Assessing Engineering Properties of Concrete Produced with Broken Earthenware as a Partial Replacement of Coarse Aggregate

Sintesi Tecnica: Valutazione delle Proprietà Ingegneristiche del Calcestruzzo con Sostituzione Parziale dell'Aggregato Grossolano con Terracotta Frantumata

Problematica
L'industria delle costruzioni affronta sfide significative riguardanti l'esaurimento rapido delle risorse naturali e l'aumento dei costi associati all'estrazione degli aggregati. Il calcestruzzo, il secondo materiale più consumato al mondo dopo l'acqua, dipende fortemente dagli aggregati, che costituiscono il 75–80% del suo volume. In nazioni in via di sviluppo come il Ghana, l'estrazione eccessiva porta alla degradazione ambientale e all'inquinamento degli ecosistemi. Contemporaneamente, le industrie ceramiche e della terracotta generano una quantità sostanziale di rifiuti; circa il 30% delle materie prime nella produzione ceramica e il 2% dei prodotti finiti vengono scartati come scarti. Questi rifiuti finiscono spesso in discarica, dove possono interagire negativamente con le acque sotterranee. Lo studio affronta la duplice necessità di ridurre i costi di costruzione e mitigare l'impatto ambientale investigando la fattibilità dell'uso di ciotole di terracotta frantumata come sostituzione parziale degli aggregati grossolani tradizionali (granito frantumato) nella produzione di calcestruzzo.

Metodologia
La ricerca ha impiegato un approccio sperimentale per valutare le proprietà meccaniche, fisiche e di durabilità del calcestruzzo.

• Materiali: Lo studio ha utilizzato Cemento Portland Ordinario (GHACEM Super Strong 42.5R), sabbia di cava, granito frantumato e ciotole di terracotta frantumata. L'acqua rispettava gli standard BS EN 1008:2002.
• Mix Design: È stato impostato un obiettivo di resistenza di 25 N/mm² utilizzando un rapporto di miscelazione 1:2:4 con un rapporto acqua-cemento di 0,55.
• Preparazione dei Campioni: I campioni di calcestruzzo sono stati colati in cubi d'acciaio (100 mm³) e cilindri (100 mm di diametro × 200 mm di altezza). Il granito frantumato è stato parzialmente sostituito con aggregati di terracotta frantumata al 0% (controllo), 10%, 20%, 30% e 40% in peso.
• Cura e Test: I campioni sono stati stagionati per 7, 14, 21 e 28 giorni. I test hanno incluso:
  • Densità: Misurata secondo BS EN 12390-7:2019.
  • Resistenza alla Compressione: Testata utilizzando una Macchina di Prova Universale (UTM) secondo BS EN 12390-3:2019.
  • Resistenza alla Trazione per Divisione: Condotta secondo BS EN 12390-6:2009.
  • Assorbimento d'Acqua: Determinato dopo 28 giorni secondo BS EN 1881-122:2011.
  • Attacco da Solfato di Magnesio (MgSO₄): I campioni sono stati stagionati in una soluzione di MgSO₄ per 28 giorni e successivamente testati per la resistenza alla compressione secondo BS EN 206-1:2000.
• Analisi dei Dati: I risultati sono stati analizzati utilizzando Microsoft Excel e l'ANOVA a una via per determinare la significatività statistica (P < 0,05).

Risultati Chiave

• Densità: La densità è diminuita all'aumentare della percentuale di sostituzione con la terracotta. Il campione di controllo (0%) ha raggiunto la densità più elevata (2486,67 kg/m³ a 28 giorni), mentre la sostituzione al 40% ha registrato la più bassa (2276,67 kg/m³). La sostituzione al 10% ha prodotto una densità di 2432,00 kg/m³, ovvero il 2,2% in meno rispetto al controllo, ma rimane nell'intervallo del calcestruzzo a peso normale (1842–2483 kg/m³ secondo ASTM C138).
• Resistenza alla Compressione: La resistenza è aumentata con l'età di stagionatura ma è diminuita con l'aumentare delle percentuali di sostituzione. A 28 giorni, il controllo ha registrato 27,13 N/mm². La sostituzione al 10% ha registrato 26,39 N/mm² (il 2,7% in meno rispetto al controllo), mentre la sostituzione al 40% ha registrato 24,76 N/mm². Nonostante la riduzione, tutti i campioni tranne quello con sostituzione al 40% hanno soddisfatto l'obiettivo di resistenza di 25 N/mm², e tutti rientravano nello standard accettabile per le unità murarie portanti (minimo 13,8 MPa secondo ASTM C90-22).
• Resistenza alla Trazione per Divisione: Le tendenze hanno rispecchiato la resistenza alla compressione, diminuendo all'aumentare delle percentuali di sostituzione. A 28 giorni, i valori variavano da 2,769 N/mm² (controllo) a 2,487 N/mm² (sostituzione al 40%). La resistenza alla trazione per divisione è rimasta compresa tra l'8% e il 15% della resistenza alla compressione, in linea con il comportamento standard del calcestruzzo.
• Assorbimento d'Acqua: L'assorbimento d'acqua è aumentato con l'aumentare delle percentuali di sostituzione. Il controllo ha mostrato un assorbimento del 2,44%, mentre la sostituzione al 10% ha mostrato il 2,52% (il 3,2% in più rispetto al controllo). La sostituzione al 40% ha raggiunto il 3,19%. Tutti i valori sono rimasti al di sotto della soglia del 5% spesso citata per il calcestruzzo di alta qualità e all'interno dell'intervallo ottimale di 4–6%.
• Attacco da Solfato di Magnesio (MgSO₄): L'esposizione a MgSO₄ ha causato perdite di resistenza in tutti i campioni. Interessantemente, la sostituzione al 40% ha dimostrato la maggiore resistenza, con una perdita di resistenza di soli lo 0,3%, rispetto al 2,5% del controllo. La sostituzione al 10% ha mostrato una perdita dell'1,6%.

Conclusioni e Significato
Lo studio conclude che gli aggregati di terracotta frantumata sono un sostituto praticabile per gli aggregati grossolani nel calcestruzzo.

• Conformità agli Standard: Il calcestruzzo prodotto con una sostituzione fino al 40% soddisfa gli standard ingegneristici stabiliti da BS EN 12390:2019 e BS 1881-122:2011 per quanto riguarda densità, resistenza e assorbimento d'acqua.
• Applicazioni Raccomandate: Gli autori raccomandano una sostituzione al 10% per le opere standard in calcestruzzo, poiché offre un equilibrio tra resistenza e durabilità con una deviazione minima dalle proprietà del controllo. Una sostituzione al 40% è raccomandata specificamente per ambienti con alta esposizione al solfato di magnesio, poiché la miscela al 40% ha dimostrato una resistenza superiore all'attacco chimico.
• Impatto Economico e Ambientale: L'utilizzo di terracotta frantumata riduce i costi di costruzione sostituendo gli aggregati naturali costosi con scarti industriali a basso costo. Inoltre, promuove la sostenibilità ambientale deviando i rifiuti ceramici dalle discariche e riducendo l'impronta ecologica associata all'estrazione di aggregati.

La ricerca conferma che il riutilizzo dei rifiuti ceramici migliora sia l'efficienza dei costi che la sostenibilità ambientale nel settore delle costruzioni senza compromettere l'integrità strutturale richiesta per le applicazioni portanti.