Ottimizzazione delle proporzioni di miscela e studio dell’idratazione di calcestruzzo ad alta resistenza contenente cenere di steli di mais e fumo di silice come materiali cementizi supplementari

Trasformare i rifiuti agricoli in città più resistenti

Ogni anno grandi quantità di residui agricoli vengono bruciate o smaltite, mentre la produzione del cemento che tiene insieme i nostri edifici emette enormi quantità di anidride carbonica. Questo studio esplora un modo per affrontare entrambi i problemi contemporaneamente: macinare la cenere derivata dagli steli di mais scartati e miscelarla con una polvere industriale molto fine chiamata fumo di silice per creare un calcestruzzo ad alta resistenza che sia allo stesso tempo durevole e significativamente più pulito da produrre.

Perché il calcestruzzo tradizionale ha bisogno di un restyling

Il calcestruzzo è la spina dorsale delle costruzioni moderne, da ponti e grattacieli a marciapiedi e dighe. Ma il suo ingrediente chiave, il cemento, è una delle principali fonti industriali mondiali di emissioni di carbonio perché la sua produzione richiede il riscaldamento della pietra calcarea a temperature molto elevate. Allo stesso tempo, l’agricoltura genera enormi quantità di scarti — come gli steli di mais — che spesso vengono bruciati nei campi, aggiungendo inquinamento e sprecando materiale potenzialmente utile. I ricercatori sospettano da tempo che alcune ceneri di colture possano sostituire parte del cemento, ma non era chiaro fino a che punto questa sostituzione potesse arrivare pur garantendo un calcestruzzo molto resistente adatto a strutture esigenti.

Costruire calcestruzzo dagli steli di mais

In questo lavoro il team ha bruciato gli steli di mais a temperature controllate per ottenere una cenere fine, ricca di silice, e l’ha combinata con il fumo di silice, un altro sottoprodotto industriale molto fine. Insieme, queste polveri hanno sostituito il 20% del cemento normale nel calcestruzzo ad alta resistenza. I ricercatori hanno variato sistematicamente tre parametri: quanto del 20% fosse costituito da cenere di steli di mais, quanta acqua fosse aggiunta rispetto ai leganti e quanta sabbia fosse impiegata. Utilizzando un piano di prove strutturato, hanno prodotto sedici ricette diverse di calcestruzzo, gettato piccoli cubi e misurato la resistenza alla compressione di ciascun cubo dopo 7 e dopo 28 giorni di maturazione.

Trovare il punto ottimale per la resistenza

Gli esperimenti hanno rivelato che non tutte le combinazioni sono uguali. La miscela più resistente ha raggiunto un’impressionante resistenza a compressione a 28 giorni di circa 110 megapasccal — diverse volte superiore al calcestruzzo strutturale tipico. Questa ricetta di punta impiegava il 15% di cenere di steli di mais all’interno del 20% di sostituzione, un contenuto d’acqua relativamente basso e un contenuto di sabbia piuttosto elevato. Quando la cenere di steli di mais è stata portata al 20% senza fumo di silice, il calcestruzzo è diventato visibilmente più debole, dimostrando che la cenere funziona meglio in partenariato con il fumo di silice piuttosto che da sola. Un’analisi accurata ha mostrato che, nelle prime fasi, la quantità d’acqua ha l’effetto maggiore sulla resistenza, mentre a età più avanzate contano di più il contenuto di sabbia e il livello di sostituzione con cenere.

Guardare dentro il calcestruzzo

Per capire perché alcune miscele fossero più resistenti, il team ha esaminato la struttura interna del calcestruzzo usando microscopi elettronici e tecniche a raggi X. All’inizio il materiale presentava molti pori e relativamente pochi prodotti di legame. Con il progredire della maturazione, la silice reattiva nella cenere di steli di mais e nel fumo di silice ha innescato reazioni “secondarie” con i composti del calcio rilasciati dal cemento. Queste reazioni hanno prodotto minerali gel‑simili che hanno riempito strettamente i pori, legando insieme sabbia, aggregati e particelle di cemento in modo più saldo. Nel corso di 28 giorni lo spazio poroso si è ridotto drasticamente, la struttura interna è diventata più densa e liscia e la resistenza misurata è aumentata di conseguenza. Fibrille d’acciaio miscelate nel calcestruzzo hanno inoltre contribuito a farlo guastare in modo più graduale e duttile invece di rompersi improvvisamente e in modo catastrofico.

Calcestruzzo più pulito per un futuro a minore emissione di carbonio

Sostituendo un quinto del cemento con cenere di steli di mais e fumo di silice, la miscela di calcestruzzo ottimizzata ha ridotto le emissioni di carbonio del legante di quasi un quinto rispetto al cemento ordinario, pur mantenendo un’elevata resistenza. In termini semplici, lo studio dimostra che i rifiuti agricoli una volta trattati come scarti possono diventare un ingrediente prezioso in calcestruzzi robusti e duraturi, alleviando l’onere ambientale sia dell’agricoltura sia delle costruzioni. Se adottate su larga scala, tali miscele potrebbero aiutare le città a crescere in altezza e in estensione pur incidendo in modo più lieve sul pianeta.

Citazione: Wang, R., Chen, Y., Wei, G. et al. Optimization of mix proportions and hydration study of high-strength concrete incorporating corn stalk ash and silica fume as supplementary cementitious materials. Sci Rep 16, 8318 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39419-1

Parole chiave: calcestruzzo sostenibile, cenere di steli di mais, calcestruzzo ad alta resistenza, materiali cementizi supplementari, costruzioni a basse emissioni di carbonio