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Jul 07, 2023

Effetti di processi di miscelazione estesi sulle proprietà fresche, indurite e durevoli dei sistemi cementizi che incorporano ceneri volanti

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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6091 (2023) Citare questo articolo

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Le specifiche che corrispondono alle prestazioni del sistema possono garantire l'aggiunta di valore. La maggior parte delle specifiche per il calcestruzzo preconfezionato riguardano i limiti relativi al tempo di scarico e al numero di giri del tamburo dell'autocarro. Questi limiti sono stati sviluppati per il calcestruzzo convenzionale. Poiché gli usi di materiali cementanti supplementari (SCM) diventano onnipresenti, è importante determinare se queste specifiche sono applicabili agli SCM, cioè ai sistemi contenenti ceneri volanti. Questo articolo presenta i risultati degli effetti del tempo di miscelazione e del numero di giri del miscelatore sulle caratteristiche di paste e malte prodotte in laboratorio contenenti il ​​20% e il 50% di ceneri volanti. Le loro caratteristiche valutate includono concentrazioni di ioni variabili nel tempo, tempo di presa, flusso, resistenza a compressione, porosità e coefficiente di diffusività apparente del cloruro. I risultati indicano che con l’aumento del tempo di miscelazione e del numero di giri del miscelatore, le miscele con la sostituzione delle ceneri volanti mostrano migliori caratteristiche sia fresche che indurite. Quando miscelato per 60 minuti o 25.505 giri, le resistenze a compressione a 28 giorni delle miscele contenenti il ​​20% e il 50% di ceneri volanti sono dal 50% al 100% superiori rispetto al cemento puro. Si consiglia di adottare le ceneri volanti nei processi di miscelazione estesi dei sistemi cementizi.

Le ceneri volanti sono un sottoprodotto pozzolanico del processo di combustione del carbone utilizzato per generare elettricità. Attualmente, il processo di combustione del carbone rappresenta circa il 50-55% della produzione totale di energia negli Stati Uniti1,2. Circa il 75% dei sottoprodotti di questa operazione sono ceneri volanti3,4,5. Di conseguenza, si prevede che ogni anno vengano prodotti 500-550 milioni di tonnellate di ceneri volanti su scala globale6,7. Molti settori utilizzano le ceneri volanti, tra cui l’agricoltura e l’industria del cemento e del calcestruzzo. È stato riscontrato che l'utilizzo delle ceneri volanti nelle industrie del cemento e del calcestruzzo migliora le caratteristiche prestazionali dei prodotti idrati8,9. L'uso principale delle ceneri volanti per la produzione di moderni compositi di calcestruzzo, porta a nuove soluzioni innovative in questo campo, come nano materiali10, leganti quaternari e ternari11,12,13 e semi attivi14,15. Le nuove soluzioni innovative possono offrire prodotti in calcestruzzo personalizzati per varie applicazioni. Tuttavia, oltre il 70% delle ceneri volanti raccolte dalle centrali elettriche non viene utilizzato, il che rappresenta una grave sfida per lo smaltimento16,17. Gli impianti elettrici alimentati a carbone comportano spese aggiuntive a causa dello smaltimento delle ceneri volanti. Si prevede che il costo annuo sarà di circa 1,2 miliardi di dollari18. Pertanto, sono necessarie ulteriori ricerche e innovazioni che possano espandere l’uso delle ceneri volanti, in particolare nei settori del cemento e del calcestruzzo. Oltre a ridurre i costi di smaltimento, ciò può migliorare le caratteristiche prestazionali delle miscele di calcestruzzo.

Il calcestruzzo è la seconda sostanza più utilizzata al mondo, dopo l’acqua19. Sono stati compiuti sforzi significativi per limitare le emissioni di CO2 provenienti dai settori del cemento e del calcestruzzo a causa delle preoccupazioni ambientali. Tuttavia, le emissioni di CO2 di queste attività rimangono notevolmente elevate e sono necessari ulteriori sforzi. L’American Coal Ash Association (ACAA)20 ha calcolato che l’utilizzo delle ceneri volanti come fonte di materiale cementante supplementare (SCM) nel calcestruzzo può far risparmiare emissioni di CO2 da 10 a 14 tonnellate/anno solo negli Stati Uniti. La sostituzione parziale delle ceneri volanti non solo può promuovere la sostenibilità riducendo le emissioni di CO2, ma diminuisce anche le spese associate alla produzione di calcestruzzo e allo smaltimento delle ceneri volanti. Le regole della Federal Highway Administration (FHWA) incoraggiano i sistemi di calcestruzzo contenenti ceneri volanti. Ciò è particolarmente vero quando il prezzo del calcestruzzo costituito da ceneri volanti è paragonabile o inferiore a quello del calcestruzzo di cemento Portland (PCC)21. Pertanto, non tutto il cemento dovrebbe essere sostituito con ceneri volanti in una determinata miscela. Oltre ai vantaggi ambientali ed economici, è riconosciuto che la sostituzione del cemento Portland (PC) con le ceneri volanti migliora le proprietà fresche e le prestazioni indurite del prodotto idratato. Essendo un materiale pozzolanico, l'idrossido di calcio (Ca(OH2)) può essere fatto reagire per produrre idrati di silicato di calcio che aumentano la resistenza (CS–H). Questi idrati determinano una zona di transizione interfacciale (ITZ) addensata e microstrutture del calcestruzzo migliorate all'interfaccia tra pasta di cemento e aggregati22,23. Di conseguenza, le prestazioni dei sistemi in calcestruzzo che incorporano ceneri volanti possono essere superiori a quelle dei sistemi in calcestruzzo convenzionali, e questo può includere il calcestruzzo preconfezionato.