Categoria: Materiali e Tecnologie

Tra l’1,0 e l’1,5 per cento in peso di fibre di sisal si colloca il dosaggio ottimale, riprodotto in modo stabile, per malte geopolimeriche a base di materiali da costruzione e demolizione riciclati (CDW). Al 2,0 per cento il quadro si rovescia: le fibre tendono ad agglomerarsi, la porosità diventa interconnessa e la sezione portante effettiva si riduce, con effetti più severi sulla flessione che sulla compressione.

A definire questo intervallo è uno studio pubblicato su Construction Materials (Vol. 6, pag. 7, DOI 10.3390/constrmater6010007), firmato da Oscar Graos-Alva, Aldo Castillo-Chung, Marisol Contreras-Quiñones e Alexander Vega-Anticona. La ricerca incrocia prove meccaniche e analisi microstrutturali per spiegare il comportamento macroscopico di malte fibrorinforzate a partire dalla chimica dei gel e dall’interfaccia tra fibra e matrice.

Un legante binario da polveri di mattone e calcestruzzo riciclati

Il legante è di tipo binario e trae tutto il suo apporto dal recupero di CDW: 70 per cento in peso di polvere di mattone riciclato (RBP) e 30 per cento di polvere di calcestruzzo riciclato (RCP). All’attivazione provvede una soluzione alcalina ibrida composta da NaOH, Na2SiO3 e KOH, mentre l’indurimento avviene a bassa temperatura.

Finestra di dosaggio del sisal e limiti del sovradosaggio

I contenuti di fibra esplorati vanno da 0 a 2 per cento in peso, con caratterizzazione meccanica affidata a prove di compressione e di flessione su tre punti. L’introduzione del sisal muove un compromesso tra resistenza e tenacità. Il punto di equilibrio si colloca tra l’1,0 e l’1,5 per cento in peso, un valore che le prove confermano in modo ripetibile.

Superata questa soglia il bilancio si ribalta. Al 2,0 per cento le fibre si agglomerano e si forma porosità interconnessa: la sezione effettivamente capace di portare carico diminuisce, con penalizzazioni più marcature sulla flessione che sulla compressione.

Coesistenza e co-reticolazione dei gel N-A-S-H e C-(A)-S-H

L’evoluzione microstrutturale e delle fasi è stata seguita con diffrazione di raggi X (XRD), spettroscopia FTIR e microscopia elettronica a scansione con analisi EDS (SEM-EDS). Le analisi documentano la coesistenza di gel di tipo N-A-S-H e C-(A)-S-H, con fenomeni di co-reticolazione tra i due. Condizione perché questa doppia chimica si realizzi è il calcio fornito dalla polvere di calcestruzzo riciclato. Dalla coesistenza dei gel derivano la densificazione della matrice e un ancoraggio più efficace tra fibra e matrice, con ricadute dirette sul comportamento meccanico.

Frattografia e risposta oltre il picco

Sulle superfici di rottura si riconoscono traiettorie di cricca tortuose, ponteaggio delle fibre e sfilamento esteso in corrispondenza del dosaggio di circa 1,5 per cento in peso. La configurazione è coerente con una risposta post-picco più estesa e con un lavoro di frattura superiore. In questa condizione la resistenza a giovane età resta invariata.

Prescrizioni di lavorazione per risultati replicabili

La gestione del processo richiede attenzione su quattro fronti: aggiunta graduale delle fibre, controllo dell’operabilità della miscela, deaerazione delicata e mantenimento di un rapporto A/S costante. Sono accorgimenti che sostengono la riproducibilità del risultato, dal dosaggio delle fibre alla microstruttura finale.

Campi d’impiego e CO2 incorporata

Le destinazioni d’uso individuate riguardano applicazioni non strutturali e semistrutturali, nelle quali pesano le prestazioni flessionali e il comportamento post-picco. Il percorso produttivo, basato su un legante derivato integralmente da detriti di costruzione e demolizione e caratterizzato da una bassa CO2 incorporata, si presenta come schema replicabile.

Per chi lavora con leganti a base di materiali riciclati, il contributo più utile è il nesso esplicito tra chimica dei gel, qualità dell’interfaccia tra fibra e matrice e risposta macroscopica, tradotto in una finestra di dosaggio operativa e in regole di lavorazione verificabili.

La cenere volatile generata dall’incenerimento dei rifiuti solidi urbani, dopo un trattamento di modifica, entra nella formulazione di una malta architettonica destinata a superfici a effetto speculare. Su questo tema si concentra uno studio pubblicato sulla rivista Buildings, volume 16, articolo 3894, che muove su due piani strettamente collegati: le prestazioni del materiale e la regolazione della qualità della superficie finita.

Trattamento della cenere volatile prima dell’impiego in miscela

Il residuo di partenza è la cenere volatile proveniente dall’incenerimento dei rifiuti solidi urbani, sigla MSWI nella denominazione internazionale. Il materiale non viene incorporato nella malta nella forma in cui esce dagli impianti: lo studio considera una cenere volatile modificata, secondo la formulazione modified municipal solid waste incineration fly ash. La modifica preventiva del residuo precede quindi l’incorporazione e caratterizza il composto analizzato.

L’inserimento di un residuo di incenerimento in un prodotto destinato a superfici visibili obbliga a valutare insieme il comportamento del composto e l’esito della finitura, perché entrambi concorrono alla definizione del materiale. Questo doppio versante costituisce l’asse portante della ricerca.

Malta architettonica a finitura speculare

Il prodotto oggetto del lavoro è una malta con destinazione architettonica e superficie a effetto speculare. In questa categoria di impiego la finitura non è un requisito accessorio: l’aspetto e la regolarità della superficie entrano nella definizione stessa del materiale. Per questo la qualità superficiale viene trattata come oggetto di studio autonomo, al pari delle proprietà del composto, e la sua regolazione compare tra gli obiettivi espliciti della ricerca.

Prestazioni e qualità superficiale valutate congiuntamente

La ricerca persegue un doppio obiettivo: da un lato la prestazione della malta, dall’altro la regolazione della qualità della superficie finita. I due aspetti vengono considerati in maniera congiunta, in coerenza con la natura del prodotto, per il quale l’esito della finitura pesa quanto il comportamento del materiale stesso.

Per chi opera nella scelta e nella specificazione di malte per applicazioni architettoniche, il punto di interesse sta proprio in questo accostamento: l’introduzione di una cenere modificata da incinerimento viene letta insieme all’effetto che produce sulla superficie, senza separare la prestazione del composto dal risultato estetico della finitura.

Lo studio si colloca nel tema dell’impiego di residui di incinerimento nei materiali da costruzione, con l’attenzione rivolta a un’applicazione esigente sul piano superficiale come la finitura speculare. La coppia di obiettivi, prestazione del materiale e controllo della qualità della superficie, delinea l’ambito entro cui il lavoro si sviluppa e resta il riferimento per interpretarne i risultati.

Sostituire un quinto del cemento Portland con polvere di calcare (LP) in un calcestruzzo a prestazioni ultra elevate (UHPC) lascia la resistenza a compressione nella fascia tipica di questi materiali, tra circa 142 e 152 MPa tra i 28 e i 56 giorni, e riduce al tempo stesso del 18,8% la CO2 incorporata nella miscela plain, con un taglio del 15,5% per la variante fibrorinforzata. Questo bilancio, in cui durabilità e costi reggono il confronto con i riferimenti senza calcare, proviene dal lavoro di Yashovardhan Sharma, Meghana Yeluri e Srinivas Allena, pubblicato su Construction Materials.

Il confronto attraversa due regimi di maturazione: cura in ambiente umido (MC) e cura in bagno caldo a 90 °C (WB). A essere vagliati sono lavoroabilità, comportamento a compressione e flessione, ritiro, resistenza ai cicli di gelo-disgelo, trasporto di cloruri, costo dei materiali e carbonio incorporato.

Due miscele e due cure attorno a una sola variabile

Lo schema sperimentale è costruito a coppie. Per ciascuna delle due condizioni di partenza, UHPC plain e fibrorinforzato (FR-UHPC), la miscela di riferimento senza calcare affianca la variante in cui il 20% del cemento lascia il posto alla polvere di calcare. Ogni coppia viene poi seguita nei due regimi di cura. Il pacchetto di verifiche copre lo stato fresco, le resistenze meccaniche, il ritiro essiccamento, il comportamento dopo 300 cicli rapidi di gelo-disgelo e il trasporto di cloruri, stimato con la resistività superficiale e con il test RCPT. Chiudono il quadro il costo dei materiali e la CO2 incorporata.

Stato fresco: più flow, soprattutto con le fibre

Sul compato fresco l’effetto della sostituzione è immediatamente misurabile. Il flow aumenta del 14,3% nell’UHPC plain e arriva al 33% nella miscela fibrorinforzata, un margine che pesa in fase di posa, dove la presenza delle fibre rende più impegnativa la lavorazione del conglomerato.

Durabilità: gelo-disgelo, cloruri e ritiro non cedono

Dopo 300 cicli rapidi di gelo-disgelo tutte le miscele conservano un modulo dinamico relativo compreso tra il 100% e il 103%. Le perdite di modulo di rottura (MOR) restano contenute e risultano sempre inferiori a quelle dei riferimenti: nell’UHPC con calcare si fermano all’1,1% contro il 4,7% della miscela senza LP, mentre nell’FR-UHPC lo scarto è del 3,7% contro l’8,1%.

Anche la resistenza al trasporto di cloruri migliora. A 56 giorni, in cura umida, la resistività superficiale sale da 558 a 707 kΩ·cm nell’UHPC plain e da 252 a 444 kΩ·cm nell’FR-UHPC. I valori RCPT delle miscele con calcare, pari a 139 C in MC e 408 C in WB, si collocano tra il 14% e il 23% al di sotto di quelli dei rispettivi controlli. Il ritiro essiccamento si riduce a sua volta, di circa il 23% nella miscela plain e del 28% in quella con fibre.

Compressione e flessione: dove si concentrano le penalità

Le resistenze restano nel range UHPC per tutta la finestra tra 28 e 56 giorni, con valori intorno a 142 e 152 MPa per le miscele con LP; lo scarto rispetto ai controlli si muove tra il 2% e il 5% in funzione di età e cura. A 56 giorni in bagno caldo i riferimenti fermano 154 MPa per la miscela plain e 161 MPa per quella fibrorinforzata, mentre con il calcare si scende a 145,2 e 152,0 MPa.

Più sensibile il comportamento flessionale, specie nella miscela con fibre. A 28 giorni il MOR passa da 15,5 a 12,7 MPa con cura umida e da 14,3 a 10,3 MPa con cura in bagno caldo; la tenacità, in MC, cala da 74,4 a 51,1 J.

CO2 incorporata e costo di miscela

Il versante ambientale è quello che trae il maggior beneficio dalla sostituzione: la CO2 incorporata cala del 18,8% nell’UHPC plain e del 15,5% nell’FR-UHPC. L’effetto economico è più tenue, con un risparmio sui materiali di circa il 4,5% per la miscela plain e del 2,0% per quella fibrorinforzata.

Restano i punti di attenzione. Le riduzioni di resistenza a compressione e flessione e di tenacità, più marcate sotto cura in bagno caldo, vanno tradotte in limiti applicativi e coefficienti di progettazione calibrati sulla destinazione d’uso della singola struttura. Per chi opera su miscele ad altissime prestazioni con vincoli di carbonio resta comunque il fatto di fondo: un quinto del cemento può lasciare il posto al calcare, purché la verifica meccanica segua la miscela reale e il suo effettivo ciclo di cura.

Quaranta provini push-off di grandi dimensioni, realizzati accoppiando due blocchi di calcestruzzo a forma di L gettati in momenti diversi, hanno costituito la base sperimentale per quantificare il trasferimento di taglio attraverso un giunto freddo armato con barre in polimero rinforzato con fibre di vetro (GFRP). La superficie di contatto tra i due getti è stata lasciata senza trattamento alcuno. La domanda a cui il lavoro risponde è diretta: queste barre possono sostituire l’acciaio anche nel ruolo di armatura per il trasferimento di taglio tra getto prefabbricato e getto in opera?

Azione composta e corrosione: il punto critico dell’interfaccia

Nella costruzione accelerata dei ponti le travi prefabbricate in calcestruzzo vengono collegate a una soletta gettata in opera mediante armature disposte trasversalmente al piano d’interfaccia. È questo collegamento a rendere possibile lo sviluppo dell’azione composta tra i due elementi. Quando il rinforzo trasversale è in acciaio, però, la durabilità resta esposta: l’impiego estensivo di sali antigelo e le condizioni ambientali severe generano fenomeni di corrosione severa.

Il GFRP si è già dimostrato un’alternativa efficace all’acciaio come armatura a flessione e a taglio. Il passo successivo affrontato dalla ricerca riguarda una funzione diversa, quella di armatura di trasferimento del taglio tra calcestruzzo prefabbricato e calcestruzzo in opera, con l’obiettivo di accertarne le prestazioni in questa specifica configurazione.

Il programma sperimentale: giunto freddo non trattato e rinforzo in GFRP

Ogni provino è composto da due blocchi di calcestruzzo a L, gettati in tempi differenti: il piano di contatto configura così un giunto freddo nelle condizioni di getto (as-cast), senza alcun trattamento della superficie. Il rinforzo in GFRP attraversa l’interfaccia e vi opera come armatura di attrito al taglio. La scala delle prove, di grandi dimensioni, si riferisce alla configurazione del giunto privo di preparazione superficiale.

Le variabili prese in esame sono quattro:

• forma del rinforzo, con il confronto tra staffe (stirrups) e barre con testa (headed bars);
• percentuale di armatura disposta attraverso l’interfaccia;
• rigidità assiale del rinforzo;
• resistenza a compressione del calcestruzzo.

Per ogni prova sono stati registrati lo slittamento relativo tra i due blocchi, la deformazione del rinforzo, la resistenza ultima e le modalità di rottura. Slittamento e deformazione, letti congiuntamente, tracciano l’attivazione del rinforzo e la risposta del giunto fino al collasso.

Prestazioni competitive rispetto all’acciaio e modello di calcolo

Il quadro complessivo che emerge dalle prove è quello di un rinforzo in GFRP capace di trasferire taglio in modo efficace, con prestazioni che reggono il confronto con l’armatura in acciaio. Dall’elaborazione dei risultati discende inoltre un modello di attrito di taglio (shear friction model), formulato per la previsione della capacità di taglio dei giunti freddi in condizioni di getto armati con rinforzo in GFRP.

Per il progettista la formulazione costituisce un riferimento di calcolo allineato alle condizioni sperimentali del programma: rinforzo in GFRP, giunto freddo, superficie d’interfaccia non trattata. Disporre di dati su provini a scala reale e di una relazione dedicata consente di affrontare la verifica del taglio all’interfaccia con parametri specifici per il materiale e per la configurazione del giunto.

Lo studio è firmato da Amr El Ragaby, Jehad Alkatan, Faouzi Ghrib e Mofrhe Alruwaili ed è pubblicato su Construction Materials, Vol. 6, pagine 5, all’indirizzo doi: 10.3390/constrmater6010005. Nelle realtà in cui i trattamenti invernali con sali antigelo fanno parte della manutenzione ordinaria dei ponti, l’insieme delle prove e la disponibilità di un modello dedicato al giunto freddo armato con GFRP offrono un punto di partenza numerico per la valutazione dell’interfaccia tra trave prefabbricata e soletta in opera.

Un gruppo di ricerca indiano ha pubblicato su Construction Materials (MDPI) uno studio che combina un’indagine basata su questionari con modelli di machine learning per individuare le cause principali degli scarti da costruzione e demolizione (C&D waste) e definire strategie di riduzione mirate. Il lavoro, firmato da Choudhury Gyanaranjan Samal, Dipti Ranjan Biswal, Sujit Kumar Pradhan e Ajit Kumar Pasayat (DOI: 10.3390/constrmater5040088), si colloca nel contesto indiano, dove l’urbanizzazione accelerata e pratiche costruttive ad alto consumo di materiale rendono la gestione dei rifiuti da costruzione e demolizione una criticità persistente.

Campione e impostazione dello studio

La base dati comprende 116 professionisti di tutti i livelli gerarchici (junior, middle e senior management), con età comprese tra i 20 e oltre i 60 anni, attivi in edilizia, consulenza, project management, opere stradali, ponti e strutture industriali. La maggioranza dei rispondenti (57%) dichiara 6-20 anni di esperienza, un dato che secondo gli autori garantisce la rappresentanza sia dei ruoli operativi sia di quelli decisionali.

Su questi dati è stato applicato il metodo dell’Indice di Importanza Relativa (RII), una tecnica statistica di classificazione utilizzata per ordinare cause di scarto e tecniche di minimizzazione in base alla percezione del settore. Per rafforzare l’analisi, i ricercatori hanno testato tre modelli di machine learning: Random Forest, Gradient Boosting e Linear Regression. Random Forest ha fornito la migliore performance, con un R² di 0,62, offrendo indicazioni sull’importanza relativa delle diverse strategie di mitigazione.

Risultati: il fattore umano e il controllo qualità

Le evidenze delimitano con precisione quali leve pesano di più, materiale per materiale:

• per calcestruzzo, malta, mattoni, acciaio e piastrelle, le variabili più critiche nella riduzione degli scarti risultano le competenze della manodopera e il controllo qualità;
• per il terreno da scavo, la leva determinante è una pianificazione adeguata delle attività;
• per il legno, pesa la qualità dell’approvvigionamento.

Sulla base di questa gerarchia, le strategie di minimizzazione raccomandate sono quattro: formazione del personale, controlli qualità rigorosi, pianificazione migliorata e prefabbricazione.

Il valore del framework per la gestione dei cantieri

Il contributo del lavoro sta nell’integrazione tra analisi percettiva e tecniche data-driven: l’accostamento delle classifiche ottenute con il RII ai modelli di machine learning restituisce un framework complessivo per la minimizzazione del C&D waste, che gli autori indicano come supporto alla riduzione dei costi e alla sostenibilità nei progetti di costruzione. Per il professionista, l’output operativo è una priorità ordinata degli interventi: quali cause contrastare per prime e con quali strumenti, in funzione del materiale coinvolto.

Limiti dichiarati

Gli stessi autori delimitano il perimetro di validità dei risultati:

• i dati provengono da questionari auto-compilati, con possibili effetti di soggettività e bias regionale;
• i risultati potrebbero non generalizzare oltre il contesto costruttivo indiano, a causa della dimensione del campione e dello sbilanciamento settoriale;
• l’assenza di dati di cantiere in tempo reale e l’accesso limitato a sistemi integrati di gestione dei rifiuti riducono l’accuratezza predittiva dei modelli di machine learning.

Nonostante queste condizioni, la combinazione tra percezione del settore e analisi quantitativa viene indicata dagli autori come un approccio utile a supporto della gestione sostenibile delle costruzioni, in particolare dove mancano sistemi strutturati di raccolta dati sugli scarti.

Sostituire con perlite il 100% dell’aggregato fine di una malta di cemento porta la resistenza a compressione a perdere fino al 78% rispetto alla miscela di riferimento. È il caso limite delle famiglie di impasti da Pe-20% a Pe-100%, studiate da Mortada Sabeh Whwah, Mushtaq Sadiq Radhi, Anmar Dulaimi, Luís Filipe Almeida Bernardo e Tiago Pinto Ribeiro in un lavoro pubblicato su CivilEng (doi: 10.3390/civileng6030051).

La campagna misura gli effetti simultanei dei due costituenti su compressione, flessione, densità, assorbimento d’acqua e conduttività termica, ricostruendo la curva di compromesso tra leggerezza, isolamento e prestazioni meccaniche. Un compromesso che il fumo di silice riesce in parte a riequilibrare.

Il fumo di silice come freno alle perdite di resistenza

All’aumentare della percentuale di perlite la resistenza cala in modo marcato, coerentemente con la bassa densità e la natura leggera di questo aggregato, che si trasferiscono direttamente alla matrice. L’aggiunta di fumo di silice nei dosaggi da SF-20% a SF-100% agisce da contrappeso: le perdite di compressione si riducono a un intervallo compreso tra il 18% e il 71%.

Il contributo del microcomponente si esprime anche nel tempo, con un incremento di resistenza che matura durante l’invecchiamento della malta.

Resistenze a compressione e flessione: l’entità dei cali

Sul piano flessionale le differenze si assottigliano: gli impasti con perlite arrivano a perdere fino al 40%, quelli con fumo di silice si fermano al 36%. Sulla compressione, invece, l’intervallo delle perdite si sposta sensibilmente verso il basso con l’aggiunta del fumo di silice.

Densità in calo e assorbimento d’acqua in crescita

La densità decresce in modo regolare al crescere della sostituzione, fino al massimo di riduzione del 57% registrato su Pe-100%. A generare il calo è la porosità intrinseca della perlite, che però ha un costo: nella stessa miscela l’assorbimento d’acqua sale del 327% rispetto al riferimento.

Con l’aggiunta di fumo di silice (SF-100%) l’aumento si limita al 181%, un risultato che conferma il ruolo del componente nel raffinare la struttura dei pori.

Conduttività termica ridotta fino all’82%

Il guadagno sull’isolamento nasce dalla stessa origine della perdita meccanica. La conduttività diminuisce all’aumentare del contenuto di perlite per effetto dei vuoti che si formano nella matrice: il valore più basso si registra su Pe-100%, con una riduzione dell’82% rispetto al riferimento. Anche le miscele con fumo di silice restano sotto il riferimento, con riduzioni comprese tra il 37% e l’81%.

SF-60%, il dosaggio identificato come ottimale

La valutazione congiunta di resistenza, densità, assorbimento d’acqua e comportamento termico individua in SF-60% la miscela con il profilo più bilanciato. Tre valori ne riassumono le caratteristiche:

Impieghi previsti: muratura non portante, blocchi leggeri, pannelli isolanti

Con questi livelli prestazionali la collocazione naturale è fuori dalle strutture portanti: unità da muratura non portante, blocchi leggeri e pannelli isolanti, contesti in cui pesano ridotto peso ed efficienza termica più che capacità resistente. I risultati forniscono in questo senso un riferimento pratico per la progettazione di malte leggere e sostenibili destinate a costruzioni ad alta efficienza energetica.

Per chi deve selezionare dosaggi in questo ambito la lettura dei dati è diretta: la perlite costruisce leggerezza e isolamento, il fumo di silice contiene le perdite meccaniche e l’assorbimento d’acqua. SF-60% segna il punto in cui i due effetti si compensano meglio.

Una somma di ossidi reattivi superiore al 93%, tenori di SO3 bassi e una perdita al fuoco di circa il 6%: questa la firma chimica delle terre di Otukpo, nello stato di Benue, in Nigeria, e il punto di partenza dello studio di John Audu, Sylvester Osuji e Okiemute Ogirigbo, pubblicato su Construction Materials (DOI 10.3390/constrmater6010001). L’indagine esamina quattro campioni rappresentativi, da OT1 a OT4, con un duplice obiettivo: verificare l’idoneità dei suoli alla produzione di mattoni crudi, quindi senza cottura, e il loro impiego come materiali cementizi supplementari, gli SCM.

Il protocollo sperimentale è esteso. Fluorescenza a raggi X (XRF) e analisi termogravimetrica (TGA) per la composizione, distribuzione granulometrica (PSD) e diffrazione a raggi X (XRD) per la struttura del materiale, prove di compressione non confinata e su cubi per la risposta meccanica, quindi misure di ritiro e di assorbimento d’acqua. Un impianto che permette di incrociare chimica, mineralogia, granulometria e prestazioni sugli stessi materiali.

Una fabbrica ferma da oltre trent’anni

Lo sfondo è industriale prima che tecnico. L’impianto della Otukpo Burnt Brick Factory è inattivo da più di tre decenni, nonostante i ripetuti tentativi di riattivazione promossi dal governo. È dentro questo vuoto produttivo che si colloca la rivalutazione del suolo locale, lungo due direttrici a basso contenuto energetico: laterizi che escludono il ciclo di cottura e materiali pozzolanici da abbinare al cemento.

Chimica e mineralogia dei quattro campioni

I dati XRF restituiscono contenuti elevati di ossidi reattivi, con la somma SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 oltre il 93%, SO3 basso e una perdita al fuoco moderata, dell’ordine del 6%. Un assetto di questo tipo indica un forte potenziale pozzolanico. La diffrazione individua quarzo e caolinite come fasi mineralogiche dominanti, mentre i valori di pH, compresi tra 6,14 e 6,34, risultano coerenti con suoli di natura lateritica.

Granulometria ampiamente entro i limiti ASTM C618

Per un impiego come SCM la finezza conta quanto la composizione chimica. Sul setaccio da 45 µm i residui dei quattro campioni si collocano tra il 6,8% e il 17%, ben al di sotto del limite del 34% fissato dall’ASTM C618. Una granulometria spinta, peraltro, è condizione favorevole allo sviluppo delle reazioni pozzolaniche, così che il margine rispetto alla soglia normativa assume un valore prestazionale e non solo formale.

Indici di attività: la selezione si restringe a OT3 e OT4

Il discrimine arriva dalle prove meccaniche. Gli indici di attività, valutati sui campioni stabilizzati con 5% in peso di cemento oppure con idrossido di sodio, separano nettamente i materiali: solo OT3 e OT4 superano le soglie prescritte dalla normativa nigeriana NIS 693:2007 e da quella indiana IS 1725:2023. OT1 e OT2, invece, restano al di sotto dei valori di riferimento.

Assorbimento d’acqua e ritiro: i limiti più stretti

Il comportamento verso l’acqua segna il punto più critico della caratterizzazione. OT3 assorbe il 18,69%, OT4 il 19,04%: entrambi i valori soddisfano di misura i requisiti indiani, senza però raggiungere quelli nigeriani. Un comportamento riconducibile all’elevata porosità del materiale. Il ritiro lineare, dell’ordine del 14%, rispetta di misura la IS 1498.

Impieghi ammessi: solo elementi non portanti

Il bilancio premia OT3 e OT4, candidati credibili come SCM a basso consumo energetico e come base per mattoni non cotti. Il vincolo d’uso resta però netto: l’applicazione è ammessa unicamente per elementi non portanti, a meno che non si ricorra a un’ulteriore stabilizzazione. Per chi progetta o esprime pareri tecnici il confine è definito con precisione dai dati: qualsiasi estensione a impieghi strutturali presupporrebbe una stabilizzazione aggiuntiva del materiale.

Due campioni su quattro superano le soglie normative sugli indici di attività e riportano all’attenzione una materia prima locale rimasta ai margini per decenni. I parametri chimici e granulometrici lasciano margini ampi; la variabile ancora aperta è la stabilizzazione, condizione necessaria per allargare gli impieghi oltre l’ambito non portante.

Fino al 35% di resistenza a compressione in più, un assorbimento d’acqua ridotto di un quarto e una conduttività termica in calo del 18% rispetto alla miscela di controllo: sono i valori con cui un calcestruzzo cellulare additivato con fibre minerali riciclate e modificatori polimerici complessi ha chiuso il proprio programma sperimentale. La ricerca, firmata da Dulat Abdrassilov, Aleksej Aniskin, Zhanbolat Shakhmov e Rauan Lukpanov, è stata pubblicata su Construction Materials (MDPI), volume 6, con DOI 10.3390/constrmater6010003.

Dietro i numeri c’è un tema che il settore conosce bene: la difficoltà di coniugare in un unico materiale elevate prestazioni fisico-meccaniche con proprietà termiche e di durabilità adeguate. La qualità e la vita utile dei prodotti in calcestruzzo restano infatti condizionate da più fattori, e ogni formulazione in grado di intervenire su questi parametri merita attenzione da parte di chi dimensiona e specifica.

Alleggerire il materiale per scaricare gli elementi

Il punto di partenza è la relazione tra massa e schema statico. Per ampliare le possibilità di progetto di un’opera efficiente occorre ridurre il carico che grava sugli elementi; il mezzo più diretto per ottenerlo è abbassare la massa del materiale senza rinunciare alla resistenza. È lo spazio in cui si colloca il calcestruzzo cellulare (foam concrete), materiale la cui densità è una variabile governabile in miscelazione. Nel programma di prove gli impasti sono stati calibrati su valori compresi tra 400 e 1100 kg/m³, un intervallo sufficientemente ampio da coprire materiali molto leggeri e miscele via via più dense.

Fibre da scarti di isolanti basaltici e modificatori polimerici complessi

La modifica della miscela agisce su due fronti. Le fibre minerali provengono da scarti di isolanti in basalto, un flusso di rifiuto industriale riportato nel ciclo produttivo come componente della miscela. I modificatori polimerici complessi entrano invece in combinazione con le fibre, non come additivo separato.

L’obiettivo perseguito va oltre la resistenza meccanica, estendendosi alla durabilità del materiale e alla stabilità della struttura porosa. Il recupero dei sottoprodotti industriali completa il quadro e sposta parte del valore della formulazione sul piano della sostenibilità.

Quattro grandezze misurate su tutta la scala di densità

Il protocollo di prova si è concentrato su densità, resistenza a compressione, assorbimento d’acqua e conduttività termica. Tutte le grandezze sono state determinate sugli impasti distribuiti lungo la scala di densità prevista dal programma e rapportate, parametro per parametro, ai valori misurati su una miscela di controllo. Un confronto diretto, che rende immediata la lettura delle variazioni percentuali.

Pareti dei pori più integre e valori a confronto

Prima dei numeri, l’esito che qualifica il lavoro riguarda la qualità interna del materiale. Con fibre e modificatori in miscela, l’uniformità strutturale e l’integrità delle pareti dei pori migliorano in misura significativa. Nei materiali cellulari le pareti che delimitano i vuoti partecipano allo scheletro resistente, quindi una microstruttura più regolare e meglio consolidata si riflette direttamente sulla risposta meccanica.

Sul piano quantitativo, i confronti con la miscela di controllo restituiscono i seguenti esiti.

Le tre variazioni procedono nella stessa direzione, con maggiore capacità portante, minore propensione ad assorbire acqua e migliore comportamento termico. Su un materiale chiamato a coniugare bassa massa, durabilità e funzione isolante, gli esiti si rafforzano a vicenda.

Resta il punto di metodo. Recupero di scarti industriali e controllo della microstruttura porosa possono procedere insieme, senza che l’alleggerimento venga pagato in perdita di resistenza. Per chi valuta formulazioni leggere o mette a confronto materiali a bassa densità, i valori misurati offrono un riferimento quantitativo immediato.

Mattoni di classe M550 a base di scarti di marmo: è quanto ottenuto da un gruppo di ricerca kazako miscelando refusi della lavorazione di calcari marmorizzati con cemento Portland bianco, con pressioni di compattazione relativamente contenute. Uno studio che interessa da vicino chi si occupa di materiali da costruzione e valorizzazione dei sottoprodotti industriali.

Il quadro sperimentale

La ricerca, pubblicata sulla rivista Infrastructures (doi: 10.3390/infrastructures11100345), è stata condotta da un team coordinato da Yelzhan Orynbekov, con la partecipazione di Maratbek Zhuginissov, Ruslan Nurlybayev, Zhanar Zhumadilova, Yerlan Khamza, Aktota Murzagulova, Yerlan Kushekov, Abzal Alikhan e Nurbek Tengebayev. L’obiettivo: colmare una lacuna sistematica nei confronti comparativi tra cemento Portland bianco e grigio applicati ai mattoni iperpressati a base di scarti di lavorazione di calcare marmorizzato, materiali che l’industria estrattiva produce in volumi elevati ma che finora hanno trovato scarso impiego nei prodotti da muratura ad alta resistenza.

Quattro formulazioni sono state messe in opera con dosaggi di scarto variabili tra il 70 e l’85% in peso, integrati con cemento Portland bianco CEM I 52.5 (classe M500) oppure grigio CEM I 42.5 (M450). Il rapporto acqua/cemento è stato mantenuto costante a 0.25 per tutti i conglomerati. La fase di cura, della durata di 7 giorni, si è svolta in ambiente umido sigillato.

Compattazione e classi di resistenza

Il variabile determinante è risultato essere la pressione di compattazione. A 28 MPa le miscele raggiungono classi di resistenza a compressione corrispondenti ai gradi M350 e M400. Portando la pressione a 41 MPa, con cemento bianco si sale a classi comprese tra M400 e M550; con il grigio, nelle medesime condizioni, si ottengono gradi M400 e M450. Il divario prestazionale tra i due leganti, a parità di condizioni di pressatura, è dunque evidente.

Sul piano della composizione, il miglior compromesso tra resistenza a compressione e densità si colloca nelle formulazioni con il 75-80% in peso di scarto di calcare marmorizzato, corrispondenti a un dosaggio di cemento tra il 20 e il 16%.

Densità elevata e verifica microstrutturale

Tutti i provini presentano una densità media superiore a 2100 kg/m³, soglia che li colloca nella categoria dei calcestruzzi pesanti. Le prestazioni meccaniche misurate trovano conferma nell’analisi microstrutturale condotta con microscopia elettronica a scansione, corredata da spettroscopia EDS.

Limiti e sviluppi attesi

Gli autori segnalano che i risultati vanno considerati preliminari rispetto all’applicazione pratica: durabilità, assorbimento d’acqua, resistenza al gelo e resistenza a flessione restano parametri da indagare prima di valutare l’impiego effettivo di questi elementi in opera. Un passaggio necessario, considerando che la resistenza a compressione, da sola, non descrive il comportamento di un unità da muratura sottoposta a esposizione atmosferica e azioni flessionali.

Resta il contributo principale dello studio: la relazione quantificata tra pressione di compattazione, tipo di legante, composizione della miscela e classe di resistenza ottenuta, insieme alla dimostrazione che volumi elevati di scarto lapideo possono orientarsi verso la produzione di elementi da muratura ad alta resistenza.

Una malta di calce idratata impastata con una soluzione di aceto al posto dell’acqua passa da 0,83 a 1,86 MPa di resistenza a compressione a 28 giorni. È il dato di apertura di una campagna sperimentale pubblicata su Construction Materials (vol. 6) a firma di Rute Eires, Raphaele Malheiro, Thianne Peixoto e Arlen Zúniga (doi: 10.3390/constrmater6010013), in cui la sostituzione parziale del legante con due scarti calcarei non calcinati viene incrociata con un liquido di impasto ricavato dalle stesse conchiglie di ostrica.

I due flussi di scarto: lime kiln dust e conchiglie di ostrica

Il primo materiale è la lime kiln dust (LKD), sottoprodotto della fabbricazione della carta: ogni 400.000 tonnellate di carta kraft prodotte ne generano circa 100 di scarto. Il secondo flusso proviene dalla filiera acquacola. Su scala globale vengono prodotte ogni anno oltre 16 milioni di tonnellate di ostriche e tra il 65% e il 90% di questo peso è rappresentato dalle conchiglie. Entrambi i materiali sono di natura calcarea e vengono impiegati senza calcinazione preventiva, coerentemente con l’obiettivo di ridurre la quota di leganti calcinati nei materiali da costruzione.

Impostazione sperimentale: sostituzione del legante e liquido di impasto acetico

Lo schema di miscelazione parte dalla malta di calce idratata e prevede la sua sostituzione parziale con LKD e con polvere di conchiglie di ostrica (oyster shell powder, OSP), ai livelli del 25%, del 50% e del 90%. La seconda variabile riguarda il liquido di impasto: al posto dell’acqua viene utilizzata una soluzione di aceto (vinegar solution, VS), preparata facendo reagire le conchiglie con aceto bianco contenente circa il 5% di acido acetico.

Resistenze a compressione: l’effetto della soluzione di aceto

A 28 giorni la malta di riferimento, preparata con calce idratata e acqua, raggiunge 0,83 MPa. La stessa matrice impastata con la soluzione di aceto sale a 1,86 MPa, con un incremento di circa il 124%. Tutte le formulazioni con sostituzioni del legante del 25%, del 50% e del 90% conservano resistenze di almeno 0,4 MPa a 28 giorni, un livello che sostiene l’impiego di questi scarti come alternative più sostenibili nella produzione di malte.

I due scarti non si comportano allo stesso modo. Le miscele con polvere di conchiglie mostrano andamenti più stabili al variare del livello di sostituzione, mentre l’efficienza meccanica massima si concentra sulle formulazioni con il 50% di LKD: 2,04 MPa a 28 giorni e 3,11 MPa a 60 giorni, con incrementi rispettivamente del 10% e del 43%.

Aragonite, fosforo e vapore: i meccanismi dietro il guadagno

L’analisi microstrutturale aggiunge due indizi. Nelle miscele contenenti la soluzione acetica si riscontra un contenuto più elevato di aragonite, forma del carbonato di calcio, insieme a composti contenenti fosforo in quantità rilevabili. Questi elementi possono contribuire alla densificazione e all’indurimento della matrice.

Il secondo meccanismo riguarda la fase di impasto. Nel processo di hot-mixing la calce viva viene idratata in presenza della soluzione acetica e della sabbia, generando calore e vapore prima della formatura dei provini. Il fenomeno, verificato al microscopio, rappresenta una possibile spiegazione delle resistenze più elevate misurate.

La direzione indicata dai risultati è quindi riconoscibile: scarti calcarei impiegati senza calcinazione, un liquido di impasto derivato dalla stessa filiera delle conchiglie e resistenze che restano accettabili anche con sostituzioni elevate del legante. Un percorso che si inserisce nelle strategie di economia circolare del settore ed è orientato a contenere il ricorso ai leganti calcinati nei materiali da costruzione.