5.2 Utilizzo delle scorie come aggregato nel calcestruzzo
Le scorie dell’EFA contengono una piccola percentuale di silicio amorfo e un’alta percentuale di ossido di ferro. Ha poca o nessuna attività pozzolanica rispetto alle scorie d’altoforno, il che le rende inadatte all’uso come additivo del cemento. La grande durezza delle scorie d’acciaio ha portato a considerarle come un aggregato nel calcestruzzo. Molti studi sono stati condotti per esplorare questa possibilità.
In , le scorie d’acciaio sono state utilizzate per sostituire parte di una frazione di aggregato fine, in cui la sabbia silicea (pari al 15%, 30%, o 50%) o la frazione fine è stata completamente sostituita dalle scorie. In tutte le miscele, l’aggregato grosso era calcare. È stata studiata l’influenza che la percentuale di scorie ha avuto sulle proprietà del calcestruzzo fresco e indurito nelle classi di resistenza di 25, 35 e 45 MPa. Come previsto, a causa della maggiore densità delle scorie d’acciaio rispetto all’aggregato naturale, un aumento del contenuto di scorie ha aumentato la densità del calcestruzzo fresco del 5%-20% rispetto al calcestruzzo convenzionale. Questo è stato dichiarato come una delle caratteristiche più importanti del calcestruzzo con aggregati di scorie d’acciaio. Inoltre, con l’aumento della quota di scorie nel calcestruzzo, la sua consistenza è diminuita.
Per quanto riguarda la resistenza alla compressione, sostituendo l’aggregato fine con le scorie fino al 50% si sono raggiunti valori di resistenza alla compressione approssimativamente uguali o addirittura superiori a quelli del calcestruzzo di riferimento, mentre il calcestruzzo fatto di soli aggregati di scorie aveva una minore resistenza alla compressione. L’effetto positivo delle scorie sulla resistenza alla compressione del calcestruzzo era più pronunciato nella classe di resistenza inferiore del calcestruzzo. L’influenza delle scorie sulla resistenza alla trazione era più pronunciata del suo effetto sulla resistenza alla compressione. Vale a dire, l’aumento del contenuto di scorie nella massa totale di aggregati ha aumentato la resistenza alla trazione del calcestruzzo. L’effetto positivo delle scorie sulla resistenza alla trazione era anche più pronunciato nella classe di resistenza inferiore del calcestruzzo. La sostituzione degli aggregati naturali con le scorie ha creato una resistenza alla trazione da 1,4 a 2,4 volte superiore e una resistenza alla compressione fino a 1,3 volte superiore (con il 15% di scorie). La causa del declino della resistenza alla compressione con più del 50% di aggregato di scorie è stata trovata a causa della finezza delle scorie rispetto alla sabbia. In particolare, l’aumento della quantità di scorie nel calcestruzzo aumenta la quantità totale del materiale finemente macinato. Pertanto, è necessario un cemento che ricopra i grani. Eliminando le quantità eccessive di particelle fini nelle scorie, c’è stato un effetto molto positivo sulla resistenza alla compressione in tutti gli stadi di maturazione del calcestruzzo.
In , è stato studiato l’effetto della sostituzione di una frazione di aggregato grossolano nel calcestruzzo con scorie. Tutte le miscele testate sono state fatte con la stessa quantità di cemento e con lo stesso rapporto acqua-cemento. Sono stati confrontati la resistenza alla compressione, la velocità dell’impulso a ultrasuoni, l’assorbimento e la corrosione di una miscela con il rapporto di scorie in frazioni grossolane del 45%, 50%, 55%, 60% e 65% del peso totale dell’aggregato con il calcestruzzo di riferimento con calcare (con un rapporto grossolano-fine di 60:40). L’aumento della porzione di scorie nella massa totale di aggregato ha fatto aumentare anche la resistenza alla compressione e alla trazione del calcestruzzo. Con lo stesso rapporto di aggregati grossolani e fini (60:40), il calcestruzzo con scorie ha ottenuto una resistenza alla compressione leggermente superiore e una resistenza alla trazione leggermente inferiore rispetto al calcestruzzo di riferimento. L’assorbimento e la porosità della miscela diminuiscono all’aumentare della porzione di scorie, suggerendo possibili migliori proprietà di durata di tale calcestruzzo. La velocità dell’impulso a ultrasuoni è aumentata con l’aumento della porzione di scorie, suggerendo un maggiore modulo di elasticità del calcestruzzo con scorie come aggregato in relazione al calcestruzzo di riferimento.
È stata anche osservata una riduzione della resistenza alla compressione e della velocità dell’impulso a ultrasuoni dopo l’esposizione a variazioni termiche durante 60 cicli. Un ciclo consisteva nell’esporre i campioni a 70°C per 8 ore e a 25°C per 16 ore. La diminuzione della resistenza alla compressione durante la variazione termica era ridotta con l’aumento della porzione di aggregato di scorie nella miscela. L’effetto della variazione termica sulla velocità dell’impulso ultrasonico (e quindi sul modulo di elasticità del calcestruzzo) era meno pronunciato nel calcestruzzo che conteneva scorie rispetto al calcestruzzo di riferimento. Anche se l’aumento dell’assorbimento dovuto alle variazioni termiche era più pronunciato nelle miscele contenenti scorie che nel calcestruzzo di riferimento, l’assorbimento del calcestruzzo contenente scorie era sicuramente inferiore dopo i cicli di calore rispetto all’assorbimento del calcestruzzo di riferimento. Nello stesso documento è stata studiata anche la possibilità di un’azione corrosiva degli aggregati sull’acciaio. È stato riscontrato un aumento sostanziale della resistenza alla corrosione dell’acciaio costruito nel calcestruzzo contenente scorie rispetto al calcestruzzo di riferimento, e la corrosione dell’acciaio era più ritardata con l’aumento dell’aggregato di scorie.
Quando si analizza l’influenza dell’aggregato di scorie di acciaio sulle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo (cioè la resistenza alla compressione e alla trazione), è necessario considerare la zona di transizione interfacciale (ITZ) tra le particelle di aggregato e la matrice cementizia. Questa ITZ è considerata una zona debole del calcestruzzo. In questa regione, la comparsa di microsbavature intorno alle particelle di aggregato, la porosità e alcune caratteristiche microstrutturali dipendono da diversi fattori, come la qualità e la dimensione degli aggregati, il rapporto acqua-cemento, il legante e l’età della miscela. Inoltre, la morfologia (cioè la qualità) dell’ITZ gioca un ruolo importante nella permeabilità e nella durata del calcestruzzo.
La presenza di scorie di acciaio EAF nel calcestruzzo crea una morfologia ITZ diversa. In particolare, una ITZ più piccola e meno cava rispetto al calcestruzzo con aggregati naturali è il risultato della lenta migrazione di CaO dal nucleo dei grani di scoria d’acciaio alla sua superficie, con conseguente evoluzione chimica di CaO a carbonato di calcio. A causa di un ITZ più forte all’interno del calcestruzzo con scorie d’acciaio EAF, mostrato da particelle di aggregato rotte sulla superficie di frattura dopo i test di rottura meccanica del calcestruzzo, i risultati di resistenza meccanica del calcestruzzo (compressione e trazione) sono migliori. Tuttavia, poiché le scorie d’acciaio hanno una struttura porosa con fessure e crepe multiple, ci si può aspettare una rottura sotto carichi inferiori. Per ridurre l’impatto di questa struttura porosa sulle caratteristiche di resistenza nel calcestruzzo, l’aggregato di scorie d’acciaio può essere pretrattato mediante lucidatura in una macchina abrasiva di Los Angeles. Questo aggregato grossolano lucidato sembra avere una qualità migliore, con una superficie più liscia e una resistenza all’emersione delle microfessure. Ciò si traduce in una densità superficiale-asciutta più elevata e in un tasso di assorbimento dell’acqua inferiore rispetto al normale aggregato di scorie d’acciaio non trattato. Inoltre, il trattamento di lucidatura dell’aggregato di scorie grossolane ha un impatto sulle rotture per fatica del calcestruzzo. Per il calcestruzzo con aggregato di scorie non trattato, si può osservare la frattura degli aggregati, e il cedimento a fatica finisce nel tipo aggregato-frattura. D’altra parte, in un caso di aggregato di scorie lucidato, la maggior parte degli aggregati sono sani e la rottura per fatica termina nel tipo di sfaldamento dell’interfaccia tra pasta e aggregato.
Le caratteristiche dell’aggregato di scorie lucidato portano a miglioramenti nelle caratteristiche del calcestruzzo come la resistenza alla fatica, la deformazione, le emissioni acustiche e la durezza dei materiali sotto carichi di fatica a compressione. L’altro modo per migliorare la qualità dell’aggregato di scorie (in particolare l’ITZ) è un trattamento di carbonatazione accelerata dell’aggregato di scorie d’acciaio. Questo processo di carbonatazione è condotto in un reattore di carbonatazione che è stato sigillato a 70°C e messo sotto vuoto a -0,3 MPa . Poi la CO2 è stata introdotta nel reattore fino a quando la pressione ha raggiunto 0,3 MPa. Questo processo ha causato un cambiamento nella struttura dei pori aggregati. Riduce la presenza di pori con un diametro superiore a 1 μm del 24,4% e aumenta la presenza di pori con un diametro inferiore a 1 nm del 67,9%. Il rapporto di espansione delle scorie d’acciaio è anche ridotto a causa della riduzione del contenuto di CaO libero. Per il confronto della resistenza ITZ per il calcestruzzo con aggregato naturale e scorie d’acciaio, la resistenza delle scorie d’acciaio carbonatate e dell’aggregato naturale è stata confrontata come resistenza alla compressione del calcestruzzo. Anche se la resistenza alla frantumazione dell’aggregato di scorie carbonate era inferiore a quella dell’aggregato naturale, la resistenza alla compressione del calcestruzzo con scorie è migliorata. Quando la sezione trasversale del campione di calcestruzzo è stata sottoposta alla prova di resistenza alla compressione, le crepe non sono passate attraverso il centro dell’aggregato ma hanno viaggiato intorno al grano stesso. Quindi, l’ITZ del calcestruzzo con aggregato di scorie d’acciaio carbonatato è più forte e più robusto di quello del calcestruzzo con aggregato naturale.
La carbonatazione dell’aggregato di scorie ha anche un impatto ambientale benefico, cioè la riduzione del potenziale di lisciviazione di alcuni elementi. Nell’analisi delle caratteristiche di lisciviazione dell’aggregato di scorie di acciaio inossidabile, Ca e Si sono risultati essere gli elementi più sensibilmente influenzati dalla carbonatazione a causa dei cambiamenti nelle fasi minerali responsabili del controllo della solubilità di questi elementi. La lisciviabilità di Cr, uno degli elementi più tossici nell’aggregato di scorie, non sembra essere significativamente influenzata dalla carbonatazione, anche se Mo ha mostrato una certa riduzione della lisciviazione.