Stabilization of Lateritic Soil Using PET Bottle Shreds and Periwinkle Shell Ash for Subgrade Layer of Road Pavement

Ogni strada inizia con il terreno che la sostiene. Prima che venga steso un singolo strato di asfalto, gli ingegneri devono assicurarsi che il suolo sottostante possa sostenere il peso di auto e camion senza affondare o creparsi. Questo strato inferiore, noto come subgrade, è la fondazione dell'intera struttura. In molte parti del mondo, il suolo disponibile è laterite, una terra rossastra ricca di ferro e argilla. Sebbene sia abbondante, questo suolo spesso fatica sotto pressione, specialmente quando è umido, rendendolo un cattivo candidato per la costruzione di strade da solo. Per risolvere questo problema, gli ingegneri tradizionalmente mescolano altri materiali per rinforzare il terreno, ma questi additivi possono essere costosi e richiedere molta energia per essere prodotti. Allo stesso tempo, il mondo sta affrontando una montagna crescente di rifiuti. Le bottiglie di plastica e i gusci scartati dai molluschi consumati sono due di quei flussi di rifiuti che intasano le discariche e danneggiano l'ambiente. La domanda che guida la ricerca recente è se questi due problemi molto diversi — terreno debole e scarti eccessivi — possano essere risolti insieme trasformando i rifiuti in uno strumento di costruzione.

Un team di ricercatori della Covenant University in Nigeria si è posto l'obiettivo di testare questa idea utilizzando due tipi specifici di rifiuti: plastica sminuzzata da bottiglie di polietilene tereftalato, o PET, e cenere derivante dalla combustione di gusci di periwinkle. I periwinkle sono un tipo di lumaca di mare ampiamente consumata in Africa occidentale, e i loro gusci vengono spesso gettati via in grandi quantità. I ricercatori hanno raccolto terreno lateritico da un sito nello Stato di Ogun e hanno iniziato una serie di esperimenti di laboratorio per vedere come l'aggiunta di questi materiali di scarto cambiasse il comportamento del suolo. Hanno prima preparato il terreno asciugandolo e frantumandolo in una polvere uniforme. Hanno poi preso bottiglie di plastica usate, le hanno lavate e le hanno sminuzzate in piccole strisce lunghe circa quanto un'unghia. Per i gusci, li hanno puliti, bruciati in un fuoco aperto e poi riscaldati in un forno per garantire che la cenere fosse chimicamente attiva prima di macinarla in una polvere fine.

Il team ha affrontato il problema in due fasi. Per prima cosa, hanno testato quanta plastica sminuzzata il suolo potesse sopportare da sola. Hanno mescolato il terreno con piccole quantità di frammenti di plastica, che variavano dal due al dieci per cento del peso totale. Hanno scoperto che l'aggiunta di plastica rendeva il terreno più forte, ma solo fino a un certo punto. Quando hanno aggiunto il sei per cento di plastica in peso, il terreno ha raggiunto la sua forza massima. Aggiungere più di tanto lo rendeva effettivamente più debole, poiché l'eccesso di plastica iniziava a ostacolare l'impaccamento stretto delle particelle di suolo. Identificata la quantità ottimale di plastica, i ricercatori sono passati alla seconda fase, mantenendo fisso il contenuto di plastica al sei per cento e variando la quantità di cenere di guscio di periwinkle. Hanno testato la miscela con l'aggiunta di cenere in quantità comprese tra il due e il dieci per cento.

I risultati hanno mostrato un chiaro schema di miglioramento. Il terreno naturale, non trattato, aveva una capacità di carico molto bassa, registrando un valore del 5,5 per cento in un test standard utilizzato per misurare la resistenza del suolo per le strade. Quando i ricercatori hanno combinato il sei per cento di frammenti di plastica con il sei per cento di cenere di guscio di periwinkle, la forza del terreno è più che triplicata, raggiungendo un valore del 19,5 per cento. Questa specifica combinazione ha anche aumentato significativamente la capacità del terreno di resistere allo schiacciamento, una proprietà misurata dalla sua resistenza alla compressione, che è passata da 120,5 unità del terreno naturale a 273,3 unità della miscela trattata. I ricercatori hanno anche osservato che il terreno trattato è diventato meno permeabile, il che significa che l'acqua non può attraversarlo così facilmente come accade attraverso il terreno non trattato. Questo è un beneficio cruciale per le fondamenta stradali, poiché l'infiltrazione d'acqua porta spesso ad ammorbidimento e cedimenti.

Nonostante questi progressi, i ricercatori hanno notato che il terreno trattato, pur essendo molto più forte di prima, non raggiungeva ancora i livelli di resistenza elevati richiesti per gli strati pesanti di una strada che sostiene un traffico costante. La migliore miscela creata è adatta per lo strato di subgrade di strade con traffico leggero, ma non è ancora un sostituto per gli strati di base delle grandi autostrade. Lo studio suggerisce che la forza derivi da un duplice meccanismo: i frammenti di plastica agiscono come minuscole fibre che tengono insieme il terreno, mentre la cenere dei gusci reagisce chimicamente con il suolo per formare legami simili al cemento. Tuttavia, il team ha anche scoperto che l'aggiunta di troppa cenere, specificamente oltre il sei per cento, causava un calo della resistenza, probabilmente perché l'eccesso di polvere fine interrompeva il legame tra il suolo e la plastica.

Questo lavoro dimostra un modo pratico per migliorare la qualità del suolo locale e, contemporaneamente, ridurre il volume di rifiuti di plastica e di gusci nell'ambiente. I ricercatori hanno concluso che l'uso di questi specifici materiali di scarto è una via percorribile per la costruzione stradale nelle regioni in cui è comune il terreno lateritico. Hanno sottolineato che, sebbene i risultati siano promettenti, sono necessari ulteriori test per vedere quanto bene questo terreno resista a molti cicli di bagnatura e asciugatura. Per ora, lo studio offre un esempio concreto di come l'ingegneria possa trasformare due oneri ambientali in una singola, utile risorsa, a condizione che la miscela sia attentamente bilanciata per evitare che l'eccesso di qualcosa di buono diventi un problema.