Caratteristiche meccaniche, microstrutturali e di vibrazione libera del calcestruzzo rinforzato con fibre PVC ricavate da rifiuti elettronici

Trasformare vecchi cavi in calcestruzzo più resistente e silenzioso

Ogni anno si accumulano montagne di cavi elettrici scartati, creando un problema di rifiuti in crescita. Questo studio esplora un modo inaspettato per dare una seconda vita a parte di quel materiale: triturare i fili rivestiti di plastica e miscelarli nel calcestruzzo. I ricercatori hanno voluto capire se queste fibre riciclate potessero non solo rendere il calcestruzzo più resistente, ma anche aiutare edifici e infrastrutture a vibrare meno sotto traffico, vento o macchinari.

Dalla discarica di rifiuti elettronici al materiale da costruzione

Il gruppo ha iniziato con cavi elettrici destinati allo smaltimento. Hanno rimosso il guaina esterna e tagliato i conduttori isolati in pezzi corti di 30 o 50 millimetri. Nella miscela di calcestruzzo questi pezzi agiscono come minuscoli fili di rinforzo, con il rivestimento in plastica (PVC) a contatto con il cemento mentre il nucleo in rame rimane inglobato. I ricercatori hanno preparato un calcestruzzo standard di alta qualità e poi realizzato diverse versioni contenenti quantità differenti di queste fibre, oltre a una miscela “controllo” senza fibre per il confronto. Hanno stampato cubi per prove di compressione, travi per prove a flessione e travi più lunghe per studiare il comportamento in vibrazione libera dopo essere state sollecitate e rilasciate.

Bilanciare la resistenza: compressione e flessione

Quando i cubi di calcestruzzo sono stati compressi, un contenuto moderato di fibre pari allo 0,8 percento in peso ha dato la massima resistenza a compressione, circa l’8 percento in più rispetto al calcestruzzo puro. Aggiungere più fibre oltre questo livello ha leggermente indebolito il materiale sotto compressione pura, probabilmente perché le fibre in eccesso tendevano ad aggregarsi creando piccoli punti deboli o porosità aggiuntiva. Nelle prove a flessione, invece, la tendenza si è invertita. Con l’aumentare del contenuto di fibre fino all’1,2 percento, le travi sono diventate progressivamente migliori nel resistere alle fessure, ottenendo oltre il 22 percento in più di resistenza flessionale rispetto al controllo. Le fibre più lunghe (50 millimetri) hanno fornito un ulteriore vantaggio nella prestazione a flessione rispetto a quelle più corte, perché il maggiore “ancoraggio” nel calcestruzzo aiuta a ponteggiare fessure più larghe e ad assorbire più energia prima che la fibra venga estratta.

Attenuare le vibrazioni nelle strutture di uso quotidiano

Molte strutture in calcestruzzo—pavimenti industriali, fondazioni sotto macchinari pesanti, viadotti—sono costantemente soggette a sollecitazioni dovute a carichi in movimento. La capacità di un materiale di assorbire questo moto è descritta dal suo rapporto di smorzamento: un valore più alto indica che le vibrazioni si attenuano più rapidamente. I ricercatori hanno bloccato un’estremità di ogni trave come una tavola da tuffo, hanno tirato verso il basso l’estremità libera con una forza nota e l’hanno rilasciata. Usando un piccolo sensore di movimento collegato a un microcontrollore economico, hanno registrato come la trave vibrante si arrestasse gradualmente. Adattando il moto misurato a un semplice modello di «onda decadente», hanno estratto la velocità con cui l’energia veniva dissipata. Le travi con il contenuto maggiore di fibre (1,2 percento) hanno mostrato rapporti di smorzamento fino a circa il 7,5 percento superiori rispetto al calcestruzzo puro, specialmente a ampiezze di vibrazione maggiori. La lunghezza delle fibre ha aiutato leggermente: le fibre più lunghe hanno aumentato lo smorzamento di un paio di punti percentuali, ma la quantità di fibre ha avuto un ruolo più determinante.

Cosa accade all’interno del calcestruzzo

Per osservare i fenomeni a livello microscopico, il team ha esaminato pezzi fratturati dei campioni con un microscopio elettronico a scansione. Hanno trovato una pasta cementizia densa e ben formata che circondava le fibre, con strutture cristalline tipiche che si sviluppano durante l’indurimento del calcestruzzo. Ai confini dove le fibre incontravano il cemento, hanno osservato pasta indurita aderente alle superfici delle fibre e segni di separazione controllata e di estrazione. In alcuni casi il rivestimento plastico era stato parzialmente asportato dal nucleo in rame durante la frattura. Queste caratteristiche indicano un’interfaccia resistente per attrito: mentre le fessure cercano di aprirsi, le fibre si allungano, scorrono e si estraggono gradualmente, convertendo l’energia meccanica in calore innocuo e danni microscopici invece di permettere una rottura fragile improvvisa o vibrazioni persistenti.

Perché questo è importante per una costruzione più verde e intelligente

In termini semplici, questa ricerca dimostra che fili isolati finemente tritati provenienti dai rifiuti elettronici possono aiutare il calcestruzzo a fare due cose utili contemporaneamente: resistere meglio alle fessurazioni da flessione e attenuare leggermente le vibrazioni, il tutto sfruttando una corrente di rifiuto problematica. Esiste un punto ottimale nella quantità di fibre da aggiungere: circa lo 0,8 percento per preservare la resistenza a compressione e fino a circa l’1,2 percento se il controllo delle vibrazioni e la resistenza alle fessure sono priorità principali. Sebbene siano necessari test più dettagliati per separare pienamente il comportamento del materiale dall’influenza dell’apparato sperimentale, i risultati suggeriscono che trasformare vecchi cavi in rinforzi microscopici potrebbe essere un passo pratico verso strutture in calcestruzzo più robuste, più silenziose e più sostenibili.

Citazione: Admasu, M.B., Gissila, B., Aklilu, A. et al. Mechanical, microstructural, and free-vibration characteristics of concrete reinforced with recycled E-waste PVC fibers. Sci Rep 16, 14325 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44699-8

Parole chiave: calcestruzzo riciclato, fibre da rifiuti elettronici, rinforzo con fibre in PVC, smorzamento delle vibrazioni, costruzione sostenibile