L'impatto della cenere volante e della scoria sull'interfaccia microscopica del calcestruzzo riciclato e sulla sua evoluzione di rottura

Trasformare i rifiuti edilizi in nuove strutture

Con la crescita delle città e la demolizione di edifici obsoleti, si accumulano montagne di calcestruzzo frantumato e rifiuti industriali come cenere volante e scoria. Allo stesso tempo, produrre nuovo calcestruzzo è una delle maggiori fonti di emissioni di carbonio nel settore delle costruzioni. Questo studio pone una domanda semplice ma urgente: possiamo trasformare in modo sicuro questi rifiuti in calcestruzzo resistente e durevole, e cosa succede all'interno del materiale quando lo facciamo? Osservando in profondità le piccole zone di contatto tra il calcestruzzo vecchio e quello nuovo e simulando la crescita delle fessure, gli autori mostrano come miscelare ingredienti riciclati senza compromettere le prestazioni.

Perché il confine nascosto è importante

Il calcestruzzo non è un unico blocco compatto; somiglia piuttosto a un dolce rustico pieno di pietre, conghiaccio di sabbia e aggregati tenuti insieme da una pasta indurita. I punti più deboli sono spesso i sottili strati dove pietra e pasta si incontrano, chiamati zone interfaciali. Nel calcestruzzo riciclato queste zone diventano più complesse perché i frammenti di calcestruzzo vecchio portano già con sé sottili strati di pasta invecchiata. Quando si versa nuova pasta attorno a questi frammenti, emergono più confini. Lo studio si concentra su come si comportano questi strati di confine quando la pietra naturale è sostituita in parte da pezzi di calcestruzzo vecchio e quando nella pasta vengono miscelate cenere volante e scoria — polveri residue dalla combustione del carbone e dalla produzione dell'acciaio.

Testare diverse ricette per la resistenza

I ricercatori hanno creato 24 diverse miscele di calcestruzzo variando tre componenti: la percentuale di frammenti riciclati, la quantità di cenere volante e la quantità di scoria. Tutte le miscele hanno utilizzato la stessa quantità di acqua e sabbia, così che eventuali cambiamenti nelle prestazioni potessero essere attribuiti a queste sostituzioni. Hanno misurato la pressione che i cubi di calcestruzzo potevano sopportare prima di schiacciarsi e quanto facilmente i cilindri si dividevano quando venivano tirati aparti. In generale, una maggiore presenza di frammenti riciclati tendeva a ridurre la resistenza rispetto al calcestruzzo ordinario. L'aggiunta di cenere volante o scoria ha spesso ridotto la resistenza, specialmente a dosi più alte, perché rallentavano il completamento dell'indurimento della pasta. Tuttavia sono emersi dei punti ottimali: con il 40% di aggregati riciclati e il 10% di scoria, la perdita di resistenza era di solo circa il 5%, portando il materiale molto vicino al calcestruzzo standard.

Osservare l'interno del calcestruzzo

Per capire perché alcune miscele funzionavano meglio, il team ha levigato sottili sezioni del calcestruzzo e le ha esaminate al microscopio. Le immagini hanno rivelato che il calcestruzzo riciclato presenta più porosità e un confine più irregolare tra aggregato e pasta rispetto al calcestruzzo ordinario. Intorno ai frammenti riciclati, le sottili zone interfaciali erano più allentate e porose, con particelle non reagite di cemento, cenere volante e scoria. Questa struttura aperta indebolisce il legame che tiene insieme il materiale. Il calcestruzzo ordinario, realizzato con aggregati freschi, mostrava una zona di confine più densa e continua e pori più piccoli, spiegando la sua maggiore resistenza. Lo studio ha rilevato che sia la cenere volante sia la scoria aumentano la porosità di queste zone, ma la cenere volante lo fa in misura maggiore rispetto alla scoria.

Osservare la formazione e la crescita delle fessure

Oltre alle immagini statiche, gli autori hanno voluto vedere come si rompe effettivamente il calcestruzzo riciclato. Hanno costruito un modello al computer che tratta le sottili zone interfaciali come strati fragili che possono aprirsi e separarsi sotto carico. Quando hanno simulato la compressione di un blocco di calcestruzzo, piccole fessure sono apparse inizialmente nelle zone di confine esterne dove i pori erano più grandi. Con l'aumento del carico, queste fessure si sono propagate verso l'interno e si sono congiunte, fino ad attraversare il provino e provocarne il collasso. Le fotografie dei campioni realmente schiacciati corrispondevano al modello: le miscele con molti frammenti riciclati e cenere volante sviluppavano fessure ampie e tortuose, mentre le miscele con contenuto riciclato moderato e scoria mostravano fessure più strette e dritte, suggerendo una struttura interna più compatta.

Cosa significa per edifici più verdi

Per i non specialisti, il messaggio principale è rassicurante: con una scelta accurata degli ingredienti, il calcestruzzo prodotto da macerie edilizie e sottoprodotti industriali può avvicinarsi molto alla resistenza del materiale convenzionale. Il lavoro mostra che il punto più debole è il sottile strato di confine attorno ai frammenti riciclati, in particolare quando si aggiunge troppa cenere volante o scoria. Mantenendo la percentuale di aggregati riciclati a livelli moderati e usando una quantità contenuta di scoria, gli ingegneri possono limitare il danno in queste zone e rallentare la crescita delle fessure. Questo indica ricette pratiche per un calcestruzzo a minore impatto carbonico che "mangia" i rifiuti senza diventare fragile, offrendo una via verso edifici e strade più robusti e sostenibili.

Citazione: Chen, C., Wei, Z., Zhang, J. et al. The impact of fly ash and slag on the microscopic interface of recycled concrete and its destruction evolution. Sci Rep 16, 9565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17035-9

Parole chiave: calcestruzzo riciclato, cenere volante, scoria, zona di transizione interfaciale, costruzione sostenibile