Comportamento a flessione e sviluppo delle fessure di solette geopolveri rinforzate con vuoti longitudinali: uno studio sperimentale

Perché contano solai più leggeri e più verdi

Gli edifici moderni si basano su vaste superfici di solette in calcestruzzo, che costituiscono una porzione rilevante sia del costo di costruzione sia dell'impatto climatico. Questo studio esplora un modo nuovo di realizzare queste solette usando calcestruzzo geopolimerico a base di cenere volante e gomma di scarto, e creando lunghi tubi cave nella soletta per ridurne il peso. Il lavoro pone una domanda semplice dalle grandi conseguenze pratiche: è possibile ottenere solette più leggere e a minore impronta di carbonio che continuino a sostenere i carichi in sicurezza e a resistere alla fessurazione come i solai in calcestruzzo tradizionale?

Un tipo diverso di calcestruzzo

Il calcestruzzo tradizionale lega sabbia e pietrisco con cemento Portland, la cui produzione libera grandi quantità di anidride carbonica. Il calcestruzzo geopolimerico sostituisce il cemento con sottoprodotti industriali ricchi di silice e allumina, come la cenere volante delle centrali elettriche. In questa ricerca gli autori hanno impiegato un geopolimero a base di cenere volante attivato con soluzioni alcaline, aggiungendo una modesta quantità di fibre di gomma trattata ricavate da pneumatici usati. La cenere volante trasforma un rifiuto in un ingrediente utile, mentre la gomma è impiegata per rendere il geopolimero, altrimenti fragile, più tollerante alla fessurazione. Test precedenti su piccoli cubi, cilindri e travetti hanno mostrato che questa miscela raggiungeva resistenze a compressione, trazione e flessione superiori rispetto a un impasto cementizio standard di pari classe, con solo una leggermente minore rigidezza.

Trasformare solette solide in nuclei cavi

Per osservare il comportamento di questo nuovo calcestruzzo in elementi strutturali reali, il team ha gettato sette solette armate. Due erano solide: una in calcestruzzo tradizionale e una con la miscela geopolimerica. Le altre cinque erano solette a nucleo cavo più lunghe realizzate in geopolimero, nelle quali tubi di plastica disposti longitudinalmente hanno creato vuoti circolari. Variando il diametro dei tubi, i ricercatori hanno ottenuto tre livelli diversi di vuoto, rimuovendo tra circa il 12% e il 24% del volume di calcestruzzo. Hanno inoltre variato un parametro geometrico chiave, il rapporto tra luce e altezza della soletta, che influenza fortemente come la soletta si flette e dove è più vulnerabile.

Spingere le solette fino al collasso

Tutte le solette sono state provate in laboratorio con una prova a quattro punti, in cui due carichi uguali premono tra i supporti creando una zona di momento costante al centro. Durante le prove i ricercatori hanno monitorato con cura quando si formavano le prime fessure visibili, come si propagava il pattern delle fessure, la deflessione a metà luce e il carico di collasso. Hanno inoltre confrontato queste osservazioni con i valori calcolati dalle normative di progetto standard usate a livello internazionale per il calcestruzzo armato. Questo ha permesso di valutare non solo il comportamento dei nuovi materiali e delle nuove geometrie, ma anche se le formule ingegneristiche di routine rimangono affidabili quando il cemento è sostituito da leganti geopolimerici.

Cosa succede aggiungendo vuoti

La soletta geopolimerica solida ha avuto prestazioni leggermente superiori rispetto a quella cementizia solida, sostenendo un po’ più carico al primo fessurarsi e al collasso, e sviluppando un maggior numero di fessure più sottili. Le fibre di gomma hanno contribuito a distribuire il danneggiamento in modo più uniforme, conferendo alla soletta geopolimerica un comportamento più duttile e un collasso meno brusco. Nelle solette a nucleo cavo il quadro è risultato più sfumato. Rimuovere materiale con i vuoti ha alleggerito le solette ma ne ha anche ridotto la rigidezza e la resistenza. All’aumentare della porzione di vuoto dal circa un ottavo fino a quasi un quarto della sezione, sia il carico che provocava la prima fessura sia quello di collasso sono diminuiti. Luci effettive maggiori hanno avuto un effetto simile: aumentare il rapporto luce/altezza ha quasi dimezzato il carico ultimo mentre ha aumentato le deformazioni. Tuttavia, le larghezze delle fessure misurate sono rimaste entro i limiti di servizio comuni, e le solette cave hanno mantenuto comunque una quota elevata della resistenza della soletta solida di controllo.

Regole di progetto che restano valide

Confrontando i dati sperimentali con i calcoli tratti dai codici americani ed europei per il calcestruzzo, il team ha riscontrato un buon accordo, generalmente entro circa il dieci percento. Per le solette solide la teoria ha previsto con buona accuratezza sia la resistenza sia la deflessione. Per le solette a nucleo cavo le formule semplificate tendevano a sovrastimare la deflessione, in parte perché i tubi plastici permanenti all’interno dei vuoti forniscono una rigidezza aggiuntiva che le equazioni non considerano. Le previsioni della larghezza delle fessure basate sulle regole dell’Eurocodice hanno inoltre concordato bene con i valori misurati; nella maggior parte dei casi le fessure reali erano leggermente più piccole del limite superiore calcolato. Questi risultati suggeriscono che gli ingegneri possono adattare con ragionevole fiducia i metodi di progetto familiari alle solette geopolimeriche a nucleo cavo, pur riconoscendo una certa conservatività nel comportamento di servizio.

Cosa significa per gli edifici del futuro

Per i non specialisti, il messaggio è che i sistemi di solaio possono diventare allo stesso tempo più leggeri e più sostenibili senza sacrificare la sicurezza, combinando geometria a nucleo cavo e calcestruzzo geopolimerico che ricicla cenere volante e gomma di scarto. Lo studio mostra che un mix geopolimerico ben progettato può eguagliare o superare leggermente le prestazioni a flessione del calcestruzzo standard, e che i nuclei cavi possono ridurre significativamente l’uso di materiale purché la dimensione dei vuoti e la luce restino in intervalli sensati. Poiché gli strumenti di calcolo standard continuano a funzionare per queste solette, la strada per un’adozione pratica in edifici a basso contenuto di carbonio diventa più agevole, offrendo ai progettisti un’opzione realistica per ridurre l’impronta ambientale dei solai in calcestruzzo mantenendo un comportamento strutturale affidabile.

Citazione: Aziz, Y.H.A., Malky, A.E. & El-Sayed, T.A. Flexural behavior and crack development of reinforced geopolymer slabs with longitudinal voids: an experimental study. Sci Rep 16, 16026 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53647-5

Parole chiave: calcestruzzo geopolimerico, soletta a nucleo cavo, comportamento a flessione, sviluppo delle fessure, strutture sostenibili