Calcestruzzo green: si possono utilizzare molte più ceneri

L'evoluzione tecnica del calcestruzzo: un passo verso la sostenibilità

L'industria delle costruzioni è da tempo in cerca di soluzioni innovative per ridurre l'impatto ambientale dei materiali utilizzati, in particolare del calcestruzzo, il cui ingrediente principale, il cemento, è responsabile di una significativa quota delle emissioni globali di carbonio.

Su Ingenio ne parliamo con continuità riportando le esperienze, le ricerche, le soluzioni più innovative con l'obiettivo di dare un supporto a questa evoluzione tecnica.

Recenti studi e sviluppi tecnologici hanno portato alla creazione di un calcestruzzo a basso contenuto di carbonio in grado di utilizzare ceneri volanti da carbone, proponendo un passo avanti importante nella sostenibilità dei materiali da costruzione.

La rivoluzione del calcestruzzo a basso contenuto di carbonio

Un nuovo modello sviluppato dall'Università RMIT dimostra che il calcestruzzo a basso contenuto di carbonio può riciclare il doppio della quantità di cenere di carbone rispetto agli standard attuali, riducendo della metà la quantità di cemento richiesta e mantenendo eccellenti prestazioni nel tempo.

Questo progresso si basa sulla collaborazione tra i ricercatori dell'RMIT e la Loy Yang Power Station di AGL, insieme all'Ash Development Association of Australia, per sostituire l'80% del cemento nel calcestruzzo con ceneri volanti di carbone .

Secondo il Dr. Chamila Gunasekara, leader del progetto presso la School of Engineering dell'RMIT, questa è una svolta significativa, poiché i calcestruzzi a basso contenuto di carbonio esistenti sostituiscono tipicamente non più del 40% del loro cemento con ceneri volanti. L'aggiunta di nano additivi per modificare la chimica del calcestruzzo consente di incorporare una maggiore quantità di ceneri volanti senza compromettere le prestazioni ingegneristiche.

Non solo carbone, l'opportunità delle ceneri da stagno

Oltre alle ceneri volanti, il team dell'RMIT ha esplorato l'uso delle ceneri da stagno, un sottoprodotto meno utilizzato e di qualità inferiore derivato dai bacini di stoccaggio delle centrali a carbone.

Le prove di laboratorio hanno dimostrato che il calcestruzzo contenente ceneri da stagno può soddisfare gli standard australiani per le prestazioni ingegneristiche e i requisiti ambientali, aprendo nuove opportunità per la sostituzione del cemento .

Il Dr. Gunasekara ha spiegato che, rispetto alle ceneri volanti, le ceneri da stagno sono meno sfruttate nella costruzione a causa delle loro diverse caratteristiche. Tuttavia, ci sono centinaia di megatonnellate di rifiuti di ceneri nei bacini australiani e molti di più a livello globale, rappresentando un potenziale rischio ambientale. La possibilità di riutilizzare queste ceneri su larga scala sarebbe un grande vantaggio .

Modelli predittivi per il calcestruzzo a basso contenuto di carbonio

Un ulteriore sviluppo cruciale è l'introduzione di un programma di modellazione computerizzata, sviluppato in collaborazione con l'Università di Hokkaido, che prevede le prestazioni nel tempo dei nuovi miscelati di calcestruzzo.

Il Dr. Yuguo Yu, esperto in meccanica computazionale virtuale presso l'RMIT, ha sottolineato che la sfida principale è stata comprendere come i materiali di nuova concezione si comporteranno nel tempo.  Questo approccio pionieristico, recentemente presentato nella rivista "Cement and Concrete Research", rivela come vari ingredienti del nuovo calcestruzzo interagiscono nel tempo. 

Il modello predittivo sviluppato dall'Università RMIT, in collaborazione con l'Università di Hokkaido, rappresenta un'importante innovazione nella previsione delle prestazioni del calcestruzzo a basso contenuto di carbonio. Questo modello, basato sulla fisica, è progettato per simulare come i vari componenti del calcestruzzo interagiscono e si comportano nel tempo, consentendo agli ingegneri di ottimizzare le miscele prima della produzione su larga scala.

Il Dr. Yuguo Yu ha spiegato che il modello utilizza una serie di modelli cinetici e termodinamici per prevedere il grado di idratazione e la disposizione delle fasi durante il processo di indurimento. Questo approccio integrato permette di analizzare la reazione di ogni componente del legante, inclusi il cemento, le ceneri volanti e i nano additivi, e di prevedere le caratteristiche strutturali e di resistenza del calcestruzzo nel tempo.

In particolare, il modello evidenzia come i nano additivi migliorino la densità e la compattezza del calcestruzzo, compensando l'effetto della lenta idratazione delle ceneri volanti e delle ceneri da stagno. Questa capacità di simulazione offre un vantaggio significativo, permettendo ai progettisti di sperimentare virtualmente diverse composizioni e tempi di maturazione, riducendo i costi e i tempi associati ai test fisici.

La validazione sperimentale del modello ha dimostrato la sua efficacia nel prevedere il comportamento del calcestruzzo con fino all'80% di sostituzione del cemento, segnando un passo importante verso l'adozione su larga scala di materiali da costruzione più sostenibili e resilienti.

Conclusioni

La ricerca condotta dall'Università RMIT rappresenta un passo significativo verso la creazione di materiali da costruzione più sostenibili.

Utilizzando ceneri volanti e ceneri da stagno, e grazie all'innovazione nei modelli predittivi, il calcestruzzo a basso contenuto di carbonio non solo riduce l'impatto ambientale ma promette anche prestazioni durature nel tempo.

Questo approccio potrebbe rivoluzionare il settore delle costruzioni, riducendo le emissioni di carbonio e sfruttando risorse finora trascurate.

Fonte: Unified hydration model for multi-blend fly ash cementitious systems of wide-range replacement rates