Mechanical Characteristics of Concrete Elements Incorporating Waste-Derived Expanded Polystyrene (EPS) Spheres at The Neutral Zone
Questo studio sperimentale dimostra che l'incorporazione di sfere di EPS derivate da rifiuti come formatori di nucleo discreti nel calcestruzzo M20 riduce significativamente la densità e la resistenza alla flessione, mentre la resistenza alla compressione mostra un andamento complessivo non significativo nonostante un calo notevole al 6% di sostituzione, evidenziando la necessità di ulteriori ricerche sulle prestazioni strutturali e sulla durabilità.
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Il calcestruzzo è lo scheletro invisibile del mondo moderno, che sostiene i nostri ponti, le nostre case e le nostre strade. È incredibilmente forte quando viene compresso, ma è anche pesante. Quel peso è un onere; più pesante è un edificio, più grandi devono essere le sue fondamenta e maggiore è la forza che esercita durante un terremoto. Gli ingegneri sanno da tempo che in una trave o in una soletta, il centro esatto non subisce quasi nessuna tensione di flessione. È una zona silenziosa dove il materiale compie pochissimo lavoro. Se quel centro potesse essere svuotato, la struttura diventerebbe più leggera senza perdere la capacità di sostenere un carico. Questa idea non è nuova, ma la maggior parte dei metodi per ottenerla si basa su costose sfere di plastica prodotte industrialmente, difficili da reperire nelle regioni in via di sviluppo. Nel frattempo, il polistirene espanso di scarto, spesso chiamato Thermocol, si accumula nelle discariche o viene bruciato, rilasciando fumi tossici. La sfida consiste nel trovare un modo per trasformare questo rifiuto inutile e fragile in un componente strutturale utile, economico e locale.
Un team di ricercatori del Madan Bhandari College of Engineering in Nepal si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema testando un approccio semplice e a bassa tecnologia. Hanno preso fogli di scarto di Thermocol, li hanno laminati insieme e li hanno levigati a mano fino a ottenere sfere perfette. Queste sfere sono state poi posizionate precisamente nel centro, o zona neutra, di blocchi e travi di calcestruzzo fresco prima del colaggio. L'obiettivo era vedere se l'inserimento di queste leggere palline di schiuma nel mezzo del calcestruzzo avrebbe ridotto il peso complessivo della struttura pur mantenendola abbastanza resistente da essere sicura. Hanno testato quattro diverse miscele: un controllo standard senza schiuma e tre versioni in cui la schiuma sostituiva una piccola percentuale del volume del calcestruzzo, nello specifico il 4%, il 5% e il 6%.
I risultati hanno dimostrato che la strategia ha funzionato esattamente come sperato per la riduzione del peso. All'aumentare della quantità di schiuma, il calcestruzzo diventava visibilmente più leggero. La miscela standard pesava circa 2403 chilogrammi per metro cubo, mentre la miscela con il 6% di schiuma è scesa a 2314 chilogrammi per metro cubo. Questa riduzione di peso è significativa per l'edilizia, poiché significa meno peso morto che preme sul terreno e sulle colonne di supporto. I ricercatori hanno anche scoperto che la schiuma non faceva assorbire più acqua al calcestruzzo; anzi, l'assorbimento d'acqua è diminuito leggermente all'aumentare della schiuma, poiché la schiuma stessa è impermeabile e non assorbe liquidi.
Tuttavia, la storia della resistenza è più complessa. Quando i ricercatori hanno testato quanta forza potessero sopportare i blocchi prima di frantumarsi, hanno scoperto che la resistenza diminuiva all'aumentare della schiuma, ma il calo era piccolo e non sempre statisticamente significativo. I blocchi di controllo resistevano a circa 20,26 megapascal di pressione, mentre i blocchi con il 6% di schiuma resistevano a circa 18,63 megapascal. L'analisi statistica ha rivelato che le lievi differenze osservate con il 4% e il 5% di schiuma erano probabilmente dovute alle normali variazioni del calcestruzzo stesso, piuttosto che a una vera perdita di resistenza causata dalla schiuma. Solo la miscela con il 6% ha mostrato una diminuzione chiara e misurabile della resistenza alla compressione. Ciò suggerisce che per piccole quantità di schiuma, il calcestruzzo rimane altrettanto resistente rispetto alla miscela originale.
La storia è cambiata quando i ricercatori hanno testato come le travi resistessero alla flessione, ovvero ciò che accade quando un pavimento si imbarca sotto il peso. In questo caso, la schiuma ha avuto un effetto molto più evidente. La resistenza alla flessione è diminuita drasticamente all'aumentare del contenuto di schiuma. Le travi con il 6% di schiuma erano quasi il 30% più deboli nella flessione rispetto alle travi di controllo piene. I ricercatori hanno spiegato questo fenomeno notando che, sebbene il centro della trave non dovrebbe sopportare stress, l'atto di flettere crea forze di taglio nascoste che viaggiano attraverso il mezzo. Le sfere di schiuma hanno agito come ostacoli a queste forze, creando punti deboli dove potrebbero iniziare le crepe. Nonostante questo calo, anche le travi più deboli con la schiuma erano più forti del requisito minimo di sicurezza per questo tipo di calcestruzzo.
Lo studio conclude che esiste un punto di equilibrio per l'uso di questo materiale di scarto. Una miscela contenente il 4% o il 5% di sfere di schiuma offre un buon compromesso: riduce significativamente il peso dell'edificio senza causare una perdita statisticamente confermata nella capacità di sostenere carichi pesanti. Sebbene la resistenza alla flessione diminuisca, essa rimane ben entro i limiti di sicurezza per l'uso pratico, specialmente poiché gli edifici reali utilizzano barre d'acciaio per gestire la tensione che il calcestruzzo non può gestire. I ricercatori sottolineano che questo metodo non è una soluzione magica che elimina tutte le preoccupazioni strutturali, né sostituisce la necessità di una progettazione ingegneristica attenta. Al contrario, fornisce un modo pratico e a basso costo per utilizzare scarti locali per alleggerire le strutture, il che è particolarmente prezioso nelle zone soggette a terremoti, dove ridurre il peso di un edificio può salvare vite umane. Il lavoro rimane un passo preliminare, provando che il concetto funziona in laboratorio, ma punta verso un futuro in cui la schiuma di scarto potrebbe diventare una parte standard e utile del processo edilizio.
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