Concrete for nuclear waste conditioning: a comparative study of sewage sludge ash incorporation through LCA and mechanical performance

Concrete is widely used in nuclear waste conditioning for its ability to provide structural integrity and chemical stability, essential for the safe encapsulation of radioactive materials. However, the search for alternative materials to improve the barrier properties of concrete remains an important area of research in nuclear waste management. This study investigates the incorporation of sewage sludge ash (SSA), produced by the San Rocco wastewater treatment plant, as a partial substitute for cement in concrete formulations, not only as a strategy to promote waste valorization but, more importantly, to enhance the concrete’s capacity to immobilize anionic species from nuclear waste. This preliminary research combined mechanical testing and Life Cycle Assessment (LCA) to assess both the technical and environmental feasibility of SSA concrete. Experimental tests demonstrated that replacing 10% of cement with SSA leads to a moderate reduction in early-age compressive and flexural strengths, consistent with the slower hydration kinetics of pozzolanic materials. However, after 25 days of curing, SSA concrete exhibits a higher rate of strength development than conventional concrete, aligning with literature findings on long-term pozzolanic reactivity. The LCA, carried out with the IPCC 2021 method using OpenLCA software, indicated that SSA concrete has lower environmental impact when assessed with a declared unit that does not consider mechanical performance. In the same way, when also mechanical performance is considered through the functional unit, the carbon intensity of SSA concrete decreases after 25 days of curing. SSA has shown promising potential as a material for future research.

Il calcestruzzo è ampiamente utilizzato nel condizionamento dei rifiuti nucleari per la sua capacità di fornire integrità strutturale e stabilità chimica, essenziali per lo stoccaggio sicuro di materiali radioattivi. Tuttavia, la ricerca di materiali alternativi per migliorare la capacità di barriera del calcestruzzo rimane un'area chiave della ricerca nella gestione dei rifiuti nucleari. Questo studio indaga l'incorporazione di ceneri di fanghi di depurazione (SSA), prodotte dall'impianto di trattamento delle acque reflue di San Rocco, come sostituto parziale del cemento nelle formulazioni del calcestruzzo, non solo come strategia per promuovere la valorizzazione dei rifiuti ma, cosa più importante, per migliorare la capacità del calcestruzzo di immobilizzare le specie anioniche dai rifiuti nucleari. La ricerca ha combinato test meccanici e analisi del ciclo di vita (LCA) per valutare sia la fattibilità tecnica che ambientale del calcestruzzo con cenere di fanghi di depurazione. I test sperimentali hanno dimostrato che la sostituzione del 10% di cemento con SSA ha portato a una moderata riduzione delle resistenze alla compressione e alla flessione in fase iniziale, coerente con la cinetica di idratazione più lenta dei materiali pozzolanici. Dopo 25 giorni di maturazione, il calcestruzzo con SSA esibisce invece un maggiore aumento di resistenza in confronto al calcestruzzo normale, come già anticipato dalla letteratura riguardante la reattività a lungo termine di questi stessi materiali. L'LCA, eseguita con il metodo IPCC 2021 utilizzando il software OpenLCA, ha indicato che il calcestruzzo SSA ha un impatto ambientale inferiore quando valutato con un'unità dichiarata che non considera le prestazioni meccaniche. Allo stesso modo, quando anche le prestazioni meccaniche vengono considerate attraverso l'unità funzionale, le emissioni specifiche di CO2 del calcestruzzo SSA sono minori dopo 25 giorni di maturazione. L'SSA ha mostrato un potenziale promettente come materiale per ricerche future.