Affrontare la principale barriera a una più ampia adozione di un calcestruzzo sostenibile
Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più consumato al mondo e il più utilizzato dopo l’acqua. Si ottiene dal cemento, la cui produzione contribuisce a circa l’otto per cento delle emissioni globali di CO2 e richiede un’enorme quantità di acqua e di risorse minerali naturali. Trovare un’alternativa più rispettosa dell’ambiente è una priorità. Il calcestruzzo geopolimerico (GPC, geopolymer concrete) potrebbe essere la risposta, ma si deve affrontare il suo comportamento imprevedibile in caso di incendio. Con il sostegno del programma azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA), il progetto TemGPC ha caratterizzato le proprietà termiche e meccaniche del GPC in una miriade di condizioni. I risultati hanno creato le basi per la progettazione basata sulla conoscenza di un GPC migliore.
Calcestruzzo geopolimerico contro calcestruzzo convenzionale
Il cemento Portland viene prodotto riscaldando il calcare e le rocce alluminosilicatiche (come l’argilla o lo scisto) in un forno rotante a temperature fino a 1500 °C. L’acqua viene mescolata con il cemento in polvere, la sabbia viene aggiunta per ottenere la malta di cemento e gli aggregati (pietre grandi) vengono aggiunti per ottenere il calcestruzzo. La produzione di GPC elimina l’estrazione del calcare e la lavorazione ad alta temperatura e riduce il fabbisogno di acqua. Ciò perché il cemento geopolimerico viene prodotto sciogliendo materiali alluminosilicati (provenienti da una varietà di sottoprodotti o rifiuti industriali) in una soluzione alcalina attivante a temperatura mite, con conseguente geopolimerizzazione. Analogamente al calcestruzzo OPC, la malta geopolimerica e il GPC sono prodotti aggiungendo alla miscela geopolimerica rispettivamente sabbia e aggregato grosso. Nonostante i suoi vantaggi, il comportamento del GPC in caso di incendio è imprevedibile e potenzialmente pericoloso. Il GPC è un materiale poroso. «La pressione dei pori può aumentare rapidamente quando l’acqua intrappolata nei pori evapora. Ciò può causare la rottura esplosiva del calcestruzzo (nota come scheggiatura esplosiva). Per ridurre il rischio, è essenziale comprendere il comportamento termico e meccanico del GPC a temperature elevate», spiega il supervisore del progetto Long-yuan Li della Università di Plymouth.
Indagini sperimentali e teoriche
Min Yu, borsista MSCA, ha condotto un’ampia indagine sperimentale e teorica sulla malta geopolimerica e sul GPC con e senza fibre d’acciaio, in materiali non caricati e precaricati, e a varie temperature elevate e condizioni post incendio. Dalle misurazioni di resistenza alla compressione, modulo elastico, deformazione di picco, duttilità e deformazione termica, Yu ha sviluppato equazioni costitutive teoriche di sollecitazione-deformazione. Gli studi sperimentali sulla deformazione transitoria hanno informato un modello teorico per prevederla. Infine, «è stato sviluppato un modello di analisi agli elementi finiti per il trasferimento di calore, il trasferimento di massa e l’analisi delle sollecitazioni termo-meccaniche, utilizzando COMSOL. L’analisi numerica è stata utilizzata per riprodurre le modalità di cedimento dei campioni di malta geopolimerica e GPC osservati sia nelle prove a regime stabile che in quelle a regime transitorio», spiega Yu.
Prestazioni antincendio potenzialmente migliori rispetto al calcestruzzo OPC
I dati sperimentali di TemGPC forniscono un punto di riferimento per il GPC. I suoi modelli teorici possono essere utilizzati per prevedere la resistenza al fuoco del GPC, supportando la progettazione a prova di incendio di strutture in calcestruzzo realizzate con GPC. È importante notare che «i nostri test sperimentali hanno dimostrato che il GPC ha proprietà termiche e meccaniche diverse dal calcestruzzo OPC. Tuttavia, se progettato e miscelato correttamente, il GPC potrebbe avere prestazioni antincendio migliori rispetto al calcestruzzo OPC», riassume Yu. I vantaggi ambientali, la durata e le caratteristiche prestazionali del GPC lo hanno reso un’alternativa interessante per l’edilizia sostenibile, soprattutto in ambienti difficili e aggressivi. Gli strumenti di TemGPC hanno affrontato un problema importante, aprendo la strada a un GPC nuovo e migliorato e a un settore delle costruzioni più rispettoso dell’ambiente.
Parole chiave
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