Calcestruzzi ad altissime prestazioni contenenti materie prime seconde (UHPFRC)

I calcestruzzi fibrorinforzati ad alte o altissime prestazioni (Ultra High Perfor-mance Fiber Reinforced Concretes – UHPFRC) sono caratterizzati da un notevole impatto ambientale perché contengono notevoli quantità di cemento, la cui produzione è associata a significative emissioni di CO2.

La presente memoria presenta i risultati ottenuti nell’ambito del progetto di ricerca MATERSOS finanziato dalla Regione Emilia Romagna, in relazione allo sviluppo di UHPFRC contenenti materie prime seconde.

In una prima fase del progetto sono stati analizzati gli scarti ed i rifiuti disponibili a livello regionale che potessero prestarsi a tale utilizzo. Successivamente i materiali risultati più promettenti sulla base di analisi chimiche e mineralo-giche, sono stati impiegati per sviluppare miscele di calcestruzzo ad altissima resistenza.

La memoria presenta le miscele sviluppate e le principali caratteristiche meccaniche dei materiali ottenuti.

Articolo presentato in occasione degli Italian Concrete Days 2018 di aicap e CTE

High performance concretes with secondary raw materials

Calcestruzzi ad altissime prestazioni contenenti materie prime seconde 

N. Buratti¹, A. Vinciguerra², C. Mazzotti¹, M.C. Bignozzi¹

1 DICAM – Università degli Studi di Bologna, Bologna, Italy

2 CIRI – Edilizia e Costruzioni, Università degli Studi di Bologna, Bologna, Italy

1 Introduzione

L’industria delle costruzioni è uno dei settori maggiormente responsabili delle emissioni di gas serra (circa il 36 % del totale delle emissioni di CO2 in Europa). Pertanto risulta critico per il raggiungimento dell’obiettivo di decarbonizzazione proposto dalla Unione Europea (Imbabi et al. 2012, Jackson et al. 2017).

È quindi necessaria un’azione mirata sui materiali e i processi.

I calcestruzzi fibrorinforzati ad alte o altissime prestazioni (Ultra High Performance Fiber Reinforced Concretes – UHPFRC/HPFRC) sono materiali di recente sviluppo; il loro primo impiego risale infatti alle fine degli anni ‘90, dapprima in Francia e poi negli USA. Accanto allo studio delle proprietà meccaniche del materiale, iniziarono a realizzarsi anche alcune applicazioni pratiche nel settore dell’ingegneria civile, volte a sfruttarne a pieno le proprietà di resistenza e durabilità (Russo, 2011).

Questi calcestruzzi sono, infatti, un materiale a base cementizia fibrorinforzato che presenta un’alta resistenza meccanica a compressione, una buona resistenza a trazione e una discreta duttilità. La facile messa in opera, la bassa permeabilità e l’alta durabilità li rendono potenzialmente idonei per interventi di riabilitazione strutturale o come nuovi materiali da costruzione (Denarié et al. 2006). In particolare potrebbero essere utilizzati come rinforzo di porzioni di costruzioni soggette a elevati carichi ciclici o particolari condizioni ambientali (Brühwiler et al. 2008). L’elevato contenuto di cemento, a cui si devono valori di resistenza cosi alti, la cui produzione genera forti emissioni di anidride carbonica, li rende però poco sostenibili dal punto di vista ambientale.

Il progetto MATERSOS “Materiali Sostenibili per il ripristino e la realizzazione di nuovi edifici”, finanziato con fondi europei (POR-FESR) dalla Regione Emilia Romagna ha lo scopo di sviluppare materiali da costruzione a basso impatto ambientale al fine di utilizzarli nell’intera filiera costruttiva (Bignozzi et al. 2017).

In una prima fase del progetto, a seguito di una mappatura dei rifiuti regionali potenzialmente utilizzabili nel settore delle costruzioni, si è giunti all’individuazione di diverse tipologie di possibilein-teresse. Per ciascuno di essi è stata eseguita una caratterizzazione chimica, fisica e mineralogica e valutata la necessità di eventuali trattamenti in funzione della destinazione d’uso (Bignozzi et al. 2017).

Nella seconda annualità del progetto sono state sviluppate mi-scele per HPFRC e UHPFRC utilizzando i rifiuti più promettenti (Vinciguerra et al. 2018, Buratti et al. 2018), con l’obiettivo di ridurne l’impatto ambientale, in particolare diminuendo il quantitativo di cemento impiegato. La presente memoria presenta alcuni risultati preliminari relativi a tali attività di sviluppo.

2 ULTRA HIGH PERFORMACE FIBER REINFORCED CONCRETE

2.1 Composizione degli UHPFRC

Gli UHPFRC sono dei composti cementizi rinforzati con fibre polimeriche o in acciaio, con valori di resistenza a compressione solitamente superiori a 150 MPa, e di resistenza a trazione maggiori di 5 MPa (Tayeh et. al. 2013). Le miscele differiscono da quelle dei calcestruzzi convenzionali, per la selezione degli aggregati, l’alto contenuto di cemento e il bassissimo rapporto acqua cemento (A/C).

I materiali costituenti vengono proporzionati in modo da bilanciare tipologia e dimensione degli inerti, acqua, aggiunte di materiale ad attività pozzolanica (tipicamente fumi di silice), per ottenere una matrice cementizia compatta e a trama finissima (Russo 2011).

La bassa quantità di acqua riduce la presenza di vuoti, invece, i fumi di silice, che hanno la funzione di filler, grazie alla loro estrema finezza riempiono i vuoti interstiziali tra le particelle di cemento e di sabbia.

Si ottiene in questo modo un sistema che lascia a disposizione dell'acqua un volume molto piccolo (Berra et al. 1985). L’utilizzo di fumi di silice cambia la struttura della porosità del calcestruzzo, rendendolo più denso e più resistente alle influenze esterne (ad esempio agenti corrosivi) e incrementandone la resistenza meccanica rispetto ai calcestruzzi ordinari (Russo 2011). Per ottenere una buona lavorabilità di tali materiali è indi-spensabile l’uso di superfluidificanti.

2.2 Materiali utilizzati

A seguito di una mappatura dei rifiuti prodotti nella regione Emilia-Romagna, sono stati individuati quelli più idonei all’utilizzo nel settore delle costruzioni (Bignozzi et al. 2017). Tra questi, gli scarti dell’industria ceramica regionale, ottenuti dalla rettifica a freddo delle piastrelle in gres porcellanato (Figure 1), sono risultati idonei alla sostituzione di una percentuale di cemento nelle miscele degli UHPFC.

Le Ta-belle 1 e 2 mostrano la composizione chimica e la distribuzione granulometrica dello scarto di rettifica ceramico, che risulta essere composto principalmente da SiO2.

In una prima fase del progetto sono state realizzate malte in cui una percentuale del cemento è stata sostituita con lo scarto di rettifica delle piastrelle (Vinciguerra et al. 2018, Buratti et al. 2018) al fine di valutarne l’attività pozzolanica secondo la norma EN 450-1:2012. Le prove condotte (prove di compressione, flessione e valutazione dell’indice di attività) hanno mostrato una modesta attività pozzolanica. Si noti che questo scarto è stato utilizzato senza sottoporlo ad alcun trattamento preliminare.

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO

KEYWORDS: UHPFRC; secondary raw materials; mechanical properties; sustainability / calcestruzzi fibrorinforzati ad altissima resistenza; materie prime seconde; proprietà meccaniche; sostenibilità.

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Nel 2020 si terrà a Napoli la terza edizione degli Italian Concrete Days organizzati da aicap e CTE.

Per saperne di più collegarsi al sito degli ITALIAN CONCRETE DAYS 2020