Analisi di resistenza e costi del calcestruzzo geopolimerico usando cenere di pula di riso e GGBS come alternative cementizie sostenibili

Trasformare i rifiuti in edifici più resistenti

Il calcestruzzo è la spina dorsale delle città moderne, ma la produzione del suo ingrediente principale — il cemento Portland ordinario — emette grandi quantità di anidride carbonica in atmosfera. Questo studio esplora un modo più pulito di costruire: sostituire gran parte di quel cemento con rifiuti industriali e agricoli, nello specifico il ground granulated blast furnace slag (GGBS), un sottoprodotto della produzione dell'acciaio, e la cenere di pula di riso (RHA), residuo della combustione delle bucce di riso per energia. I ricercatori pongono una domanda semplice ma cruciale: questi rifiuti possono produrre un calcestruzzo che sia resistente, durevole, economico e più gentile con il pianeta?

Perché la pula di riso e gli scarti d'acciaio sono importanti

Il riso viene coltivato in grandi quantità in tutto il mondo, specialmente in paesi come l'India, lasciando dietro montagne di bucce spesso bruciate, che generano una cenere per lo più destinata alle discariche. Allo stesso tempo, la produzione d'acciaio genera una polvere fine di scoria che può reagire nel calcestruzzo. Sia la RHA che il GGBS sono ricchi degli stessi ingredienti di base che aiutano a legare il calcestruzzo, il che li rende candidati promettenti per sostituire il cemento. Usare questi materiali non solo ricicla rifiuti, ma riduce anche la necessità di nuovo cemento, potenzialmente tagliando drasticamente le emissioni di carbonio e alleggerendo la pressione sulle discariche.

Progettare un nuovo tipo di calcestruzzo verde

Il gruppo ha prodotto un tipo di legante noto come calcestruzzo geopolimerico, che utilizza liquidi alcalini invece del cemento per attivare polveri come GGBS e RHA. Hanno progettato miscele per tre livelli di resistenza comuni, denominati M40, M50 e M60, corrispondenti approssimativamente a calcestruzzo strutturale da normale ad alta resistenza. Per ogni classe, hanno sostituito parte del GGBS con cenere di pula di riso a quattro livelli: 0%, 10%, 20% e 30%. Hanno quindi variato la concentrazione della soluzione di idrossido di sodio che attiva le polveri e hanno curato i cubi di prova a temperatura ambiente. Misurando con cura la durezza dei cubi a 1, 3, 7 e 28 giorni, hanno potuto identificare quali combinazioni offrivano le migliori prestazioni.

Trovare il punto ottimale per la resistenza

I risultati hanno mostrato uno schema chiaro. Il calcestruzzo fatto solo con GGBS acquisiva già resistenza rapidamente nel tempo, ma l'aggiunta di un modesto 10% di RHA lo migliorava ulteriormente. In tutte e tre le classi, le miscele con 90% GGBS e 10% RHA hanno raggiunto le massime resistenze a compressione a 28 giorni, superando lievemente le miscele senza cenere di pula. La finezza e l'alto tenore di silice della cenere aiutano a riempire i vuoti microscopici e reagiscono con la scoria per formare gel leganti aggiuntivi, portando a un materiale più denso e resistente. Tuttavia, quando il contenuto di RHA saliva al 20% e al 30%, la resistenza calava bruscamente — fino al 30–60% rispetto alla miscela al 10% — perché era stata rimossa troppa quantità di GGBS, che fornisce il calcio chiave per la resistenza precoce.

Resistere a condizioni aggressive

La resistenza da sola non basta; il calcestruzzo deve anche sopravvivere in ambienti aggressivi. Per testare la durabilità, i ricercatori hanno immerso i cubi in una soluzione di acido solforico concentrato per fino a 60 giorni e hanno monitorato sia la perdita di resistenza sia la perdita di peso. Tutte le miscele hanno subito una certa perdita di resistenza nel tempo in ambiente acido, ma quelle con 10% di RHA si sono comportate costantemente meglio, con solo circa il 2% di perdita di resistenza e circa l'1,9% di perdita di peso dopo 60 giorni. Le miscele con 20% e 30% di RHA hanno subito danni molto maggiori, confermando che un eccesso di cenere rende il materiale più vulnerabile all'attacco chimico. Lo studio ha inoltre esaminato come la concentrazione dell'attivatore alcalino influenzi le prestazioni e ha rilevato che soluzioni a maggiore molarità tendono generalmente a portare a resistenze più elevate, specialmente per le miscele di classe superiore.

Costruire in modo più verde spendendo meno

Oltre alle prestazioni, il team ha confrontato i costi dei materiali per il calcestruzzo geopolimerico e il calcestruzzo cementizio convenzionale per le stesse classi di resistenza. Anche se le miscele geopolimeriche richiedono soluzioni alcaline e leggermente più aggregato, usano molto meno cemento, che è la componente più costosa e a maggiore intensità di carbonio. Ottimizzate con il 10% di sostituzione con RHA, le miscele di calcestruzzo verde hanno ridotto i costi di produzione di circa il 13%, 16% e 30% per le classi M40, M50 e M60, rispettivamente, rispetto al calcestruzzo con cemento ordinario. In altre parole, l'opzione più ecologica è anche più economica, specialmente per applicazioni ad alta resistenza.

Cosa significa per la costruzione quotidiana

Per un non specialista, il messaggio è semplice: miscelando con cura la scoria dell'industria siderurgica e i rifiuti della coltivazione del riso nel calcestruzzo geopolimerico, gli ingegneri possono ottenere materiali strutturali che sono resistenti, ragionevolmente resistenti all'attacco acido e significativamente più economici del calcestruzzo tradizionale a base di cemento. Lo studio identifica un "punto ottimale" pratico intorno al 10% di sostituzione con cenere di pula di riso, dove prestazioni e durabilità sono massimizzate mentre costi e impatto ambientale sono minimizzati. Se adottato su larga scala, questo approccio potrebbe trasformare due grandi flussi di rifiuti in risorse edilizie preziose, aiutando le città a crescere riducendo in simultanea inquinamento e spese di costruzione.

Citazione: Reddy, N.G., Karikatti, V.B., Pratap, B. et al. Strength and cost analysis of geopolymer concrete using rice husk ash and GGBS as sustainable cement alternatives. Sci Rep 16, 12922 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43705-3

Parole chiave: calcestruzzo geopolimerico, cenere di pula di riso, GGBS, edilizia sostenibile, alternative al cemento