Influence of Recycled Waste Pet Fiber Geometry on the Destructive, Non-destructive, and Post-failure Characteristics of Structural Concrete

Il calcestruzzo è il materiale più onnipresente nel mondo costruito, poiché forma lo scheletro delle nostre città e le fondamenta delle nostre case. È un composito di pietra frantumata e sabbia, tenuti insieme da una pasta di cemento e acqua. Sebbene questa miscela eccella nel resistere a forti forze di compressione, ha una debolezza nota: è fragile. Come un ramoscello secco, il calcestruzzo semplice resiste bene alla compressione ma si frantuma improvvisamente quando viene tirato o piegato, offrendo pochi avvertimenti prima del cedimento. Per risolvere questo problema, gli ingegneri si sono rivolti da tempo al calcestruzzo rinforzato con fibre, una variante che incorpora minuscoli filamenti discreti in tutta la miscela. Queste fibre agiscono come reti di sicurezza interne, colmando le crepe man mano che si formano e mantenendo unito il materiale anche dopo che ha iniziato a rompersi, trasformando uno scatto fragile in un cedimento più graduale e gestibile.

Per decenni, la ricerca di questi filamenti di rinforzo si è concentrata sull'acciaio o sui polimeri sintetici, ma un crescente corpo di ricerca pone una domanda diversa: possiamo trasformare i rifiuti plastici del mondo in un asset strutturale? Il polietilene tereftalato, o PET, è la plastica trasparente utilizzata per innumerevoli bottiglie di bevande. Sebbene esistano programmi di riciclaggio, gran parte di questo materiale finisce ancora in discarica. La sfida risiede nella forma della plastica; le strisce di plastica standard ricavate dalle bottiglie sono lisce e dritte. Nell'ambiente ruvido e roccioso del calcestruzzo, queste fibre lisce tendono a scivolare fuori invece di fare presa, fallendo nel fornire il necessario rinforzo. Questo studio, condotto da ricercatori della Lovely Professional University in India e della Hajee Mohammad Danesh Science and Technology University in Bangladesh, esplora se rimodellare queste fibre di scarto in una forma corrugata e a zigzag possa risolvere il problema della presa, e come questa modifica influenzi la resistenza e la prova del calcestruzzo finale.

I ricercatori hanno iniziato raccogliendo bottiglie usate di soda e acqua, rimuovendo i colli e i fondi e tagliando i corpi cilindrici in strisce uniformi. Hanno creato due tipi distinti di fibre da questo scarto: un set è rimasto dritto e liscio, mentre l'altro è stato fatto passare attraverso un dispositivo meccanico per imprimere un motivo a zigzag continuo nella plastica. Entrambi i set sono stati tagliati a una lunghezza di 40 millimetri. Queste fibre sono state poi mescolate in un calcestruzzo standard di grado M20, una miscela strutturale comune, a un tasso in cui le fibre sostituivano l'uno percento del volume dell'aggregato lapideo grossolano. Il team ha gettato decine di campioni cilindrici e li ha stagionati per 28 giorni in un ambiente all'aperto, esponendoli alla luce solare naturale, alla pioggia e alle fluttuazioni di temperatura per simulare le condizioni reali di costruzione piuttosto che il clima controllato di un laboratorio.

Quando il calcestruzzo fresco è stato testato per la lavorabilità, l'aggiunta delle fibre plastiche ha mostrato immediatamente un costo fisico. Le fibre lisce e dritte hanno ridotto il flusso della miscela di circa il dieci per cento, ma le fibre a zigzag hanno causato un calo molto più netto, riducendo il flusso di quasi il trentatré per cento. La forma corrugata delle fibre a zigzag ha creato un groviglio fisico, facendo sì che i filamenti di plastica si agganciassero tra loro e alla sabbia e alla pietra circostanti, rendendo la miscela più rigida e difficile da versare. Nonostante questa perdita di facilità di manipolazione, il calcestruzzo indurito si è dimostrato sorprendentemente resiliente. Quando è stato schiacciato in una macchina per test, il campione di controllo di calcestruzzo semplice ha raggiunto una resistenza di 20,20 megapascal. La miscela con fibre dritte ha retto a 18,90 megapascal, una diminuzione minore, mentre la miscela a zigzag ha raggiunto i 17,65 megapascal. Sebbene la resistenza sia scesa leggermente, i ricercatori hanno confermato che l'uso di questa piccola quantità di plastica riciclata non ha compromesso la capacità di carico strutturale del calcestruzzo.

Una scoperta più sorprendente è emersa quando il team ha testato il calcestruzzo utilizzando un metodo non distruttivo noto come martello di rimbalzo Schmidt. Questo dispositivo funziona sparando una piccola massa a molla contro la superficie del calcestruzzo e misurando quanto rimbalza; un rimbalzo più alto indica solitamente una superficie più dura e resistente. Nel calcestruzzo standard, questo metodo fornisce una stima ragionevolmente accurata della resistenza. Tuttavia, nei campioni rinforzati con fibre, il martello ha costantemente sottostimato la vera resistenza. Le fibre di plastica lisce vicino alla superficie hanno agito come un assorbitore d'urto, smorzando l'impatto del martello e causando un rimbalzo inferiore rispetto a quanto dovrebbe essere. Per la miscela a zigzag, il martello suggeriva che il calcestruzzo fosse forte solo la metà della sua reale capacità. Per correggere questo, i ricercatori hanno sviluppato specifici fattori di regolazione, creando essenzialmente un nuovo manuale di regole su come interpretare le letture del martello in presenza di fibre plastiche, garantendo che gli ispettori non rifiutino erroneamente una struttura integra.

La differenza più drammatica è apparsa quando i cilindri sono stati finalmente schiacciati fino al cedimento. Il calcestruzzo semplice si è frantumato istantaneamente, rompendosi in un mucchio di frammenti con una frattura per taglio improvvisa e violenta. La miscela con fibre dritte ha mostrato un lieve miglioramento, crepandosi lungo la lunghezza del cilindro, ma le fibre lisce sono alla fine scivolate fuori dalla pasta di cemento, lasciando che il guscio esterno si sbriciolasse. La miscela con fibre a zigzag, tuttavia, si è comportata diversamente. Mentre il cilindro si crepava, i filamenti di plastica corrugati si incastravano saldamente nel cemento circostante, proprio come le nervature di un tondino d'acciaio. Questo incastro meccanico ha impedito alle fibre di scivolare fuori, permettendo al calcestruzzo di mantenere l'integrità anche dopo il superamento del carico massimo. Il campione non si è disintegrato; al contrario, ha mantenuto la sua forma cilindrica sviluppando una rete di sottili crepe, dimostrando un modo di cedimento duttile, o flessibile, che offre molta più sicurezza in un crollo reale.

Lo studio conclude che, sebbene trasformare gli scarti delle bottiglie di plastica in rinforzo per il calcestruzzo richieda una gestione attenta per gestire la rigidità della miscela, i risultati sono promettenti. La geometria a zigzag è la chiave, trasformando una striscia di plastica scivolosa in un robusto ancoraggio che migliora significativamente la capacità del calcestruzzo di resistere alle crepe e di mantenersi unito dopo i danni. Stabilendo nuovi metodi di calibrazione per i test non distruttivi, i ricercatori hanno anche fornito uno strumento pratico affinché gli ingegneri possano valutare accuratamente questi nuovi materiali sul campo. Il lavoro suggerisce che, con la giusta forma, le bottiglie di plastica scartate possono essere molto più che semplici rifiuti; possono diventare un componente vitale per rendere le nostre infrastrutture più robuste e resilienti.