Valutazione sperimentale e numerica del comportamento meccanico del calcestruzzo attivato alcalinamente a base di scoria con vetro di scarto riciclato e polveri di metacaolino dealuminate

Calcestruzzo più verde per un mondo in crescita

Le città moderne sono costruite sul calcestruzzo, ma il calcestruzzo tradizionale a base di cemento ha un elevato impatto carbonico e richiede grandi quantità di materie prime. Questo studio esplora un nuovo tipo di calcestruzzo “verde” che sostituisce gran parte del cemento e degli aggregati convenzionali con sottoprodotti industriali e rifiuti, tra cui scoria dell’industria siderurgica e vetro di scarto finemente macinato. Dimostrando che tali miscele possono eguagliare o persino superare il calcestruzzo tradizionale, la ricerca indica la possibilità di ponti e edifici più robusti e al tempo stesso meno impattanti per il pianeta.

Trasformare i rifiuti industriali in blocchi da costruzione

Il calcestruzzo analizzato in questo lavoro è basato su scoria attivata alcalinamente, un legante ottenuto attivando chimicamente la scoria granulare macinata invece di usare il cemento Portland. I ricercatori hanno sostituito parzialmente la sabbia naturale e la scoria con due sottoprodotti industriali: polvere di vetro riciclato e metacaolino dealuminato, un residuo ricco di silice e allumina derivante dall’estrazione dell’alluminio. Hanno inoltre testato due tipi di pietrisco grosso—dolomite e basalto—e aggiunto fibre d’acciaio corte in alcune miscele. In totale sono state messe a punto diverse ricette controllate per valutare come ogni componente influenzasse resistenza, rigidezza, fessurazione e comportamento complessivo sotto carico.

Dai provini di laboratorio alla resistenza misurata

Per valutare le prestazioni, il team ha gettato e stagionato cubi, cilindri e travi a temperatura ambiente, evitando cure termiche ad alto consumo energetico. Sono state misurate la resistenza a compressione (quanto carico di schiacciamento il calcestruzzo può sopportare), la resistenza a trazione indiretta (come si comporta quando viene sollecitato a trazione), la resistenza a flessione e la rigidezza. In generale, le miscele con aggregato più duro come il basalto hanno superato quelle con dolomite. Con l’aggiunta di polvere di vetro di scarto o metacaolino dealuminato, il calcestruzzo è diventato più denso e resistente. Il risultato più evidente è stata una miscela che combinava basalto, 10% di metacaolino dealuminato (in sostituzione parziale della scoria) e 1% di fibre d’acciaio: ha mostrato le più alte resistenze a compressione, trazione e flessione, insieme alla massima rigidezza.

Analizzare lo scheletro interno del calcestruzzo

Per capire perché alcune miscele funzionassero meglio, i ricercatori hanno esaminato sottili sezioni di calcestruzzo con microscopi elettronici a scansione e hanno usato sonde chimiche per mappare la distribuzione degli elementi chiave. Le miscele peggiori presentavano una struttura interna porosa e disomogenea con zone di contatto deboli tra pietrisco e pasta. Al contrario, le miscele migliori mostravano una rete di prodotti di reazione compatta e uniforme che legava il tutto, in particolare attorno agli aggregati di basalto e alle fibre d’acciaio. Il metacaolino dealuminato ha favorito la formazione di un gel denso e interconnesso che riempiva i micro-vuoti, mentre le fibre d’acciaio hanno collegato le fessure in formazione, impedendo aperture improvvise. Questa microstruttura raffinata spiega l’aumento di resistenza, tenacità e resistenza alla fessurazione.

Simulare le travi prima di costruirle

Oltre ai piccoli provini, lo studio ha utilizzato avanzate simulazioni agli elementi finiti per prevedere il comportamento di travi in calcestruzzo armato a piena scala realizzate con le diverse miscele sotto sollecitazione flettente. I ricercatori hanno calibrato un modello di danno nel software ABAQUS in modo che le sue curve sforzo-deformazione corrispondessero a quelle misurate in laboratorio. Una volta tarato, il modello ha riprodotto accuratamente i carichi di rottura e gli schemi di fessurazione per cubi, cilindri e prismi. Successivamente hanno condotto uno studio parametrico virtuale su travi armate. Le travi realizzate con basalto e le miscele ottimizzate a base di rifiuti hanno sopportato carichi molto maggiori, hanno mostrato minori deformazioni al carico massimo e presentato una fessurazione più graduale e duttile. La miscela contenente 10% di metacaolino dealuminato e 1% di fibre d’acciaio ha aumentato la capacità portante di circa il 46% e ridotto la freccia nel mezzo campata di circa un quinto rispetto a una miscela di riferimento, tutto senza modificare l’armatura in acciaio.

Cosa significa per le strutture future

Per i non specialisti, il messaggio è chiaro: è possibile progettare calcestruzzi che siano al tempo stesso più resistenti e più sostenibili trasformando residui industriali—scoria, vetro di scarto e argille dealuminate—in ingredienti ad alte prestazioni, specialmente se combinati con fibre d’acciaio e aggregati robusti. Lo studio dimostra che tali calcestruzzi verdi possono essere testati in modo affidabile, compresi a livello microscopico, e modellati con fiducia al calcolatore, offrendo agli ingegneri strumenti pratici per progettare travi ed elementi più sicuri ed efficienti. A lungo termine, questo approccio potrebbe contribuire a ridurre l’onere ambientale delle costruzioni pur garantendo strade, ponti e edifici durevoli.

Citazione: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

Parole chiave: calcestruzzo sostenibile, vetro di scarto, geopolimero, rinforzo con fibre d’acciaio, modellazione numerica