Experimental Investigation of Strength and Durability Characteristics of Alkaline Activated Slag Concrete Replacing the Fine Aggregate with Bottom Ash

Sintesi Tecnica: Indagine Sperimentale sulle Caratteristiche di Resistenza e Durabilità del Calcestruzzo con Ceneri Sottili Attivate Alcalinamente, Sostituendo l'Aggregato Fine con Ceneri di Fondo

Problematica
L'industria globale delle costruzioni affronta significative sfide ambientali dovute alla sua dipendenza dal Cemento Portland Ordinario (OPC) e dalla sabbia naturale di fiume. La produzione di cemento è un importante contributore alle emissioni globali di CO₂ (circa il 4–8%), con 1 tonnellata di cemento che rilascia 1 tonnellata di CO₂. Contemporaneamente, lo smaltimento dei sottoprodotti industriali, specificamente le ceneri di fondo della combustione del carbone, pone rischi ambientali attraverso la degradazione del suolo e il potenziale liscivio di metalli pesanti. Lo studio affronta la duplice necessità di ridurre l'impronta di carbonio del calcestruzzo e gestire i rifiuti industriali sviluppando un Geopolimero (GPC) sostenibile che utilizzi lo Scoria Granulata d'Altoforno (GGBFS) come sostituto del cemento e le ceneri di fondo come sostituzione parziale dell'aggregato fine naturale (sabbia di fiume).

Metodologia
La ricerca ha impiegato un approccio sperimentale sistematico suddiviso in tre fasi:

1. Preparazione della Miscela: I provini di GPC sono stati preparati utilizzando GGBFS come legante. Le ceneri di fondo sono state utilizzate per sostituire la sabbia naturale di fiume a livelli variabili: 0% (controllo), l'10%, 20%, 30%, 40% e 50%. Le miscele sono state attivate con soluzioni alcaline di Idrossido di Sodio (NaOH) e Silicato di Sodio (Na₂SiO₃).
2. Valutazione delle Proprietà Ingegneristiche: La lavorabilità del calcestruzzo fresco è stata valutata tramite il test di consistenza (slump test) (IS 1199). Le proprietà allo stato indurito sono state valutate attraverso test di resistenza alla compressione e resistenza alla trazione per divisione in vari periodi di stagionatura (3, 7, 28 e 90 giorni) sia in condizioni di stagionatura ambientale che chimica.
3. Valutazione della Durabilità: La resistenza del calcestruzzo ad ambienti aggressivi è stata testata esponendo i provini a soluzioni di Acido Solforico (H₂SO₄) al 5% e Solfato di Magnesio (MgSO₄) al 5%. La resistenza alla compressione residua e la perdita di massa sono state misurate dopo 28, 56 e 90 giorni di esposizione.

Le variabili chiave investigate includevano il rapporto Attivatore Alcalino/Legante (compreso tra 0,35 e 0,55) e la molarità di NaOH (da 8M a 16M).

Risultati Chiave

• Lavorabilità: La miscela di controllo (0% di ceneri di fondo) ha esibito uno slump di 108 mm. All'aumentare del contenuto di ceneri di fondo, la lavorabilità è diminuita a causa della tessitura porosa e irregolare delle particelle di cenere. La miscela con sostituzione al 50% ha mostrato uno slump di 76 mm, rappresentando una riduzione del 29,63%. Tuttavia, l'aumento del rapporto Alcalino/Legante da 0,35 a 0,55 ha migliorato la lavorabilità, con valori di slump passati da 65 mm a 145 mm.
• Resistenza alla Compressione:
  • Rapporti Ottimali: Un rapporto Alcalino/Legante di 0,45 ha fornito il miglior equilibrio, raggiungendo 42,5 MPa a 28 giorni e 49,2 MPa a 90 giorni.
  • Concentrazione di NaOH: Una maggiore molarità ha aumentato significativamente la resistenza. La miscela con 16M di NaOH ha raggiunto 32,9 MPa (7 giorni), 44,6 MPa (28 giorni) e 51,8 MPa (90 giorni), rispetto alle resistenze inferiori della miscela con 8M.
  • Impatto delle Ceneri di Fondo: L'aumento del contenuto di ceneri di fondo ha generalmente ridotto la resistenza alla compressione. Tuttavia, le miscele con fino al 40% di sostituzione hanno mantenuto resistenze strutturalmente soddisfacenti (35,7–42,5 MPa a 28 giorni; 43,1–49,1 MPa a 90 giorni in condizioni di stagionatura ambientale). Tutte le miscele hanno superato il valore target di resistenza di progetto di 40 MPa a 90 giorni.
• Resistenza alla Trazione per Divisione: La resistenza alla trazione è diminuita con l'aumento del contenuto di ceneri di fondo, scendendo da 4,75 MPa (controllo) a 4,23 MPa (sostituzione al 50%) a 28 giorni. Nonostante questa riduzione, tutte le miscele sono rimaste entro limiti strutturalmente solidi.
• Durabilità:
  • Resistenza all'Acido: Dopo 90 giorni in H₂SO₄ al 5%, tutte le miscele hanno mantenuto oltre il 69% della loro resistenza originale alla compressione. La miscela di controllo ha mantenuto il 76,5%, mentre la miscela con il 50% di ceneri di fondo ha mantenuto il 69,2%.
  • Resistenza ai Solfati: L'esposizione a MgSO₄ al 5% per 90 giorni ha portato tutte le miscele a mantenere oltre l'82% della loro resistenza alla compressione (Controllo: 88,5%; sostituzione al 50%: 82,1%).

Contributi Chiave
Lo studio dimostra che le ceneri di fondo possono sostituire efficacemente fino al 40% dell'aggregato fine naturale in un calcestruzzo GGBFS attivato alcalinamente senza compromettere l'integrità strutturale o la durabilità. Identifica i parametri ottimali della miscela per questo calcestruzzo sostenibile: un rapporto Alcalino/Legante di 0,45 e una concentrazione di NaOH di 16M. La ricerca conferma che la densa matrice geopolimerica formata dall'attivazione del GGBFS fornisce un'elevata resistenza agli attacchi acidi e solfatici, anche con l'inclusione di scarti industriali porosi.

Significatività
L'articolo sostiene che questo approccio offre una via percorribile per l'edilizia sostenibile, riducendo simultaneamente il consumo di risorse naturali (sabbia di fiume) e mitigando l'impatto ambientale della produzione di cemento e dei rifiuti industriali (ceneri di fondo). I risultati suggeriscono che il calcestruzzo geopolimerico che utilizza questi materiali può soddisfare i requisiti standard di ingegneria per resistenza e durabilità, promuovendo così l'adozione di materiali edilizi ecocompatibili nel settore delle costruzioni.