Calcestruzzo sostenibile con scarti di mattoni di porcellana e argilla come sostituto parziale della sabbia: valutazione delle proprietà meccaniche e di durabilità (Construction Materials, vol. 5, pagg. 78)

Metà della sabbia naturale rimpiazzata da polvere di scarto porcellanato, l’1% di nanoparticelle di ossido di zinco al posto di altrettanto cemento, lo 0,5% in volume di fibre di polipropilene: con questa composizione un calcestruzzo di laboratorio ha raggiunto, a 28 giorni di stagionatura, incrementi del 39,5% nella resistenza a compressione, del 46,2% a flessione e del 60% nella trazione indiretta. Il dato chiude un programma sperimentale in tre fasi dedicato ai calcestruzzi nei quali l’aggregato fine di provenienza naturale lascia il posto a polveri ricavate da rifiuti da costruzione e demolizione, in particolare scarti ceramici porcellanati e laterizi.

L’obiettivo del lavoro è duplice: riciclare materiali di scarto nella produzione di calcestruzzo e, al tempo stesso, preservare le prestazioni meccaniche e di durabilità che il ricorso all’aggregato riciclato tende a mettere a rischio.

Il programma sperimentale in tre fasi

La ricerca procede per stadi consecutivi, ciascuno costruito sull’esito del precedente.

  1. Nella prima fase la sabbia viene sostituita in peso con polvere da scarto porcellanato (PWP) o con polvere da scarto laterizio (BWP), nelle dosi del 25%, del 50% e del 75% rispetto all’aggregato fine.
  2. Nella seconda fase entrano in miscela fibre di polipropilene allo 0,5% in frazione volumica, con l’obiettivo di intervenire sul comportamento a trazione e a flessione.
  3. Nella terza fase le nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO-NPs) sostituiscono parzialmente il cemento, allo 0,5% e all’1%, per agire sulla microstruttura e sullo sviluppo della resistenza nel tempo.

Le prove coprono tre età di cura, 7, 28 e 91 giorni, così da seguire l’evoluzione del materiale dalle fasi iniziali di idratazione fino alle stagionature lunghe.

Le grandezze misurate e la caratterizzazione microstrutturale

Sul piano prestazionale sono state valutate la lavorabilità, la densità, l’assorbimento d’acqua e la porosità, questi ultimi due tra gli indicatori durabilistici del calcestruzzo, insieme alle tre resistenze fondamentali per il dimensionamento strutturale: compressione, flessione e trazione indiretta (splitting tensile).

Accanto alle prove meccaniche, la caratterizzazione microstrutturale è stata condotta con diffrazione di raggi X (XRD), microscopia elettronica a scansione (SEM) e spettroscopia a dispersione di energia (EDS), per leggere all’origine i comportamenti osservati sulle provini.

Scarto porcellanato contro scarto laterizio

Il confronto tra i due scarti è netto. La polvere porcellanata supera quella laterizia su tutte le proprietà meccaniche e di durabilità prese in esame, con scarti più marcati in corrispondenza dei rapporti di sostituzione della sabbia del 25% e del 50%, che si confermano le dosi più interessanti tra quelle provate.

Fibre di polipropilene e ossido di zinco: due azioni complementari

Frattura e duttilità

L’inserimento delle fibre di polipropilene migliora la resistenza alla frattura e la duttilità del materiale, due aspetti su cui un calcestruzzo con aggregato riciclato può risultare più fragile rispetto a un impasto tradizionale.

Idratazione e porosità

Le nanoparticelle di ZnO, impiegate in sostituzione parziale del cemento, migliorano l’idratazione e affinano la struttura porosa della matrice. L’effetto si traduce in incrementi significativi di resistenza a compressione e a trazione, che si accentuano con l’avanzare della stagionatura e risultano particolarmente rilevanti alle età più lunghe esaminate.

La miscela con i migliori risultati a 28 giorni

La combinazione più performante emersa dal programma unisce il 50% di aggregato fine da scarto porcellanato, l’1% di nanoparticelle di ZnO in sostituzione del cemento e lo 0,5% di fibre di polipropilene. Rispetto alla miscela di riferimento, a 28 giorni di stagionatura i guadagni misurati sono i seguenti:

Proprietà Incremento a 28 giorni
Resistenza a compressione +39,5%
Resistenza a flessione +46,2%
Resistenza a trazione indiretta +60%

La lettura d’insieme conferma la fattibilità dell’impiego di polveri da scarto porcellanato e laterizio come aggregato fine riciclato, sia nei calcestruzzi rinforzati con fibre di polipropilene sia nelle varianti combinate con nanoparticelle di zinco, come opzione sostenibile per le costruzioni. Lo studio, firmato da Mustafa Thaer Hasan, Alaa A. Abdul-Hamead e Farhad M. Othman, è pubblicato su Construction Materials (doi: 10.3390/constrmater5040078).

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