La relazione tra i metodi di stagionatura e le temperature di stagionatura con la molarità di NaOH e i loro effetti sul comportamento del calcestruzzo geopolimero

Calcestruzzo più resistente e più verde per le strutture quotidiane

Il calcestruzzo è ovunque — dalle abitazioni e dai ponti ai marciapiedi. Ma la produzione del calcestruzzo tradizionale emette grandi quantità di anidride carbonica. Questo studio esplora un’alternativa chiamata calcestruzzo geopolimero, ottenibile da sottoprodotti industriali come la cenere volante e la scoria d’altoforno. I ricercatori hanno voluto capire qual è il modo migliore per “stagionare” questo calcestruzzo più ecologico — in forno riscaldato o a temperatura ambiente — in modo che raggiunga la resistenza richiesta per le costruzioni reali riducendo al minimo il consumo energetico e l’impatto ambientale.

Due modi per indurire un nuovo tipo di calcestruzzo

Il team ha prodotto numerosi impasti di calcestruzzo geopolimero usando la cenere volante come ingrediente principale, sabbia naturale e ghiaia come aggregati, e un liquido altamente alcalino a base di idrossido di sodio e silicato di sodio. Alcune miscele includevano anche scoria d’altoforno macinata, un altro sottoprodotto industriale ricco di calcio. Il calcestruzzo fresco è stato quindi indurito con due approcci diversi. In uno, i provini sono stati posti in forno a temperature tra 45 °C e 120 °C. Nell’altro, le miscele contenenti scoria sono state semplicemente lasciate stagionare in laboratorio a circa 23 °C, simile a un ambiente interno tipico. Ciò ha permesso un confronto diretto tra il trattamento termico ad alta intensità energetica e la stagionatura a temperatura ambiente a basso consumo.

Trovare il punto ottimale per calore e chimica

Per i provini stagionati in forno, i ricercatori hanno misurato la capacità portante del calcestruzzo a compressione, flessione e tensione indiretta dopo la stagionatura. Hanno riscontrato un chiaro andamento: l’aumento della temperatura del forno da 45 °C a 90 °C ha aumentato notevolmente la resistenza, ma salire fino a 120 °C ha indebolito nuovamente il materiale. Le immagini microscopiche hanno spiegato il fenomeno — il calore elevato accelera le reazioni chimiche che legano il materiale, ma un calore eccessivo fa evaporare l’acqua e genera microfessure. Anche la concentrazione della soluzione alcalina era rilevante: l’uso di una soluzione di idrossido di sodio più concentrata (12 molare invece di 8 o 10) ha dato le resistenze più alte, con valori di compressione intorno a 60–65 MPa a 90 °C, paragonabili a calcestruzzi strutturali ad alte prestazioni.

Far funzionare la stagionatura a temperatura ambiente

La stagionatura a temperatura ambiente è molto più pratica nei cantieri, quindi il team ha testato quanta scoria aggiungere per favorire l’indurimento senza calore aggiuntivo. In condizioni ambientali, la resistenza dipendeva fortemente sia dal contenuto di scoria sia dalla concentrazione alcalina. Quantità moderate di scoria — tipicamente intorno al 10–15% del legante — hanno reso il calcestruzzo significativamente più resistente creando gel leganti aggiuntivi ricchi di calcio, che hanno riempito i pori e prodotto una struttura interna più densa. Troppa poca scoria portava a un indurimento più lento, mentre un eccesso diluiva la cenere volante reattiva e riduceva la lavorabilità, causando un calo delle resistenze. L’aumento della concentrazione di idrossido di sodio da 8 a 12 molare ha costantemente incrementato la resistenza a tutti i livelli di scoria, anche senza stagionatura in forno.

Cosa succede all’interno del calcestruzzo

Per osservare ciò che avveniva su scala microscopica, i ricercatori hanno utilizzato immagini ad alta risoluzione e analisi chimiche. Nelle miscele stagionate a temperatura ambiente con scoria, la struttura interna appariva relativamente compatta, con una mescolanza di diverse fasi gel che legavano le particelle e lasciavano pochi pori. Al contrario, i campioni stagionati in forno senza scoria mostravano reti molto dense di gel alluminosilicatici ma anche più microfessure quando le temperature erano troppo elevate. Misurazioni elementari hanno confermato queste differenze: le miscele contenenti scoria contenevano più calcio e formavano gel ricchi di calcio adatti all’indurimento a temperatura ambiente, mentre le miscele senza scoria e stagionate in forno si basavano principalmente su gel alluminosilicatici a base di sodio che rispondevano fortemente al calore.

Bilanciare resistenza, consumo energetico e sostenibilità

Mettere insieme tutti i dati, comprese le analisi statistiche, mostra che sia il metodo di stagionatura sia la concentrazione alcalina influenzano fortemente le prestazioni del calcestruzzo geopolimero. L’impasto singolarmente più resistente è stato ottenuto con una soluzione di idrossido di sodio 12 molare e una stagionatura a 90 °C. Tuttavia, una miscela ottimizzata a temperatura ambiente con lo stesso livello alcalino e circa il 10% di scoria ha raggiunto più dei tre quarti di quella resistenza — sufficiente per molti impieghi strutturali — senza alcun riscaldamento esterno. Per il non esperto, il messaggio è semplice: regolando con cura temperatura, forza chimica e contenuto di scoria, gli ingegneri possono progettare calcestruzzi geopolimerici abbastanza resistenti per l’uso reale, riducendo al contempo sia il consumo di combustibile sia l’impatto climatico rispetto al calcestruzzo tradizionale a base di cemento.

Citazione: Özkılıç, Y.O., Mohamud, M.A., Yılmaz, F. et al. The relationship of curing methods and curing temperatures with NaOH molarity and their effects on the behavior of geopolymer concrete. Sci Rep 16, 8346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4

Parole chiave: calcestruzzo geopolimero, costruzioni a basse emissioni di carbonio, temperatura di stagionatura, scoria d’altoforno, materiali sostenibili