Synergistic effects of recycled concrete aggregate and spherical nickel slag on abrasion resistance, acoustic attenuation, and environmental efficiency of porous concrete

Le città si rimodellano costantemente e, con ogni nuovo edificio e strada, enormi quantità di vecchio cemento vengono demolite e scartate. Allo stesso tempo, l'industria pesante produce montagne di materiali di scarto, come la scoria derivante dalla fusione dei metalli. Tradizionalmente, questi materiali finiscono in discarica, occupando spazio e ponendo rischi ambientali, mentre l'industlio delle costruzioni continua a scavare nuovi ciottoli di fiume e ghiaia per produrre nuovo cemento. Questo ciclo è insostenibile. Gli ingegneri stanno ora cercando modi per trasformare questi flussi di scarti in preziosi blocchi da costruzione, creando materiali che non solo risparmiano risorse, ma che offrono anche prestazioni migliori rispetto alle opzioni tradizionali. Uno di questi materiali è il calcestruzzo poroso, un tipo speciale di pavimentazione che ha l'aspetto di una spugna. Invece di una superficie solida e impermeabile, è riempito di piccoli fori interconnessi che permettono alla pioggia di filtrare direttamente, riducendo le inondazioni e ricaricando le falde acquifere. Grazie a questi fori, funge anche da barriera naturale contro il rumore, assorbendo il suono del traffico invece di rifletterlo nell'aria. Tuttavia, realizzare questo materiale è complicato. Proprio i fori che lo rendono efficace per l'acqua e il suono lo rendono spesso debole, causando il cedimento della superficie sotto il peso degli pneumatici.

I ricercatori dell'Università Hasanuddin in Indonesia si sono posti l'obiettivo di risolvere questo enigma testando una nuova ricetta per il calcestruzzo poroso. Volevano vedere se potevano mescolare due tipi di materiali di scarto per creare una pavimentazione abbastanza resistente da durare, ma abbastanza porosa da funzionare. Il team ha preso due specifici prodotti di scarto: l'aggregato di calcestruzzo riciclato, ovvero vecchio calcestruzzo frantumato in piccoli sassi, e la scoria di nichel sferica, un sottoprodotto della fusione del nichel che è stata raffreddata rapidamente in acqua per formare sfere lisce e rotonde. Hanno creato sei diversi lotti di calcestruzzo. Alcuni utilizzavano solo pietre di fiume naturali, altri solo calcestruzzo riciclato, altri solo la scoria di nichel, e gli altri utilizzavano varie combinazioni di questi materiali. Per garantire un test equo, hanno mantenuto la quantità di cemento e acqua esattamente la stessa per ogni lotto, cambiando solo il tipo di pietra utilizzato. Hanno poi sottoposto i cilindri di calcestruzzo a una serie di test rigorosi per vedere quanto fossero pesanti, quanti fori contenessero, quanto resistessero all'usura per attrito e quanto efficacemente assorbissero il suono. Hanno anche calcolato il costo ambientale della produzione di ogni lotto, misurando le emissioni di carbonio e l'energia richiesta dal momento in cui le materie prime vengono estratte fino a quando il calcestruzzo lascia la fabbrica.

I risultati hanno rivelato una storia chiara su come la forma e la densità delle pietre cambiassero il calcestruzzo. Quando i ricercatori hanno utilizzato la scoria di nichel, liscia e pesante, il calcestruzzo è diventato significativamente più denso e pesante, ma ha anche perso gran parte della sua porosità. Le sfere rotonde si sono compattate così strettamente che c'era meno spazio per il flusso dell'acqua. Al contrario, la miscela che combinava pietre naturali con il calcestruzzo riciclato, angolare e ruvido, ha creato la struttura più porosa, con il volume più alto di fori interconnessi. Questa alta porosità si è rivelata la chiave per la prestazione acustica. La miscela con più fori assorbiva il suono meglio di qualsiasi altra, raggiungendo un livello tale da poter catturare quasi tutta l'energia sonora che la colpiva a determinate frequenze. Ciò suggerisce che, per ridurre il rumore del traffico, una struttura più aperta e ariosa sia superiore. Tuttavia, questa apertura comportava un compromesso. La miscela più porosa era anche la più debole per quanto riguarda la resistenza all'abrasione. Quando è stata posta in una macchina che simulava l'azione di sfregamento degli pneumatici, questa miscela ha perso la maggior quantità di massa, perdendo pezzi di pietra e malta.

La scoperta più sorprendente è arrivata dalla miscela che combinava il calcestruzzo riciclato con la scoria di nichel sferica. Questa specifica combinazione, che i ricercatori hanno chiamato RS50, ha raggiunto il miglior equilibrio tra tutti i fattori. Non era la più porosa, né la più leggera, ma si è dimostrata la più durevole. Sottoposta allo stesso test di sfregamento, ha perso la minor quantità di materiale, mantenendo la sua forma molto meglio degli altri lotti. Le sfere lisce e dure della scoria di nichel sembravano agire come uno scheletro robusto, bloccando al loro posto le pietre riciclate ruvide e impedendo loro di essere staccate. Questa combinazione ha creato una struttura abbastanza resistente da sopportare l'usura, pur mantenendo una porosità sufficiente per essere funzionale. Dal punto di vista ambientale, la sostituzione delle pietre naturali del fiume con calcestruzzo riciclato e scorie industriali ha ridotto significativamente l'impronta di carbonio e il costo energetico del calcestruzzo. I materiali riciclati richiedevano molta meno energia per essere prodotti rispetto all'estrazione e alla frantumazione di nuove pietre. Tuttavia, lo studio ha anche notato che il cemento utilizzato per legare il tutto rimaneva la principale fonte di impatto ambientale, rappresentando la stragrande maggioranza delle emissioni di carbonio in ogni lotto, indipendentemente dalle pietre utilizzate.

In definitiva, lo studio ha dimostrato che non esiste una miscela "perfetta" per ogni compito. Se l'obiettivo è costruire un marciapiede silenzioso o una barriera antirumore dove la priorità è l'assorbimento del suono, la miscela con più calcestruzzo riciclato e pietre naturali è la scelta migliore, poiché crea la spugna assorbente del suono più efficace. Ma se la pavimentazione deve gestire traffico intenso o un uso frequente dove la durata è critica, la miscela di calcestruzzo riciclato e scoria di nichel sferica è l'opzione superiore. Questa combinazione offre la migliore prestazione ambientale se si tiene conto della durata, dimostrando che i materiali di scarto possono essere ingegnerizzati per lavorare insieme. Selezionando e mescolando attentamente questi sottoprodotti industriali, gli ingegneri possono creare un calcestruzzo poroso che non è solo più gentile con il pianeta, ma anche più forte ed efficace rispetto ai materiali tradizionali. La ricerca dimostra che la strada verso un'infrastruttura sostenibile risiede non solo nell'uso dei rifiuti, ma nel comprendere come diversi materiali di scarto interagiscano per creare un insieme che è superiore alla somma delle sue parti.