Techniques for sustainable building materials production: recycling in concrete industry

The excellent mechanical and durability properties, with its large availability and affordable costs, make concrete the most used engineered material, with an estimated worldwide consumption about 6 billion tons per year. The prices of this wide diffusion lie into the relevant environmental emissions associated to concrete industry: concrete production is in fact one of the main responsible of carbon emission in atmosphere, mainly due to cement manufacturing and natural aggregates extraction. Together with the energy requirements, water consumption and generation of construction and demolition waste, these factors contribute to the general appearance that concrete is not particularly compatible with the demands of sustainable development. Several operations can be applied to limit concrete impacts: the replacement of Portland cement with supplementary cementing materials (SCMs) and the use of recycled aggregates in place of natural resources are solutions that may achieve the aim of reducing concrete emissions during all its life cycle. Between the various recycled materials which can be suitable in concrete applications, promising results were obtained when limited quantities of recycled aggregates from construction and demolition wastes (C&DWs) and from electric arc furnace (EAF) slag are used, generally not affecting mechanical properties and environmental compatibility. Nevertheless, in the most of cases a lack of standardized rules hinder their use at market level, in particular when recycled aggregates or mineral additions come from metallurgical industry. In this thesis the use of two types of recycled aggregates for structural concrete production is explored: EAF slag as recycled aggregates and recycled aggregates from C&DW. In addition, the use of supplementary cementing materials is analyzed, paying particular attention on the suitability of the application of co-combustion fly ash in structural concrete. Two extensive experimental campaigns were carried out to analyze the main mechanical and durability-related properties of recycled concrete with EAF slag. Several mixes with increasing substitution ratios were produced, using both the coarse and the fine aggregates. A specific chemical and micro-structural in-depth examination was carried out in order to evaluate the actual stability of the material, the influence of the substitution ratio on hardened concrete properties and to study the aggregates-matrix bond when detrimental cycles were applied to concrete specimens. Once determined the suitability of some of the substitution ratios used, for the first time real-scale reinforced concrete beams with EAF slag were realized and tested for bending and shear failure, and their structural behavior is analyzed and discussed. The second part of the thesis deals with the use of recycled aggregates coming from C&DWs, to assess their influence on the rheological behavior of fresh concrete. An experimental campaign was conducted, and since slump value is often operator-sensitive, a more quantitative estimate was derived in terms of fundamental physical quantities, such as plastic viscosity and yield stress, by means of viscometer measures. The variables analyzed were the aggregates substitution ratio and proportioning method, the super-plasticizer content and the water/cement ratio. Lastly, an experimental campaign was performed to compare the effects of two different (SCMs) on mechanical and durability-related properties of structural concrete. Three mixes were produced, where coal and co-combustion fly ashes were used as partial substitute of cement (20% in volume) and compared with a reference concrete. An environmental impacts’ assessment was also performed, through a Life Cycle Analysis (LCA) framework specifically developed for concrete emissions evaluation, using a cradle-to-gate approach. Assessment is based on Italian LCI data, collected directly from local EAF slag treatment plant, a natural aggregate extractive plant and a C&DW processing plant

Le eccellenti proprietà meccaniche e di durabilità, unitamente alla sua grande disponibilità ed il suo basso costo, fanno del calcestruzzo il materiale da costruzione più utilizzato al mondo, con un consumo globale di circa 6 miliardi di tonnellate all'anno. A fronte di tale diffusione, il prezzo a livello di emissioni ambientali risulta essere gravoso: l'industria del calcestruzzo è infatti una delle principali responsabili delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera, in particolare dovute alla produzione di cemento ed all'estrazione di inerti naturali. Inoltre i grandi consumi energetici e di acqua, e la generazione di scarti dalle attività di demolizione, rendono il calcestruzzo, nella sua forma tradizionale, un materiale non adatto al concetto di sviluppo sostenibile. Al fine di ridurre i grandi impatti ambientali associati all'industria del calcestruzzo, è possibile ricorrere a varie opzioni, tra cui la sostituzione dei leganti tradizionali (cemento Portland) con materiali innovativi oppure l'utilizzo di aggregati riciclati. Queste due soluzioni permettono di ridurre il consumo delle risorse naturali ed incrementano la vita utile di materiali altrimenti destinati a conferimento in discarica. In particolar modo, l'attuale letteratura ha evidenziato come buoni risultati possano essere ottenuti qualora aggregati riciclati provenienti da scarti demolizione (noti con la sigla C&DWs) e scorie di acciaieria da forno elettrico ad arco (EAF slag) siano utilizzati in limitati rapporti di sostituzione rispetto l'inerte naturale. Nel corso di questo lavoro di tesi si illustreranno i risultati ottenuti nel corso di due campagne sperimentali, nelle quali sono state analizzate le potenzialità relative all'utilizzo di scorie EAF e aggregati provenienti da scarti C&DWs, per la produzione di calcestruzzi strutturali. Inoltre sono stati analizzati gli effetti legati all'utilizzo di leganti non tradizionali, come le ceneri di co-combustione, sulle proprietà meccaniche e di durabilità di calcestruzzi strutturali. Sono state svolte prove meccaniche e di durabilità su calcestruzzi contenenti scorie EAF, producendo varie miscele, con rapporto di sostituzione dell'inerte crescente, utilizzando sia la frazione fina che grossa dell'aggregato riciclato. Sono state condotte prove chimiche e microstrutturali al fine di valutare la compatibilità ambientale del materiale, la sua stabilità dimensionale, l'influenza del rapporto di sostituzione sulle proprietà meccaniche ed infine per studiare il legame di aderenza fra la matrice cementizia e l'inerte, in particolare una volta che i provini sono stati soggetti a cicli ambientali. Una volta determinata l'efficacia di talune miscele, sono state realizzate per la prima volta delle travi a scala reale, armate a flessione e taglio, e ne è stato studiato il comportamento strutturale tramite prove a flessione a quattro punti. La seconda parte della tesi riguarda l'utilizzo di aggregati riciclati provenienti da scarti di demolizione (C&DWs), e l'influenza del loro utilizzo rispetto le proprietà di lavorabilità dei calcestruzzi freschi. Una ulteriore campagna sperimentale è stata realizzata al fine di valutare le proprietà reologiche di diverse miscele, utilizzando un reometro cilindrico concentrico (reometro di Couette). I parametri di indagine sono stati il rapporto di sostituzione dell'inerte, il metodo di proporzionamento dello stesso, il contenuto di additivo fluidificante ed il rapporto acqua/cemento. Per quanto riguarda le soluzioni volte alla riduzione degli impatti ambientali legate alla riduzione della quantità di leganti tradizionali nei mix design, è stata condotta una campagna sperimentale volta al confronto di alcune proprietà meccaniche e di trasporto di calcestruzzi strutturali contenenti due tipologie di ceneri volanti, sia di carbone che di co-combustione, con un rapporto di sostituzione pari al 20% in volume del dosaggio nominale di cemento È stata inoltre redatta una procedura per la valutazione comparativa degli impatti ambientali dovuti alla produzione delle scorie EAF, degli inerti naturali, e di quelli riciclati da C&DWs. Tale procedura permette anche il confronto degli impatti dei calcestruzzi prodotti con tali materiali, tramite una analisi a ciclo di vita del materiale, utilizzando un approccio dalla culla al cancello. L'analisi è stata condotta utilizzando un inventario di dati italiano, direttamente raccolto presso gli impianti di produzione delle scorie EAF, degli aggregati riciclati ed una cava di aggregati naturali