Valutazione della durabilità e delle proprietà schermanti di calcestruzzo ad alta resistenza con materiali locali e additivi di carbonio

Un calcestruzzo che fa più che sostenere gli edifici

Dai grattacieli pieni di elettronica ai ponti dotati di sensori, le strutture moderne richiedono materiali non solo resistenti ma anche “intelligenti”. Questo studio esplora un nuovo tipo di calcestruzzo che può sia sopportare carichi elevati sia contribuire a schermare apparecchiature sensibili dalle onde elettromagnetiche indesiderate, lo stesso tipo di energia usata da Wi‑Fi, radar e telefoni cellulari. Regolando con cura le sabbie locali e aggiungendo piccole quantità di acciaio e carbonio, i ricercatori hanno cercato di ottenere un calcestruzzo robusto, durevole e capace di attenuare segnali indesiderati—senza dipendere da costosi ingredienti importati.

Perché conta un calcestruzzo resistente e “smart”

Il calcestruzzo ad alta resistenza tradizionale permette agli ingegneri di costruire torri più alte e snelle e ponti più lunghi concentrando maggiore capacità portante in colonne e lastre più piccole. Separatamente, il “calcestruzzo conduttivo”, che trasporta corrente elettrica grazie ad additivi metallici o a base di carbonio, ha suscitato interesse per usi come pavimentazioni autoriscaldanti, sensori di deformazione integrati e schermatura elettromagnetica. Ma combinare queste due caratteristiche in un unico impasto è difficile: ingredienti che migliorano la conducibilità elettrica possono anche indebolire il materiale o aumentare la tendenza a fessurarsi nel tempo. L’obiettivo di questa ricerca era colmare quella lacuna e sviluppare un calcestruzzo ad alta resistenza e conduttivo che soddisfacesse le esigenze strutturali aggiungendo al contempo un comportamento elettrico utile.

Definire la miscela giusta con sabbie locali

Il team ha iniziato progettando diversi calcestruzzi ad alta resistenza usando solo materiali fini—cemento, sottoprodotti industriali e due tipi di sabbia—escludendo la ghiaia grossolana. Hanno variato la quantità di “sabbia di dune”, una sabbia locale molto fine, per vedere come influiva sulla resistenza. Confrontando la distribuzione granulometrica di ogni miscela con modelli matematici di impaccamento, hanno scoperto che una ricetta con una percentuale relativamente bassa di sabbia di dune formava la struttura interna più densa. Questa miscela, chiamata LDUNE nello studio, ha raggiunto resistenze a compressione di circa 100 megapascals (all’incirca tre volte quelle del calcestruzzo strutturale comune) e ha mostrato anche la massima resistenza a flessione. In termini semplici, una quantità moderata di sabbia desertica contribuiva a riempire i vuoti, ma troppa ne creava di aggiuntivi indebolendo il calcestruzzo.

Le fibre d'acciaio aiutano, le polveri di carbonio danneggiano la struttura

Una volta individuata la migliore miscela di base, i ricercatori l’hanno trasformata in tre varianti: l’LDUNE originale, una versione con fibre d’acciaio aggiunte e una terza che combinava le fibre d’acciaio con polveri fini di carbonio. Le sottili fibre d’acciaio agivano come piccoli ferri di armatura distribuiti nel materiale. Hanno aumentato leggermente l’ancora elevata resistenza a compressione, incrementato la resistenza a flessione di circa un quinto e reso il calcestruzzo più rigido. Altrettanto importante, hanno ridotto il ritiro a lungo termine e il fluage—l’accorciamento e l’abbassamento lento che possono portare a fessurazioni—di circa un quarto e un decimo, rispettivamente. Al contrario, quando alle fibre sono state aggiunte le polveri di carbonio, la resistenza complessiva è diminuita e sia il ritiro sia il fluage sono aumentati. Le particelle di carbonio molto fini richiedevano più acqua di impasto e non si legavano bene con la pasta circostante, creando punti deboli che hanno compromesso i benefici meccanici offerti dalle fibre.

Come il nuovo calcestruzzo gestisce le onde elettromagnetiche

I test elettrici si sono concentrati su quanto bene le miscele conducevano corrente e bloccavano i segnali a radiofrequenza. Il calcestruzzo con fibre d’acciaio ha mostrato una resistività elettrica significativamente inferiore rispetto alla miscela ad alta resistenza semplice, formando percorsi interni che interagiscono con le onde incidenti. Quando segnali radio nella gamma dei gigahertz sono stati inviati attraverso pannelli sottili, le lastre con fibre d’acciaio hanno ridotto la potenza in uscita molto più del calcestruzzo ordinario, avvicinandosi alle prestazioni di alcuni materiali schermanti esistenti. Sorprendentemente, aggiungere polvere di carbonio oltre alle fibre d’acciaio non ha fornito un vantaggio significativo: i pannelli con carbonio attenuavano i segnali in misura sostanzialmente simile a quelli con solo acciaio. In un periodo di due anni, tutte le miscele hanno perso parte della capacità schermante man mano che il calcestruzzo continuava a indurirsi e cambiava l’umidità interna, ma le forme a pannello corrugato hanno mantenuto una prestazione a lungo termine migliore rispetto a quelle piane.

Cosa significa per gli edifici e le infrastrutture future

In termini pratici, lo studio dimostra che è possibile realizzare un calcestruzzo che sia sia molto resistente sia ragionevolmente efficace nell’attenuare onde elettromagnetiche indesiderate, semplicemente ottimizzando le sabbie locali e aggiungendo la giusta quantità di fibre d’acciaio. Questo calcestruzzo “a doppia funzione” regge bene i carichi, resiste alla fessurazione a lungo termine e può contribuire a proteggere dispositivi e ambienti dal rumore elettronico, senza ricorrere a rivestimenti metallici o sistemi murari specializzati. I tentativi di migliorare ulteriormente la schermatura aggiungendo polveri di carbonio, tuttavia, hanno mostrato compromessi: rendono il materiale più debole e più soggetto a deformazioni nel tempo, offrendo scarso vantaggio nella capacità di bloccare i segnali. Per i progettisti di grattacieli, infrastrutture “smart” e ambienti ricchi di elettronica, il calcestruzzo ad alta resistenza con fibre d’acciaio realizzato con materiali locali emerge da questo lavoro come un’opzione pratica e multifunzionale.

Citazione: Othman, O., Yehia, S., Qaddoumi, N. et al. Evaluation of the durability and shielding properties of high-strength concrete incorporating locally available materials and carbon additives. Sci Rep 16, 10167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37449-3

Parole chiave: calcestruzzo ad alta resistenza, calcestruzzo conduttivo, armatura con fibre d'acciaio, schermatura elettromagnetica, ritiro e fluage