Effects of seawater and chloride contaminated recycled concrete aggregates on reinforced concrete properties

Sustainability in construction may be interpreted as the capability of reducing the impact of buildings and infrastructures on environment. Concrete plays an important role in construction and every years billions tons of raw natural materials, are consumed for its production. The aim of this thesis is to introduce new materials and concepts to reduce overall consumption of natural resources, such as fresh water and natural aggregates. The main problem of using seawater to cast concrete is the presence of chlorides. Similarly, concrete recycled from demolition can be an alternative to the use of virgin aggregate; however, chloride contamination may hinder use of recycled concrete aggregates. Chlorides may cause depassivation of the steel reinforcement and then its corrosion; thus, existing specifications restrict limits on chlorides content in reinforced concrete. This leads to avoid the use of seawater or other potential constituents like recycled or contaminated aggregates. However, in recent years new materials such as GFRP (glass fibres reinforced polymers), and stainless steels have been developed. They are potentially suitable to replace black steel in areas where there is a high chance of concrete contamination by chlorides, examples are harbours and transportation infrastructures where the use of de-icing salts is expected or where the aggressive condition of the environment would lead to the corrosion of steel reinforcement. Using seawater would be an alternative in those places where the source of freshwater is limited or its transportation is very expensive. This work is a first step of a wide research aimed at changing the current perspective: by using proper types of corrosion resisting reinforcement, it becomes possible to produce concrete without chloride limits that can include seawater instead of freshwater for mixing and curing, and recycled concrete aggregate (RCA) that may already be chloride-contaminated replacing natural aggregate. If successful, this “greener” concrete would also allow the use of cements without chloride restriction; thus, giving cement manufacturers the opportunity to use solid waste as kiln fuel (co-generation) as well as adding kiln dust (byproduct that currently requires disposal) back to the clinker. XVIII In this experimental work, the effects of the introduction of seawater and recycled concrete aggregate (RCA) in the mix are examined. Changes in plain concrete properties, as well as the effects on embedded reinforcements, have been studied. Three types of concrete mixes were produced. The first, which is the standard one, used as benchmark; the second where fresh water was substituted with seawater; and the third where chloride contaminated RCA and seawater were used. For each mix, features of fresh concrete and mechanical properties of hardened concrete were studied. Further information were obtained by microstructural and chemical analyses. Moreover, durability has been studied in terms of concrete and reinforcement resistance to aggressive environments. Results show that plain concrete is not negatively affected by the introduction of seawater in the mix while recycled aggregates play a more important role in concrete properties. However, the use of corrosive reinforcements, such as those in black steel, is discouraged because of the high corrosion rates due to pitting phenomena.

La sostenibilità nel comparto edile può essere interpretato come la capacità di ridurre l’impatto degli edifici e delle infrastrutture sull’ambiente. Il calcestruzzo svolge un importante ruolo nell’industria delle costruzioni e tutti gli anni bilioni di tonnellate di materie prime vengono consumate per la sua produzione. Sulla base di tali considerazioni sulla sostenibilità, la ricerca nella quale il presente lavoro di tesi si colloca mira all’introduzione di nuovi materiali e conoscenze al fine di ridurre il consumo generale di risorse naturali, quali acqua dolce e aggregati naturali. L’acqua di mare potrebbe essere una valida alternativa a quella potabile. Il problema principale dell’uso di acqua di mare nella produzione di calcestruzzo è legato alla presenza di cloruri. Essi infatti possono causare la depassivazione dei rinforzi in acciaio dolce e, di conseguenza, la sua corrosione. Questo è il motivo per il quale il contenuto di cloruri viene limitato dalle normative esistenti, portando così ad impedire l’uso di acqua di mare o di altri potenziali componenti del calcestruzzo come aggregati riciclati contaminati da cloruri o additivi come il cloruro di calcio. Negli ultimi anni, tuttavia, sono stati sviluppati nuovi materiali quali GFRP, ed acciaio inossidabile. Essi sarebbero potenzialmente in grado di sostituire l'acciaio dolce, attualmente utilizzato, nel calcestruzzo armato. L'acqua di mare potrebbe essere un'alternativa per quelle regioni in cui quella potabile ha una disponibilità limitata o il cui trasporto sarebbe troppo oneroso. Altre applicazioni potrebbero provenire dal riciclo del calcestruzzo di strutture contaminate da cloruri, quali porti o infrastrutture viarie in cui si prevede l'utilizzo di sali disgelanti o in cui la condizione aggressiva dell'ambiente porterebbe alla corrosione delle armature in tempi celeri. Questo lavoro è il primo passaggio di una ricerca più ampia rivolta a cambiare l’attuale prospettiva: usando adeguate armature resistenti alla corrosione, sarebbe possibile produrre calcestruzzo senza limiti di cloruri. Questo include l’utilizzo dell’acqua di mare nell’impasto e per la stagionatura in sostituzione a quella potabile, e degli aggregati di calcestruzzo riciclato (RCA) che possono essere contaminati da cloruri. Inoltre, in caso di esito positivo della ricerca, questo calcestruzzo “sostenibile” permetterebbe l’uso di cemento senza limiti di cloruri, dando l’opportunità all’industria cementifera di utilizzare rifiuti solidi come combustibile per gli altiforni (co-generazione) e la relativa cenere volante (prodotto secondario che attualmente richiede uno specifico smaltimento) come aggiunta al clinker. XX Nella presente ricerca, vengono esaminati gli effetti determinati dall’introduzione di acqua di mare e aggregati riciclati (RCA). A seguito dell’introduzione di tali componenti nel mix, sono stati studiati i cambiamenti nelle proprietà del calcestruzzo fresco e indurito, così come gli effetti prodotti sulla durabilità dei rinforzi nel caso di calcestruzzo armato. Tre tipi di calcestruzzo sono quindi stati prodotti: un calcestruzzo standard di riferimento, uno nel quale l’acqua usata è quella di mare e il terzo nel quale alla sostituzione dell’acqua si aggiunge l’utilizzo di RCA. Per ogni mix sono state studiate le proprietà allo stato fresco e quelle meccaniche del calcestruzzo indurito. Ulteriori informazioni sono state ottenute dall’esecuzione di analisi chimiche e microstrutturali. Infine è stata anche condotta un’analisi della durabilità delle barre esposte ad ambienti aggressivi quando sono inserite in calcestruzzi dei tipi esaminati. I risultati mostrano che le proprietà del calcestruzzo non armato non sono negativamente influenzate dall’introduzione di acqua di mare nel mix, mentre gli aggregati riciclati svolgono un ruolo di maggior rilievo per quanto riguarda il comportamento meccanico del calcestruzzo. Tuttavia, l’uso di armature soggette a corrosione, come quelli in acciaio dolce, è altamente sconsigliato per via dell’elevata velocità di corrosione rilevata, dovuta a fenomeni di pitting. La ricerca non è al suo stadio conclusivo e ulteriori analisi verranno svolte in futuro e saranno necessarie per avere un quadro più completo.