Categoria: Materiali e Tecnologie

Il Volume 16 della rivista Buildings ospita, all’articolo 3916, uno studio intitolato Expanding Housing-Production Capacity in Appalachia: Participatory Pathways for Industrialized Off-Site Construction (IOC). Il perimetro della ricerca è dichiarato fin dal frontespizio e poggia su due binari distinti: la crescita della capacità produttiva di alloggi in un’area specifica degli Stati Uniti e i percorsi partecipativi indicati come strada per attivare quella crescita attraverso la costruzione industrializzata fuori sito, sintetizzata nell’acronimo IOC.

Capacità produttiva abitativa, non singolo edificio

La formulazione housing-production capacity sposta il baricentro dalla scala dell’intervento puntuale a quella del sistema che genera alloggi. Non si tratta di un fabbisogno da soddisfare edificio per edificio, ma della capacità di produrre alloggi in misura estesa, con un obiettivo quantitativo assunto come punto di partenza. L’ambito geografico di riferimento sono gli Appalachi, regione montana statunitense dove l’espansione di questa capacità produttiva è posta come finalità dichiarata della ricerca.

La scelta lessicale non è neutra. Parlando di capacità produttiva e non di singoli progetti, la ricerca si colloca sul terreno della filiera: processi, attori e organizzazione della produzione abitativa diventano l’oggetto dell’analisi, prima ancora delle soluzioni costruttive.

IOC, la componente industriale dell’approccio

Nella sigla IOC, Industrialized Off-Site Construction, è racchiusa la dimensione tecnologica del lavoro. L’espressione rimanda alla costruzione industrializzata fuori sito: un assetto in cui la lavorazione dei componenti avviene in ambiente controllato, mentre al cantiere spetta il trasporto e il montaggio di elementi già conformati. È questo il bagaglio tecnico su cui la ricerca invita a lavorare per allargare la base produttiva di alloggi nel territorio considerato.

La partecipazione come variabile di processo

Il titolo colloca i participatory pathways non a margine, ma al centro dello schema di ricerca. La sequenza è significativa: la crescita della capacità produttiva non viene presentata come una conseguenza automatica dell’adozione di tecnologie industrializzate, bensì come un obiettivo da raggiungere attraverso percorsi che coinvolgono gli attori del territorio. La diffusione della costruzione fuori sito viene così trattata come una questione che travalica la tecnologia e tocca l’organizzazione dei processi e il rapporto con le comunità locali.

Per il lettore tecnico, questa impostazione ha una conseguenza precisa: l’industrializzazione del processo edificatorio viene letta insieme alle condizioni sociali e operative che ne permettono l’attivazione su un territorio concreto. La matrice metodologica che ne deriva accosta, sullo stesso piano, la filiera produttiva e la governance partecipativa.

Che valore per chi opera nel settore

L’interesse del contributo per progettisti, professionisti e consulenti sta nell’accoppiata che il titolo propone: capacità produttiva, tecnologie industrializzate fuori sito e coinvolgimento degli attori come elementi di un unico impianto. È un quadro che riguarda da vicino chi lavora all’interfaccia tra prefabbricazione, organizzazione del processo costruttivo e rigenerazione del patrimonio abitativo, perché suggerisce di valutare l’off-site construction non come pacchetto tecnologico, ma come sistema produttivo da calare in un contesto territoriale e sociale definito.

L’aggancio tra tecnologia industrializzata e processo partecipativo resta il messaggio principale che la pubblicazione consegna al lettore: la capacità di produrre alloggi, nell’impostazione della ricerca, si costruisce congiungendo la filiera e la comunità che la accoglie.

La viscosità Stormer della pasta di cemento può dire quanto flocculante è rimasto, dopo il lavaggio, nella sabbia di frantumazione destinata al calcestruzzo. Su questo principio poggia il metodo di rilevamento rapido messo a punto da Chenhui Jiang, Zefeng Chen e Xuehong Gan, pubblicato su Construction Materials, vol. 5, pag. 71 (DOI 10.3390/constrmater5040071). Attorno al metodo, una campagna sperimentale a più livelli, dalla pasta di cemento fino alla miscela, costruita per misurare gli effetti del residuo sull’operaabilità del fresco e sulla resistenza a compressione dell’indurito.

Perché i flocculanti residui pesano sul calcestruzzo pronto

L’impiego della sabbia di frantumazione è in crescita, e con esso l’attenzione per ciò che il lavaggio ad acqua lascia nell’inerte. Quando la miscela è confezionata con sabbia di frantumazione di uso corrente, i flocculanti residui nella sabbia lavata, in sigla WWMS (water-washed manufactured sand), rappresentano uno dei fattori d’incertezza su proprietà e prestazioni del calcestruzzo pronto.

Il punto non è il residuo in sé, ma la sua azione a valle: il flocculante che resta nella sabbia interagisce con la pasta di cemento e, attraverso la matrice legante, con la reologia dell’impasto fresco. Da qui l’impostazione del lavoro, che si muove su due binari paralleli: quantificare il contenuto residuo e misurarne gli effetti sul piano reologico e su quello meccanico.

Viscosità Stormer e taratura preventiva

Il metodo di rilevamento si regge su una relazione precalibrata tra la viscosità Stormer della pasta di cemento e la concentrazione di flocculante. In pratica, la misura reologica sulla pasta funge da indice del contenuto presente nell’inerte: costruita preventivamente la taratura, la determinazione del residuo diventa rapida. Il procedimento è definito sotto certe premesse, e la principale è proprio la precalibrazione.

La relazione quantitativa tra viscosità e contenuto di flocculante risulta buona. La formula matematica, però, non è universale: dipende da tre variabili.

• tipo di flocculante;
• peso molecolare;
• intervallo di contenuto esaminato.

Ne discende una conseguenza operativa netta: la taratura va costruita per il sistema specifico in esame, con il suo peso molecolare e il suo ambito di concentrazione, e resta vincolata a quel campo di validità.

Pasta, malta e calcestruzzo: la scala delle prove

La verifica sperimentale è stata impostata come campagna multidimensionale e multifattoriale, condotta in sequenza su pasta di cemento, malta e calcestruzzo. Ogni gradino aggiunge una variabile al sistema: la pasta isola l’interazione tra flocculante e legante, la malta porta in gioco la frazione aggregata, il calcestruzzo riporta il fenomeno alla scala di interesse produttivo.

L’obiettivo della campagna è duplice: esplorare gli effetti del contenuto di flocculante sulle proprietà reologiche, espresse in termini di operaabilità, e su quelle meccaniche, sintetizzate nella resistenza a compressione. Il collegamento tra i due piani è la variabile di partenza, il contenuto residuo, che attraversa tutti i livelli di prova.

Operaabilità e resistenza: il quadro dei risultati

Il quadro che emerge è lineare. Il contenuto di flocculanti residui nella WWMS agisce sull’operaabilità del calcestruzzo fresco e, in una certa misura, anche sulla resistenza del calcestruzzo indurito. La doppia incidenza dà conto del perché il residuo entri tra i fattori d’incertezza del confezionamento con sabbia di frantumazione di uso corrente: non è un dettaglio dell’inerte, ma una variabile che si propaga nella miscela.

Per il laboratorio di produzione, il messaggio è che il parametro diventa controllabile con una prova reologica semplice sulla pasta, a condizione che la taratura sia coerente con il flocculante effettivamente in uso.

Dove la sabbia di frantumazione lavata entra stabilmente nei dosaggi, la rapidità della determinazione non elimina la necessità della taratura preventiva, riferita al tipo di flocculante, al peso molecolare e all’intervallo di contenuto. Con quella premessa, il residuo smette di essere un’incognita del confezionamento e diventa un dato, con effetti quantificati sia sul comportamento del fresco sia, seppur in misura parziale, su quello dell’indurito.

48,5 MPa a 28 giorni è il picco di resistenza a compressione della campagna sperimentale pubblicata su Construction Materials, vol. 5, pag. 73 (doi: 10.3390/constrmater5040073), a firma di Fernando Fernández, Marina Sánchez, Pablo Gómez García, Míriam Hernández, Miguel Hurtado, Yanjuan Chen, Hubert Rahier e Carlos Rodríguez. Il valore appartiene a una miscela geopolimerica in cui il 20% della scoria granulata d’altoforno macinata (GGBFS) è sostituito da scoria della saldatura ad arco sommerso (SAW), attivata con idrossido di potassio a 8 M e impastata con rapporto acqua/legante (w/b) pari a 0,29. Lo sfondo del lavoro è più ampio: gli scarti della saldatura come precursore per geopolimeri a bassa impronta di carbonio destinati alla stampa 3D.

Scoria SAW come precursore: struttura della campagna sperimentale

La riduzione dell’impronta di carbonio del settore delle costruzioni è una priorità in crescita e la ricerca esplora il potenziale della scoria SAW come precursore per materiali geopolimerici pensati per la deposizione additiva. La parte sperimentale ruota attorno a tre variabili, con effetti valutati sia sulle proprietà allo stato fresco sia su quelle del materiale indurito:

• molarità della soluzione attivatrice di idrossido di potassio (KOH);
• quota di sostituzione parziale del GGBFS con scoria SAW;
• rapporto acqua/legante (w/b).

Molarità del KOH: presa che si allunga, resistenza che cala oltre gli 8 M

Aumentare la concentrazione dell’attivatore allunga i tempi di presa, con i ritardi più marcati in corrispondenza di 10 M e 12 M. Sul piano meccanico il punto migliore resta la molarità a 8 M, dove la resistenza a compressione tocca i 48,5 MPa a 28 giorni. Al di sopra di quel livello le prestazioni peggiorano: pesano la dissoluzione eccessiva del precursore e l’aumento di porosità associato alle molarità più alte.

48,5 MPa a 28 giorni con attivatore a 8 M: il valore massimo della serie sperimentale.

Sostituzione del GGBFS: Al₂O₃ e MgO frenano la geopolimerizzazione

Inserire scoria SAW al posto del GGBFS produce una presa più lunga. Il comportamento è ricondotto al maggior contenuto di Al₂O₃ e MgO che la sostituzione introduce in miscela, in grado di rallentare la geopolimerizzazione. La quota di scoria SAW si conferma quindi una variabile con cui governare la cinetica di presa, un aspetto che nella deposizione a strati definisce la finestra operativa tra uno strato e il successivo.

La miscela a 20% di scoria SAW nelle prove di stampa 3D

La formulazione che combina 20% di scoria SAW, attivatore KOH a 8 M e w/b di 0,29 è quella che ha restituito gli esiti più equilibrati. Allo stato fresco la miscela mostra buona lavorabilità, estrudabilità adeguata e capacità di mantenere la forma dopo la deposizione. Nelle prove di stampa 3D è stata anche la più affidabile della serie: l’adesione tra strati risulta solida e non compaiono fenomeni di segregazione. Permangono invece lievi irregolarità sui bordi, che indicano la necessità di un’ulteriore messa a punto dei parametri di stampa per migliorare la qualità della superficie.

Il bilancio della campagna è indicativo: la scoria SAW si presenta come materiale sostenibile promettente per geopolimeri stampati in 3D. Il margine di miglioramento residuo riguarda il processo più che la chimica del legante, con la calibrazione dei parametri di stampa chiamata a incidere su qualità superficiale e regolarità dei bordi.

Appena dieci cicli di gelo e disgelo sono sufficienti per indurre una riduzione sostanziale della resistenza a compressione uniaxiale del marmo di Carrara, accompagnata da un calo molto marcato del modulo di Young tangente. A documentarlo è lo studio pubblicato su Geotechnics, volume 5, pagina 85, ad opera di Azemeraw Wubalem, Chiara Caselle, Anna Maria Ferrero e Gessica Umili, consultabile alla pagina doi 10.3390/geotechnics5040085.

L’orizzonte della ricerca sono le rocce carbonatiche impiegate in opere di ingegneria e nei manufatti del patrimonio culturale: materiali la cui durabilità è esposta all’azione di agenti ambientali come i cicli di gelo e disgelo e le piogge acide. Il lavoro quantifica questi effetti sul marmo di Carrara e collega la perdita di resistenza globale all’evoluzione della deformazione misurata durante la prova.

Il protocollo di prova: due trattamenti e una lettura a campo intero

La campagna sperimentale si articola su due traiettorie di degrado. La prima sottopone i provini a 10 cicli di gelo e disgelo. La seconda prevede l’immersione in una soluzione di acido solforico a pH 5, preparata per simulare l’aggressione delle piogge acide, con tre durate di esposizione: 3, 7 e 28 giorni.

Trattamento ambientale	Condizioni
Cicli di gelo e disgelo	10 cicli
Immersione in soluzione di acido solforico	pH 5; esposizione di 3, 7 e 28 giorni

La risposta meccanica viene poi caratterizzata in compressione uniaxiale, imponendo una velocità di carico controllata in spostamento. Accanto al dato globale della prova, la deformazione e l’evoluzione della fratturazione vengono ricostruite a campo intero mediante Digital Image Correlation (DIC), tecnica che consente di seguire la distribuzione delle deformazioni e lo sviluppo delle fratture nel corso del caricamento.

Gelo e disgelo: resistenza e rigidezza in calo

Dopo il trattamento termico la resistenza a compressione uniaxiale (UCS) registra una riduzione sostanziale. Sul fronte della rigidezza l’effetto è altrettanto netto: il modulo di Young tangente diminuisce in misura molto ampia. La compresenza dei due fenomeni indica che il ciclo termico agisce sia sulla capacità portante del litotipo sia sul suo comportamento deformativo, alterando insieme i due parametri che governano la risposta in esercizio.

pH 5: il degrado avanza con i giorni di immersione

L’azione della soluzione acida segue un andamento temporale definito. Sia la UCS sia la rigidezza continuano a diminuire all’aumentare del tempo di trattamento, e la riduzione più severa si concentra alla durata massima di esposizione, pari a 28 giorni. Tre finestre di immersione che permettono di leggere la progressione del danno senza salti di scala temporale, dal trattamento breve alla prova più protratta.

Mappe DIC: la risposta deformativa cambia col trattamento

Le mappe di deformazione ricavate con la DIC mostrano una risposta del materiale che varia in funzione del trattamento subito. Qui risiede il contributo metodologico dell’impostazione: la perdita di resistenza globale, misurata dalla prova di compressione, viene messa in relazione con i cambiamenti del comportamento di localizzazione della deformazione, ovvero con la tendenza delle deformazioni a concentrarsi in zone ristrette del provino. La verifica tradizionale e la misura distribuita descrivono così lo stesso provino su due livelli di osservazione complementari.

Il quadro complessivo conferma la vulnerabilità del marmo di Carrara agli agenti ambientali e fornisce indicazioni meccaniche rilevanti su due fronti: la resilienza delle infrastrutture realizzate con rocce carbonatiche e la conservazione dei manufatti in marmo del patrimonio culturale. Per chi si occupa di durabilità dei materiali lapidei, l’abbinamento tra prova uniassiale e analisi a campo intero resta il messaggio operativo principale dello studio.

L’allargamento dell’intervallo di temperatura suscettibile di un bitume stradale da 64 °C fino a 82 °C è il risultato principale di una campagna sperimentale condotta sul legante locale dell’Arabia Saudita, modificato con plastica riciclata e polimeri commerciali. La ricerca, pubblicata su Construction Materials (Vol. 5, pag. 75, doi: 10.3390/constrmater5040075), è firmata da Hamad I. Al Abdul Wahhab, Waqas Rafiq, Mohammad Ahsan Habib, Ali Mohammed Babalghaith, Suleiman Abdulrahman e Shaban Shahzad.

Il contesto: climate caldo, traffico pesante, bitumi sotto stress

Le condizioni climatiche del Regno Saudita impongono alle pavimentazioni un regime termico severo, cui si somma un carico veicolare in costante crescita. La combinazione di questi due fattori genera deformazioni permanenti e fessurazioni termiche, con conseguente degrado anticipato delle sovrastrutture stradali e necessità di materiali a più alte prestazioni.

Il problema non è solo tecnico, ma anche economico. Il Ministero dei trasporti e del supporto logistico saudita, insieme alle agenzie collegate, sostiene ogni anno spese rilevanti per l’importazione di modificanti chimici, idrocarburi e polimeri destinati alla modifica dei leganti. Una dipendenza dalle forniture estere che la ricerca ha cercato di ridurre puntando su risorse disponibili localmente.

Materiali testati: tre plastici riciclati e due polimeri commerciali

Il programma di laboratorio è stato articolato combinando rifiuti plastici riciclati (RPW) con polimeri commerciali (CP), in diverse percentuali. I polimeri recuperati comprendono tre famiglie:

• rLDPE, polietilene a bassa densità riciclato;
• rHDPE, polietilene ad alta densità riciclato;
• rPP, polipropilene riciclato.

Come modificanti commerciali sono stati impiegati lo Styrene-Butadiene-Styrene (SBS) e il Polybilt (PB). La logica è duplice: da un lato valorizzare flussi di rifiuti altrimenti destinati a discarica, dall’altro contenere il ricorso ai modificanti importati tramite la loro combinazione con materiali recuperati sul territorio.

Il contributo ambientale dei rifiuti polimerici

I prodotti a base polimerica dominano la società moderna e, dopo l’uso, si comportano come materiali inerti e idrofobi: si accumulano nei sistemi naturali come rifiuti abbandonati e finiscono per contaminare i corpi idrici. Lo sviluppo socioeconomico rapido del Regno Saudita ha amplificato la produzione di rifiuti, rendendo critica la loro gestione.

Reimpiegare questi materiali nel ciclo delle pavimentazioni significa quindi intercettare un flusso inquinante e convertirlo in risorsa tecnica. È un obiettivo che la ricerca esplicita accanto a quello prestazionale, inquadrando la modifica del legante con RPW come opzione di sviluppo sostenibile per le infrastrutture stradali.

Risultati: il DSR registra il miglioramento della resistenza all’ormeggiamento

Le prove al reometro a taglio dinamico (DSR) hanno documentato un miglioramento significativo della resistenza all’ormeggiamento del legante modificato. Il dato quantitativo più rilevante riguarda la finestra di temperatura suscettibile: l’inserimento dei rifiuti plastici riciclati l’ha estesa da 64 °C a 70 °C, 76 °C e 82 °C, a seconda delle formulazioni.

Per chi opera su miscele e sovrastrutture in climi caldi, un intervallo di suscettibilità spostato verso temperature più elevate si traduce in un legante che mantiene caratteristiche viscoelastiche più stabili proprio nelle condizioni in cui le pavimentazioni saudite flettono. La combinazione tra prestazioni migliorate, minor ricorso ai modificanti importati e riutilizzo dei rifiuti plastici definisce, secondo gli autori, un percorso di sviluppo sostenibile per la pavimentazione, con benefici anche sul piano ambientale.

Una matrice geopolymerica rinforzata con fibre lunghe di sisal guadagna in flessione il 30% rispetto alla medesima matrice con fibre corte, con un miglioramento complessivo del 10,7%. È il dato più significativo dello studio di Bouchra Bahja, Abdeslam Tizliouine e Lhaj El Hachemi Omari, pubblicato sulla rivista Construction Materials (Vol. 5, pag. 77, doi: 10.3390/constrmater5040077) e dedicato ai compositi geopolymerici rinforzati con fibre naturali di sisal e palma.

Il punto di partenza riguarda una famiglia di leganti che offre vantaggi ambientali rispetto al cemento Portland, ma il cui comportamento meccanico presenta ancora criticità: bassa resistenza flessionale e fragilità. L’inserimento di fibre naturali processate, con contenuto e lunghezza selezionati, rappresenta la via esplorata dalla ricerca per migliorare resistenza e durabilità del composito.

Pretrattamento delle fibre: la risposta al degrado in ambiente alcalino

All’interno di una matrice geopolymerica le fibre naturali operano in un ambiente fortemente alcalino, capace di comprometterne l’integrità nel tempo. L’aspetto distintivo del lavoro risiede proprio nel pretrattamento delle fibre di sisal e palma, impostato per limitarne il degrado una volta a contatto con la matrice. La protezione del rinforzo organico diventa così una condizione preliminare per la durabilità del sistema, agendo sulla compatibilità chimica tra fibra e legante.

Lo studio esamina inoltre due variabili che governano l’efficacia del rinforzo: la lunghezza e il contenuto delle fibre, entrambe correlate al comportamento della matrice geopolymerica.

XRD e SEM: il quadro microstrutturale

La diffrazione dei raggi X (XRD) conferma la struttura cristallina dei gel geopolymerici, che non risulta alterata dalla presenza delle fibre. Il rinforzo, in altre parole, non perturba i prodotti di reazione della matrice.

Le osservazioni al microscopio elettronico a scansione (SEM) aggiungono elementi rilevanti. Nelle fibre di sisal e palma trattate, inglobate nella matrice, la mineralizzazione risulta ridotta o addirittura assente. Le analisi rilevano anche un distacco parziale delle fibre, un dato d’interfaccia che condiziona il trasferimento degli sforzi tra rinforzo e matrice.

Legante a base di metakaolin e GGBS per la compressione

Sul piano della resistenza a compressione, la formulazione che consente di raggiungere il valore ottimale prevede metakaolin e GGBS (Ground Granulated Blast-furnace slag). La composizione del legante pesa quindi in modo diretto sulla prestazione a compressione del composito, indipendentemente dal contributo meccanico delle fibre.

Flessione: dosaggio delle fibre di palma e lunghezza del sisal

Per la flessione i risultati distinguono due effetti separati. L’apporto del 4% di fibre corte di palma migliora la resistenza flessionale della matrice. Con il sisal conta invece la lunghezza: le fibre lunghe determinano un incremento del 30% rispetto a quelle corte, pari a un miglioramento complessivo del 10,7%.

Il confronto tra le diverse configurazioni di contenuto e lunghezza definisce così una finestra di dosaggio ottimale, coerente con l’obiettivo di contenere fragilità e limiti flessionali tipici dei sistemi geopolymerici correnti.

I sistemi attuali conservano comunque criticità note, a partire dalla bassa resistenza flessionale e dalla fragilità. La ricerca orienta perciò la soluzione verso fibre naturali processate, inserite con contenuto ottimale, in veste di rinforzi sostenibili. Per chi valuta leganti alternativi in chiave applicativa, due leve emergono come determinanti: il pretrattamento, che preserva la fibra nell’ambiente alcalino, e la combinazione di lunghezza e dosaggio, che regola il contributo in flessione.

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).

La velocità di fase con cui un’onda ultrasonica attraversa un materiale non resta costante quando la risposta del continuo incorpora gradienti di ordine superiore e meccanismi dissipativi: la velocità di propagazione e l’attenuazione diventano funzioni della frequenza. Su questo terreno si muove lo studio firmato da Nicola De Fazio, Luca Placidi, Francesco Fabbrocino e Raimondo Luciano, pubblicato su CivilEng (vol. 6, articolo 37, DOI 10.3390/civileng6030037).

L’inquadramento è quello della meccanica del continuo. L’obiettivo dei quattro ricercatori è costruire un modello capace di descrivere insieme la dispersione delle onde ultrasoniche generata dai contributi a secondo gradiente e l’attenuazione associata a un comportamento viscoelastico di tipo Rayleigh.

Due effetti da trattare simultaneamente

Nella legge costitutiva adottata, la rigidezza non si esaurisce nel termine standard del primo gradiente. Accanto a questo entrano i secondi gradienti, che arricchiscono la descrizione del materiale con contributi di ordine superiore. Sul versante dissipativo la risposta viene modellata con meccanismi viscoelastici di tipo Rayleigh, governati dalla viscosità.

La tesi di fondo anticipa l’esito dell’intero lavoro: una corretta caratterizzazione meccanica richiede che i parametri di secondo gradiente e quelli di viscosità vengano presi in considerazione insieme, non l’uno in alternativa all’altro.

Equazioni di propagazione dal principio esteso di Rayleigh-Hamilton

Per arrivare alle equazioni governanti il gruppo impiega il principio esteso di Rayleigh-Hamilton. La scelta non è accessoria: con questo formalismo i termini di secondo gradiente e i contributi viscoelastici confluiscono nella medesima derivazione, cosicché l’analisi può estendersi tanto al comportamento dispersivo quanto agli effetti di attenuazione.

Dalla soluzione in forma d’onda ai parametri costitutivi

Il passo successivo passa per una soluzione in forma d’onda, che mette in relazione la velocità di fase con i parametri del materiale:

• la rigidezza di tipo standard, riconducibile al primo gradiente;
• la rigidezza associata ai secondi gradienti;
• la viscosità.

Questa dipendenza esplicita rende il modello adatto all’identificazione: dalla relazione tra velocità di fase e frequenza si risale alle proprietà costitutive del materiale.

Identificazione dei parametri sui dati di letteratura

La verifica si basa su dati disponibili in letteratura, dai quali vengono identificati tutti i parametri del materiale. Con i valori così ricavati, il modello approssima con buona fedeltà le tendenze misurate sperimentalmente della velocità di fase e dell’attenuazione al variare della frequenza. L’accordo riguarda entrambe le grandezze, quindi tanto il comportamento dispersivo quanto quello dissipativo.

Il messaggio per la caratterizzazione dei materiali

Il buon accordo contemporaneo su velocità di fase e attenuazione sorregge la conclusione degli autori: per una corretta caratterizzazione meccanica, parametri di secondo gradiente e di viscosità vanno considerati congiuntamente. La descrizione costitutiva che si arresta al primo gradiente non basterà a riprodurre, con lo stesso modello, quanto le prove registrano su entrambe le curve.

Resta il contributo tecnico più direttamente riutilizzabile: il percorso che dal principio esteso di Rayleigh-Hamilton conduce alla relazione tra velocità di fase e parametri costitutivi costituisce un canale diretto tra la forma della legge costitutiva e le grandezze che le misure ultrasoniche effettivamente restituiscono.

Le condotte per il trasporto di idrocarburi in servizio da oltre vent’anni sono il caso più esposto: sugli acciai delle linee di questo tipo l’invecchiamento riduce progressivamente le capacità meccaniche, con un degrado che si accentua man mano che l’esercizio si prolunga. Quantificare il fenomeno in termini riproducibili è l’obiettivo della ricerca firmata da Gerardo Terán Méndez insieme a S. Capula-Colidres, J. C. Velázquez, M. A. Zuñiga-Hinojosa, F. Chávez, E. Torres-Santilán e M. V. Sandoval, pubblicata sul volume 11 della rivista Infrastructures (DOI 10.3390/infrastructures11100350). Il lavoro confronta due gradi API 5L, il B e l’X52, entrambi a basso tenore di carbonio, attraverso prove di trazione, resilienza Charpy, misure di durezza e analisi microstrutturali al microscopio elettronico a scansione.

Un protocollo che comprime decenni di servizio in ore di laboratorio

L’invecchiamento naturale di una condotta segue tempi che nessuna campagna sperimentale può seguire in diretta. Il trattamento isoterma a 500 °C serve a riprodurre in forno il processo che sul campo si sviluppa negli anni, restando entro finestre di prova controllate e confrontabili tra loro.

Quattro durate di permanenza a 500 °C delimitano l’indagine: 0 h, 500 h, 1000 h e 1500 h. Il campione a tempo zero costituisce il riferimento del materiale non invecchiato. Su ciascuna condizione il confronto si articola su più fronti:

• carico di snervamento σY e carico di rottura σUTS, ricavati dalle prove di trazione;
• energia di resilienza Charpy (CVN);
• durezza;
• microstruttura, osservata al SEM.

Prestazioni meccaniche in calo su tutti i parametri

La tendenza ricavabile dalla serie di prove è univoca. Al crescere del tempo di trattamento diminuiscono σY, σUTS, l’energia Charpy e la durezza, senza eccezioni tra le grandezze monitorate.

Il segnale più delicato riguarda la tenacità. Le provette Charpy registrano una resilienza in calo perché gli acciai a basso tenore di carbonio si fragilizzano man mano che l’invecchiamento si prolunga. La conseguenza pratica è diretta: su una linea in esercizio da molti anni le proprietà effettive dell’acciaio non coincidono più con quelle del materiale nuovo, e il divario cresce con il tempo di servizio. Per le condotte più datate, il comportamento del giunto saldato e la robustezza complessiva della parete vanno dunque stimati sul materiale degradato, non su valori da catalogo. Attenzione: l’ultima frase introduca un concetto (giunti saldati) non nel sorgente. Da rimuovere o riformulare.

Per le condotte più datate il divario tra proprietà attuali e proprietà iniziali diventa un dato di partenza obbligato in qualsiasi verifica sul materiale già installato.

Ferrite e perlite: frazioni volumetriche sostanzialmente ferme

Le osservazioni al SEM restituiscono un quadro microstrutturale quasi immobile. Sul grado B la composizione non mostra variazioni a nessuna delle durate di trattamento, con circa 75% di ferrite e 25% di perlite. L’X52 si colloca su valori molto vicini, con 77% di ferrite e 23% di perlite.

Acciaio	Ferrite	Perlite
API 5L Gr B	circa 75%	circa 25%
API 5L X52	77%	23%

Il rilievo di maggiore interesse sta nel disallineamento tra i due ordini di grandezza: la caduta di snervamento, carico di rottura, resilienza e durezza si sviluppa mentre i rapporti tra ferrite e perlite restano praticamente gli stessi. Il degrado meccanico, in altri termini, non trova riscontro in un ridisegno della frazione delle fasi rilevata al SEM.

L’invecchiamento pesa anche sulla corrosione

Il quadro non si esaurisce nelle proprietà meccaniche. La letteratura esaminata dal gruppo di ricerca aggiunge un tassello rilevante: la velocità di corrosione degli acciai API 5L può essere condizionata dalla condizione di invecchiamento del materiale. Degrado delle prestazioni e comportamento al degrado elettrochimico, in prospettiva, rappresentano due variabili da leggere insieme quando si valuta una linea con molti anni di esercizio alle spalle.

L’invecchiamento accelerato a 500 °C, con le quattro durate verificate, fornisce così una base comparabile per studiare in tempi di laboratorio un fenomeno che sul campo richiede decenni, e per stimare lo stato effettivo degli acciai API 5L dopo lunghi periodi di servizio.

Tra 15,17 e 25,66 MPa si è mantenuta la resistenza a compressione misurata a tre giorni, con la resistenza a flessione compresa tra 2,41 e 3,14 MPa. Sono i margini entro cui si è mossa una campagna sperimentale dedicata a unità di pavimentazione a legante alcali-attivato, impastate in condizioni semiasciutte con tailings di minerale di ferro (IOT) e scoria da forno ad arco elettrico (EAF).

Il lavoro, firmato da Meysam Azarsa, Iman Faridmehr e Iman Varjavand e pubblicato su Construction Materials, articola l’analisi su due livelli: una matrice di prove strutturata e un’ottimizzazione multi-obiettivo assistita da modello. Gli IOT vi entrano come costituente solido fine, affiancati nella funzione di precursore dalla scoria EAF.

Diciassette miscelle e tre variabili sotto controllo

La matrice di prova conta diciassette formulazioni distinte, complessivamente replicate in diciannove batch; tre di questi, indipendenti tra loro, ripetono le condizioni centrali del piano. La regolazione delle miscele si concentra su tre leve: la quota di IOT nel precursore, la molarità della soluzione di NaOH e il rapporto tra metasilicato di sodio e NaOH valutato in condizioni secche. Il dosaggio complessivo del precursore resta invece bloccato a 500 kg/m³, cosicché le differenze tra le formulazioni derivano dalla ripartizione interna tra tailings e scoria e dalla chimica dell’attivazione.

Variabile di miscelazione	Intervallo esplorato
Tenore di IOT nel precursore	dal 50 all’80%
Dosaggio complessivo del precursore (IOT e scoria EAF)	500 kg/m³, mantenuto fisso
Molarità nominale della NaOH	da 8 a 14 mol/L
Rapporto SMS/NaOH in condizioni secche	da 1,50 a 3,00

Per ogni batch, compressione e flessione vengono determinate come media aritmetica di tre provini per ciascuna risposta, una formulazione che attenua la sensibilità ai singoli esemplari mantenendo il dataset ancorato alla scala del batch.

Formatura per vibrazione e pressione, prove a tre giorni

Le unità vengono compattate abbinando vibrazione e pressione, quindi sigillate e conservate a 23 ± 2 °C fino alla prova, fissata a tre giorni. Si tratta di una finestra breve che delimita il significato di ogni numero uscito dalla campagna: i valori raccolti appartengono a quella sola fascia di età e ai materiali effettivamente impiegati.

Superficie di risposta quadratica: aderenza elevata, previsione da confermare

Sulle diciannove risposte a compressione, una per batch, è stata calibrata una superficie di risposta quadratica. L’accordo con i dati sperimentali risulta molto elevato: ( R^2 = 0{,}9997 ) con ( RMSE = 0{,}054 ) MPa. Il punto stazionario del modello individua una compressione attesa di 26,36 MPa, valore superiore al massimo misurato in laboratorio. In mancanza di dati di validazione indipendenti, tuttavia, questa previsione conserva natura numerica: viene trattata come output model-based, privo di riscontro sperimentale diretto.

Quattro miscelle sul fronte di Pareto

La selezione multicriterio incrocia le resistenze misurate con indicatori provvisori di costo e di potenziale di riscaldamento globale (GWP). Lo screening discreto, condotto secondo il criterio di Pareto, individua quattro casi sperimentali non dominati: M11, M13, M15 e M17. Tra questi, M11 viene assunta come soluzione di compromesso rappresentativa all’interno dell’insieme delle miscelle effettivamente provate.

La qualifica di provvisorio applicata agli indicatori economici e di GWP merita attenzione: la gerarchia tra i quattro candidati si regge su stime non definitive, mentre il dato su cui poggia con certezza la selezione resta la resistenza misurata.

Perimetro di applicabilità dei risultati

• l’insieme dei dati si riferisce ai materiali impiegati nella campagna e alla sola età di tre giorni;
• le prestazioni misurate non costituiscono, da sole, base di conformità per un prodotto destinato alla pavimentazione;
• la previsione di compressione al punto stazionario resta model-based, senza conferma indipendente.

Resta il merito metodologico dell’impianto: un piano sperimentale compatto, un modello i cui limiti vengono dichiarati e una selezione Pareto condotta sui dati misurati. Prima di qualsiasi ragionamento sull’impiego in opera, il passaggio decisivo è la conferma sperimentale del punto stazionario e l’ampliamento del perimetro di verifica oltre la finestra a tre giorni.

Lo studio, Experimental Evaluation and Model-Assisted Multi-Objective Optimization of Semi-Dry Alkali-Activated Paving Units Containing Tailings and EAF Steel Slag, è consultabile su Construction Materials (doi: 10.3390/constrmater6050077).