Comportamento a fatica flessionale migliorato e meccanismi di rinforzo del calcestruzzo gommato mediante particelle di gomma prefabbricate

Trasformare i pneumatici usati in strade più resistenti

Ogni anno oltre un miliardo di pneumatici per veicoli raggiunge la fine del proprio ciclo di vita, creando un enorme problema di rifiuti. Questo studio esplora un modo elegante per riciclare quei pneumatici: macinarli in piccole particelle di gomma e mescolarle al calcestruzzo. L’obiettivo è realizzare strade e impalcati di ponti che resistano meglio al ritmo infinito del traffico, riducendo l’uso delle discariche e sostenendo un’industria delle costruzioni a minore impatto carbonico.

Perché aggiungere gomma al calcestruzzo?

Il calcestruzzo tradizionale è resistente ma fragile: si comporta bene sotto un carico elevato singolo, ma il carico ripetuto del traffico può indebolirlo gradualmente, portando a fessurazioni e al cedimento. Sostituendo parte della sabbia nel calcestruzzo con «crumb rubber» ottenuto da pneumatici usati, gli ingegneri possono conferire al materiale un po’ di duttilità, come se si aggiungessero ammortizzatori a scala microscopica. Ricerche precedenti hanno mostrato che questo calcestruzzo gommato può resistere meglio al carico ripetuto, ma spesso a scapito della resistenza complessiva. La domanda centrale di questo lavoro è se il trattamento della gomma prima della miscelazione possa preservare, o addirittura migliorare, sia la durabilità in condizioni di fatica sia le proprietà meccaniche di base.

Come sono stati condotti gli esperimenti

I ricercatori hanno prodotto una serie di miscele di calcestruzzo che differivano solo per la quantità di crumb rubber contenuta e per il fatto che quella gomma fosse stata o meno pretrattata. In tutte le miscele, piccole particelle di gomma di 1–2 millimetri sostituivano parzialmente la sabbia fine in volume, a livelli compresi tra il 2,5% e il 20%. Alcune miscele impiegavano gomma non trattata, mentre altre utilizzavano gomma la cui superficie era stata modificata chimicamente con un agente di accoppiamento a base di silano. Questo trattamento rende la gomma meno idrofobica e aiuta il legame con il cemento circostante. Il team ha misurato proprietà standard come resistenza a compressione, resistenza a trazione indiretta e resistenza a flessione, quindi ha eseguito prove di fatica flessionale: esperimenti prolungati in cui travi di calcestruzzo vengono ripetutamente piegate fino al cedimento.

Cosa succede a resistenza e durata a fatica

Come prevedibile, l’aggiunta di gomma riduce generalmente la resistenza a compressione e a trazione del calcestruzzo, poiché le particelle morbide e le tasche d’aria interrompono lo scheletro minerale rigido. Tuttavia, il pretrattamento della gomma ha in parte invertito questa perdita. Per esempio, con il 7,5% di gomma pretrattata la resistenza a compressione è risultata del 15% superiore rispetto alla stessa quantità di gomma non trattata. In flessione, il carico massimo prima del cedimento diminuiva all’aumentare della quantità di gomma, ma le travi riuscivano a flettersi molto di più prima di rompersi. Con contenuti di gomma al 5%, 10% e 15%, la deflessione massima era circa 1,6, 2,1 e 2,5 volte quella del calcestruzzo normale, mostrando un chiaro guadagno in deformabilità. Ciò che conta di più per strade e impalcati reali è che la vita a fatica — il numero di cicli di carico sopportati prima del cedimento — è aumentata sensibilmente con il contenuto di gomma. Il calcestruzzo con il 10% di gomma pretrattata ha sopportato circa il 21% in più di cicli rispetto al calcestruzzo di riferimento. Le miscele pretrattate hanno costantemente superato quelle non trattate allo stesso livello di gomma, soprattutto con contenuti più elevati.

Uno sguardo microscopico ai cambiamenti interni

Per capire perché si verificano questi miglioramenti, gli autori hanno osservato la struttura interna del calcestruzzo con microscopia elettronica e hanno analizzato i dati di fatica con uno strumento statistico noto come distribuzione di Weibull. Le immagini hanno mostrato che il calcestruzzo gommato contiene molte piccole bolle d’aria, particelle elastiche di gomma e zone «deboli» attorno a quelle particelle. Queste caratteristiche sono dannose per la resistenza a carico singolo ma preziose sotto carichi ripetuti: agiscono come piccoli cuscinetti e interfacce scorrevoli che assorbono e dissipano energia, rallentando la crescita delle microfessure. Nel calcestruzzo con gomma non trattata, il legame tra gomma e cemento è povero e le fessure possono formarsi e allargarsi facilmente lungo quell’interfaccia. Dopo il pretrattamento, la zona di contatto diventa più densa e continua, riducendo i difetti iniziali e permettendo alla gomma elastica di distribuire le sollecitazioni in modo più uniforme. L’analisi statistica ha confermato che, su molti provini e livelli di stress, le miscele con più gomma — e in particolare con gomma pretrattata — hanno una vita a fatica prevista più lunga e una maggiore resistenza a fatica flessionale.

Cosa significa per le strade e i ponti del futuro

Per il lettore non specialista, il messaggio principale è semplice: incorporare pneumatici trattati correttamente nel calcestruzzo può produrre pavimentazioni e impalcati di ponte che durano più a lungo sotto il traffico, anche se la loro resistenza a compressione istantanea può essere leggermente inferiore. Le particelle di gomma trasformano parte del calcestruzzo rigido in una rete controllata che assorbe energia, ritardando la fessurazione e allungando la vita utile. Combinando un attento trattamento superficiale della gomma con metodi di progettazione statistica, gli ingegneri possono mettere a punto miscele che bilanciano resistenza, durabilità e sostenibilità. In termini pratici, questo approccio offre una via promettente per trasformare un crescente problema di rifiuti da pneumatici in infrastrutture più robuste e resistenti alla fatica.

Citazione: Han, X., Cheng, Z., Yang, L. et al. Improved flexural fatigue behavior and strengthening mechanisms of rubberized concrete using pretreated crumb rubber. Sci Rep 16, 5576 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36416-2

Parole chiave: calcestruzzo gommato, riciclaggio pneumatici usati, resistenza a fatica, pavimentazioni sostenibili, trattamento granuli di gomma