Effetti del contenuto di scorie d’acciaio sulle prestazioni della malta attivata alcalinamente a base di gangue di carbone e scoria

Trasformare i rifiuti in edifici più forti e più ecologici

Le città moderne dipendono da calcestruzzo e malte, ma la produzione di cemento tradizionale emette grandi quantità di anidride carbonica e i materiali risultanti possono incrinarsi e subire ritratture nel tempo. Questo studio esplora un modo per affrontare entrambi i problemi contemporaneamente: ricicla rifiuti industriali derivati dalla produzione di carbone e acciaio in una nuova tipologia di malta che non solo riduce le emissioni, ma risulta anche più resistente e meno soggetta a ritiro e fessurazione.

Perché la fessurazione è un pericolo nascosto

Molte alternative ecologiche al cemento, note in generale come materiali attivati alcalinamente, mostrano resistenza e durabilità interessanti. Tuttavia spesso soffrono di un difetto serio: si restringono più del cemento Portland ordinario durante l’essiccazione. Questo ritiro può aprire una rete di microfessure. Nel tempo, queste crepe permettono all’acqua e a sostanze corrosive di penetrare in pareti e fondazioni, compromettendo la sicurezza e la durata degli edifici. Risolvere il problema richiede solitamente additivi speciali o condizioni di stagionatura rigide, il che aumenta i costi e limita l’adozione su larga scala.

Dare una seconda vita ai rifiuti di acciaio e carbone

I ricercatori si sono concentrati su tre sottoprodotti polverosi dell’industria pesante: scorie d’acciaio dalla produzione dell’acciaio, gangue di carbone dall’estrazione del carbone e scoria granulata finemente macinata d’altoforno dalla produzione del ferro. Questi materiali sono spesso accatastati in grandi cumuli, occupando terreno e comportando rischi ambientali. In questo lavoro la scoria d’altoforno è stata mantenuta a metà del legante totale per garantire una resistenza di base, mentre la gangue di carbone è stata progressivamente sostituita con scoria d’acciaio in diverse dosi. Con un liquido alcalino per innescare l’indurimento, queste polveri sono state miscelate in una malta, colate in piccoli blocchi e testate per lavorabilità, resistenza e ritiro da essiccazione, quindi esaminate con una serie di microscopi e indagini chimiche.

Trovare il punto ottimale per la scoria d’acciaio

Gli esperimenti hanno mostrato che l’aggiunta di una certa quantità di scoria d’acciaio migliora la fluidità della malta fresca, rendendola più facile da porre negli stampi, e aumenta significativamente la sua resistenza nel tempo. Quando il 40% della gangue di carbone è stato sostituito con scoria d’acciaio, la resistenza a compressione a 28 giorni è aumentata di circa il 42%, superando i 70 megapascal, mentre il ritiro da essiccazione è diminuito di quasi il 29% rispetto alle miscele senza scoria d’acciaio. Al di sotto di questa percentuale i guadagni erano minori; al di sopra, le prestazioni cominciavano a peggiorare. Con il 50% di scoria d’acciaio la malta perdeva resistenza e non presentava più una riduzione del ritiro. Gli autori attribuiscono questo peggioramento a una carenza di silicio e alluminio reattivi, essenziali per i gel leganti che costituiscono la matrice del materiale.

Cosa avviene all’interno della malta indurita

Per capire perché il 40% di scoria d’acciaio funzionasse così bene, il team ha osservato la malta indurita a livello microscopico. Hanno rilevato che la scoria d’acciaio modifica lo sviluppo della struttura interna nel tempo. Nelle fasi iniziali rallenta leggermente la reazione, aiutando il materiale a trattenere acqua e riducendo l’essiccazione rapida. Successivamente però reagisce più intensamente, immettendo calcio nel sistema. Ciò porta a fasi leganti gellose aggiuntive e a numerosi cristalli aghiformi chiamati ettringite. Questi prodotti si intrecciano attraverso il materiale, riempiono i pori, legano le particelle e resistono alla deformazione. Le misurazioni della distribuzione dei pori hanno confermato che la miscela ottimale presentava meno pori di media dimensione, quelli maggiormente responsabili del ritiro, risultando in una rete più densa e stabile.

Dalla malta di laboratorio all’uso reale

In termini semplici, lo studio dimostra che bilanciare con cura la scoria d’acciaio in questa malta a base di rifiuti può trasformare un materiale verde incline alla fessurazione in uno più robusto e affidabile. Una sostituzione intorno al 40% offre una combinazione di elevata resistenza, ridotto rischio di fessurazione e migliore lavorabilità, consumando contestualmente grandi quantità di rifiuti industriali ed evitando l’elevata impronta carbonica del cemento convenzionale. Sebbene il lavoro si sia concentrato su una finestra temporale di 28 giorni, indica ricette praticabili per materiali da costruzione più verdi che sfruttano meglio ciò che l’industria oggi scarta.

Citazione: Huang, T., Xie, Q., Deng, J. et al. Effects of steel slag content on the performance of alkali-activated coal gangue-slag mortar. Sci Rep 16, 7993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38962-1

Parole chiave: scoria d'acciaio, calcestruzzo verde, riciclo dei rifiuti industriali, ritrazione da essiccazione, malta attivata alcalinamente