Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

Sintesi Tecnica: Valutazione delle Prestazioni del Calcestruzzo con l'Integrazione di Biossido di Titanio Nano e Ceneri di Fondo del Carbone

Problematica
L'industria delle costruzioni affronta una duplice sfida: l'elevata impronta ambientale della produzione di cemento, che contribuisce a significative emissioni di anidride carbonica, e la crescente scarsità e il costo degli aggregati fini naturali (sabbia di fiume). Il tradizionale affidamento al Cemento Portland Ordinario (OPC) e alla sabbia naturale è insostenibile a causa dell'esaurimento delle risorse e dei danni ecologici derivanti da attività estrattive e dragaggi. Inoltre, lo smaltimento di sottoprodotti industriali come le ceneri di fondo del carbone (CBA) rimane un problema di gestione dei rifiuti. Sebbene siano stati esplorati materiali cementizi supplementari (SCM), è necessaria l'ottimizzazione dei mix design che utilizzino simultaneamente scarti industriali come sostituti degli aggregati fini e incorporino nanomateriali per migliorare le proprietà microstrutturali senza compromettere la lavorabilità o la durabilità a lungo termine.

Metodologia
Lo studio si è concentrato su un calcestruzzo di classe M35, progettato secondo gli standard IS 10262:2009 e IS 456:2000. Il programma sperimentale ha coinvolto tre variabili primarie:

1. Sostituzione degli Aggregati Fini: L'aggregato fine naturale è stato parzialmente o totalmente sostituito con Ceneri di Fondo del Carbone (CBA) in incrementi dal 10% al 100%.
2. Aggiunta di Nanomateriali: Il Biossido di Titanio Nano (NTi) è stato aggiunto alla matrice cementizia in dosaggi variabili (dall'1% al 7% in peso) per valutare il suo effetto sull'idratazione e sulla microstruttura.
3. Mix di Controllo: Un mix convenzionale M35 è servito come base di confronto.

La ricerca ha impiegato un regime di test completo:

• Proprietà allo Stato Fresco: La lavorabilità è stata valutata tramite cono di Slump, fattore di compattazione e test sul tavolo di scorrimento (flow table).
• Proprietà Meccaniche: La resistenza alla compressione è stata misurata a 3, 7, 28, 56 e 90 giorni. Le resistenze alla trazione diretta e alla flessione sono state valutate a 28, 56 e 90 giorni.
• Durabilità: La resistenza all'attacco acido (immersione in HCl al 5%) è stata testata misurando la perdita di massa e la riduzione della resistenza nel tempo. Test di penetrazione rapida dei cloruri (RCPT) sono stati condotti a 90 giorni per valutare la permeabilità.
• Prove Non Distruttive (NDT): Test con martello di rimbalzo (rebound hammer) e misurazioni della velocità di impulso ultrasonico (UPV) sono stati utilizzati per valutare la qualità interna e la densità.
• Analisi Microstrutturale: La diffrazione di raggi X (XRD) e la microscopia elettronica a scansione (SEM) sono state utilizzate per identificare le fasi cristalline, i prodotti di idratazione e il raffinamento della struttura dei pori.

Contributi Chiave e Risultati

• Lavorabilità: L'incorporazione del 60% di CBA e del 40% di aggregato fine naturale ha generalmente mantenuto una lavorabilità media. L'aggiunta di NTi ha migliorato la lavorabilità, con un dosaggio del 5% che ha prodotto lo slump più elevato (128 mm) e lo scorrimento (flow) più alto (93%), classificato come lavorabilità "Alta". Tuttavia, dosaggi superiori al 5% hanno mostrato rendimenti decrescenti o una riduzione delle prestazioni.
• Resistenza Meccanica:
  • Sostituzione con CBA: Un mix con il 60% di CBA e il 40% di aggregato fine naturale ha superato il mix di controllo. A 90 giorni, questa miscela ha raggiunto una resistenza alla compressione di 47,1 N/mm² (rispetto ai 46,3 N/mm² del controllo), insieme a una resistenza alla trazione diretta (3,04 N/mm²) e alla flessione (3,54 N/mm²) migliorate. La sostituzione completa dell'aggregato fine con CBA ha invece causato una riduzione della resistenza.
  • Ottimizzazione dell'NTi: L'aggiunta del 5% di NTi al mix con il 60% di CBA ha prodotto la migliore prestazione meccanica. Questa combinazione ha raggiunto un picco di resistenza alla compressione di 47,9 N/mm² a 90 giorni, superando sia il controllo che i mix modificati con solo CBA. Dosaggi inferiori (1-2%) di NTi hanno inizialmente prodotto una resistenza inferiore rispetto al mix con solo CBA.
• Durabilità:
  • Resistenza all'Acido: Il mix con il 5% di NTi ha dimostrato una resistenza superiore all'esposizione con HCl al 5%. A 28 giorni, ha presentato solo una riduzione della resistenza del 12,07%, significativamente inferiore rispetto al controllo (27,01%) e al mix con il 60% di CBA (23,50%). Sebbene la perdita di resistenza sia aumentata nel tempo, il mix modificato con NTi è rimasto più resistente rispetto alle altre varianti a 90 giorni.
  • Permeabilità ai Cloruri: I risultati RCPT hanno indicato che il mix con il 5% di NTi presentava la più bassa permeabilità ai cloruri (379 Coulomb), classificata come "Molto Bassa", rispetto ai 756 Coulomb del mix con il 60% di CBA e agli 886 Coulomb del controllo.
  • Risultati NDT: Il test UPV ha confermato la qualità migliorata del mix modificato con NTi, registrando una velocità di impulso di 5,36 km/sec ("Eccellente"), rispetto a 3,85 km/sec per il mix con CBA e 3,66 km/sec per il controllo.
• Approfondimenti Microstrutturali:
  • Analisi XRD: È stata confermata la presenza di NTi (fase Anatase). Il mix con il 5% di NTi ha mostrato una riduzione dei picchi di Idrossido di Calcio (Portlandite) e un'intensificazione della regione di Silicato di Calcio Idrato (C-S-H), suggerendo che l'NTi abbia agito come sito di nucleazione, promuovendo un'idratazione più densa.
  • Analisi SEM: Le micrografie hanno rivelato che il mix modificato con NTi possiede una struttura dei pori più raffinata con una riduzione dei vuoti. Le particelle di CBA hanno agito come micro-aggregati, riempiendo i vuoti, mentre l'NTi ha migliorato la zona di transizione interfacciale, portando a una matrice più densa.

Significato e Rivendicazioni
Il documento conclude che l'uso sinergico di Ceneri di Fondo del Carbone come sostituto sostenibile degli aggregati fini e del Biossido di Titanio Nano come additivo per il miglioramento delle prestazioni offre una via percorribile per lo sviluppo di un calcestruzzo sostenibile. Lo studio afferma che la specifica miscela di 60% CBA e 5% NTi rappresenta il compromesso ottimale, fornendo:

1. Prestazioni Meccaniche Migliorate: Resistenze alla compressione, alla trazione e alla flessione più elevate rispetto al calcestruzzo convenzionale.
2. Durabilità Migliorata: Significativa riduzione della permeabilità ai cloruri e migliore resistenza all'attacco acido, suggerendo una vita utile più lunga, specialmente in ambienti aggressivi.
3. Raffinamento Microstrutturale: Una matrice più densa con porosità ridotta e prodotti di idratazione ottimizzati.
4. Fattibilità Pratica: I mix hanno mantenuto o migliorato la lavorabilità, indicando che queste modifiche sostenibili non richiedono procedure di gestione complesse in cantiere.

Gli autori posizionano questo approccio non come una "soluzione definitiva", ma come un forte candidato per applicazioni in cui l'integrità strutturale a lungo termine e la sostenibilità ambientale sono prioritarie. La ricerca valida il fatto che i rifiuti industriali possono essere valorizzati efficacemente quando accoppiati ad avanzati nanomateriali per affrontare i limiti del calcestruzzo tradizionale.