Valutazione della Rc di calcestruzzi con aggregati in gomma da riciclo di pneumatici

Memoria tratta dagli atti delle GIORNATE AICAP 2014, Bergamo 22-24 maggio 2014

SOMMARIO
L’uso della gomma ottenuta dal riciclo dei pneumatici a fine vita rappresenta un problema ambientale rilevante. La sua importanza è destinata a crescere nei prossimi decenni a causa delle enormi quantità di pneumatici che dovranno essere smaltiti. Attualmente la principale soluzione oltre allo smaltimento è l’utilizzo come combustibile a basso calore specifico per la produzione di energia. Un interessante alternativa è rappresentata dall’uso di questi materiali nel settore delle costruzioni come aggregato artificiale per i calcestruzzi, in sostituzione parziale o totale degli aggregati naturali. Grazie alla sua leggerezza, elasticità, capacità di assorbire energia durante gli impatti, ed alle sue caratteristiche isolanti, questa strada mostra interessanti prospettive. Peraltro l’utilizzo di gomme da riciclo di pneumatici determina sempre un abbattimento anche sensibile delle resistenze meccaniche, limitandone i campi di utilizzo.
Per questo motivo in questo lavoro è stata studiata la variazione della resistenza a compressione del calcestruzzo in relazione al livello di sostituzione degli aggregati naturali con quelli in gomma riciclata.
La variazione della resistenza del calcestruzzo viene descritta utilizzando sia valutando la letteratura scientifica che con nuovi dati sperimentali.
A valle di questa analisi una nuova relazione analitica è stata sviluppata per la predizione delle proprietà dei materiali utilizzando differenti quantità di gomma come aggregato. Queste relazioni consentono di prevedere con sufficiente accuratezza la resistenza a schiacciamento al variare della percentuale di gomma aggiunta al calcestruzzo. I risultati di questo studio indicano che si verifica una significativa riduzione della resistenza a compressione del calcestruzzo con questo tipo di inerti, soprattutto oltre una certa soglia di sostituzione degli inerti ordinari. Peraltro lo stesso calcestruzzo si è dimostrato più duttile dell’ordinario, mostrando rotture la cui natura è risultata molto meno fragile di quelle ottenute con miscele standard.

INTRODUZIONE

Il calcestruzzo è uno dei materiali da costruzione più utilizzati al mondo, in relazione a vari fattori quali la semplicità di produzione, l’abbondanza di materie prime e le performance strutturali. Nella composizione “classica” del calcestruzzo sono tre gli elementi basilari: il cemento (legante), l’acqua e gli aggregati, che rappresentano volumetricamente la frazione dominante del materiale. La continua richiesta di produzione del calcestruzzo, resa sempre maggiore dallo sviluppo dei paesi in via di sviluppo, inevitabilmente ha portato ad una continua e crescente domanda di risorse naturali necessarie per far fronte alle richieste. La necessità di preservare e limitare l’uso di risorse, parallelamente alla necessità di limitare i problemi derivanti dallo smaltimento dei rifiuti tramite i processi di riciclo e di riuso ha portato l’attenzione sulla possibilità di sostituire, parzialmente o totalmente, gli inerti del calcestruzzo con altri elementi utilizzando materiali alternativi.
A tal proposito si è particolarmente sviluppata negli ultimi anni, la ricerca relativa alle particelle di gomma ricavate dai Pneumatici a Fine Utilizzo (PFU) e incorporate nelle miscele di calcestruzzo in sostituzione degli aggregati, per ottenere un calcestruzzo leggero con specifiche caratteristiche meccaniche, termiche, acustiche e reologiche.
Nel normale ciclo dei pneumatici a fine vita, si procede alla loro triturazione ottenendo frammenti di gomma (nel gergo anglossassone Crumb – CR [29]) che mescolati quali inerti nel calcestruzzo ne modificano le proprietà.
La letteratura al riguardo usa la definizione di rubbercrete, ovvero anche “Rubber Concrete” oppure ancora “Rubber Modified Concrete” usualmente per le miscele di calcestruzzo in cui siano impiegati aggiunte di gomma, provenienti dagli pneumatici post-consumo di autoveicoli e/o di autocarri sottoposti a trattamenti di triturazione meccanica o a processi criogenici, in sostituzione parziale o totale degli inerti naturali [40][34][5][10][1][23][24][28][33][35][36].
In base alle applicazioni e alle performance richieste dal materiale finale, la gomma viene usata così come prodotta dalla triturazione dei pneumatici oppure in alcuni casi ripulita dalle impurità; ad esempio viene rimossa la componente tessile, in altri vengono sfilate le fibre di acciaio della carcassa, in altri ancora la superficie della gomma è sottoposta ad alcuni pretrattamenti per consolidare l’aderenza tra pasta cementizia e gomma conseguendo, in ogni caso, un netto miglioramento di alcune delle proprietà finali del calcestruzzo.
Dimensione, forma e livello di pulizia dei frammenti di gomma sono fattori essenziali nel definire le caratteristiche finali del calcestruzzo in quanto modificano anche pesantemente l’interfaccia tra pasta di cemento ed inerti stessi.

PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEL RUBBERCRATE

Naturalmente il rubbercrate (come pocanzi definito) ha delle caratteristiche talvolta molto differenti dal calcestruzzo standard. Tali variazioni sono legate al tipo di elementi usati (dimensioni, pulizia, etc) e dal loro volume relativo, ossia quanto inerte naturale (standard) viene sostituito con CR di gomma da PFV. Comunque l’aggiunta di particelle di gomma al conglomerato cementizio prospetta vari vantaggi quali:

• Rappresenta un modo efficace e poco costoso di provvedere al riciclaggio degli PFU. Infatti il loro uso può aiutare a ridurre l'onere dello smaltimento degli PFU (compreso lo stoccaggio illegale e disposizione, come discariche abusive, con i rischi associati) [1][18][16][17][31];
• Riduce la rigidità del calcestruzzo permettendo una maggiore deformabilità (grazie alla diminuzione del modulo di Young);
• Come alternativa ai materiali primari riduce sul profilo ambientale l’onere per l'estrazione di nuovi inerti;
• Modifica alcune proprietà del calcestruzzo quali l’elasticità, la duttilità, la durezza, la resistenza agli urti e la capacità di assorbire energia dovuta ad azioni dinamiche (assorbe meglio gli impatti, le vibrazioni e le onde sonore); in altre parole migliora lo smorzamento (e cioè la capacità di assorbire e ridurre gli effetti delle vibrazioni e delle emissioni acustiche);
• In condizioni di gelo-disgelo, fornisce risultati migliori rispetto al calcestruzzo ordinario in quanto presenta una buona resistenza agli agenti atmosferici [8][22][32];
• Minore impatto ambientale, infatti l’asfalto modificato, una volta messo in opera, produce meno micro–polveri e consente di alleggerire la produzione di catrame e bitume nonché abbatte i costi di realizzazione degli asfalti;
• In grado di offrire distinte prestazioni di ingegneria rispetto agli aggregati tradizionali. E’ efficacemente utilizzato per applicazioni civili e industriali anche strutturali, quali sottofondazioni, pavimentazioni e sistemi di fondazioni per sistemi ferroviari e stradali appunto grazie al suo basso peso specifico; alle proprietà di isolamento termico e acustico (e quindi abbatte il rumore) [39] ed infine al succitato notevole potenziale per la mitigazione delle vibrazioni [48][49];
• Riduce l’assorbimento di acqua conferendo una migliore protezione alle barre di armatura nei confronti della corrosione [11];
• All’aumentare della frazione di gomma, si riduce la densità di massa rispetto al calcestruzzo ordinario, fino a 1000 Kg/mc (a spese di una notevole riduzione delle caratteristiche meccaniche, come si vedrà in seguito);
• Presenta fino a circa il 30% del peso di cemento[41], una migliore resistenza non-strutturale alle fessure;
• Migliora la prestazione in termini di resistenza al fuoco [6];

D’altra parte, recenti ricerche sviluppate presso numerosi centri di ricerca hanno dimostrato che anche le fibre d’acciaio riciclate dagli PFU possono essere riutilizzate con successo per la preparazione di conglomerati cementizi fibrorinforzati. In particolare, dette ricerche sono state principalmente indirizzate allo studio delle proprietà meccaniche dei calcestruzzi rinforzati con RSF (Recycled Steel Fibres), ISF (Industrial Steel Fibres) e PRSF (Pyrolysed RSF).
Naturalmente l’introduzione di un aggregato molto più deformabile di quelli naturali comunemente impiegati nella produzione di calcestruzzi induce riduzioni ad alcune caratteristiche meccaniche della miscela allo stato indurito. Infatti si assiste ad una severa riduzione della resistenza a trazione, a compressione (quasi sempre) e a flessione [12][20]. Questo a causa della insufficienza del legame tra le particelle di gomma e la pasta di cemento e tale riduzione è direttamente proporzionale alla quantità di gomma e alle dimensioni delle particelle di gomma. La superficie dell’aggregato gommato è meno ruvida rispetto a quello tradizionale e quindi, una diminuzione delle proprietà meccaniche del calcestruzzo con gomma si spiega anche con la bassa adesione tra particelle di gomma e una matrice di cemento [38][35]. Per aumentare l'adesione, alcuni autori hanno raccomandato l’immersione dei rifiuti di gomma in soluzione di NaOH. Un pretrattamento mediante lavaggio e immersione della gomma in acqua per 7 giorni, prima della colata, migliora la resistenza a compressione del 16,4% rispetto al calcestruzzo non trattato con gomma [15].
Le sperimentazioni condotte da molti autori [3][9][14], hanno dimostrato che, nel calcestruzzo con gomma, sia la resistenza a flessione che la resistenza a compressione sono risultate inferiori rispetto alle miscele di calcestruzzi senza gomma. Quando aggregati di maggiore densità e resistenza vengono sostituiti con gomma di minore densità e resistenza, la resistenza a compressione diminuisce perché le proprietà di resistenza del calcestruzzo, che è materiale composito, dipenderanno dalla resistenza dei costituenti. Alcuni autori hanno notato che la riduzione della resistenza nel calcestruzzo è maggiore quando la gomma sostituisce l’aggregato grosso rispetto alla sostituzione di aggregati fini [38][42][44][27]. Generalmente il legame con inerti di gomma fine è migliore del legame con inerti di gomma grossolani a causa di una superficie più ampia.
Degli autori hanno analizzato l'effetto sulla resistenza a trazione del calcestruzzo in seguito all’aggiunta di particelle di gomma e hanno dedotto che anch’essa diminuisce man mano che aumenta la quantità di gomma aggiunta.
Inoltre bisogna osservare che nelle miscele di calcestruzzo con gomma vi è un contenuto d’aria maggiore rispetto alle miscele ordinarie. Il contenuto d'aria più elevato può essere dovuto alla natura non polare degli aggregati di gomma e alla loro capacità di intrappolare aria nella loro struttura superficiale frastagliata. Quando l’aggregato in gomma (non polare) viene aggiunto alla miscela di calcestruzzo, può attirare l’aria la quale respinge l'acqua. Questo aumento del contenuto dei vuoti d’aria produce, certamente, una riduzione della resistenza del calcestruzzo.
Pertanto come indicazioni generali si può concludere che il Rubbercrate non è generalmente adatto in elementi strutturali dove sono richieste alte resistenze. Inoltre all’aumentare della dimensione o della percentuale di presenza degli aggregati in gomma, diminuisce la lavorabilità. Le particelle di gomma sono più elastiche e più deboli rispetto alla matrice cementizia circostante, pertanto, la formazione di crepe inizia nella zona di contatto tra la gomma e la matrice cementizia. La debolezza causata dal legame insufficiente nell’impasto di gomma e cemento fa in modo che la gomma agisca come un vuoto; inoltre la gomma genera zone con pressioni concentrate, causando il verificarsi di micro-fessure che possono poi propagarsi rapidamente in tutto il calcestruzzo. Infatti appena viene applicato il carico, le fessure si propagano gradualmente fino a quando il cemento si sgretola.
Pertanto sono necessarie ulteriori ricerche per acquisire una maggiore comprensione di questo nuovo materiale e trovare un mix specifico in grado di limitare le appena dette perdite di resistenza, per esempio riducendo la percentuale di gomma sostituita ad un valore specifico o aggiungendo ceneri fly-ash [25] e producendo un mix avente una sufficiente resistenza tale da giustificare il suo impiego per nuove applicazioni dove è richiesto il controllo delle vibrazioni di una struttura. Con una migliore comprensione può essere possibile trovare una miscela che può essere utilizzata in tutto il mondo, contribuendo a risolvere il problema dello smaltimento dei rifiuti da pneumatico.
L’aggiunta di gomma dallo pneumatico ammorbidisce la risposta tenso-deformativa in campo elastico, producendo moduli di Young a partire da 10 GPa.

PROPRIETA’ ALLO STATO FRESCO

Nel momento in cui al calcestruzzo allo stato fresco viene aggiunto l’aggregato in gomma in parziale sostituzione dell’inerte ordinario, avvengono delle variazioni, più o meno significative, nelle proprietà.
Cairns R. e altri hanno scoperto che il calcestruzzo con gomma mostra buone qualità estetiche. L’aspetto della superficie finale è simile a quella del calcestruzzo ordinario.
Gli autori hanno anche scoperto che il colore del cemento con gomma non differisce notevolmente da quello del calcestruzzo ordinario.
Tuttavia, occasionalmente, sono comparse in superficie delle macchie di gomma e pertanto è necessario “spingere” i pezzi gommati verso il basso durante la lavorazione.

LAVORABILITA’
Si è riscontrato che aumentando la dimensione o la percentuale degli aggregati in gomma riciclata, diminuisce la lavorabilità della miscela e successivamente causa una riduzione dei valori sino ad un crollo degli stessi se confrontati con quelli di riferimento dei calcestruzzi standard. Dallo stesso studio, è stato osservato che la dimensione dell'aggregato in gomma e la sua forma, influenzano il crollo misurato[49].

CONTENUTO D’ARIA
Nelle miscele di calcestruzzo con gomma, vi è un contenuto d’aria maggiore rispetto alle miscele ordinarie.
Il contenuto d'aria più elevato nelle miscele di cemento con gomma può essere dovuto alla natura non polare degli aggregati di gomma e alla loro capacità di intrappolare aria nella loro struttura superficiale frastagliata. Quando l’aggregato in gomma (non polare) viene aggiunto alla miscela di calcestruzzo, può attirare l’aria la quale respinge l'acqua. Questo aumento del contenuto dei vuoti d’aria produce, certamente, una riduzione della resistenza del calcestruzzo.
Poiché la gomma ha un peso specifico maggiore di 1, si può prevedere che essa affondi anziché galleggiare nella miscela di calcestruzzo fresco. Tuttavia, se l'aria è intrappolata nella superficie frastagliata degli aggregati di gomma, potrebbe causare la loro segregazione con maggiore facilità c he in condizioni standard.

PROPRIETA’ ALLO STATO INDURITO

Nel momento in cui al calcestruzzo allo stato indurito viene aggiunto l’aggregato in gomma in parziale sostituzione dell’inerte ordinario, avvengono delle variazioni, più o meno significative, nelle proprietà.

DENSITÀ
La sostituzione degli aggregati naturali con aggregati di gomma tende a ridurre la densità del calcestruzzo.
Tale riduzione è attribuibile al peso unitario inferiore che caratterizza l’aggregato di gomma rispetto all’inerte ordinario. Il peso unitario delle miscele di calcestruzzo con gomma diminuisce all’aumentare della percentuale di aggregati di gomma.
Il peso unitario (densità) del calcestruzzo varia a seconda della quantità e densità dell'aggregato, della quantità di aria che è intrappolata o volutamente trascinata e del contenuto di acqua e cemento che a loro volta sono influenzati dalla dimensione massima dell'aggregato [14][22][26].
A causa della bassa densità delle particelle di gomma, il peso unitario delle miscele contenenti gomma diminuisce con l'aumento della percentuale di gomma presente.
Inoltre, quando aumenta il contenuto di gomma, aumenta il contenuto d'aria che a sua volta riduce il peso unitario delle miscele.

RESISTENZA
Le prove di resistenza a compressione sono ampiamente accettate come mezzo più comodo per controllare la qualità del calcestruzzo prodotto.
Nella maggior parte degli studi precedenti (tra cui [19][18][7]), nel momento in cui viene aggiunto aggregato in gomma nella miscela di calcestruzzo è stata osservata una riduzione della resistenza a compressione.
Parte della responsabilità della riduzione di resistenza è del contributo di aria intrappolata, che aumenta all'aumentare del contenuto di gomma.
Delle applicazioni hanno dimostrato che il valore della riduzione della resistenza potrebbe essere sostanzialmente ridotta aggiungendo un agente di de-aerazione nel miscelatore poco prima del posizionamento del calcestruzzo.
Indagini precedenti hanno mostrato che l'aggiunta di aggregato in gomma nella miscela di calcestruzzo produce un miglioramento della tenacità, della deformazione plastica, della resistenza all'urto e della resistenza a fessurazione del calcestruzzo.
A causa della durezza molto elevata degli pneumatici usati, si prevede che aggiungendo frammenti di gomma nella miscela di calcestruzzo, può aumentare considerevolmente la resistenza del calcestruzzo.
Il modulo di elasticità è legato alla resistenza a compressione del calcestruzzo e le proprietà elastiche degli aggregati hanno un sostanziale effetto sul modulo di elasticità del calcestruzzo. All’aumentare della quantità di additivi in gomma aggiunti al calcestruzzo, diminuisce il modulo di elasticità.
I risultati di diverse prove hanno dimostrato che il calcestruzzo con gomma ha una maggiore capacità di dissipazione di energia rispetto al calcestruzzo normale.

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