Categoria: Materiali e Tecnologie

1,60 MPa a 28 giorni, con cura a 23 °C e attivatore a 2,0 M: è la resistenza a compressione non confinata raggiunta da una malta i cui componenti leganti sono soltanto residui, cenere di bagasso di canna da zucchero e calce da carburo, attivati con idrossido di sodio. Il valore definisce il miglior risultato di una campagna sperimentale sui cementi a attivazione alcalina (AAC), la famiglia di leganti in grado di generare matrici cementizie a partire da precursori alluminosilicatici e attivatori alcalini.

La spinta alla ricerca arriva dalle emissioni di anidride carbonica dell’industria del cemento, che orientano il settore verso leganti a ridotto impatto ambientale. Rimane invece poco esplorato un fronte preciso: il confronto sistematico tra sistemi One-Part, con attivatore incorporato nella miscela solida, e Two-Part, con soluzione alcalina dosata separatamente in fase di impasto. Ed è su quel fronte che si colloca Performance and Environmental Assessment of Alkali-Activated Cements from Agricultural and Industrial Residues, studio pubblicato su Construction Materials (doi: 10.3390/constrmater5040079) firmato da Rafaela Pollon, Giovani Jordi Bruschi, Suéllen Tonatto Ferrazzo, Arielle Cristina Fornari, Eduarda Razador Lazzari, Pedro Domingos Marques Prietto ed Eduardo Pavan Korf.

Cenere di bagasso e calce da carburo come precursori

Il legante poggia su tre componenti. La cenere di bagasso di canna da zucchero (SCBA) assume il ruolo di precursore alluminosilicatico; la calce da carburo (CL) fornisce il calcio; l’idrossido di sodio (NaOH) completa il sistema in qualità di attivatore alcalino. Un abbinamento che trasforma due flussi di scarto, uno agricolo e uno industriale, nella base chimica del materiale.

Il disegno sperimentale

La campagna ha fatto variare quattro parametri, mantenendo fisse le condizioni di cura: tutte le malte sono state impastate a rapporto acqua/solidi costante e mantenute a temperatura ambiente. Su ogni condizione sono state determinate la resistenza a compressione non confinata (UCS) e la lisciviazione, con il supporto di elaborazioni statistiche e di tre tecniche di indagine: microscopia elettronica a scansione (SEM), diffrazione di raggi X (XRD) e spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR).

La differenza tra le due modalità di preparazione sta nel modo in cui l’attivatore entra nel sistema: nel metodo One-Part l’idrossido di sodio viene incorporato nella parte solida della miscela, mentre nel Two-Part la soluzione alcalina è preparata a parte e aggiunta al momento dell’impasto.

Two-Part davanti, con un margine sottile

La composizione migliore si ottiene con il metodo Two-Part, attivatore a 2,0 M e rapporto SCBA:CL 70:30: la malta raggiunge 1,60 MPa a 28 giorni. La variante One-Part si ferma a 1,39 MPa, con uno scarto di 0,21 MPa a favore della preparazione con soluzione dosata separatamente.

Più rilevante per il progettista è la gerarchia che l’analisi statistica restituisce sulle variabili: il tempo di cura risulta la variabile più significativa, seguita dal rapporto SCBA/CL e dalla molarità dell’attivatore. La modalità di preparazione, al contrario, pesa in misura minima sul risultato.

Gel a attivazione alcalina e il nodo del bario

Le osservazioni SEM e le analisi XRD e FTIR documentano lo sviluppo di gel a attivazione alcalina, la fase che conferisce coesione alle matrici. Sul fronte ambientale il quadro è più sfumato: i test di lisciviazione non segnalano tossicità del materiale, ma le concentrazioni di bario superano i limiti previsti per la qualità dell’acqua. Un aspetto che condiziona gli scenari di messa in opera e che chi lavora su impieghi a contatto con suoli e acque dovrà inserire nel bilancio del materiale.

Campi d’impiego prospettati

Le applicazioni indicate restano nel campo della geotecnica e dei prodotti preformati: stabilizzazione di sterili minerari, miglioramento dei suoli, fondazioni superficiali e arredo urbano. Una scala d’uso coerente con resistenze misurate nell’ordine del megapascal.

Attivatore a 2,0 M, rapporto 70:30 tra cenere e calce, 28 giorni di cura: sono i parametri con cui il sistema ha espresso il suo valore di riferimento, 1,60 MPa. Il bario oltre soglia è ciò che la filiera dovrà governare prima di portare il legante dal laboratorio al cantiere.

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A ogni tonnellata di cemento prodotta corrispondono da 0,60 a 0,98 tonnellate di CO2, a cui si somma un consumo energetico significativo lungo l’intero processo di fabbricazione. Cemento e calcestruzzo restano tra i materiali fabbricati più utilizzati al mondo, e il comparto del calcestruzzo contribuisce da solo con oltre l’8% delle emissioni globali di gas serra su base annua. In questo quadro, lo sviluppo di leganti a basso contenuto di carbonio, o del tutto privi di cemento, diventa una necessità cruciale più che un’opzione di ricerca.

Su questo terreno si colloca il lavoro di Ghasan Fahim Huseien, Mohammad Hajmohammadian Baghban, Iman Faridmehr e Kaijun Dong, pubblicato su CivilEng con doi 10.3390/civileng6030043: una rassegna sistematica dei fattori critici di selezione che governano il mix design, la lavorabilità e la resistenza a compressione (CS, compressive strength) del calcestruzzo attivato alcalinamente (AAC).

La carbonatazione compensa parte del conto, ma non tutto

Prima di valutare le alternative conviene fissare i termini del bilancio ambientale. Tra il 1930 e il 2013 la carbonatazione dei materiali a base cementizia ha sequestrato 4,5 gigatoni di carbonio, un quantitativo in grado di compensare circa il 43% delle emissioni di CO2 derivanti dalla produzione di cemento nello stesso periodo. La percentuale, però, è calcolata sulle sole emissioni del processo produttivo, escludendo quelle associate al consumo di combustibili fossili in fabbricazione. Il margine di compensazione naturale, dunque, va letto con cautela.

Dai sottoprodotti industriali ai leganti attivati alcalinamente

La strada alternativa al clinker passa per i leganti attivati alcalinamente (AAB, alkali-activated binders). Il principio compositivo è definito: un precursore derivato da sottoprodotti industriali o da scarti di origine agricola viene attivato mediante una soluzione a bassa molarità oppure un attivatore monocomponente di tipo one-part. Nel dibattito tecnico gli AAB sono sempre più raccomandati come alternative sostenibili, capaci di ridurre le emissioni di gas serra del comparto cementiero e di contenere il consumo di risorse naturali. Il calcestruzzo attivato alcalinamente ne rappresenta l’applicazione diretta.

Mix design e variabili di composizione

Progettare una miscela attivata alcalinamente non si riduce ad adattare le regole del calcestruzzo ordinario. La produzione di AAC coinvolge una serie di fattori critici che condizionano insieme la composizione, le proprietà allo stato fresco e la prestazione indurita. Il primo livello di analisi riguarda i metodi di mix design disponibili e i parametri che ne orientano l’impiego, base necessaria per qualsiasi confronto tra formulazioni alternative.

Segue la serie delle variabili materiali. Contano il tipo e la provenienza del legante, uniti alle sue proprietà chimiche, mineralogiche e fisiche. Peso specifico hanno inoltre le soluzioni attivanti alcaline, il contenuto di acqua e l’impiego di filler: ciascuno di questi parametri incide su lavorabilità, tempi di presa e sviluppo della resistenza, cioè sulle grandezze che definiscono il comportamento della miscela dalla messa in opera alla maturazione.

Correlazioni e modelli predittivi per fresco e resistenza

Il terzo fronte è quantitativo. La matrice di correlazione e i modelli predittivi di prestazione permettono di legare le proprietà allo stato fresco a quelle di resistenza, anticipando il comportamento della miscela in fase di definizione del dosaggio. Un’analisi estesa è dedicata al rapporto tra lavorabilità e CS, il legame che stabilisce l’equilibrio tra lavorabilità in fresco e prestazione indurita e che resta il punto più delicato della progettazione della miscela.

Restano aperte le questioni di fondo. Sfide ancora da sciogliere e prospettive concrete chiudono il percorso di lettura: gli AAC si candidano come materiali da costruzione sostenibili, in grado di sostituire il cemento tradizionale e di ridurre le emissioni di carbonio del settore. Un orizzonte che tocca direttamente chi dosa leganti, verifica miscele e firma progetti strutturali.

G. F. Huseien, M. Hajmohammadian Baghban, I. Faridmehr, K. Dong, Optimizing Mix Design for Alkali-Activated Concrete: A Comprehensive Review of Critical Selection Factors, CivilEng, Vol. 6, pag. 43. doi: 10.3390/civileng6030043

Ridurre di circa un quarto il potenziale di riscaldamento globale di un calcestruzzo agendo sulla frazione di legante sostituita: è il dato attorno a cui ruota lo studio sperimentale di Ali Abbas e Anjana Kudukkan, pubblicato su Construction Materials (vol. 5, art. 82, doi 10.3390/constrmater5040082). Gli autori hanno macinato conchiglie di scarto fino a ridurle in polvere e le hanno inserite nel calcestruzzo con un doppio ruolo, come filler e come sostituto parziale del cemento, quantificando gli effetti sulla presa, sulla resistenza a compressione, sul modulo di elasticità e sulle emissioni di CO2.

Due frazioni granulometriche, due funzioni nel calcestruzzo

La formulazione si regge su una separazione granulometrica netta. Le particelle comprese tra 63 e 125 micron lavorano come filler e sostituiscono il 15% del cemento in tutte le miscele della campagna: il loro compito è migliorare la densità di impaccamento della matrice. La frazione più fine, con dimensioni fino a 63 micron, entra invece in sostituzione diretta del cemento, al 15% in un caso e al 30% nell’altro, ed è del tutto assente nella terza.

Da qui la notazione delle miscele, S0F15, S15F15 e S30F15: il suffisso F15 identifica la quota costante di cemento rimpiazzata dal filler, mentre la cifra iniziale indica la percentuale sostituita dalla polvere fine. Sommando la miscela di controllo CM, le formulazioni oggetto di prova sono quattro.

Caratterizzazione della polvere con setacciatura, XRD e SEM

La fase sul materiale precede quella sul calcestruzzo. Il profilo chimico, fisico e mineralogico della polvere di conchiglie è stato ricostruito attraverso analisi granulometrica per setacciatura, diffrazione di raggi X (XRD), microscopia elettronica a scansione (SEM) e prove di pH. Solo dopo questa caratterizzazione il materiale è stato impiegato in miscela.

Presa a stato fresco e prove sul calcestruzzo indurito

Sul calcestruzzo fresco l’indagine ha riguardato i tempi di inizio e di fine presa. Quello indurito è stato invece sottoposto a verifiche di resistenza a compressione diretta, massa volumica e modulo di elasticità, con la valutazione della compressione condotta a 28 giorni.

Resistenza a compressione e rigidezza a 28 giorni

Il calcestruzzo con polvere di conchiglie registra a 28 giorni una resistenza a compressione moderatamente inferiore rispetto alla miscela di controllo, con un decremento prossimo al 25%. Sul fronte della rigidezza i numeri sono più contenuti: il modulo di elasticità cala di circa il 5% per S0F15, del 7% per S15F15 e del 13% per S30F15, sempre in riferimento a CM.

Il confronto tra le tre formulazioni delinea una tendenza costante: all’aumentare della frazione fine impiegata in luogo del cemento corrisponde una perdita di rigidezza più marcata, mentre la sola presenza del filler lascia il parametro quasi invariato.

Il bilancio di CO2 e la riduzione del GWP

Sul piano delle emissioni, con il 15% di cemento sostituito dalla polvere fine, oltre al 15% affidato al filler, il calcestruzzo raggiunge 250 kg CO2e/m³; portando la sostituzione fine al 30%, sempre con il filler al 15%, il valore scende a 212 kg CO2e/m³. Rispetto alla miscela di controllo la riduzione del Global Warming Potential (GWP) è stimata attorno al 24%, un decremento di rilievo per un materiale da costruzione prodotto in ambito ordinario.

Il quadro complessivo pone un compromesso esplicito: la polvere di conchiglie allevia l’impronta di carbonio del calcestruzzo, ma comporta un calo di compressione vicino al 25% a 28 giorni. La ricerca individua in questo scarto una risorsa capace di ridurre l’impatto ambientale del calcestruzzo e di contribuire alla conservazione delle risorse naturali.

Un aumento di circa l’80% del modulo di rigidezza a trazione indiretta dopo soli tre giorni: è il divario misurato tra un conglomerato bituminoso lavorato a freddo con il 3% di Ordinary Portland Cement (OPC) e la controparte a caldo con bitume 100-150 pen. A documentarlo è lo studio firmato da Anmar Dulaimi, Yasir N. Kadhim, Qassim Ali Al Quraishy, Hayder Al Hawesah, Tiago Pinto Ribeiro e Luís Filipe Almeida Bernardo, pubblicato sulla rivista CivilEng (vol. 6, pag. 46; DOI 10.3390/civileng6030046). L’obiettivo della ricerca è la formulazione di un High-Performance Cold Mix Asphalt, HP-CMA, in cui il cemento Portland ordinario sostituisce il filler calcareo con dosaggi fino al 6% del peso degli aggregati.

Cemento Portland al posto del filler calcareo

La miscela si lega con un’emulsione bituminosa e ricalibra il ruolo della frazione fine: al posto del filler calcareo di tradizionale impiego entra il cemento, dosato allo 0%, 1,5%, 3%, 4,5% e 6% del peso degli aggregati. Il valore nullo individua la formulazione priva di OPC; i dosaggi crescenti immettono invece cemento idraulico nella parte più fine dello scheletro granulometrico. Il contenuto di OPC diventa così la variabile con cui calibrare la risposta del conglomerato, mentre le miscele a caldo forniscono i termini di paragone esterni.

Il disegno sperimentale: rigidezza, umidità, temperatura, microstruttura

La caratterizzazione meccanica ruota attorno all’Indirect Tensile Stiffness Modulus (ITSM), il modulo di rigidezza determinato con la prova di trazione indiretta. Attorno a questa misura si collocano la verifica della suscettibilità all’umidità, la valutazione della suscettibilità alla temperatura e l’analisi microstrutturale. I riferimenti di confronto sono due conglomerati bituminosi a caldo (HMA, hot mix asphalt), uno con bitume 100-150 pen e uno con bitume 40-60 pen, classificati per penetrazione; i confronti di rigidezza si articolano su tre e sette giorni.

Rigidezza a trazione indiretta: i confronti con il caldo

L’impiego di OPC innalza considerevolmente l’ITSM. Con il 3% di cemento, la miscela a freddo supera di circa l’80% la rigidezza dell’HMA di controllo con bitume 100-150 pen dopo tre giorni. Con il 4,5% il termine di paragone sale di livello: dopo sette giorni la HP-CMA raggiunge lo stesso ITSM del mix a caldo con bitume 40-60 pen, il più rigido dei due riferimenti. La progressione dei valori tra tre e sette giorni è coerente con l’avanzare dell’idratazione e con la rottura dell’emulsione, i due processi indicati come essenziali per il comportamento della formulazione.

Da 20 a 45 °C: la tenuta termica

Il secondo fronte di verifica riguarda la sensibilità al regime termico. Tra 20 °C e 45 °C l’ITSM dell’HMA con bitume 40-60 pen si riduce del 91,93%, segno di una forte dipendenza della rigidezza dalla temperatura. Nel confronto termico la formulazione a freddo esaminata è quella con il 6% di OPC: la sua rigidezza cala del 42,47% nel medesimo intervallo. Il divario tra le due cadute delinea una maggiore stabilità della HP-CMA a temperature di esercizio elevate.

Demulsificazione dell’emulsione e idratazione del cemento

Sul piano dei meccanismi, le prestazioni superiori della formulazione a freddo vengono ricondotte a due fattori. Il primo è il migliorato effetto legante che accompagna la demulsificazione dell’emulsione bituminosa impiegata come legante: la rottura dell’emulsione libera il bitume e gli consente di esprimere pienamente la sua azione di legame. Il secondo è la formazione dei prodotti di idratazione generati dal cemento introdotto al posto del filler calcareo, che affianca alla matrice bituminosa una componente cementizia. L’analisi microstrutturale compresa nel programma sperimentale completa la caratterizzazione di questi aspetti.

Perché puntare sul freddo: emissioni, energia e logistica

La spinta verso le lavorazioni a temperatura ambiente nasce dai limiti del ciclo a caldo. Produrre e posare un HMA richiede consumi energetici elevati, comporta emissioni di gas nocivi in atmosfera e pone il problema di mantenere la temperatura di lavorazione lungo trasporti su lunghe distanze. La ricerca sull’HP-CMA muove proprio dall’obiettivo di aggirare questi vincoli: lavorando a freddo si prescinde dal riscaldamento del conglomerato e dai fabbisogni che lo accompagnano. In questa prospettiva, il dosaggio di cemento e i tempi di cura sono le leve con cui avvicinare il freddo ai livelli prestazionali dei riferimenti a caldo.

Il quadro complessivo resta numerico: il 3% di OPC supera il riferimento 100-150 pen in tre giorni, il 4,5% eguaglia il 40-60 pen in sette, il 6% contiene la perdita di rigidezza tra 20 e 45 °C al 42,47% contro il 91,93% del mix a caldo. Un insieme di valori che circoscrive la finestra prestazionale delle miscelazioni a freddo cementate e che sposta il confronto con il ciclo a caldo dal solo valore del modulo alla tenuta della miscela in servizio.

6,14 MPa di resistenza a compressione e 1,3125 MPa a flessione sui provini sinterizzati. Sono i valori massimi raggiunti da una miscela a base di caolino per la stampa tridimensionale, dosata con il 60% di argilla e il 40% di acqua. La ricerca, firmata da undici autori tra cui Muhammad Akhsin Muflikhun e pubblicata su Construction Materials (Vol. 5, DOI: 10.3390/constrmater5040083), affronta con prove sperimentali il nodo operativo della stampa 3D di terre argillose: quanta acqua la miscela tollera prima che stabilità dimensionale e integrità strutturale dell’elemento finito ne risentano.

Il dosaggio dell’acqua come variabile dominante

Il programma sperimentale è stato impostato per individuare i parametri di lavorazione più adatti ai compositi di caolino, variando il rapporto tra contenuto di argilla e contenuto di acqua e misurandone l’influenza sulle proprietà fisiche e meccaniche dei provini stampati. L’esito delle prove indica con chiarezza che quote più alte di argilla migliorano la stabilità dimensionale e l’integrità strutturale dei componenti realizzati.

La spiegazione va cercata nel ciclo di lavorazione. L’acqua rende la miscela estrudibile, ma abbandona il sistema durante l’essiccazione e la sinterizzazione: una dosatura generosa si traduce perciò in un ritiro volumetrico più pronunciato e in geometrie finali più lontane da quelle di partenza.

Prestazioni meccaniche della miscela 60/40

Tra le composizioni esaminate, quella bilanciata su 60 parti di argilla e 40 di acqua ha restituito le prestazioni meccaniche più elevate. I valori misurati dopo il ciclo di sinterizzazione sono riassunti di seguito.

I due numeri definiscono il riferimento quantitativo della formulazione ottimale.

Ritiro lineare e di massa in essiccazione e sinterizzazione

L’analisi del ritiro conferma la correlazione con il contenuto di acqua: i provini più ricchi di acqua subiscono un ritiro volumetrico maggiore durante essiccazione e cottura. Le riduzioni lineari arrivano fino al 10%, mentre la perdita di massa può raggiungere il 14%.

Per chi disegna la geometria degli elementi stampati il dato è direttamente operativo. La quota di acqua scelta in fase di dosaggio determina quanto il pezzo si allontanerà, dopo il ciclo termico, dalla forma modellata: le quote di progetto vanno quindi verificate considerando riduzioni lineari dell’ordine del 10%.

Ambiti applicativi e indicazioni per la formulazione

La stampa 3D con materiali argillosi interessa oggi sia applicazioni strutturali sia realizzazioni artistiche, e il caolino si presta bene al ruolo di materia prima per disponibilità e versatilità. La crescita dell’interesse per questa tecnologia spinge la domanda di protocolli di stampa specifici per l’argilla, materia disponibile e versatile.

I risultati forniscono in questa direzione un criterio operativo: la correlazione tra composizione della miscela e prestazioni del pezzo finito guida la taratura delle formulazioni verso una maggiore robustezza meccanica delle strutture stampate in compositi argillosi.

Sul caolino, il binomio 60% argilla e 40% acqua costituisce ormai un punto di partenza documentato: valori di resistenza e di ritiro misurati su provini reali, sui quali confrontare le proprie prove di miscela prima di portare la geometria stampata in cottura.

Costruire una mashrabiya con materiale di scarto proveniente dalle demolizioni: è questa l’ipotesi di lavoro al centro di uno studio pubblicato sulla rivista Buildings, volume 16, articolo 3903, che incrocia economia circolare, rifiuti da costruzione e demolizione e architettura tradizionale dell’Arabia Saudita. Il perimetro è dichiarato fin dal titolo: una revisione sistematica, una mappatura delle evidenze e uno screening dei percorsi possibili per i materiali riciclati.

Che cosa significa rendere circolare una mashrabiya

La mashrabiya appartiene alla tradizione costruttiva arabica come elemento di schermatura delle aperture, chiamato a mediare tra luce, ventilazione e riservatezza degli interni. La ricerca trasferisce questo componente nel quadro dell’economia circolare, chiedendosi come una sua versione contemporanea possa alimentarsi di filiere di riuso invece che di materiali vergini. La preposizione che apre il titolo, “towards”, circoscrive la natura del lavoro: un percorso di inquadramento, non una soluzione già collaudata.

Recensione sistematica e mappatura delle evidenze

La base metodologica poggia su due strumenti consolidati della ricerca applicata. La revisione sistematica ricostruisce in modo trasparente e replicabile lo stato delle conoscenze sui percorsi di valorizzazione dei rifiuti da costruzione e demolizione (CDW, construction and demolition waste); la mappatura delle evidenze ordina poi il materiale raccolto, mostrando dove la letteratura è densa e dove le informazioni scarseggiano. Nessun dato sperimentale inedito viene prodotto in questa fase: il contributo sta nell’ordine dato a conoscenze finora disperse e nella messa a fuoco dei vuoti conoscitivi su cui orientare i passi successivi.

Lo screening delle filiere di CDW riciclato

Terzo passaggio, la selezione dei materiali. A partire dai flussi di CDW riciclati, lo studio vaglia le catene di lavorazione potenzialmente compatibili con un impiego in una mashrabiya. Il termine “pathways” nel titolo non rimanda a un materiale singolo ma alle sequenze di trasformazione che portano il detrito a diventare prodotto riutilizzabile. Per i progettisti che seguono il tema del riuso, il documento va letto come un quadro di riferimento orientativo, non come un catalogo prestazionale: lo screening seleziona candidati, non certifica caratteristiche, che restano oggetto di verifiche a valle.

Patrimonio costruito e flussi di demolizione in Arabia Saudita

L’orizzonte geografico è quello saudita, dove la mashrabiya è parte riconoscibile del patrimonio costruito della penisola arabica. Portare materiale di demolizione dentro un elemento così connotato solleva questioni che vanno oltre la sola compatibilità tecnica, toccando identità estetica e coerenza con la tradizione. Lo studio delinea il campo di queste domande senza esaurirlo, fornendo alle fasi successive un territorio di lavoro già ordinato.

Dalla revisione alla prototipazione il passo resta lungo. Questo contributo si ferma all’inizio del percorso, in coerenza con la direzione che il titolo stesso assegna: verso una mashrabiya circolare.

Un tetto di 4,4 km/s. È qui che si arrestano le velocità di impulso ultrasonico misurate sulle malte di lattiera d’altoforno alcalino-attivata nel lavoro pubblicato su Construction Materials da Victor M. E. Lima, Igor V. Fernandes, Diego H. Alves, Tiago M. S. Agra, Danilo J. da C. Barbosa, Eudes A. Rocha e Antonio A. Melo Neto (doi: 10.3390/constrmater5040084). E con la velocità si arresta anche la capacità dello strumento di risalire a resistenze a compressione oltre i 50 MPa.

Perché estendere l’UPV alla lattiera alcalino-attivata

Sui leganti a base di cemento Portland, la tecnica della velocità di impulso ultrasonico (UPV, Ultrasound Pulse Velocity) è da tempo ampiamente impiegata per prevedere le proprietà delle miscele indurite. La ricerca verifica la trasferibilità di questo approccio alle malte di lattiera d’altoforno alcalino-attivata, legante alternativo con prodotti di idratazione e dinamiche di indurimento propri. Il percorso adottato è quello del confronto diretto: le misure di UPV sono valutate insieme alla resistenza a compressione e alla densità secca delle malte, e dalle velocità viene ricavato il modulo di elasticità dinamico.

Due attivatori e quattro dosaggi di \( Na_2O \)

Il piano sperimentale ruota attorno a tre parametri di composizione.

L’impostazione consente di leggere gli effetti della formulazione dell’attivatore sulle proprietà indurite attraverso il segnale ultrasonico: il confronto tra metasilicato e silicato di sodio fotografa l’influenza della natura dell’attivatore, mentre i livelli di \( Na_2O \) e il rapporto acqua/materiale legante definiscono l’ampiezza del piano di miscelazione.

Correlazioni esponenziali e coefficienti di determinazione

Il legame tra velocità di impulso e proprietà indurite viene descritto con modelli esponenziali, che restituiscono coefficienti di determinazione \( R^2 \) di livello medio e alto. In termini operativi, questo consente di stimare resistenza a compressione e densità secca a partire dalla velocità misurata sul provino.

Il limite superiore: 4,4 km/s e 50 MPa

La campagna sperimentale delimita anche il perimetro d’uso della tecnica:

Le velocità di impulso non hanno superato 4,4 km/s, un limite che rende difficile prevedere valori di resistenza a compressione superiori a 50 MPa.

Nella fascia esplorata le correlazioni mantengono la loro capacità esplicativa; oltre quella soglia di resistenza, la previsione mediante UPV diventa difficile.

Modulo dinamico e sensibilità al coefficiente di Poisson

Il modulo di elasticità dinamico calcolato a partire dall’UPV ha fornito risultati attendibili. Un dettaglio rilevante per chi impiega questi valori: il passaggio dalla velocità di propagazione al modulo richiede l’assunzione di un coefficiente di Poisson, e nell’esperienza l’attendibilità dei risultati resta confermata anche variando tale coefficiente tra 0,15 e 0,25.

Il segnale ultrasonico e i prodotti di idratazione

Un’ulteriore correlazione lega il contenuto di C-S-H alle velocità di impulso misurate. È questa relazione a suggerire un impiego aggiuntivo della tecnica: seguire l’evoluzione dei prodotti di idratazione nelle miscele di lattiera alcalino-attivata, oltre che stimarne le proprietà meccaniche indurite.

Per chi dosa e verifica leganti alcalino-attivati, i numeri del lavoro offrono un quadro d’impiego immediato: correlazioni esponenziali quantificate, un tetto di velocità noto, una finestra di coefficiente di Poisson testata. Le condizioni affinché l’UPV resti uno strumento di stima affidabile anche su un legante che non è Portland.

Nessuna direzione di un elemento stampato in 3D si comporta come le altre. La deposizione strato per strato distribuisce la vulnerabilità del calcestruzzo in modo direzionale e i cicli gelo-disgelo (freeze-thaw) rendono quell’anisotropia misurabile. Il tema è centrale nella rassegna firmata Moein Mousavi e Prasad Rangaraju e pubblicata su CivilEng (vol. 6, pag. 47, doi: 10.3390/civileng6030047), dedicata a meccanismi, materiali e strategie di prova per la durabilità al gelo-disgelo del calcestruzzo stampato in 3D (3DPC).

La diffusione della stampa 3D del calcestruzzo (3DCP) sposta la domanda su un terreno diverso dalla capacità costruttiva: come si comporta il materiale quando il clima cicla gelo e disgelo, stagione dopo stagione, su opere destinate a durare? Mousavi e Rangaraju ordinano la ricerca più recente sul tema, esaminano criticamente i parametri materiali e di processo che governano la durabilità e ne ricavano un quadro di risultati quantificati, accompagnato da lacune metodologiche tutt’altro che marginali.

Anisotropia e legame tra strati: la vulnerabilità varia con la direzione

L’orientamento di stampa, gli additivi in miscela e la qualità del legame tra passate entrano tra i parametri che condizionano la risposta del 3DPC al gelo-disgelo, e la loro valutazione critica costituisce l’impianto della rassegna. Gli studi esaminati attivano tre piani di indagine complementari: prove meccaniche, analisi microstrutturali e tecniche di imaging. Il quadro risultante è netto. La vulnerabilità del materiale non si distribuisce uniformemente, ma cambia con la direzione: un componente estruso a strati può offrire, a parità di miscela, prestazioni al gelo differenti secondo l’orientamento di deposizione, e il legame tra strati resta uno dei punti da tenere sotto controllo.

Standoff e time gap: il processo di stampa incide sul degrado superficiale

Due variabili esecutive pesano direttamente sullo scaling superficiale. La prima è la distanza tra l’ugello e la superficie di deposizione, la nozzle standoff distance. La seconda è l’intervallo di tempo che separa la stampa di strati successivi, il printing time gap. Quando entrambe vengono ridotte, lo scaling superficiale cala di oltre il 50%. Un dato che colloca una quota della durabilità al gelo fuori dal laboratorio di formulazione e dentro la condotta del processo: il degrado superficiale si contrasta anche agendo sui settaggi della macchina.

Agenti inclusori d’aria e nanofiller: i numeri della durabilità

Sul fronte additivi, gli agenti inclusori d’aria (AEA) registrano effetti misurabili. Rispetto ai campioni di controllo, la loro presenza riduce la perdita di resistenza a compressione dopo il ciclaggio gelo-disgelo in un intervallo compreso tra l’1,4% e il 5,3%. Sul modulo dinamico il segnale si amplifica: le carote estratte in direzione orizzontale da elementi stampati con AEA in miscela mostrano un valore superiore del 15% fino a 300 cicli. La specificazione della direzione di estrazione non è un dettaglio burocratico, perché ricollega il risultato alla variabile di orientamento già emersa.

Sul versante dei nanofiller, l’aggiunta di nano ossido di zinco al 3DPC può portare a una ritenzione della resistenza a compressione oltre il 95%, anche sotto cicli gelo-disgelo aggressivi. Insieme agli AEA, questa famiglia di additivi avanzati delinea la direzione su cui la ricerca sul 3DPC sta convergendo.

Protocolli di prova e geometria: le lacune che pesano

Due nodi chiudono il quadro e valgono più di ogni singolo risultato. Il primo riguarda le procedure: manca un protocollo di prova standardizzato per misurare la risposta del 3DPC al gelo-disgelo. Il secondo riguarda la geometria: la degradazione dipende dalla forma del componente esaminato. La combinazione dei due limita la trasferibilità dei dati tra studi diversi, e i risultati disponibili vanno letti alla luce della geometria e della direzione di prova con cui sono stati ottenuti.

La lettura d’insieme resta bilaterale: la durabilità al gelo-disgelo del calcestruzzo stampato in 3D si costruisce nella miscela, con agenti inclusori d’aria e nanofiller, e insieme nella condotta del processo, su standoff, time gap e orientamento di deposizione. È su questo binomio che il lavoro di Mousavi e Rangaraju fonda la prospettiva di un impiego affidabile del 3DPC nelle infrastrutture delle regioni fredde.

Solo il 4% di cemento Portland rispetto a un totale di leganti che raggiunge il 94-98% di sottoprodotti industriali: è questa la composizione identificata come ottimale in uno studio pubblicato su Construction Materials (doi: 10.3390/constrmater5040091) da Nurshafarina Jasme, Kim Hung Mo, Farid Wajdi Akashah e Chee Ban Cheah, dedicato ai calcestruzzi autocompattanti attivati con solfati.

Una miscela a basso tenore di cemento

La ricerca si inserisce nel quadro della riduzione del consumo di Ordinary Portland Cement (OPC) nei calcestruzzi autocompattanti (SCC), mantenendo al contempo prestazioni adeguate nel lungo periodo. Il legante studiato combina il 72% di granulato di altoforno macinato (GGBS) con il 18% di cenere volante (FA), attivati da dosi variabili di OPC e gesso. La formulazione ottimale risulta quella con 4% di cemento e 6% di gesso, che ha mostrato le migliori prestazioni meccaniche a tutte le età di maturazione.

Per gli aggregati fini è stato impiegato quarry dust, mentre il scheletro grossolo ha visto il confronto tra granito e scorie da forno elettrico ad arco (EAF slag).

Prestazioni reologiche e meccaniche

Sul piano dell’attitudine autocompattante, la miscela ottimale si colloca in classe SF2 secondo la classificazione EFNARC, con valori di slump flow compresi tra 700 e 725 mm. La resistenza a compressione supera 50 MPa a 270 giorni, mentre a flessione il SA SCC raggiunge valori fino al 20% superiori rispetto a un SCC a base di sola OPC.

Il ritiro per essiccamento resta sotto i limiti di Eurocodice 2 e ASTM C157. L’uso di scoria EAF in luogo del granito aumenta la densità del calcestruzzo, ma condiziona leggermente in negativo il comportamento in termini di ritiro.

La microstruttura conferma i meccanismi di legame

Le analisi microstrutturali condotte con SEM-EDX descrivono una matrice il cui sviluppo di resistenza è governato da gel C-S-H e C-A-S-H a struttura discreta, distribuiti attorno alle particelle di legante non reattate e capaci di generare un impalcato denso e interbloccato. Un dettaglio che spiega perché l’attivazione solfatica possa sostituire in gran parte il clinker senza compromettere la densificazione della pasta.

Implicazioni per la progettazione a bassa emissione

I risultati indicano un percorso pratico per SCC ad alte prestazioni con dipendenza drasticamente ridotta dall’OPC e conseguente contenuto dell’impatto ambientale. Per il progettista, i riferimenti di riferimento restano quelli già esaminati: conformità reologica alla classe SF2 EFNARC, resistenze oltre 50 MPa a lunga età e ritiro contenuto entro i limiti normativi citati, con l’attenzione richiesta dal maggiore peso specifico e dal ritiro leggermente più elevato delle mix con scoria EAF.

Un contributo concreto alla definizione di calcestruzzi autocompattanti a basso tenore di carbonio, in cui i sottoprodotti industriali costituiscono la quasi totalità del sistema legante.