Silica Fume e Ceneri Volanti: nuove prospettive dalla ricerca per i nodi degli edifici a telaio in calcestruzzo armato

Su Nature è stato di recente pubblicato un articolo che può essere di particolare interesse per chi si occupa di ingegneria strutturale e tecnologia dei materiali per le costruzioni in cemento armato.

L'articolo, intitolato "Experimental investigation on the effect of nano-silica on reinforced concrete Beam-column connection subjected to Cyclic Loading", è stato redatto da un team di esperti: G. Shyamala, B. Hemalatha, Yuvarajan Devarajan, Chairma Lakshmi, Dinesh Babu Munuswamy e Nandagopal Kaliappan.

Una breve descrizione della ricerca

La ricerca si concentra sull'effetto della nano-silice in combinazione con le ceneri volanti nelle connessioni trave-colonna in calcestruzzo armato, un elemento strutturale critico che trasmette carichi significativi all'interno delle strutture.

I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di nano-silice (silica fume) in combinazione con le ceneri non solo riduce l’impronta di carbonio, aumenta la resistenza a compressione e flessione del calcestruzzo, ma migliora anche la resistenza ai cicli di carico.

La ricerca ha coinvolto la realizzazione di diversi campioni di giunzioni trave-colonna in calcestruzzo armato, alcuni dei quali contenevano cenere volante, altri una combinazione di nano-silice e cenere volante, e un campione con solo nano-silice. Questi sono stati poi sottoposti a carichi ciclici per testarne la resistenza e la durabilità.

Il team ha osservato che "a gradual increase in fly ash decreased the compressive and flexural strength of the beam-column joints", un problema che è stato affrontato aggiungendo il 2,5% di nano-silice. Hanno scoperto che la nano-silice "acts as a nucleus to bond tightly with cement particles during hydration", migliorando la resistenza e l'integrità complessiva delle giunzioni trave-colonna.

Un punto chiave della ricerca è che l'aggiunta di nano-silice al 2,5% e cenere volante al 60% ha prodotto una resistenza flessionale equivalente a quella di un campione di controllo e, ovviamente, un minore impatto sulla produzione di CO2. Inoltre, è stato osservato che "the highest loading of 38.1 kN can be applied to the specimen with nano-silica without fly ash", suggerendo un potenziale significativo per l'uso della nano-silica nella costruzione.

Tuttavia, i ricercatori avvertono che "although a higher axial compression ratio can improve the bearing capacity and initial stiffness, it can also reduce deformation capacity and flexibility", indicando la necessità di un equilibrio nella formulazione del calcestruzzo.

Questa scoperta apre nuove prospettive per la costruzione e la manutenzione di strutture in calcestruzzo armato, indicando la via verso materiali più durevoli e resistenti che possono sostenere carichi maggiori e offrire una maggiore longevità.

Vediamo con maggiore dettaglio la pubblicazione.

Introduzione

Il rilascio di anidride carbonica è una delle cause del riscaldamento globale.

Una soluzione potrebbe essere la riduzione dell'uso di cemento nell'industria edile, sostituendolo parzialmente con la cenere volante, che è un sottoprodotto industriale. Tuttavia, l'aggiunta di cenere volante riduce la resistenza iniziale del calcestruzzo. L'impiego di nanomateriali, come la nano-silice, può migliorare le prestazioni del calcestruzzo, aumentandone la resistenza e la durabilità, con il supporto dell’uso di appropriati superfluidificanti.

I vantaggi dell'uso della nano-silice in combinazione con la cenere includono una maggiore densità della pasta di cemento, una riduzione dell'assorbimento d'acqua e la diminuzione del numero di vuoti, e quindi, un miglioramento delle proprietà di durabilità del calcestruzzo, rendendolo adatto per progetti di costruzione su larga scala.

In aree soggette a forti terremoti, è essenziale progettare strutture con una buona resistenza sismica.

La giunzione trave-colonna, un punto critico nelle strutture in calcestruzzo armato, deve essere progettata per resistere a forti sollecitazioni. L'aggiunta di nano-silice con le ceneri volanti può rafforzare queste giunzioni, migliorando la resistenza, la duttilità e la stabilità complessive della struttura.

L'obiettivo principale di questo studio è determinare gli effetti della nano-silice, da sola e in combinazione con le ceneri volanti, sulle connessioni trave-colonna in calcestruzzo armato sottoposte a carico ciclico. Questa ricerca ha esplorato come la nano-silice possa influenzare la performance e il comportamento di questi elementi strutturali cruciali sotto condizioni di carico ciclico, un aspetto fondamentale e specialistico nell'ingegneria strutturale.

Conclusioni

Lo studio ha indagato le prestazioni delle giunzioni trave-colonna con nano-silice sottoposte a carichi ciclici e ha riportato questi risultati.

Si è riscontrato che, aumentando il livello di cenere volante nel calcestruzzo, la resistenza flessionale aumenta fino a una certa percentuale (20-40%), per poi diminuire. L'incremento graduale di cenere volante ha causato un allungamento dei tempi di presa e uno sviluppo più lento della resistenza, risultando in una minore resistenza nelle prime fasi e in ritardi nella costruzione.

Da osservazioni pratiche, è emerso che un aumento di cenere volante riduce la lavorabilità del calcestruzzo.

Al contrario, l'aumento della nano-silice migliora la qualità flessionale e la lavorabilità. Dai grafici, risulta che i campioni FN20 e FN40 presentano la massima resistenza del cemento. È stato osservato che il campione FN60 cede sotto un carico laterale massimo di 19 kN, che è di 4 kN superiore rispetto al campione di controllo.

Pertanto, con l'aumento del carico sismico, la resistenza a trazione dell'acciaio nei composti di nano-silice risulta inferiore rispetto ai composti di cenere volante.

Sebbene i carichi sismici non influenzino direttamente la resistenza a trazione dei materiali, possono generare carichi ciclici nelle strutture in caso di terremoti. Studiare la risposta dei materiali, in particolare dei composti di nano-silice e cenere volante, a carichi ripetuti è fondamentale per garantire durabilità e sicurezza delle strutture in aree sismiche.

Comprendere approfonditamente come i materiali reagiscono ai carichi ciclici è essenziale nella progettazione di strutture e infrastrutture resistenti ai terremoti.

L'uso di questi materiali può portare a un significativo aumento del carico di snervamento. Data la minima usura, si consiglia questo tipo di legante per condizioni particolari, come rifugi, magazzini, serbatoi petroliferi e strutture industriali pesanti.

In sostanza si dimostra come la conoscenza della tecnologia dei materiali sia alla base per una corretta progettazione delle strutture, in particolare in zona sismica.

Nel caso specifico la ricerca mette in evidenza come l’uso di due prodotti di scarto dell’industria possa non solo ridurre l’impronta di CO2 del calcestruzzo, ma anche migliorare le performance dei nodi di collegamento travi - pilastri delle strutture in calcestruzzo armato.

Fonte articolo completo: 

Experimental investigation on the effect of nano-silica on reinforced concrete Beam-column connection subjected to Cyclic Loading

DOI
https://doi.org/10.1038/s41598...