Effetto sinergico della polvere di gomma e della nano-silice sulla struttura porosa e sulla resistenza al gelo del calcestruzzo

Perché il calcestruzzo fessurato nelle montagne fredde è importante

In molte regioni d’alta montagna, dighe, scivoli di troppo pieno e centrali idroelettriche subiscono centinaia di cicli gelo–sgelo ogni anno. L’acqua penetra in minuscoli pori nel calcestruzzo, congela, si espande e lentamente apre il materiale. Gli ingegneri di solito proteggono queste strutture miscelando additivi che generano bolle d’aria protettive, ma questi additivi funzionano male ad alta quota dove la pressione dell’aria è bassa. Questo studio esplora un’idea diversa: usare gomma finemente macinata da pneumatici usati insieme a una polvere di silice ultrafine per riprogettare lo “spazio di respirazione” interno del calcestruzzo in modo che possa sopravvivere meglio al freddo estremo.

Trasformare pneumatici di scarto in minuscoli cuscinetti di sicurezza

I ricercatori si sono concentrati su come dare all’acqua che congela lo spazio per espandersi senza lacerare il calcestruzzo. Invece di fare affidamento solo sulle tradizionali bolle d’aria, hanno incorporato polvere di gomma molto fine ricavata da pneumatici scartati. All’interno del calcestruzzo indurito questi granuli di gomma agiscono come piccole tasche flessibili — «pori solidi» — che si comportano in modo simile a spazi vuoti. Non sopportano grandi carichi, ma possono deformarsi e fare spazio quando si forma il ghiaccio. I test hanno mostrato che all’aumentare della polvere di gomma aumentava nettamente la quantità totale di vuoti interni, in modo simile a quanto succede con gli additivi formatori di aria. È importante che questi pori solidi aiutino a raggruppare le bolle più vicine tra loro, riducendo lo stress generato quando l’acqua nei pori congela.

Regolazioni fini con la silice di dimensione nanometrica

La gomma da sola presenta svantaggi: può ridurre la resistenza del calcestruzzo e creare alcune cavità grandi e dannose. Per contrastare questo effetto, il team ha aggiunto nano-silice — particelle estremamente piccole di biossido di silicio. Queste particelle reagiscono con il cemento e riempiono i vuoti nella pasta indurita, in particolare i pori più grandi che indeboliscono il calcestruzzo. Quando la nano-silice è stata combinata con la polvere di gomma, il numero di pori grandi è diminuito e la struttura si è spostata verso molti spazi piccoli e ben distribuiti. Il contenuto d’aria complessivo è tornato vicino a quello del calcestruzzo ordinario, ma una quota maggiore dei vuoti rimanenti era costituita dai pori solidi utili attorno ai granuli di gomma, piuttosto che da fragili bolle d’aria.

Sottoporre il nuovo calcestruzzo alla prova gelo–sgelo

Per valutare il comportamento di questo calcestruzzo modificato in condizioni severe, i ricercatori hanno ripetutamente congelato e scongelato campioni cubici misurandone la resistenza e la struttura porosa interna. Il calcestruzzo ordinario ha perso la maggior parte della sua resistenza dopo alcune decine di cicli, mentre i suoi pori si sono ingrossati e le fessure si sono propagate. Al contrario, il calcestruzzo contenente sia polvere di gomma sia nano-silice ha mantenuto circa quattro quinti della resistenza originale anche dopo cento cicli. Immagini microscopiche hanno mostrato che i pori solidi a base di gomma e la pasta cementizia densificata attorno a essi hanno contribuito ad assorbire e distribuire gli stress causati dalla formazione del ghiaccio, rallentando la crescita delle fessure e mantenendo più stabile la rete porosa complessiva.

Come cambia nel tempo la disposizione interna dei pori

Misurazioni dettagliate hanno rivelato che, nel calcestruzzo standard, molti dei pori più piccoli si trasformano gradualmente in pori più grandi man mano che procedono i cicli di gelo e disgelo, facilitando i danni da acqua e ghiaccio al materiale. Nelle miscele con gomma e nano-silice questo cambiamento è stato molto meno marcato: la quota di pori piccoli è diminuita di circa la metà rispetto alla miscela ordinaria, e l’incremento dei pori grandi e pericolosi è stato solo una frazione di quello del campione di controllo. Anche la distanza tra i pori è variata di meno, quindi l’acqua ha avuto meno percorsi continui per muoversi e ricongelare. In sostanza, la combinazione intelligente di pori solidi e di una pasta più densa ha creato un paesaggio interno più resiliente che resiste alla degradazione a lungo termine.

Quali implicazioni per le strutture in regioni fredde

Per i non specialisti, la conclusione è chiara: sostituendo parte della sabbia con polvere di gomma da rifiuto e aggiungendo una modesta quantità di nano-silice, gli ingegneri possono ottenere un calcestruzzo che perde poca resistenza ma guadagna molta durabilità in climi gelidi. La gomma fornisce tasche flessibili che attenuano la pressione del ghiaccio in espansione, mentre la nano-silice compatta la struttura così da contenere le grandi cavità dannose. Poiché la gomma può essere reperita da pneumatici fuori uso locali e la nano-silice è impiegata in piccole dosi, questo metodo è pratico e più sostenibile per progetti remoti ad alta quota. Lo studio indica un modo promettente per mantenere l’infrastruttura critica in calcestruzzo più sicura e duratura dove l’inverno è più severo.

Citazione: Feng, LY., Cao, HL., Shi, XW. et al. Synergistic effect of rubber powder and nano-silica on pore structure and frost resistance of concrete. Sci Rep 16, 11857 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36480-8

Parole chiave: calcestruzzo resistente al gelo, calcestruzzo gommaccia, nano-silice, resistenza gelo–sgelo, riciclo pneumatici usati