Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più utilizzato sulla Terra, una miscela di sabbia, acqua e una polvere legante chiamata cemento. Quando l'acqua incontra il cemento, inizia una reazione chimica che trasforma la miscela morbida in un solido duro, simile alla pietra. Questo processo, noto come idratazione, rilascia calore. In strutture massicce come dighe o fondamenta di grattacieli, questo calore può accumularsi fino a livelli pericolosi, causando crepe nel calcestruzzo durante il raffreddamento. Per gestire ciò, gli ingegneri cercano spesso modi per rallentare la reazione o ridurre il calore totale generato. Allo stesso tempo, l'industria delle costruzioni produce enormi quantità di rifiuti, tra cui mattoni frantumati, vecchie piastrelle e frammenti di calcestruzzo demolito. Mentre i grossi pezzi di questi detriti vengono spesso riciclati in nuova ghiaia, la polvere fine e polverosa che ne deriva dalla frantumazione viene frequentemente scartata. I ricercatori stanno ora indagando se questa polvere di scarto fine possa sostituire parte del cemento nel nuovo calceste, trasformando un problema di smaltimento in una risorsa utile che contribuisce anche a raffreddare la reazione chimica.

Un team di scienziati in Algeria si è posto l'obiettivo di testare questa idea utilizzando tre tipi specifici di rifiuti da costruzione: polvere derivante da piastrelle ceramiche riciclate, polvere da mattoni riciclati e polvere da calcestruzzo riciclato. Hanno creato una serie di miscele di malta, che sono simili al calcestruzzo ma utilizzano solo sabbia fine. Nei loro esperimenti, hanno sostituito il 10%, il 20% e il 30% del cemento standard in ogni miscela con una di queste polveri di scarto. Hanno poi collocato queste miscele in un contenitore isolato speciale, progettato per misurare le variazioni di temperatura mentre i materiali indurivano. Tracciando quanto calore veniva rilasciato e quanto velocemente veniva emesso, i ricercatori sono stati in grado di mappare l'intero ciclo di vita della reazione chimica dal momento in cui l'acqua è stata aggiunta.

I risultati hanno mostrato che l'aggiunta di queste polveri di scarto ha cambiato significativamente il comportamento del cemento. In ogni caso in cui il cemento è stato sostituito, la quantità totale di calore rilasciato in cinque giorni è diminuita. Più polvere veniva aggiunta, meno calore veniva prodotto. Quando hanno sostituito il 3o% del cemento con polvere di calcestruzzo riciclato, il calore totale rilasciato era solo circa il 70% di quanto produrrebbe una miscela standard. Questa riduzione è particolarmente preziosa per la costruzione in climi caldi, dove il calore eccessivo può danneggiare la struttura prima che si sia completamente indurita. Oltre a ridurre il calore totale, le polveri di scarto hanno anche rallentato la velocità della reazione. Il momento in cui il rilascio di calore ha raggiunto il picco — il punto di massima attività chimica — è stato ritardato di due o tre ore rispetto al cemento ordinario. Questo ritardo offre ai lavoratori più tempo per versare e dare forma al calcestruzzo prima che inizi a indurirsi.

I ricercatori hanno anche esaminato attentamente le diverse fasi della reazione chimica per capire perché siano avvenuti questi cambiamenti. Hanno scoperto che il tipo di polvere di scarto era importante. La polvere di ceramica riciclata, che è molto fine, ha accorciato la fase iniziale di nucleazione e crescita della reazione, mentre le polveri di mattoni e calceste hanno prolungato questa fase. Tuttavia, indipendentemente dal tipo di polvere, il picco del flusso di calore è stato ritardato di 2 o 3 ore per tutte le miscele. Lo studio ha rivelato che la reazione prevede una sequenza di eventi: prima, nuovi cristalli si formano e crescono; poi, questi cristalli interagiscono con i granuli di cemento rimanenti; infine, la reazione rallenta man mano che gli ioni devono viaggiare attraverso il materiale in solidificazione per trovare nuovi posti in cui reagire. Le polveri di scarto hanno alterato la tempistica di questi passaggi. Ad esempio, le polveri di mattoni e calcestruzzo hanno esteso la fase iniziale di crescita dei cristalli, mentre la polvere di ceramica ha reso la fase finale di diffusione lenta molto più dominante.

In definitiva, lo studio conferma che queste frazioni fini di scarti da costruzione non sono solo riempitivi inerti, ma ingredienti attivi che cambiano il modo in cui il cemento si comporta. Le polveri di scarto possiedono proprietà che permettono loro di partecipare al processo di indurimento, creando un materiale che è chimicamente attivo ma che produce meno calore. Le scoperte suggeriscono che l'uso di fino al 30% di queste polveri riciclate sia una strategia percorribile per creare materiali edili più sostenibili. Riducendo il calore generato durante la costruzione, queste miscele potrebbero aiutare a prevenire le crepe nelle grandi strutture, pur deviando contemporaneamente tonnellate di rifiuti dalle discariche. La ricerca fornisce un quadro chiaro di come questi materiali funzionino, offrendo una via pratica per rendere l'industria delle costruzioni più efficiente e meno dannosa per l'ambiente.