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Si può produrre calcestruzzo di qualità con il 100% di aggregati di riciclo da gomma per pneumatici ?

La ricerca sull'uso di prodotti da riciclo per abbattere l'impronta di carbonio del calcestruzzo è attiva in tutto il mondo e alcune soluzioni sono studiate da team di diverse università. Uno dei temi oggetto di maggiore attenzione, anche per l'enorme disponibilità di materie prima seconde, è quello della sostituzione degli aggregati con materiali provenienti dalla gomma per pneumatici. Su INGENIO ne abbiamo già scritto più volte, ecco un'altra ricerca appena pubblicata.

Calcestruzzo con aggregati di riciclo da pneumatici

Ad oggi i dati riguardanti il riciclo dei pneumatici esausti (PFU pneumatici fuori uso) - in Italia e in Europa - è abbastanza soddisfacente. 

In Italia, per esempio, sono circa 400 mila tonnellate i pneumatici nuovi montati sui mezzi di trasporto. I dati forniti dal report "L’Italia del Riciclo 2020" di Fondazione per lo Sviluppo Sostenibile e FISE UNICIRCULAR ci evidenziano che circa il 90% dei PFU sono raccolti e gestiti. Di questi, la gestione consortile (ECOPNEUS e ECOTYRE) tratta circa l’88% del totale (308.473 tonnellate) dei PFU raccolti. Questi PFU per un 57%sono avviati a recupero di materia (economia circolare) sul totale dei materiali recuperati, e il restante 43%è avviata a recupero di energia come combustibili, prevalentemente in impianti di produzione del cemento.

Per quanto riguarda il riuso, 151.143 sono le tonnellate di materie prime secondarie recuperate dai PFU, di cui 120.236 tonnellate di gomma (80%), 28.515 di acciaio (19%) e 2.392 tonnellate di tessile (1%). I principali mercati di sbocco del polimero di gomma riciclato dagli PFU sono le infrastrutture sportive, i manufatti e le pavimentazioni stradali.

Numeri simili in Europa, dove più del 92% viene riciclato e solo il 7% finisce in discarica (dati ETRMA Associazione Europea dei Produttori di Pneumatici e Articoli in Gomma).

Nel mondo i dati sono sensilmente peggiori. Ogni anno a livello globale vengono generati circa 1,5 miliardi di gomme per pneumatici di scarto (Saberian e Li, 2019). Un numero in crescita: si prevede che raggiungerà infatti circa 5 miliardi all'anno entro il 2030 (Thomas e Gupta, 2016). Attualmente, circa 4 miliardi di rifiuti di gomma per pneumatici sono presenti nelle discariche e nelle scorte di tutto il mondo (Danon et al., 2015). La sola Australia ha smaltito circa 51 milioni di pneumatici di scarto ogni anno (Li et al., 2018) e si prevede che questo numero aumenterà di conseguenza con la continua espansione della popolazione.

Un chiaro esempio di economia circolare, e di come anche uno pneumatico ormai giunto a fine carriera possa dare ancora tanto, all'industria automotive ma non solo.

Ecco perchè da alcuni anni presso diversi poli accademici e industriali sono in corso ricerche approfondite per cercare varie applicazioni dei rifiuti di gomma per pneumatici, e in particolare nell'industria del calcestruzzo, al fine migliorarne il tasso di riutilizzo e aumentare significativamente l'assorbimento di questo materiale di scarto. Ricerca finallizzata soprattutto a risolvere un problema prestazionale: la bassa resistenza e l'adesione scarsa tra gli aggregati di gomma e la matrice cementizia ne stanno ostacolando l'applicazione nell'industria del calcestruzzo.

Su Ingenio abbiamo pubblicato spesso articoli riguardanti queste ricerche. Oggi abbiamo individuato un nuovo studio, realizzato in Australia, di cui riportiamo una sintesi e il link alla pubblicazione integrale.

 


Metodo di progettazione e ottimizzazione della resistenza per la produzione di calcestruzzo strutturale leggero

Un'indagine sperimentale per la sostituzione completa degli aggregati grossolani convenzionali con particelle di gomma di scarto

Questo documento introduce un metodo innovativo di precompressione degli aggregati di gomma più grossolani (RA) per affrontare e risolvere le limitazioni riscontrate in altre ricerche e che è possibile trovare in letteratura.

I ricercatori sono stati sono partiti con la prospettiva di indagare gli usi alternativi delle gomme dei pneumatici di scarto ed esplorare misure sostenibili. In precedenza avevano utilizzato la gomma di scarto come mollica di gomma (Mehdipour et al., 2020), trucioli di gomma (Bompa ed Elghazouli, 2019) e cenere di gomma per pneumatici (Al-Akhras e Smadi, 2004) nel calcestruzzo convenzionale per sostituire l'aggregato fine, grossolano rispettivamente aggregato e cemento.

Tuttavia, l'inclusione della gomma aveva portato a scarse prestazioni del calcestruzzo (Wang et al., 2019) ed erano stati osservati riduzioni della resistenza alla compressione e alla rottura di circa l'85% e il 50% con la sostituzione del 100% dell'aggregato grezzo naturale (NCA) con rifiuti di gomma (Siddique e Naik, 2004). Allo stesso modo, la riduzione del 65% e del 50% era stata osservata rispettivamente per la resistenza alla compressione e alla rottura per la sostituzione del 100% di NCA con gomme crumb (Siddique e Naik, 2004).

Hernández et al. (2020) aveva riferito che la riduzione della resistenza in RuC dipendeva in modo significativo dalle dimensioni e dalla quantità di granulare di gomma aggiunto nel calcestruzzo.

I ricercatori hanno cercato di sviluppare le prestazioni di RuC adottando vari metodi di pretrattamento per le particelle di gomma di scarto in termini di trattamenti fisici e chimici (Rostami et al., 2000; Abd-Elaal et al., 2019).

Alcuni ricercatori hanno riferito che il lavaggio della gomma con acqua potrebbe aumentare leggermente la resistenza alla compressione del RuC rispetto alla gomma non trattata (Najim e Hall, 2013; Youssf et al., 2020).

Il pre-rivestimento di particelle di gomma con pasta di cemento è un altro metodo fisico per migliorare la resistenza di RuC (Kashani et al., 2018). Questa procedura migliora l'elasticità delle particelle di gomma, riduce la differenza del modulo elastico tra la matrice di cemento e la superficie della gomma e diminuisce l'ulteriore concentrazione di sollecitazioni in RuC (Huang et al., 2013).

Tuttavia, il pre-rivestimento di parti di gomma con pasta cementizia non è sempre efficace nell'aumentare la forza di RuC (Zhang e Poon, 2018).

Un altro metodo, ovvero il metodo di trattamento superficiale, è stato applicato per migliorare le prestazioni di RuC, in cui la superficie delle particelle di gomma è stata trattata con vari prodotti chimici prima della colata. Tra questi metodi di pretrattamento, il trattamento superficiale con NaOH è considerato il più efficace (Guo et al., 2017) per le sue funzioni di agente per aumentare la rugosità della superficie della gomma e di detergente per sporco pesante. Il pretrattamento della soluzione di NaOH può aiutare ad aumentare la resistenza fino al 17% rispetto alle particelle di gomma non trattate in RuC (Youssf et al., 2016).

Anche in questo caso, però, il trattamento delle superfici in gomma con NaOH potrebbe non essere sempre efficace. Marchesi et al. (2008) hanno riportato che la soluzione di NaOH ha diminuito la forza o non ha modificato significativamente la forza di RuC.

Recentemente, Wu et al. (2020) hanno sviluppato un metodo di colata in cui NCA è stato sostituito dallo 0% al 100% con contenuto di gomma scheggiata di scarto per produrre RuC. Il loro studio ha un ambito di lavoro molto limitato e sono necessari studi più ampi prima che questo metodo di fusione possa essere applicato nella pratica ingegneristica.

La sostituzione parziale (˃5%) dell'aggregato grosso convenzionale in NSC (Ganjian et al., 2009) con aggregati di gomma grossolana (RA) può causare una distribuzione non uniforme degli aggregati grossolani, portando a sorprendenti cedimenti o crepe del calcestruzzo.

Le particelle di gomma possiedono un peso specifico inferiore rispetto ai tradizionali aggregati grossolani, come graniti, calcare e arenaria (Alexander e Mindess, 2005) e la loro implementazione incorporata in RuC può causare l'accumulo di particelle di gomma nella parte superiore dello stampo di colata per un w /c rapporti (Khorrami et al., 2010; Huemer et al., 2001).

Un fenomeno simile è stato riportato anche in un altro studio (Ganjian et al., 2009), in cui le particelle di gomma si sono spostate sulla superficie superiore dello stampo quando compattate/vibrate a causa del loro peso specifico inferiore rispetto agli aggregati naturali grossolani.

Inoltre, gli aggregati grossolani convenzionali sono materiali fragili e reagiscono in modo diverso dalle particelle di gomma quando sono soggetti a carichi di compressione. Ad esempio, gli aggregati grossolani tradizionali esercitano resistenza al carico di compressione applicato (Vasconcelos et al., 2009), mentre le particelle di gomma più grossolane mostrano deformazioni elastiche (Rivlin e Saunders, 1997).

Quindi, queste caratteristiche contraddittorie dissuadono l'implementazione cooperativa di questi due materiali nella produzione concreta.

 

Sostituzione completa degli aggregati: ancora ricerche limitate

Sebbene siano stati condotti ampi lavori di ricerca per migliorare la forza di RuC; tuttavia, vi è una conoscenza limitata per la sostituzione completa (100%) degli aggregati naturali grossolani (NCA) con RA come aggregati grossolani alternativi nella produzione di calcestruzzo. Ad oggi, ne consegue, non esiste un metodo disponibile nella letteratura esistente che possa essere implementato nella produzione del calcestruzzo strutturale leggero (SLWC) con il 100% di contenuto di gomma di scarto come aggregato grosso. 

Come già evidenziato, la letteratura attuale è limitata ai pretrattamenti fisici e chimici dei rifiuti di gomma dei pneumatici, mentre questi metodi sono vulnerabili alla fonte e alla composizione delle particelle di gomma (Y. Li et al., 2019; Y. Li et al., 2019; Mohammadi et al., 2019; Mohammadi et al. al., 2016).

Lo studio svolto in Australia assume quindi una grande importanza. 

Basandosi sulla ricerca condotta dai loro colleghi, gli scienziati della RMIT University australiana hanno stabilito che il problema di incollaggio è dovuto alla porosità della gomma del pneumatico. Più precisamente, i pori della gomma si riempiono d'acqua quando il calcestruzzo viene inizialmente miscelato, ma questi pori diventano semplicemente dei vuoti nell'interfaccia gomma/cemento una volta che l'acqua evapora e il calcestruzzo si solidifica.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno iniziato a sperimentare miscele in cui tutto l'aggregato era costituito da particelle di pneumatici, quindi hanno posizionato quel calcestruzzo in speciali stampi di acciaio mentre si stava indurendo. Questi stampi esercitavano una pressione sul calcestruzzo, comprimendo le particelle ei pori al loro interno.

Di conseguenza, una volta che il calcestruzzo si era asciugato e indurito, il cemento si legava molto meglio alle particelle di pneumatico "precaricate".

La ricerca svolta in Australia introduce quindi alcune novità, in particolare due impianti di stampaggio di nuova concezione per aumentare la resistenza di RuC senza considerare pretrattamenti complessi, dispendiosi in termini di tempo e non convenienti.

Il nuovo metodo analizzato, peraltro è indipendente dallla composizione chimica e l'origine della gomma. Ancora più importante, questi impianti di stampaggio sono stati progettati in modo da migliorare significativamente la resistenza RuC insieme ad altre proprietà meccaniche per la sostituzione del 100% di NCA con particelle di gomma.

Sono state colate tre diverse miscele di calcestruzzo per la sostituzione del 100% di NCA con diverse dimensioni delle particelle di gomma.

 

Si può produrre calcestruzzo di qualità con il 100% di aggregati di riciclo da gomma per pneumatici ?

Design and strength optimization method for the production of structural lightweight concrete: An experimental investigation for the complete replacement of conventional coarse aggregates by waste rubber particles - from sciencedirect.com

 

Le miscele di calcestruzzo erano composte da tre diverse variabili, come due diverse dimensioni delle particelle di gomma, aggiunta di fibre di acciaio e campioni di calcestruzzo regolare e compresso. Le densità del calcestruzzo fresco e secco sono state determinate per ciascuna miscela di calcestruzzo. Inizialmente, è stato condotto uno studio analitico sui comportamenti microstrutturali per evidenziare le migliori proprietà di adesione nella zona di transizione interfacciale (ITZ) per il calcestruzzo strutturale leggero (SLWC) di nuova concezione.

Sono state determinate le proprietà meccaniche, ovvero resistenza alla compressione, resistenza alla rottura, resistenza alla flessione e modulo di elasticità.  Per valutare le prestazioni meccaniche sono state eseguite densità, analisi SEM-EDS, resistenza alla compressione, resistenza alla rottura, resistenza alla flessione e modulo di elasticità.

I risultati sperimentali mostrano che questo nuovo metodo di precarico può portare un aumento massimo del 97%, 59% e 20% della resistenza alla compressionealla flessione e alla trazione rispetto a quella del normale RuC.

Inoltre, fornisce un miglioramento significativo nella zona di transizione interfacciale tra la matrice e le RA.

Infine questo studio dimostra le efficienti procedure di riciclaggio scientifico nella produzione del RuC con una resistenza alla compressione massima di 18 MPa (densità di 2.000 kg/mc)

"Poiché la maggior parte del calcestruzzo tipico è costituita da aggregati grossolani, la sostituzione di tutto questo con la gomma usata per pneumatici può ridurre significativamente il consumo di risorse naturali e affrontare anche la principale sfida ambientale relativa a cosa fare con gli pneumatici usati", ha affermato il coautore dello studio e capogruppo, Prof. Jie Li.

"I risultati mostrano chiaramente che il cemento di gomma sbriciolata è un'alternativa praticabile e promettente al calcestruzzo convenzionale nel mercato del calcestruzzo residenziale", ha affermato l'altro autore dello studio, il professor Yan Zhuge. "Raccomandiamo vivamente che l'industria del calcestruzzo consideri il calcestruzzo di gomma sbriciolata come un'alternativa sostenibile al calcestruzzo convenzionale nelle costruzioni residenziali rinforzate in Australia".

Nello studio sono stati affrontati anche temi non solo tecnici: il rapporto costo-efficacia, l'ecoefficienza e le applicazioni del nuovo SLWC.


Design and strength optimization method for the production of structural lightweight concrete: An experimental investigation for the complete replacement of conventional coarse aggregates by waste rubber particles

Mohammad Momeen Ul Islam, Jie Li Yu-Fei Wu Rajeev Roychand Mohammad Saberian

Discipline of Civil and Infrastructure Engineering, School of Engineering, RMIT University, Melbourne, 3000, Victoria, Australia

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