Influenza delle aggiunte minerali sulle proprietà dei calcestruzzi schiumat

Come già discusso al paragrafo 4.2.3, recenti studi si sono concentrati sull'uso di aggiunte minerali nei sistemi cementizi per la sostenibilità dell'industria delle costruzioni sperimentando particolari miscele che, prevedendo l’impiego di aggiunte minerali provenienti, se possibile, da sottoprodotti di scarto di altre industrie, permettessero di incrementare il più possibile le resistenze a compressione dei calcestruzzi schiumati, ottenendo, al contempo, un materiale quanto più possibile a basso impatto ambientale. Questa tecnica è ben nota nell’ambito dei calcestruzzi tradizionali, dove l’impiego di fumo di silice, associato alla presenza di super fluidificanti e a bassissimi rapporti ! ! permette di ottenere i cosiddetti calcestruzzi DSP (Densified with Small Particle) appartenenti alla classe degli HPC (High

Perfomance Concrete), conglomerati cementizi capaci di manifestare

resistenze a compressione anche superiori a 100 MPa [30]. Nella letteratura specifica del settore si trovano diversi studi che valutano l’influenza dell’aggiunta di diverse quantità di cenere volante e/o fumo di silice anche nel caso di resistenza a compressione dei calcestruzzi schiumati. Tali aggiunte minerali possono essere impiegate in parziale o totale sostituzione della sabbia fine, portando a sostanziali incrementi delle resistenze a compressione dei campioni, come mostrano le sperimentazioni presenti in [80] e in [81], oppure, soluzione ancor più vantaggiosa nei riguardi dell’impatto ambientale in quanto consente di ridurre l’utilizzo di un

165 componente energivoro come il cemento, in sostituzione parziale proprio di una certa quantità di quest’ultimo. Nello specifico l'aggiunta di fumo di silice alle paste cementizie alleggerite dà luogo a variazioni significative delle resistenze a compressione, a seconda del tipo di stagionatura e del contenuto di schiuma delle miscele. Infatti, le sperimentazioni riportate in [82] mettono in luce che a contenuto costante di schiuma, il fumo di silice conduce ad un incremento della densità del calcestruzzo schiumato fino al 55%, riducendo contestualmente il valore di assorbimento d'acqua fino al 67%. La resistenza alla compressione del calcestruzzo schiumato è aumentata fino a 4,4 volte grazie all'uso di fumo di silice a parità di contenuto di schiuma. L'effetto è stato più pronunciato nelle miscele con un contenuto di schiuma più elevato. Per la massima resistenza alla compressione e il minimo assorbimento d'acqua, la densità ottimale del calcestruzzo schiumato è risultata di circa 1320 kg/m3. La miscela contenente il 10% di fumo di silice, maturata in acqua, ha fornito la densità più vicina al valore ottimale [82]. Il significativo miglioramento della resistenza a compressione dei calcestruzzi schiumati ottenibile mediante l’impiego di fumo di silice è confermato dalla campagna sperimentale riportata in [37], in cui l’incremento di resistenza a compressione si aggira intorno al 25%, riuscendo ad ottenere resistenze dell’ordine di 45 MPa, 32 MPa, 20 MPa e 12 MPa per densità pari a 1500 kg/m3, 1300 kg/m3, 1000 kg/m3 e 800 kg/m3 rispettivamente (ottenute utilizzando però un cemento di classe 72,5R) tali da lasciar pensare ad un possibile impiego di questo materiale anche per scopi strutturali. In [83] è stata valutata, inoltre, l’influenza dell’aggiunta di fumo silice sulla resistenza a trazione dei calcestruzzi schiumati rispecchiando quanto già in precedenza riportato riguardo l’influenza di questa aggiunta minerale sulla resistenza a compressione: gli incrementi della resistenza a trazione, sono massimi in corrispondenza di una percentuale di fumo di silice del 15% rispetto al

166 cemento (28% e 26% a 7 e 28 giorni rispettivamente), tendendo poi ad essere

trascurabili per percentuali di impiego di fumo di silice superiori. Il miglioramento della resistenza alla compressione, alla flessione e alla rottura a trazione del calcestruzzo schiumato con l'uso di fumo di silice è da imputarsi alla maggiore interazione tra i minerali presenti nel fumo di silice con il calcestruzzo schiumato [82]. Inoltre, l’aggiunta di fumi di silice dà luogo ad un incremento del 37% della conducibilità termica del calcestruzzo schiumato, sebbene tale aumento della conducibilità termica sia significativamente inferiore rispetto all'aumento (fino a 4,4 volte) della resistenza alla compressione [82]. Vari studi, sui fumi di silice, hanno infine indicato che anche il costo delle paste cementizie schiumate potrebbe essere ridotto sostituendo significative percentuali di cemento senza compromettere significativamente la resistenza a lungo termine, indicando, come percentuale di aggiunta ideale di fumo di silice sia il 15% del peso del legante [82]. La possibilità di utilizzare il biochar in compositi cementizi con diverse percentuali di impiego rispetto al peso del cemento, al fine di migliorare le proprietà meccaniche è presente in letteratura, sebbene siano decisamente minori i contributi scientifici e soprattutto le indagini svolte rispetto ad altre aggiunte minerali.

Sostanzialmente assenti risultano, invece, contributi sul comportamento delle paste cementizie alleggerite in seguito ad aggiunte di biochar. Sulla base dei risultati sperimentali trovati in letteratura relativamente all’influenza dell’impiego di biochar nel caso di conglomerati cementizi tradizionali, si può sicuramente affermare che:

- l'aggiunta di biochar dà luogo ad incrementi della resistenza alla flessione e ad un comportamento più duttile rispetto al tipico comportamento fragile della pasta cementizia pura, soprattutto per quantità impiegate del 2% [66];

167 - l’utilizzo di biochar al 2% agisce come un micro-rinforzo nella pasta cementizia, contribuendo a deviare la traiettoria della frattura, generando ulteriori micro fratture multiple e provocando così una rottura più duttile comprovata dall’aumento della resistenza alla flessione e dell'energia di frattura [64,65];

- la resistenza alla compressione aumenta soprattutto per tempi di attesa dal confezionamento di soli 7 giorni, in corrispondenza dei quali i campioni mostrano un aumento di oltre il 4% e 15%, rispettivamente, quando sono stati utilizzati il 2% e il 2,5% di Biochar; tuttavia a 28 giorni la resistenza della pasta risulta essere inferiore rispetto al campione di controllo non additivato, mostrando un deterioramento fino al 25% [84].

In ogni caso, le aggiunte minerali, andando a rimpiazzare parte della quantità di cemento presente, consentono di ridurre lo sviluppo del calore di idratazione, permettendo così di prevenire possibili problemi di ritiro e fessurazione che l’eccessivo calore di idratazione potrebbe indurre; le aggiunte minerali si propongono, dunque, come un’ottima soluzione nei casi in cui il dosaggio di cemento per metro cubo di calcestruzzo alleggerito superi i 600 kg/m3.

Prendendo spunto da questi interessanti e promettenti studi scientifici, nel prosieguo della tesi verranno analizzati e studiati i comportamenti delle aggiunte minerali fin qui descritte, indagando nello specifico il loro comportamento e quello delle paste cementizie alleggerite e ad alte prestazioni, da utilizzare nel campo della 3DCP.

A tal fine le sperimentazioni vengono condotte su un particolare tipo di calcestruzzo schiumato definito estrudibile, descritto nel successivo paragrafo.

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