell'1,9% inferiore rispetto al campione contenente il 15% dell'aggregato di vetro. Allo stesso modo, la resistenza a compressione a 28 giorni per campioni contenenti il 25% di rifiuti di vetro era stata del 3,5% inferiore rispetto a quella misurata con una percentuale di sostituzione del vetro pari al 20%. In effetti solo 2 campioni erano stati sottoposti a prove a 28 giorni, in quanto il terzo campione presentava dei vuoti per vibrazione insufficiente. Tutti i valori di resistenza a compressione ottenuti per i campioni in questione avevano raggiunto un livello superiore a quelli del mix di base. E' ragionevole dedurre che le discrepanze siano dovute alle variazioni nelle proprietà dei campioni di calcestruzzo e non riducono la validità della tendenza identificata.

Altri casi di studio...
Altri esperimenti volti ad investigare gli effetti della sostituzione di aggregati fini di vetro nel confezionamento di calcestruzzo autocompattante erano stati condotti da Yasser Sharifi, Mahmoud Houshiar e Benham Aghebati. Gli aggregati fini erano stati sostituiti con rifiuti di vetro in sei diversi rapporti di peso, fino al 50%.
I risultati ottenuti indicano come le caratteristiche di scorrevolezza vengono accresciute con l'incorporazione di rifiuti di vetro nel volume dell'impasto.
Al contempo è stata dimostrata la diminuzione della resistenza alla compressione, alla flessione e alla frammentazione del calcestruzzo quanto maggiore è la quantità di aggregati di vetro contenuti.
La riduzione della resistenza del calcestruzzo a seconda delle diverse proporzioni di sostituzioni del vetro non è notevole, pertanto il calcestruzzo autocompattante può essere prodotto con aggregati di vetro sostitutivi di aggregati fini.

Altri spunti sull'impiego di aggregati di vetro riciclato
Il vetro frantumato riciclato può dunque essere sostituito come aggregato fine nel calcestruzzo, il vetro finemente molato (polvere) possiede proprietà pozzolaniche e può essere utilizzato come additivo di Tipo II (pozzolanico). L'aggregato di vetro riciclato rientra nella definizione di aggregato artificiale contenuta nella norma EN 12620. Linee guida per l'utilizzo di questa norma sono fornite nella norma inglese BS 6682-1. Questa fornisce delle limitazioni per il vetro riciclato richiamate nella BS 8500-2. Al momento la normativa italiana non tratta l'argomento in modo specifico.
Nell'utilizzo del vetro riciclato nel calcestruzzo si corre il rischio di danneggiare il calcestruzzo favorendo la reazione alcali-silice, che deve essere dunque ridotta ad un livello accettabile. Ulteriori ricerche hanno infatti mostrato che quando la polvere di vetro viene utilizzata in percentuali superiori al 20% della massa del cemento, le reazioni pozzolaniche inibiscono la reazione alcali-silice. Quando il vetro riciclato viene utilizzato come un aggregato, il rischio potrebbe comunque essere minimizzato attraverso l'utilizzo della loppa granulata d'altoforno e/o metacaolino, ceneri volanti, fumi di silice come additivo di Tipo II; questi elementi normalmente si utilizzano infatti per esercitare l'azione pozzolanica. Tali risultati sono congruenti con quelli ottenuti nella citata ricerca australiana; aggregati di vetro di dimensioni inferiori a 1,18 mm esercitano un'azione pozzolanica, aggregati fini superiori a 1,18 mm tendono ad esercitare la reazione alcali-silice. La ricetta ideale va conseguita caso per caso a seguito di una ottimizzazione consapevole.

Esempi di commercializzazione
L'industria delle costruzioni pone sempre più l'attenzione sull'impatto ambientale dei materiali da costruzione. I pavimenti realizzati con aggregati di vetro hanno prestazioni e durabilità ottimali, e con i vetri riciclati è possibile raggiungere gli obiettivi ambientali previsti nei moderni progetti. Sul mercato statunitense sono sempre più diffusi i prodotti con vetri riciclati, che, rispecchiando le qualifiche LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), aiutano molto facilmente a raggiungere gli obiettivi verdi.

Conclusioni
I risultati ottenuti dimostrano come l'impiego degli aggregati di vetro sia "un valore aggiunto" e, sulla linea della legislazione ambientale volta allo sviluppo di un'edilizia sostenibile, possa fungere da incentivo per l'industria delle costruzioni affinché l'incorporazione di materiale inizialmente rifiuto divenga una pratica diffusa. Ciò risulterebbe in un duplice beneficio per l'ambiente, riducendo l'utilizzo delle materie prime e deviando ulteriori rifiuti dalle discariche.
I risultati principali dello studio possono essere riassunti come segue:
1) La lavorabilità del calcestruzzo segue una tendenza decrescente con l'aggiunta dell'aggregato fine di vetro, a causa della natura angolare delle particelle di vetro stesso. Nonostante ciò, il calcestruzzo risulta comunque lavorabile, rientrando negli specifici intervalli di tolleranza.
2) La percentuale ottimale di sostituzione della sabbia con l'aggregato fine di vetro è stata determinata al 30%.
È stato dimostrato come la resistenza a compressione sia aumentata con l'aggiunta fino al livello ottimale di sostituzione dei rifiuti di vetro alla miscela. Ciò può essere attribuito alla natura angolare delle particelle di vetro che facilitano il rafforzarsi del legame dell'impasto cementizio. È stato dimostrato come, se aggiunti in proporzioni superiori al 30%, i rifiuti di vetro abbiano un impatto negativo sullo sviluppo della resistenza alla compressione. Si deduce che, in quantità maggiori, la natura angolare dell'aggregato di vetro riduca l'impasto cementizio disponibile e porti alla formazione di vuoti microscopici all'interno della matrice del calcestruzzo.
Quando gli aggregati di vetro sono di dimensioni inferiori a 1,18 mm si comportano come una pozzolana, in quanto si combinano nell'impasto con la calce libera del cemento ed esercitano un'azione pozzolanica che contrasta la reazione alcali-silice, contribuendo anche ad incrementare le resistenze nel tempo. Un aggregato di vetro di dimensioni inferiori a 1,18 mm agisce come elemento inibitore della reazione alcali-silice quando viene utilizzato.
è inoltre auspicabile che il quantitativo di cemento venga ridotto al minimo indispensabile, per mantenere basso il tenore di alcali nell'impasto, l'aggiunta di polvere di vetro macinato con dimensioni inferiori a 1,18 mm esercita un'azione pozzolanica che, dando luogo a ulteriori prodotti di idratazione, incrementa ulteriormente le resistenze finali.
A questo punto appare fondamentale il ruolo del tecnologo per ottimizzare il mix design. Una tecnologia "green" apre sicuramente la strada alla richiesta di tecnologi in grado di rivedere l'impostazione tradizionale; ciò contribuirà allo sviluppo di una cultura dell'ecoprogettazione che non può prescindere anche da aspetti tecnologici. E' auspicabile che questa richiesta di professionalità veda il nostro Paese non solo quale utilizzatore di ricerche, tecnologie, prodotti sviluppati e testati all'Estero, ma anche quale sviluppatore di metodi, metriche, ricerche, tecnologie, prodotti sviluppati e testati all'Estero, ma anche quale sviluppatore di metodologie e tecnologie specificamente concepite, testate ed ottimizzate per il mercato "green" e ciò possa contribuire a rivitalizzare la filiera delle costruzioni, fondamentale per l'economia nazionale.

Bibliografia
"Recycled glass as a partial replacement for fine aggregate in structural concrete - Effects on compressive strength" M. Adaway & Y. Wang School of Engineering, Deakin University, Waurn Ponds, Australia, pubblicato sul numero speciale dell'Electronic Journal of Structural Engineering 14(1) 2015.
"Research Information Digest 2, Recycled glass" rivista CONCRETE, giugno 2005, pagine 44-46.