I calcestruzzi cellulari o, ancor più specificatamente come da terminologia anglosassone, schiumati appartengono alla più ampia categoria dei calcestruzzi leggeri ossia quei conglomerati cementizi caratterizzati da una massa volumica compresa tra 200 kg/m3 e 2000 kg/m3. I
calcestruzzi schiumati posseggono ottime potenzialità e flessibilità di impiego grazie alle diverse peculiarità che ne fanno un materiale da costruzione dove leggerezza, buone proprietà meccaniche, isolamento termico, assorbimento acustico, resistenza al fuoco ed assorbimento di energia d’impatto possono essere abbinate a seconda delle esigenze da perseguire. Per di più tutto ciò in associazione ad una delle qualità più ricercate ed inseguite non solo nel settore dei calcestruzzi: l’economicità. Quest’ultima è resa possibile dalla semplicità e facile reperibilità degli elementi che li costituiscono: cemento, acqua, sabbia fine (sebbene in genere non sia presente nel campo delle masse volumiche medio – basse) e schiuma preformata. Proprio la schiuma, generata attraverso la miscelazione turbolenta di una soluzione di acqua e tensioattivo espansa con aria compressa, miscelata al conglomerato cementizio, dà luogo alla generazione, all’interno di quest’ultimo, di un sistema di bolle d’aria che vi conferisce le proprietà già ricordate, comuni a tutti i sistemi cellulari.
L’elevata variabilità della densità fa sì che i calcestruzzi schiumati siano caratterizzati da aspetto, prestazioni ed impieghi estremamente diversificati. Evidentemente, alle masse volumiche più basse sono associate ottime prestazioni in termini di isolamento termico, assorbimento acustico e resistenza al fuoco, ma contestualmente scarse resistenze meccaniche.
Nonostante la maggior parte degli studi presenti nella letteratura scientifica del settore si concentri sulla valutazione dell’effetto della densità sulle proprietà fisiche e meccaniche di questo materiale, tali proprietà sono fortemente influenzate anche dal contenuto e dalla tipologia di cemento, dai rapporti acqua/cemento e aria/cemento, dalle qualità della schiuma preformata [70], dalle dimensioni delle bolle d’aria inglobate, dalle proprietà degli aggregati (qualora presenti), dalle modalità e dal tempo di miscelazione, dalle condizioni di stagionatura e dalle dimensioni dei provini [112]. Tutto ciò fa intuire come il progetto della miscela di questi calcestruzzi sia molto più complesso e delicato rispetto a quello relativo alle miscele tradizionali: basti pensare che non è assolutamente detto che la resistenza a compressione dei calcestruzzi schiumati cresca al diminuire del rapporto acqua/cemento [61].
Per quel che riguarda i campi di impiego, a differenza dei più noti e diffusi calcestruzzi gassosi (si pensi al GasBeton o all’YTONG), l’altra categoria di calcestruzzi cellulari, che possono essere impiegati solo nel campo della prefabbricazione in stabilimento per la produzione di lastre, pannelli e blocchi monolitici autoportanti da adoperare per la realizzazione di svariati elementi costruttivi (murature portanti, tramezzi, tamponature esterne, solai, coperture), in aggiunta a tutto ciò, gli schiumati possono essere anche gettati direttamente in opera per la realizzazione di elementi sia strutturali che non strutturali e di riempimenti protettivi e/o stabilizzanti.
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In questa panoramica generale si inserisce la presente attività di ricerca che nasce come risposta ad una specifica esigenza: sia che si tratti di prefabbricazione che di getto in opera, la scarsa tenuta dimensionale di tale materiale allo stato fresco non permette di poterne sfruttare appieno o, per lo meno, in maniera ancor più economicamente vantaggiosa le sue peculiarità. Infatti, se tale materiale fosse capace di autosostenersi negli istanti immediatamente successivi alla miscelazione dei suoi costituenti potrebbe essere industrializzato mediante un processo di formatura ormai ben consolidato in altri settori: l’estrusione. Ciò consentirebbe di innovare profondamente i processi produttivi che caratterizzano il settore dei calcestruzzi leggeri mediante soluzioni caratterizzate da elevata capacità produttiva, efficienza e flessibilità. La completa eliminazione delle casseforme, la possibilità di formare il prodotto semplicemente mediante il suo passaggio attraverso la matrice di estrusione, l’elevata ampiezza di gamma grazie alla possibilità di ottenere sia elementi strutturali (progettando il mix design della miscela in modo da enfatizzare le caratteristiche meccaniche) sia non strutturali (progettandolo in modo da enfatizzare invece le proprietà di isolamento termico, assorbimento acustico, resistenza al fuoco) sono solo alcuni dei vantaggi connessi all’innovazione.
Tuttavia prima di poter innovare bisogna conoscere. Ecco perché l’attività di ricerca pone le basi anzitutto sullo studio delle proprietà del componente peculiare di questa categoria di calcestruzzi leggeri, ossia le schiume liquide, al variare di alcuni parametri, quali la pressione dell’aria e la concentrazione e la natura del tensioattivo impiegato, da cui dipendono due caratteristiche fondamentali di questi sistemi dispersi: la densità e il tempo di vita. Lo step successivo è evidentemente quello relativo all’investigazione delle proprietà dei calcestruzzi ottenuti impiegando proprio le schiume migliori risultate dalla prima fase dello studio. Poiché un campo del settore delle costruzioni in cui, negli ultimi anni, la domanda è sempre più crescente risulta senz’altro essere quello relativo ai materiali contraddistinti da ridotta massa volumica (quindi ottime proprietà isolanti, fono-assorbenti e di resistenza al fuoco) associata a proprietà meccaniche quanto più possibile elevate, l’attività di ricerca si è incentrata proprio nel range di densità medio – basse dei calcestruzzi schiumati. La scelta poi di ampliare l’investigazione a diverse tipologie di cemento, schiume ottenute da tensioattivi di differente natura chimica, diverse condizioni di stagionatura, differenti rapporti acqua/cemento fa sì che tale attività di ricerca non si presenti semplicemente come esatto termine di paragone (in quanto relativo a stesse attrezzature e medesimi costituenti base del mix design) cui riferire le attività sperimentali relative alla fase di vera innovazione, ma permetta anche di ampliare la comprensione e la conoscenza scientifica di questa tipologia di calcestruzzi cellulari nel range di densità medio-basse.
Poste le fondamenta bisogna costruire. E per costruire bisogna prima capire quale materiale impiegare per realizzare la struttura portante. Lo studio delle proprietà degli additivi comunemente impiegati nel settore dei calcestruzzi (fluidificanti e superfluidificanti, viscosizzanti, riduttori del ritiro, idrofobizzanti, aeranti, acceleranti) e dei processi di intrappolamento e stabilizzazione delle bolle d’aria all’interno del conglomerato cementizio serve proprio a tale scopo: individuare quelle sostanze (se possibile a basso impatto ambientale e ottenute da fonti rinnovabili) che, aggiunte alla miscela, ne esercitano un doppio effetto, ossia la stabilizzazione delle bolle e l’incremento della viscosità e della consistenza della pasta nella sua complessità (obiettivi non perseguibili
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simultaneamente mediante l’impiego degli additivi presenti sul mercato), tutto ciò senza interferire negativamente con le reazioni di idratazione della pasta cementizia.
Scelti i materiali è possibile procede con la costruzione dei risultati mediante diverse indagini sperimentali atte a valutare le proprietà meccaniche del calcestruzzo schiumato capace di autosostenersi allo stato fresco. Per di più, la volontà di ottenere resistenze quanto più possibili prossime a quelle dei più costosi calcestruzzi gassosi trova eco nello studio di opportune strategie per il miglioramento sia della resistenza a compressione che di quella a trazione indiretta dei calcestruzzi schiumati innovativi.
Così come lo scheletro portante di una struttura non è abitabile fin quando non vengono concluse le opere di finitura, allo stesso modo la caratterizzazione meccanica deve essere accompagnata da quelle relative alle fondamentali proprietà di isolamento termico, attraverso la determinazione del coefficiente di conducibilità termica al variare di diversi parametri quali la densità e l’umidità dei campioni, alla caratterizzazione morfologica delle bolle d’aria e alla caratterizzazione delle proprietà reologiche. Quest’ultimo studio, che vede la determinazione dell’yield stress e della viscosità plastica al variare della densità e del tempo di invecchiamento delle miscele, sia per via della carenza di pubblicazioni scientifiche al riguardo, sia per ottenere un parametro con cui confrontare i valori relativi alle miscele innovative è opportunamente esteso anche ai calcestruzzi schiumati classici.
Ma anche un novello imprenditore nel settore edilizio sa che il guadagno connesso all’edificio che ha costruito dipende fortemente dal panorama in cui esso è posto in termini di accessibilità, infrastrutture, servizi, ecc. Fatto il materiale bisogna trovare il modo di sfruttarne appieno le potenzialità. Certo, potrebbe essere utilizzato nel campo della prefabbricazione per la produzione di manufatti leggeri senza l’utilizzo dei casseri con risparmi notevoli di tempo e di denaro. Certo, potrebbe essere utilizzato per la produzione di pezzi speciali e manufatti con forme ardite senza incremento del costo del prodotto.
Certo, potrebbero essere realizzati dei blocchi autoincastranti con l’eliminazione delle malte di allettamento tra i blocchi stessi.
Certo, potrebbe essere impiegato nell’ambito dell’innovativo settore della stampa 3D.
Certo, certo, certo… Ma se si risciusse ad ottenere un elemento monolitico ingegnerizzato con densità variabile nello spessore le cui proprietà possono essere progettate ad hoc in funzione delle necessità da perseguire non sarebbe forse la soluzione migliore che quell’imprenditore potesse trovare?