Ottimizzazione delle prestazioni sismiche nei rifiuti di calcestruzzo fibrorinforzato mediante il metodo TOPSIS

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8204 (2023) Citare questo articolo

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Per un ambiente sostenibile e per affrontare il problema dell’inquinamento, i rifiuti industriali possono essere utilizzati nei materiali compositi in calcestruzzo. Ciò è particolarmente vantaggioso in luoghi soggetti a terremoti e temperature più basse. In questo studio, cinque diversi tipi di fibre di scarto come scarti di poliestere, scarti di gomma, scarti di lana di roccia, scarti di fibra di vetro e scarti di fibra di cocco sono stati utilizzati come additivo nello 0,5% 1% e nell'1,5% in massa nella miscela di calcestruzzo. Le proprietà relative alle prestazioni sismiche dei campioni sono state esaminate attraverso la valutazione della resistenza a compressione, resistenza alla flessione, resistenza all'impatto, resistenza alla trazione divisa e conduttività termica. I risultati hanno mostrato che la resistenza all'urto del calcestruzzo è notevolmente migliorata con l'aggiunta di rinforzi in fibra nel calcestruzzo. La resistenza alla trazione divisa e la resistenza alla flessione sono state significativamente ridotte. La conduttività termica è stata influenzata anche dall'aggiunta di rifiuti fibrosi polimerici. È stata eseguita l'analisi microscopica per esaminare le superfici fratturate. Per ottenere il rapporto di miscelazione ottimale, è stata utilizzata la tecnica di ottimizzazione a risposta multipla per determinare il livello desiderato di resistenza all'urto a un livello accettabile di altre proprietà. I rifiuti di gomma sono risultati essere l’opzione più interessante, seguiti dai rifiuti di fibra di cocco per l’applicazione sismica del calcestruzzo. La significatività e il contributo percentuale di ciascun fattore sono stati ottenuti mediante l'analisi della varianza ANOVA (α = 0,05) e un grafico a torta che ha mostrato che il fattore A (tipo di fibra di scarto) è il contributore principale. Il test di conferma è stato effettuato sui materiali di scarto ottimizzati e sulla loro percentuale. La tecnica della somiglianza dell'ordine preferenziale con la soluzione ideale (TOPSIS) è stata utilizzata per i campioni sviluppati per ottenere la soluzione (campione) più vicina all'ideale in base al peso e alla preferenza specificati per il processo decisionale. Il test di conferma dà risultati soddisfacenti con un errore del 6,68%. È stato stimato il costo del campione di riferimento e del campione di cemento rinforzato con gomma di scarto, da cui è emerso che è stato ottenuto un volume maggiore dell'8% con il cemento fibrorinforzato di scarto a circa lo stesso costo del calcestruzzo puro. Il calcestruzzo rinforzato con contenuto di fibre riciclate è potenzialmente vantaggioso in termini di riduzione al minimo dell’esaurimento delle risorse e dei rifiuti. L'aggiunta di scarti di fibre polimeriche nel composito di calcestruzzo non solo migliora le proprietà relative alle prestazioni sismiche, ma riduce anche l'inquinamento ambientale derivante da materiali di scarto che non hanno altro utilizzo finale.

Le preoccupazioni ambientali e l’efficienza energetica sono le due principali questioni dell’era attuale. Il calcestruzzo è il secondo materiale più utilizzato al mondo1. Secondo un rapporto del World Business Council, ogni anno vengono utilizzate 3,8 tonnellate di calcestruzzo pro capite2. L'uso di cemento in grandi quantità ha gravi effetti sull'ambiente perché la produzione di materiale calcestruzzo provoca l'emissione di anidride carbonica (CO2) e il cemento ha un alto livello di tossicità, dannoso per la vita umana. La produzione di cemento provoca il 7% delle emissioni globali di CO2 provocate dall’uomo in tutto il mondo3. A causa della natura non ecologica del cemento, i ricercatori stanno studiando materiali alternativi che possano essere sostenibili. Esistono molti tentativi per superare questo problema. Una delle opzioni è quella di sostituire completamente i componenti in calcestruzzo con altri materiali, ma la sostituzione completa non è possibile perché il calcestruzzo presenta indiscutibili vantaggi. La sostituzione parziale dei componenti in calcestruzzo con altri materiali rispettosi dell'ambiente rappresenta una soluzione pratica a questo problema. Il calcestruzzo presenta anche altri inconvenienti come fessurazioni, fuoriuscite e fragilità oltre ad essere non ecologico. Il calcestruzzo puro ha una resistenza alla trazione debole, sebbene abbia un'elevata resistenza alla compressione. Al fine di prevenire il disastro ambientale derivante dall’uso su larga scala del cemento, le industrie del calcestruzzo sono interessate a ridurre le emissioni di CO2, a riciclare le risorse e a sviluppare materiali durevoli alternativi. Il cemento fibrorinforzato (FRC) è uno dei metodi più economici e durevoli per l’industria edilizia moderna poiché le fibre di scarto vengono utilizzate per la sostituzione parziale del cemento per fornire le prestazioni sismiche richieste riducendo al minimo i costi. L’utilizzo di fibre/rifiuti porta alla riduzione del consumo di cemento che aiuta nella costruzione di alloggi a prezzi accessibili. Molte tonnellate di rifiuti vengono prodotte dalle industrie che non hanno alcun utilizzo finale. La decomposizione naturale di questi materiali di scarto richiede molto tempo e questo tipo di rifiuti rimane in discarica. Tali rifiuti industriali includono poliestere, gomma, cotone, plastica, lana di roccia, fibre di vetro, nylon, ecc. La decomposizione del poliestere richiede quasi 20-200 anni, per la gomma impiega 50-80 anni, la lana di roccia richiede 1-5 anni e il vetro le fibre impiegano 4000–5000 anni. Questo tipo di rifiuti industriali può essere utilizzato come rinforzo nelle industrie edili. L’utilizzo dei rifiuti in edilizia è un buon passo avanti verso un’edilizia eco-compatibile. Molti ricercatori stanno lavorando sull’utilizzo di questo tipo di rifiuti nel settore edile4,5,6.