Studio di fattibilità di un calcestruzzo con ghiaia di vetro cellulare

Questa memoria ha per oggetto lo studio di fattibilità di un calcestruzzo con aggregato in ghiaia di vetro cellulare ed è l’inizio di una sperimentazione avviata di recente. Il vetro cellulare è un aggregato eccezionalmente leggero che vanta una buona resistenza a compressione. Per queste caratteristiche si presenta come un inerte artificiale che offre un’alternativa all’argilla espansa, ma è più sostenibile, in quanto prodotto dal riciclo delle bottiglie di vetro.

Inoltre, il vetro cellulare presenta caratteristiche d’impermeabilità, che lo rendono competitivo rispetto agli altri aggregati artificiali. Infatti, l’elevato valore di assorbimento dell’acqua è un parametro penalizzante che accomuna tutti gli aggregati leggeri da quelli naturali, fino all’argilla espansa.

Calcestruzzo: l'innovazione per rispondere all'esigenza di risparmio energetico

Le prime prove eseguite consentono di classificare il calcestruzzo tra quelli leggeri non strutturali (di classe LC1 con fck

La ricerca in materia di calcestruzzi, nell’inseguire l’innovazione con ritmi sempre più incalzanti, cerca risposte alla crescente esigenza di risparmio energetico. Ne consegue una maggiore attenzione da parte di molti ricercatori, verso il campo dei calcestruzzi alleggeriti, nell’incessante tentativo di individuare miscele che possano garantire valori di conducibilità sempre più bassi.

Mentre si delineano alternative strutturali conciliabili con l’isolamento a cappotto interno, in modo da poter spendere l’opzione faccia vista dal punto di vista estetico, si percepisce, di contro, un accanimento alla ricerca di soluzioni che puntino all’alleggerimento dell’aggregato, oppure della pasta cementizia, attraverso l’insufflaggio di additivi con effetto schiumante.

In un clima di tensione che insegue risposte al deficit energetico congenito nel calcestruzzo, questo secondo approccio, però, conduce verso soluzioni con ridotte caratteristiche meccaniche all’aumentare della leggerezza del conglomerato. Le performances energetiche e meccaniche in un calcestruzzo, infatti, sono inversamente proporzionali tra loro.

Molto spesso, calcestruzzi eccezionali da un punto di vista meccanico risultano altamente conducibili da un punto di vista termico e viceversa. Nella pratica, inoltre, un calcestruzzo che equilibri i suddetti parametri non garantisce buone prestazioni su nessuno dei due fronti, né meccanico né energetico.

La salvaguardia dell’ambiente e l’esigenza di non dissipare materie prime naturali impongono di concentrare l'attenzione ai materiali artificiali, e soprattutto a quelli di riciclo, che, essendo ecosostenibili e capaci di delineare soluzioni alternative, consentono di coniugare innovazione e rispetto per l’ambiente.

In tempi recenti, l’utilizzo di aggregati e prodotti di riciclo è stato sempre più incoraggiato per le note- voli potenzialità di determinare vantaggi alla scala ambientale, come la diminuzione dello smaltimento in discariche di prodotti di scarto e la salvaguardia delle materie prime non rinnovabili.

Nel corso degli anni, infatti, sono stati studiati calcestruzzi con aggregati di riciclo di diversa natura come, ad esempio, i prodotti derivanti delle demolizioni di strutture esistenti in calcestruzzo (Limbachiya et al, 2000), la gomma di pneumatici usurati (Thomas and Gupta, 2015), aggregati PET proveniente dagli scarti plastici (Foti and Lerna, 2020) e non ultimo il vetro.

Il vetro cellulare, utilizzato come aggregato leggero per calcestruzzi, concilia l’esigenza di migliorare il comportamento energetico del calcestruzzo con quella dell’utilizzo di materiali di riciclo.

Rispetto all’aggregato leggero naturale che ha caratteristiche variabili, il vetro cellulare presenta ottime prestazioni che, come l’argilla espansa o più in generale come tutti gli aggregati artificiali prodotti industrialmente, risultano costanti nel tempo. Per il confezionamento di calcestruzzi alleggeriti si delinea un'alternativa in cui il vetro cellulare può ricoprire il ruolo di aggregato, sia fine, che grosso, o entrambi in maniera congiunta (Hurley, 2003).

La sperimentazione di miscele con questo tipo di aggregato artificiale, pur vantando una certa storia (Shayan et al. 2004; Corinaldesi et al., 2005), richiede ancora attenzione. La ricerca dovrà impegnarsi affinché il calcestruzzo possa raggiungere buone proprietà reologiche e possa conciliare, valori prestazionali soddisfacenti dal punto di vista meccanico, termico e della durabilità, consone a una miscela innovativa di calcestruzzo alleggerito.

Il presente studio rappresenta l’inizio di una ricerca che mira a valutare la fattibilità di un nuovo cal- cestruzzo con aggregato artificiale in ghiaia di vetro cellulare. L’obiettivo a lungo termine è quello di pervenire alla definizione di una composizione che possa garantire impieghi strutturali per poter poi avviare confronti con altre miscele alleggerite, sia in termini prestazionali che economici.

Materiali e metodi

Il vetro cellulare, con una densità apparente del materiale asciutto che oscilla tra i 140 e i 200 kg/m³, sensibilmente ridotta se confrontata alla densità degli inerti utilizzati tradizionalmente, risponde al requisito primario della leggerezza ed aggiunge altre caratteristiche che fanno la differenza rispetto agli altri aggregati leggeri.

La sua bassissima permeabilità lo rende resistente alla diffusione al vapore in misura praticamente infi- nita così come indicato in alcune schede tecniche di prodotti in commercio (si riportano i link delle schede tecniche in coda al paragrafo delle references). Questa è una proprietà sicuramente unica per un isolante termico che, tra l’altro, vanta un valore di conducibi- lità termica pari a 0,08 W/mK.

Alla bassissima permeabilità consegue un valore di assorbimento d'acqua alquanto modesto, che, testato in laboratorio, ha fatto riscontrare valori inferiori al 20%.

La leggerezza e la bassa conducibilità termica sono ottenute da una porosità a celle chiuse di dimen- sioni micrometriche e nanometriche, pari a più di un milione di alveoli in 1,00 cm³ (Fig.1). La struttura schiumosa possiede una resistenza a compressione che si attesta almeno sui 6,00 kg/cm² e può aggiungere anche ai 10,00 kg/cm². Questo valore, alquanto elevato per un isolante termico, supera quelli di resistenza di terreni sabbiosi e ghiaiosi.

Oltretutto, è un materiale di riciclo eco-sostenibile che riduce l’impatto della dispersione dei rifiuti di vetro nell'ambiente. Prodotto previa macinazione degli scarti del vetro e successiva cottura con agenti schiumogeni, il vetro subisce processi di estrusione e frammentazione per poi essere ridotto in pezzi, che, per affinità formale con la ghiaia naturale, sono denominati ghiaia in vetro cellulare.

Una delle motivazioni, che maggiormente hanno sostenuto la scelta di questo prodotto come aggregato artificiale in questo studio, è il basso valore di assorbimento d'acqua, parametro che caratterizza la qualità dell’aggregato e che è sempre elevato negli aggregati di riciclo. Tale caratteristica risulta fondamentale per i conseguenti riflessi sul quantitativo di acqua di im- pasto e sul rapporto acqua/cemento, che incide sulle prestazioni.

La resistenza a compressione, la leggerezza e l'isolamento termico sono le altre caratteristiche che lo pongono come materiale idoneo a svolgere il ruolo di aggregato leggero. A queste va sicuramente aggiunta la qualità, quasi costante nel tempo, che solo un prodotto industriale può vantare rispetto ad uno naturale, in una logica di sostenibilità che supporta ulterior- mente tutte le scelte.

Tuttavia, altre motivazioni che sostengono la scelta del vetro cellulare come aggregato risiedono nel fatto che la prevedibile ricchezza di silice e la sua natura amorfa lascino supporre che possa essere considerato reattivo, come una vera e propria pozzolana artificiale.

A supporto di questa ipotesi è valso lo studio della letteratura disponibile in materia (Shayan et al., 2004), che dimostra come le particelle più minute siano reattive e, alla stregua di un filler pozzolanico, contribuiscano a incrementare la resistenza mecca- nica e a velocizzarne lo sviluppo (Limbachiya et al., 2012).

I principi nella progettazione del mix design

Nel progetto del mix design, il punto centrale, come già accennato in precedenza, è stato il basso rapporto acqua/cemento che ben si concilia con il basso valore di assorbimento d'acqua del vetro cellulare. La consapevolezza che da un basso rapporto a/c dipende la resistenza finale del conglomerato e la necessità di avere buone caratteristiche di lavorabilità allo stato fresco, suggeriscono la necessità di impiegare un additivo superfluidificante (Collepardi, 2012), sia come “riduttore” d’acqua, che come agente deflocculante per massimizzare l'azione legante del cemento e la deformabilità della miscela allo stato fresco.

Altro componente efficace in tal senso è il filler che, nella composizione, svolge tanto il ruolo di migliorare la lavorabilità allo stato fresco, con la sua azione fisica, quanto quello di compattare la matrice cementizia a vantaggio della resistenza meccanica e della durabilità (Ausiello, 2018). Il filler attivo, inoltre, aggiunge, con la sua reazione pozzolanica, silicati e alluminati idrati secondari, stabilizzando la calce libera e incrementando resistenza e durabilità.

Per quanto concerne le considerazioni sulle quantità dell'aggregato solido, la scelta della sabbia, nelle quantità indicate nei grafici di Fig. 2, ha il ruolo di creare lo scheletro solido resistente.

Inoltre, trattandosi di un calcestruzzo alleggerito che avrà valori di conducibilità termica piuttosto bassi rispetto a un conglomerato tradizionale, si è avuta cura di scegliere la natura dell’aggregato, che sembra avere influenza sulla conducibilità stessa (Lie et al., 1996). L’aggregato carbonatico, rispetto a quello siliceo avendo minore cristallinità presenta una minore conducibilità termica e quindi anche questa scelta è stata perseguita a monte della progettazione del mix design.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

organizzati da aicap e CTE

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