Effetto del contenuto di CaO nelle ceneri volanti di Classe C sulle proprietà di deformazione del calcestruzzo totalmente graduato

Trasformare i rifiuti delle centrali in dighe più resistenti

Le dighe moderne e altre strutture massicce in calcestruzzo consumano quantità enormi di materiale. Allo stesso tempo, le centrali a carbone producono montagne di ceneri volanti, una polvere grigia fine solitamente trattata come rifiuto. Questo studio esplora se una forma di cenere volante ricca di calcio possa sostituire in modo sicuro parte del cemento nel calcestruzzo per grandi dighe, contribuendo a ridurre i costi, diminuire l’impatto ambientale e mantenere comunque le strutture resistenti alla fessurazione nel corso di decenni di esercizio.

Perché questa cenere è importante per le grandi strutture in calcestruzzo

La cenere volante si forma quando il carbone brucia e le particelle minerali si fondono in piccole sfere vetrose. Gli ingegneri usano già un tipo comune, noto come cenere volante di Classe F, per migliorare il calcestruzzo e ridurre l’uso di cemento. In alcune aree della Cina, come lo Xinjiang, tuttavia, la maggior parte delle ceneri disponibili è ricca di calcio. Questa cenere di Classe C si comporta in modo diverso: il suo contenuto extra di calcio può favorire reazioni più intense con il cemento, ma può anche mascherare forme instabili di calce che potrebbero provocare rigonfiamenti o fessurazioni nel tempo. Per sfruttare bene questa risorsa locale nei grandi progetti di dighe, è necessario comprendere in dettaglio il suo effetto sulla dilatazione, il ritiro e la stabilità del calcestruzzo.

Come il team ha sottoposto il calcestruzzo a prova

I ricercatori hanno raccolto ceneri volanti da diverse centrali con contenuti di ossido di calcio (CaO) variabili, da molto bassi fino a circa il 16,5 per cento, e hanno anche monitorato quanto di quel calcio fosse presente in una forma particolarmente reattiva e «libera». Hanno miscelato queste ceneri in due tipi di calcestruzzo per dighe: uno con quattro granulometrie di pietrisco e ghiaia, e un altro con tre granulometrie. Questi impasti totalmente graduati sono progettati per compattare strettamente le particelle di aggregato, importante per ridurre vuoti interni e fessure. Il team ha quindi eseguito una serie di test di laboratorio per seguire la stabilità volumetrica (soundness), la massima deformazione a trazione prima della fessurazione (deformazione ultima a trazione), la rigidezza (modulo elastico), la variazione volumetrica naturale senza essiccazione (deformazione autogena) e la variazione volumetrica durante l’essiccazione (ritiro da essiccazione).

Cosa hanno scoperto sulla stabilità e la fessurazione

Una preoccupazione principale era se un contenuto di calcio maggiore potesse causare espansioni instabili. Lo studio ha rilevato che quando la cenere volante di Classe C ha un contenuto di CaO compreso all’incirca tra il 5,1 e il 16,5 per cento, e anche quando sostituisce fino al 70 per cento del cemento, il calcestruzzo rispetta comunque i limiti standard di soundness. Nei test meccanici, il calcestruzzo con maggior contenuto di CaO nella cenere ha mostrato una capacità di deformazione a trazione leggermente superiore e un modulo elastico più alto, il che significa che è diventato in parte migliore nel resistere alla fessurazione ma anche un po’ più rigido. Allo stesso tempo, la variazione volumetrica autoprodotta che si verifica durante le reazioni interne di cemento e cenere tendeva a diventare più orientata al ritiro con l’aumentare del CaO, specialmente nel calcestruzzo a quattro granulometrie. Nonostante queste tendenze, l’influenza complessiva del livello di CaO sulle deformazioni è rimasta modesta.

Perché la gradazione degli aggregati fa la differenza

Il confronto tra calcestruzzo a quattro e a tre granulometrie ha mostrato che la dimensione e la miscela delle pietre possono contare tanto quanto la composizione della cenere. Gli impasti a quattro granulometrie, con una gamma più ampia di dimensioni delle particelle, tolleravano una deformazione a trazione maggiore prima della fessurazione e mostravano un ritiro da essiccazione leggermente inferiore rispetto agli impasti a tre granulometrie. La loro rigidezza cambiava in modo più graduale nel tempo, suggerendo una struttura interna più stabile. Per la deformazione autogena, però, il calcestruzzo a quattro granulometrie si contraeva un po’ di più rispetto alla versione a tre granulometrie, in particolare quando il contenuto di CaO nella cenere era più elevato. Immagini al microscopio hanno confermato che le ceneri con più calcio possono produrre prodotti di reazione più densi ma possono anche creare minuscoli difetti attorno a particelle non reattive se il contenuto di calcio è troppo elevato.

Cosa significa questo per le dighe future

Per i non specialisti, il messaggio principale è rassicurante: entro un intervallo di calcio ben definito, la cenere volante locale di Classe C studiata qui può sostituire in sicurezza una larga quota di cemento nel calcestruzzo per dighe senza provocare espansioni pericolose o fessurazioni eccessive. Livelli di CaO scelti con cura, abbinati a una gradazione degli aggregati ben progettata, consentono agli ingegneri di costruire strutture massicce e stabili sfruttando meglio i sottoprodotti industriali e riducendo la domanda di cemento nuovo. Il lavoro sottolinea anche la necessità di ulteriori prove in condizioni più realistiche di temperatura, umidità e carico, ma indica una prospettiva in cui ciò che una volta era scarto del carbone diventa un ingrediente affidabile per infrastrutture idrauliche durature.

Citazione: Qin, L., Gong, M., Zhang, H. et al. Effect of CaO content in Class C fly ash on the deformation properties of fully-graded concrete. Sci Rep 16, 8122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38630-4

Parole chiave: calcestruzzo con cenere volante, costruzione di dighe, ritiro e fessurazione, sostituzione del cemento, rifiuto industriale ricco di calcio