Verso la standardizzazione della scoria di zinco come sostituto sostenibile della sabbia fine nel calcestruzzo

Perché i rifiuti potrebbero aiutare a salvare i nostri fiumi

La sabbia può sembrare inesauribile, ma il boom edilizio sta spogliando fondali fluviali e coste a un ritmo impressionante. Allo stesso tempo, le fonderie di metalli nel mondo producono montagne di residui industriali difficili da riutilizzare. Questo studio pone una domanda apparentemente semplice ma di grande importanza ambientale: la scoria di zinco — un sottoprodotto abbondante della raffinazione dello zinco — può sostituire in modo sicuro e affidabile la sabbia naturale nel calcestruzzo, senza compromettere resistenza, durabilità o sicurezza?

Dalla sabbia di fiume ai residui di fabbrica

Il calcestruzzo è costituito da cemento, acqua, inerti grossolani e, in modo cruciale, da granuli fini come la sabbia. Con l’espansione delle città, la domanda di sabbia è aumentata vertiginosamente, danneggiando fiumi, delta ed ecosistemi costieri e facendo salire i costi. Parallelamente, gli impianti moderni di fusione dello zinco, soprattutto in paesi come la Corea del Sud, producono grandi quantità di scoria di zinco. Questo materiale granuloso è costituito da goccioline raffreddate e frantumate del processo di fusione. La sua dimensione, densità e composizione minerale suggeriscono che potrebbe comportarsi in modo simile alla sabbia nel calcestruzzo. Tuttavia, le norme in molte aree, inclusa la Corea, hanno finora ignorato la scoria di zinco, per lo più a causa di timori relativi ai metalli pesanti e alla variabilità della qualità.

Uno sguardo approfondito sulla scoria

I ricercatori hanno iniziato trattando la scoria di zinco come se fosse un nuovo ingrediente in una ricetta che deve essere controllata a fondo prima di essere introdotta nell’impasto. Hanno misurato la massa delle particelle, la loro capacità di assorbire acqua, la distribuzione granulometrica e il loro aspetto al microscopio elettronico. Hanno inoltre analizzato la composizione elementare e la struttura cristallina, e testato la presenza di impurità indesiderate come argilla, polvere libera, sali e frammenti di carbone. Infine, hanno verificato sia il contenuto totale sia il comportamento in lisciviazione di elementi pericolosi come piombo, cadmio e arsenico per valutare se potessero fuoriuscire nell’ambiente.

La scoria si è rivelata densa e ben gradata, con particelle che coprono una gamma di dimensioni che si compattano in modo efficiente. Il suo assorbimento d’acqua è risultato molto basso — molto inferiore a quello della sabbia naturale — il che significa che non sottrae acqua all’impasto. Le immagini al microscopio hanno mostrato per lo più granuli angolosi, oltre ad alcune sfere più lisce e arrotondate che possono favorire la lavorabilità dell’impasto. Dal punto di vista chimico, la scoria somigliava ad altre scorie industriali già accettate dalle norme, e i test su elementi nocivi e sulla lisciviazione sono risultati nettamente entro i limiti normativi. In termini pratici, il materiale si è comportato come una sabbia artificiale pulita e stabile.

Come si è comportato il calcestruzzo con la scoria

Con queste informazioni, il team ha prodotto due famiglie di calcestruzzo: un impasto a resistenza normale e uno ad alta resistenza, entrambi comuni nei progetti reali. Per ciascuno, hanno sostituito la sabbia naturale con scoria di zinco a livelli dal 10% fino al 100% in volume. Hanno poi verificato il comportamento del calcestruzzo fresco — quanto scorrevole è, quanta acqua è necessaria per raggiungere una lavorabilità standard e quanto aria rimane intrappolata nell’impasto — seguiti da prove sui provini induriti per la resistenza a compressione, il ritiro da essiccamento e la resistenza alla penetrazione di anidride carbonica (una delle cause principali della corrosione delle armature nel tempo).

Con l’aumentare della quantità di scoria, il calcestruzzo ha effettivamente richiesto meno acqua per raggiungere la stessa consistenza, grazie al basso assorbimento della scoria e all’effetto «cuscinetto» delle sue particelle arrotondate. Gli impasti sono rimasti stabili, senza segregazione visibile delle particelle più pesanti. La resistenza a compressione non solo ha soddisfatto gli obiettivi progettuali, ma in molti casi è migliorata: a 28 giorni, il calcestruzzo a resistenza normale con scoria risultava fino a circa l’8% più resistente rispetto al controllo con sola sabbia, e il calcestruzzo ad alta resistenza fino a circa il 6% in più. Il ritiro su 60 giorni è rimasto nello stesso intervallo ridotto del calcestruzzo ordinario, e la profondità di carbonatazione dopo un’esposizione accelerata all’anidride carbonica non ha mostrato variazioni significative a tutti i livelli di sostituzione della sabbia.

Sicurezza, durabilità e implicazioni per le norme

Per gli organismi di normazione e i regolatori, la sicurezza ambientale può rappresentare un ostacolo decisivo. In questo caso, la scoria di zinco ha dato buoni risultati. I metalli pesanti erano presenti solo in tracce, e i test di lisciviazione condotti in condizioni standardizzate hanno rilevato quasi nulla nel liquido circostante, a eccezione di piccole quantità di boro ben al di sotto dei limiti prescritti. La scoria ha inoltre mostrato una reattività trascurabile con gli alcali del cemento, il che indica che non dovrebbe innescare le lente e dannose espansioni talvolta osservate con aggregati reattivi. Nel complesso, questi risultati suggeriscono che, sia dal punto di vista strutturale sia ambientale, la scoria di zinco si comporta in modo molto simile ad altre scorie metallurgiche già incluse nei codici edilizi.

Trasformare i rifiuti industriali in una risorsa da costruzione

Per il pubblico non specialista, il messaggio chiave è semplice: questo studio mostra che la scoria di zinco, un materiale solitamente considerato rifiuto, può sostituire in sicurezza la sabbia di fiume sia nel calcestruzzo di uso comune sia in quello ad alte prestazioni, senza indebolire le strutture o ridurne la vita utile. In molti casi, gli impasti a base di scoria sono leggermente più resistenti e richiedono meno acqua, mantenendo al contempo ritiro, aria intrappolata e resistenza alla CO2 entro limiti accettati. Poiché la scoria supera test rigorosi sul contenuto di metalli pesanti e sulla lisciviazione, non rappresenta un rischio significativo di inquinamento. Questi risultati forniscono dati concreti utili per futuri aggiornamenti delle norme di costruzione, potenzialmente trasformando un problematico sottoprodotto industriale in un ingrediente mainstream e più sostenibile del materiale da costruzione più diffuso al mondo.

Citazione: Yoon, J.C., Shivaprasad, K.N., Min, T.B. et al. Towards standardisation of zinc slag as a sustainable fine aggregate substitute in concrete. Sci Rep 16, 5961 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36155-4

Parole chiave: scoria di zinco, calcestruzzo sostenibile, sostituzione della sabbia, sottoprodotti industriali, materiali da costruzione