Impiego del materiale PFU nei conglomerati cementizi: stato dell’arte

L’impiego più importante del materiale PFU, come visto, è quello relativo all’utilizzo come combustibile alternativo. Altri impieghi importanti si hanno nel campo dei manufatti. Infatti, dopo opportuni processi di triturazione e di miscelazione con appositi leganti si possono ottenere manufatti di varia tipologia da adoperare in svariati campi di applicazione. Tutte queste tipologie di prodotti sono accomunati da caratteristiche particolari quali ad esempio un grande coefficiente di attrito, ottima durabilità, facile posa e manutenzione, funzione di fono-isolanza, antivibrante e antishock per pavimentazioni. Da tutto ciò, è nata l’idea dell’utilizzo combinato del materiale polimerico con il materiale più utilizzato nel campo delle costruzioni: il cemento. Dalla letteratura scientifica in merito, emergono sia le potenzialità di utilizzo sia limitazioni. L’uso di materiale PFU nel confezionamento di malte e calcestruzzi, conferisce al manufatto allo stato indurito interessanti proprietà quali ad esempio una bassa densità, elevata resistenza agli urti, migliori caratteristiche di isolamento acustico, ecc.. La limitazione più grande è caratterizzata dalla riduzione di resistenza causata sia dal basso valore di resistenza a compressione tipica del materiale PFU, sia dalla scadente adesione tra le particelle di gomma e la matrice cementizia.

Le prime esperienze scientifiche circa l’utilizzo di parti di gomma nei conglomerati cementizi risalgono agli inizi degli anni ‘9023. Nel 1995, la rivista Cement and Concrete Research pubblica un articolo di Topcu I.B.24 dal titolo “The properties of rubberized concretes” (le proprietà del calcestruzzo confezionato con la gomma) e nell’introduzione si discute circa l’opportunità di avere nel calcestruzzo, in alcuni particolari casi, alcune peculiari proprietà quali un basso peso specifico, un’elevata tenacità e una elevata resistenza agli urti ed è stata paventata l’eventualità di migliorare le proprietà elastiche del materiale composito riciclando materiali di scarto, tra cui il materiale PFU. E’ stato ipotizzato che il materiale cementizio ottenuto potesse essere usato per barriere stradali di tipo Jersey. Gli effetti prodotti dalla gomma nel calcestruzzo, in base allo studio allora effettuato, sono stati:

 una riduzione generalizzata delle proprietà meccaniche dei calcestruzzi (perdita del 50% della resistenza a compressione, perdita del 64% di resistenza a trazione) usando particelle di gomma fine (0-1mm);

23

Topcu. I. B., Ozcelikors. Y., "Rubberized Concrete", Akdeniz University, Isparta Engineering Faculty,,7. Engineering Week, 25-27 May 1991, Isparta,,Ttirkiye, (In Turkish);

Ali N. A., Amos A. D. and Roberts M., “Use of ground rubber tires in Portland cement concrete”, Proc. Int. Conf. Concrete 2000, University of Dundee, UK 1993, pp. 379-390;

Topcu I. B., Concrete Barriers Using Rubbers as Aggregate , Antalya Bulletin, Union of Turkish Engineers and Architects, Chamber of Cir. Eng., Branch of Antalya, No.5-7, 1993;

Eldin N., Senouci A.B., "Rubber-Tire Particles As Concrete Aggregate", Journal of Materials in Civil Engineering, Vol.5, No.4, November, 1993, pp. 478-497;

Girsen E., "Physical and Mechanical Properties of Rubberized Concrete (with fine aggregate)", BS. Thesis, Osmangazi University, Faculty of Engineering and Architecture, Department of CE, January 1994, Eski~ehir, Ttirkiye, (In Turkish);

Ersoz. E., "Physical and Mechanical Properties of Rubberized Concrete (with coarse aggregate)", BS. Thesis, Osmangazi University, Faculty of Engineering and Architecture, Department of CE, January. 1994, Eski~ehir, Tiirkiye, (In Turkish);

Topcu. I.B., "Analysis of Rubberized Concretes as a Composite Material", Seminar of Structural Mechanics 94, Dumlupmar University, June 1994, Kiitahya, Ttirkiye, (In Turkish);

24 _{Topcu I. B., “The properties of rubberized concretes”, Cement and Concrete Research, Vol. 25, No. 2, pp. 304-310,}

1995;

 una riduzione di resistenza ancora maggiore (perdita del 60-70% di resistenza a compressione, perdita del 74% di resistenza a trazione) in caso di utilizzo di particelle di PFU più grossolane (1-4mm).

Tuttavia, è stato osservato che il calcestruzzo diventa relativamente più duttile. Un anno dopo, N.I. Fattuhi e L.A. Clark hanno condotto uno studio25 su paste, malte e calcestruzzi utilizzando briciole di gomma PFU: nelle conclusioni dell’articolo si evidenzia che la gomma PFU può essere aggiunta senza difficoltà negli impasti cementizi. E’ stata registrata, anche in questo caso, una perdita di resistenza a compressione e un abbassamento di densità dei manufatti in funzione del quantitativo di gomma utilizzata. Da prove “a fuoco” è stato evidenziato che l’infiammabilità della gomma è stata molto ridotta dalla presenza della matrice cementizia. Ancora nel 1996, H.A. Toutanji ha studiato26 la possibilità di usare particelle di gomma PFU nel calcestruzzo in sostituzione agli aggregati tradizionali secondo 4 diverse percentuali (25%, 50%, 75% e 100%). Tra i risultati ottenuti è stato evidenziato che l’inserimento del materiale gommoso nel calcestruzzo ne provoca una riduzione di resistenza alla compressione ed alla flessione. Nel suo lavoro H.A. Toutanji ha quantificato tale riduzione di resistenza a compressione pari a circa due volte rispetto a quella a flessione. I manufatti con PFU, però, hanno subito spostamenti significativi prima di arrivare a frattura. I test di flessione, infatti, hanno rilevato un’alta tenacità dei manufatti con PFU rispetto ai rispetti manufatti confezionati senza. Successivamente, nel 1997, altri studi sui conglomerati cementi realizzati con gomma PFU hanno evidenziato che:

 il calcestruzzo confezionato con gomma PFU potesse essere studiato come un composito a tre fasi (pasta cementizia, aggregati e gomma PFU)27;  l’indice di fragilità dei calcestruzzi confezionati con diverse percentuali di

gomma PFU è stato più alto per un contenuto di gomma PFU pari al 15% in peso28;

 la resistenza agli urti di calcestruzzi realizzati con gomma PFU è stata più alta rispetto a quelli realizzati senza granuli29;

 i calcestruzzi realizzati con materiale PFU hanno mostrato piccoli cambiamenti in ambienti altamente alcalini, per cui l’aggiunta del granulo di gomma non influenza notevolmente la durabilità dei manufatti30.

Nel 1998, è stato redatto un articolo31 molto interessante sulla lavorabilità, sulle caratteristiche meccaniche e sulla stabilità chimica di malte cementizie realizzate con particelle fini di gomma PFU. Nell’elaborato tecnico è stato messo in

25

Fattuhi N.I, Clark L.A., “Cement-based materials containing shredded scrap truck tyre rubber Constr. Build. Mater., 10 (1996), pp. 229–36; 

26 _{Toutanji H.A., “The Use of Rubber Tire Particles in concrete to Replace Mineral aggregates”, Cement and Concrete}

Composites 18 (1996), pp. 135-139;

27 _{Topcu I. B., Avcular N., “Analysis of rubberized concrete as a composite material”, Cement and Concrete Composites 27}

(1997), pp. 1135-1139;

28

Topcu I. B., “Assessment of the brittleness index of rubberized concretes”, ”, Cement and Concrete Composites 27 (1997), pp. 177-183;

29

Topcu I. B., Avcular N., “Collision behaviours of rubberized concrete”, Cement and Concrete Composites 27 (1997), pp. 1893-1139;

30 _{Huynh H., Raghavan D. “Durability of simulated shredded rubber tire in highly alkaline environments”, Elsevier}

Science 6 (1997), pp. 138-143;

31 _{Raghavan D., Huynh H., Ferraris C.F., “Workability, mechanical properties, and chemical stability of a recycled tyre}

evidenza che l’aggiunta di particelle di gomma ha causato una perdita di resistenza a flessione su provini di malta proporzionale al contenuto stesso di gomma, ma il materiale ha consentito la riduzione dei valori di ritiro plastico. L’eventuale uso di brandelli di gomma ha comportato, per i provini sottoposti a frattura, l’integrità strutturale, cioè anche dopo rottura il provino è rimasto in un unico pezzo (figura 1.28). Altro interessante articolo32 è stato redatto nel 2000 in cui è stata studiata la possibilità di aumentare l’adesione del polverino di gomma PFU alla pasta cementizia tramite opportuna modifica della superficie della gomma stessa. Le particelle di gomma, prima del confezionamento dei manufatti, sono stati, infatti, immersi in una soluzione acquosa di NaOH per 20 minuti. In questo modo è stato possibile migliorare le proprietà meccaniche dei conglomerati cementizi realizzati.

Figura 1.28 – Fratture di provini realizzati con brandelli di gomma PFU

Nei successivi anni, la comunità scientifica ha affrontato diverse altre problematiche relative ai manufatti cementizi realizzati con gomma PFU e sono stati sperimentati anche dei conglomerati altamente innovativi e con prestazioni davvero particolari. Ad esempio, nel 2004, un lavoro33 scientifico ha presentato il comportamento di calcestruzzi ad alta resistenza (HSC) confezionati con fumo di silice e modificati con diversi quantitativi di particelle PFU, relativamente alle prestazioni meccaniche e di resistenza al fuoco. Nel lavoro sono state eseguiti una anche dei controlli non distruttivi al fine di ottenere la quantità ottimale di PFU da utilizzare negli impasti, tenendo conto della lavorabilità, della rigidità e ovviamente della resistenza meccanica. In base ai risultati ottenuti nella sperimentazione l’autore mette in luce il fatto che una frazione di volume relativamente elevata di gomma (3% in volume) non riduce in modo significativo la resistenza, anche se riduce la rigidità. Dosaggi di gomma crescenti hanno prodotto una progressiva riduzione di tali caratteristiche dei manufatti, ma potrebbero migliorare il comportamento dinamico. Le prove al “fuoco” hanno mostrato una riduzione del rischio di “sfaldamento esplosivo” per i manufatti realizzati con un alto contenuto di gomma PFU (figura 1.29).

32 _{Segre N., Joekes L., “Use of tire rubber particles as addition to cement paste”, Cement and Concrete Research 30 (2000)}

pp. 1421-1425.

33_{Hernandez-Olivares F., Barluenga G., “Fire performance of recycled rubber-filled high-strength concrete”, Cement and}

Figura 1.29 - diverso sfaldamento di provini di calcestruzzo non contenenti gomma PFU a confronto di provini contenenti il 3% di gomma PFU sottoposti a prova “a fuoco”

Sono stati fatti anche tentativi poco tradizionali in Europa, in particolare, in Corea del Sud, dove è stata valutata la possibilità di utilizzo in accoppiata di paglia di riso e gomma PFU34. C’è stato anche chi ha provato a realizzare calcestruzzi autocompattanti (SCC). In Italia, ad esempio, nel 2006 è stato pubblicato un lavoro scientifico35 in cui sono stati realizzati e caratterizzati questi tipi di calcestruzzo. Tra gli ultimi lavori scientifici pubblicati sui conglomerati cementizi realizzati con gomma PFU è stato sperimentato:

 la possibilità di utilizzo di gomma PFU per migliorare le proprietà termiche e acustiche di pannelli prefabbricati di cemento36;

 la possibilità di sostituire aggregati e filler per calcestruzzi con gomma PFU37;

 la possibilità di miglioramento della resistenza alla penetrazione di ioni cloruro in malte cementizie modificate con gomma PFU38;

 la possibilità di confronto tra i processi di frattura di calcestruzzi ordinari e di calcestruzzi realizzati con PFU sotto carico di flessione39.

Ad oggi, nonostante i numerosi studi, permangono ancora difficoltà di utilizzo del materiale PFU in malte e calcestruzzi soprattutto in relazione alla perdita di prestazioni meccaniche di questi conglomerati rispetto ai rispettivi realizzati senza gomma.

34 _{Han-Seung Yang a, Dae-Jun Kim, Young-Kyu Lee, Hyun-Joong Kim,*, Jin-Yong Jeon, Chun-Won Kang, “Possibility of}

using waste tire composites reinforced with rice straw as construction materials”, Bioresource Technology 95 (2004), pp. 61–65;

35_{Bignozzi M.C., Sandrolini F., “Tyre rubber waste recycling in self-compacting concrete”, Cement and Concrete Research}

36 (2006), pp. 735–739;

36 _{Sukontasukkul P., “Use of crumb rubber to improve thermal and sound properties of pre-cast concrete panel”,}

Construction and Building Materials 23 (2009), pp. 1084–1092;

37 _{Ganjian E., Khorami M., Maghsoudi A.A., “Scrap-tyre-rubber replacement for aggregate and filler in concrete”,}

Construction and Building Materials 23 (2009), pp. 1828–1836;

38

Oikonomou N., Mavridou S., “Improvement of chloride ion penetration resistance in cement mortars modified with rubber from worn automobile tires”, Cement & Concrete Composites 31 (2009), pp. 403–407;

39

Zhang YaMei, Wang Chao, Lu Yi, Ma AiBin, “Comparison of the fracture process of the rubberized concrete and plain concrete under bending load”, Science China Technological Sciences 53 (2010), pp.1526–1533.

Capitolo 2