Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

Il terreno sotto i nostri piedi non è sempre una fondazione solida e incrollabile. In molte parti del mondo, il suolo è dominato dall'argilla, un materiale a grana fine che si comporta come una spugna. Quando piove o le stagioni cambiano, questa argilla assorbe acqua e si gonfia, spingendo verso l'alto con una forza significativa. Quando l'aria è secca, si restringe e si crepa, allontanandosi da ciò che vi poggia sopra. Questo costante ciclo di espansione e contrazione è un incubo per ingegneri e proprietari di case, causando il rigonfiamento delle strade, la fessurazione delle fondamenta e l'assestamento irregolare delle strutture. Per rendere questo suolo sicuro per l'edilizia, gli ingegneri mescolano tradizionalmente comune cemento o calce. Questi leganti induriscono e bloccano insieme le particelle del suolo, creando una base stabile. Tuttavia, la produzione di questi leganti tradizionali è una grande fonte di emissioni di anidride carbonica, contribuendo significativamente alla crisi climatica globale. Ciò ha spinto la ricerca di alternative che possano stabilizzare la terra senza l'elevato costo ambientale.

I ricercatori hanno rivolto la loro attenzione ai sottoprodotti industriali, specificamente alla ceneri volanti (fly ash) e alla scoria granulata di altoforno (slag). Le ceneri volanti sono la polvere fine che resta dopo la combustione del carbone nelle centrali elettriche, mentre la scoria è un sottoprodotto della produzione del ferro. Entrambi i materiali sono ricchi degli ingredienti chimici necessari per creare una sostanza forte, simile alla roccia, quando mescolati con una specifica soluzione alcalina. Questo processo, noto come geopolimerizzazione, trasforma questi materiali di scarto in un legante che può sostituire il cemento tradizionale. Un team di ricercatori dell'Indian Institute of Technology Madras e del Thiagarajar College of Engineering si è posto l'obiettivo di testare quanto bene questi sottoprodotti industriali potessero domare un tipo specifico di argilla problematica trovata a Madurai, in India. Il loro obiettivo non era solo vedere se il suolo diventasse più forte, ma capire come il trattamento cambiasse il modo in cui il suolo si assesta sotto il peso e quanto si restringesse durante l'asciugatura.

Il team ha selezionato un campione di argilla da una profondità di due metri vicino a una stazione degli autobus locale. Questo suolo è stato classificato come avente una comprimibilità intermedia, il che significa che si schiaccia facilmente sotto pressione, ed era moderatamente espansivo, con un'alta tendenza a gonfiarsi quando è umido. Per trattare questo suolo, i ricercatori lo hanno mescolato con quantità variabili di ceneri volanti e scoria, creando tre diverse concentrazioni per ciascun materiale: il 25%, il 35% e il 45% del peso secco totale. Hanno attivato queste miscele con una soluzione di idrossido di sodio e silicato di sodio, che funge da innesco chimico per avviare il processo di indurimento. Hanno anche aggiunto una piccola quantità di un ritardante chimico alle miscele con scoria per evitare che si indurissero troppo velocemente. Il suolo trattato è stato poi compattato in cilindri ed è stato lasciato stagionare per diversi periodi, da zero giorni fino a 28 giorni, prima di essere sottoposto al test.

I risultati hanno rivelato una chiara storia di trasformazione. L'argilla non trattata aveva una resistenza molto bassa, misurando appena 3,63 chilogrammi per centimetice quadrato. Quando i ricercatori hanno testato il suolo trattato con ceneri volanti, hanno scoperto che la resistenza aumentava con il tempo di stagionatura del suolo. La prestazione migliore è derivata dalla miscela contenente il 35% di ceneri volanti, che ha raggiunto una resistenza di 17,19 chilogrammi per centimetice quadrato dopo 28 giorni. Questo rappresentava un enorme miglioramento, rendendo il suolo quasi quattro volte più forte rispetto al suo stato naturale. Tuttavia, quando hanno aumentato il contenuto di ceneri volanti al 45%, la resistenza è effettivamente diminuita, suggerendo che troppo legante diluisse la struttura del suolo invece di rafforzarla.

La storia è stata leggermente diversa per le miscele a base di scoria. Per la scoria, la resistenza continuava a salire con l'aumentare dell'aggiunta del materiale. La resistenza più alta registrata in tutto lo studio è venuta dalla miscela con il 45% di scoria, che ha raggiunto 18,84 chilogrammi per centimetice quadrato dopo 28 giorni. Questo è stato un aumento del 419% rispetto all'argilla non trattata. Poiché la resistenza stava ancora crescendo alla massima quantità testata, i ricercatori hanno notato che la quantità ideale di scoria potrebbe essere anche superiore al 45%, mentre le ceneri volanti avevano già superato il loro punto ottimale al 35%.

Oltre a rendere il suolo più duro, il trattamento ha cambiato drasticamente il modo in cui il suolo si comporta sotto pressione. Quando carichi pesanti vengono posti sull'argilla tenera, il suolo si comprime e l'acqua viene espulsa, causando l'affondamento del terreno nel tempo. I ricercatori hanno misurato questo comportamento e hanno scoperto che il suolo trattato era molto meno incline all'assestamento. La miscela con il 35% di ceneri volanti ha ridotto la tendenza del suolo a comprimersi di circa il 70%, mentre la miscela con il 45% di scoria ha ridotto la compressione di circa l'84%. Inoltre, il suolo trattato si è assestato più velocemente dell'argilla non trattata, il che significa che qualsiasi affondamento rimanente sarebbe avvenuto più rapidamente ed sarebbe stato una preoccupazione minore a lungo termine per le strutture costruite sopra di esso.

Forse il risultato più critico per le regioni soggette a siccità e piogge intense è stato il cambiamento nel ritiro. L'argilla non trattata si restringe significativamente quando si asciuga, creando crepe profonde che possono danneggiare le fondamenta. Il trattamento con geopolimeri ha ridotto significativamente questo comportamento. La miscela con il 35% di ceneri volanti ha ridotto il volume del ritiro di quasi la metà, mentre la miscela con il 45% di scoria ha ridotto il ritiro di circa il 63%. Ciò significa che il suolo trattato rimarrebbe molto più stabile durante le stagioni secche, resistendo alle crepe e ai rigonfiamenti che tipicamente affliggono gli edifici su terreni argillosi. I ricercatori hanno anche osservato che il suolo è diventato meno plastico, il che significa che era meno probabile che si deformasse permanentemente quando bagnato, migliorando ulteriormente la sua stabilità.

Questi risultati suggeriscono che l'uso di sottoprodotti industriali come ceneri volanti e scorie offre un'alternativa potente e a basse emissioni di carbonio per stabilizzare i terreni difficili. Lo studio ha identificato che il 35% di ceneri volanti e il 45% di scoria erano le proporzioni più efficaci nell'ambito dei range testati, fornendo guadagni di resistenza di quasi cinque volte rispetto al suolo originale e riducendo drasticamente i rischi di rigonfiamento e ritiro. Trasformando i materiali di scarto in un legante ad alte prestazioni, questo approccio non solo risolve un problema geotecnico, ma affronta anche un problema ambientale, offrendo un modo per costruire su terreni instabili senza l'imponente impronta di carbonio del cemento convenzionale. Il lavoro conferma che questi leganti geopolimerici possono trasformare efficacemente l'argilla problematica in un materiale di fondazione affidabile, pronto a sostenere le infrastrutture del futuro.