Conglomerati in carta e cemento: primi esperimenti realizzati al Politecnico di Milano

Conglomerati cemento e carta: proprietà isolanti e comportamento plastico

Il termine inglese “concrete” non si riferisce solo ad una pietra artificiale (indipendentemente se rinforzata o meno), ma anche a qualcosa di reale, fermo, sostanziale e positivo. Vale lo stesso in italiano così come in altre lingue in cui sono condivisi significati simili. E non potrebbe essere altrimenti, perché il cemento è un esempio di riferimento di materiale solido, con straordinarie e specifiche doti di resistenza che lo hanno reso il materiale più diffuso nella costruzione di ogni tipo di architettura e di strutture di ingegneria civile.

Tuttavia tra i conglomerati cementizi ce ne sono alcuni che non sono propriamente cementizi, o cementizi armati, ma -al contrario- hanno un comportamento plastico in cui leggerezza, morbidezza, deformazione e proprietà di isolamento rappresentano le caratteristiche principali.

Questi materiali sono cresciuti nella controcultura americana e sono stati applicati principalmente nell'approccio dell'autocostruzione.

L'uso del cemento insieme a carta riciclata e altri materiali insoliti con buone proprietà isolanti produce conglomerati di tipologia completamente diversa. È possibile avere più impasti realizzati con diverse percentuali di cemento e carta con comportamento specifico che potrebbero essere positivamente utilizzati in alcuni interventi di edilizia.

La resistenza dell'impasto dipende dai componenti utilizzati ed in particolare dalla percentuale di cemento utilizzato, ma dipende anche dal procedimento di preparazione dei blocchi e dei pannelli. La capacità di trattenere gli elementi di collegamento, così come il comportamento al fuoco del materiale sono stati testati attraverso test qualitativi semplificati o procedure sperimentali.

Questo articolo raccoglie i risultati di alcune attività di ricerca degli ultimi 10 anni svolte presso i dipartimenti (ex) BEST e DASTU del Politecnico di Milano.

I risultati della prova sperimentale per valutare le proprietà termiche del papercrete non sono presentati, ma si trovano nella bibliografia (Rogora, Lo Bartolo 2013), mentre la maggior parte delle esperienze proviene da tesi di laurea in Architettura.

L'intervista al professore Alessandro Rogora in occasione del “Concrete 2022” dove ha presentato la memoria “Prime esperienze sperimentali su conglomerati in carta e cemento realizzati al Politecnico di Milano”.  

Guarda l'intervista nella sezione Video in fondo all'articolo.

Il cemento

Il cemento è considerato per antonomasia il legante per realizzare pietre artificiali che, unito agli elementi di armatura, produce un materiale dalle straordinarie prestazioni meccaniche che eccelle per resistenza. Nel nostro immaginario modificare la tipologia e pezzatura degli inerti o la quantità di armatura permette di realizzare calcestruzzi adatti a realizzare parti d’opera diverse, ma sempre con grande riguardo alle prestazioni strutturali. Abbiamo così soluzioni che vanno dai leggeri gusci in ferrocemento alle fondazioni massive, che in ogni caso rappresentano varianti “minori” di un materiale dal comportamento sostanzialmente simile.

Esistono però soluzioni di conglomerati a base cementizia (a volte realizzati con leganti diversi che spaziano dall’argilla, alle calci) realizzati con materiali di recupero provenienti da filiera diversa rispetto al settore delle costruzioni. Queste miscele utilizzano le proprietà leganti del cemento per realizzare blocchi e pannelli leggeri che possono essere utilizzati sia come elementi isolanti che come elementi da costruzione per realizzare strutture di piccole dimensioni.

In particolare esiste una letteratura relativa all’uso di miscele di carta e cemento o carta, sabbia e cemento per la realizzazione di blocchi per edilizia. Presso il Politecnico di Milano sono stati condotti degli studi relativi alla possibilità di utilizzare questi materiali cercando di indagare prima in maniera qualitativa e successivamente in maniera strumentale le prestazioni meccaniche e termiche che hanno prodotto risultati molto diversi da quelli disponibili sul web.

Papercrete – miscela di carta e cemento

Note storiche

Il papercrete (ovvero carta-cemento dall’unione dei termini paper + concrete) fu inizialmente brevettato nel 1928, ma il brevetto non venne di fatto utilizzato, perché questo composto era estremamente facile ed economico da realizzare e modificare. Venne riscoperto nel 1983 dall’altra da alcune comunità di auto-costruttori, che ne sperimentarono l’utilizzo per la realizzazione delle loro abitazioni. 

In particolare, Mike McCain di Crestone in Colorado lo chiamò “fibrous- cement”, James Moon di Tucson, in Arizona, ha inventato la definizione “papercrete”, mentre Eric Patterson di Silver City nel 1990 ha sviluppato il “padobe” che si dall'altro per l’uso della terra come legante in sostituzione del cemento.

Prestazioni e uso del Papercrete

Il papercrete nasce come materiale per l’autorealizzazione di strutture edilizie di piccole dimensioni.

Economico, leggero per l’elevata presenza di alveoli, di facile produzione, non richiede attrezzature industriali per essere prodotto, facilmente lavorabile con semplici attrezzi manuali o meccanici è versatile e simile nell’uso ai comuni materiali edili. Può essere intonacato, forato, fresato e rivestito come un qualsiasi altro elemento in muratura.

Sono riportate delle discrete capacità isolanti (R=0,8 m2K/W per centimetro di spessore) e sempre dalle informazioni disponibili in rete si evince che la resistenza dei blocchi sia direttamente correlata alla percentuale di cemento presente nella miscela.

Un incremento delle prestazioni può dipendere dal tipo di carta utilizzata che quando presenta fibre lunghe “garantisce” una resistenza a trazione pari a quella a compressione (da letteratura 20 kg/cm²). Il cemento contribuisce a diminuire il ritiro nel processo di maturazione e migliora la resistenza al fuoco, poiché satura le fibre di carta e rallenta il processo di combustione.

Trattandosi di un materiale sperimentale la maggior parte delle costruzioni sono state realizzate negli ultimi 20 anni e non sono disponibili esperienze che diano informazioni precise rispetto alla sua durabilità e alle operazioni di manutenzioni necessarie.

Il papercrete è una miscela di carta, cartone, sabbia e cemento; questi ingredienti, con l’aggiunta di acqua, vanno a formare un composto omogeneo che asciugandosi può essere utilizzato per realizzare blocchi o pannelli o essere direttamente gettato in opera.

Il papercrete ha un contenuto di carta che va da un minimo del 50% fino all’80% (valori espressi in peso); i materiali base sono infatti l’acqua e diverse tipologie di carta. I quotidiani, il cartone, e tutte le tipologie di carta a bassa densità sono preferibili rispetto alla cara politenata degli imballaggi ed alle carte dei cataloghi e delle riviste che contengono sostanze difficilmente solubili in acqua. Il cemento è presente in percentuali ridotte, ma la sua presenza e quantità sono determinanti per la qualità del prodotto.

Sono state sperimentate anche miscele con 60% di carta, 30% di sabbia e solo 10% di cemento. Il basso contenuto di cemento garantisce migliori proprietà termiche, ma minore resistenza meccanica e il prodotto ottenuto viene spesso usato in sostituzione dei materiali isolanti.

Possibili utilizzi del papercrete

Con il papercrete, si possono ottenere blocchi di diverse dimensioni facilmente lavorabili con attrezzi d’uso comune.

È possibile, inoltre realizzare dei pannelli prefabbricati di dimensioni maggiori, utilizzando casseforme da calcestruzzo, facilitando in questo modo la costruzione. Il papercrete può essere gettato in opera o spruzzato su superfici con diversa giacitura.

In linea teorica il papercrete può essere utilizzato per realizzare strutture portanti di piccole dimensioni realizzando murature di spessore adeguato o più semplicemente come tamponamento di una struttura a telaio in legno.

Per la costruzione dei muri vengono generalmente utilizzati blocchi delle dimensioni volute (60 cm x 30 cm x 15 cm è la più utilizzata).

La parete si costruisce utilizzando lo stesso papercrete come malta tra i vari corsi per rendere la struttura monolitica facendo attenzione all’eventuale ritiro durante la posa dei corsi superiori (i blocchi asciutti sono igroscopici).

È possibile la prefabbricazione a piè d’opera di pannelli di medie dimensioni (250 cm x 120 cm x 25 cm), mentre dimensioni più grandi rendono difficile la movimentazione e non garantiscono l’asciugatura omogenea del materiale.

La realizzazione di pannelli isolanti di spessore variabile da applicare all’interno o all’esterno della struttura rappresenta un ulteriore diffuso utilizzo diffuso del papercrete.

Prima sperimentazione al Politecnico di Milano

Realizzazione dei provini

Sono stati realizzati dei provini in papercrete, creati con differenti miscele per analizzare i problemi riscontrabili nelle diverse fasi esecutive.

I provini sono stati quindi sottoposti a test pratici, per individuare le qualità del materiale, e a test meccanici in laboratorio (prova a compressione), per ricavare le effettive proprietà meccaniche. Si è verificata la possibilità di utilizzare questo materiale in un sistema costruttivo classico e di individuare delle alternative. Infine si sono evidenziati potenzialità e problemi e delle ipotesi di soluzione in un sistema di costruzione simile a quello tradizionale.

In una prima fase le prove hanno avuto un carattere empirico ma hanno comunque reso evidenti alcune peculiarità del materiale, potenzialità e limiti.

La serie di provini realizzata e riportata nella tabella che segue:

Test pratici sui provini

I test a cui sono stati sottoposti i provini possono essere suddivisi in: prove di lavorabilità e prove di resistenza.

Alla lavorabilità appartengono le prove fisiche effettuate da un operatore, come il taglio utilizzando strumenti differenti, oppure il fissaggio. Il secondo gruppo di prove ha considerato il comportamento al fuoco, le prove meccaniche e le prove di resistenza termica.

Test di comportamento al fuoco

Il test aveva lo scopo di verificare e valutare il comportamento del materiale se sottoposto all’esposizione diretta a una fiamma libera, evidenziando la reazione e il comportamento del provino nel tempo.

La prova è stata effettuata utilizzando un provino con miscela tipo F1 di dimensioni 20 x 20 cm e con spessore di 3 cm.

Un cannello a gas ha simulato l’esposizione diretta alla fiamma per 5 minuti durante i quali il provino non ha mostrato lo svilupparsi di fiamma. Successivamente il pannello di prova è stato fatto riposare all’aria per circa un’ora. Il materiale non ha prodotto una fiamma visibile, ma anche il lato che inizialmente appariva intatto si è disgregato per un processo di combustione interna.

La prova effettuata ha evidenziato la scarsa resistenza del materiale al fuoco se non adeguatamente protetto.

Test di ritenzione dei tasselli

Sono stati testati due tipi di tasselli in un provino di dimensioni 13x13x13 cm circa con una miscela standard 1:1; l’obiettivo è stato quello di individuare il comportamento di un tassello tradizionale, il secondo di tipo elicoidale. Una volta forato il materiale è stato inserito un tassello ad alette tipo “fisher” senza l’aiuto di strumenti. Il limite di resistenza è intorno ai 10 kg, carico oltre al quale il tassello tende a muoversi all’interno del foro.

Se si utilizza una tenaglia per estrarlo l’operazione risulta difficile, ma aumentando il movimento rotatorio il materiale intorno al foro si rompe e il tassello viene estratto con una certa facilità.

Una volta estratto il tassello risulta correttamente deformato con le alette di ancoraggio aperte.

La prova ha indicato una modesta capacità del supporto di ritenere i tasselli convenzionali.

Il tassello elicoidale è stato inserito nel provino in un foro di misura adeguata utilizzando una mazzetta di gomma; l’inserimento è risultato agevole mostrando una perfetta aderenza al supporto. La vite è stata fissata in modo da permettere l’aggancio del peso, fino a un carico di 15 Kg senza alcun segno di cedimento. Il tentativo di estrarre il tassello con una tenaglia ha mostrato l’impossibilità di farlo se non arrivando alla completa rottura del materiale.

La prova evidenzia quindi come l’utilizzo di tasselli elicoidali sia adeguato con il papercrete.

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Il pdf continua parlando di prove di carico con miscele con strisce di carta e cemento – Rapporto 1:1 e immissione acqua a spruzzo e  descrivendo il rotolo di papercrete in  polimesh.

Questo articolo è tratto dalle MEMORIE di CONCRETE 2022, sesta edizione della manifestazione

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