Studio del comportamento di nuovi calcestruzzi sostenibili ed innovativi ottenuti dal riciclo di rifiuti plastici (PET) ed aggregati di demolizione

The long-term response to the sustainability challenge of building materials entails a substantial reduction of the wasteful natural and material resources consumption. In this scenario, the recycling of waste materials is coherently inserted in the strategy of developing innovative systems for the production and distribution of sustainable energy. To reference at a commercially promising sector such as that of aggregates derived from waste and scraps for the produce cement mixtures, the studies carried out have outlined two philosophies of approach: the exogenous process that involves the recycling of urban waste, specifically post-consumer plastics, and the endogenous process which involves the direct crushing of waste deriving from construction and demolition activities. The present dissertation aims to offer an innovative contribution to extend the frontiers of knowledge in the field of construction materials involving the use of waste products, through the development of large experimental studies, numerical simulations of the mechanical response and the proposal of new possible structural and architectural applications. The methodological principle that has guided the development of the entire research activity is to minimize the environmental impact deriving from construction activity and industrial processes, limiting the continuous consumption of raw materials and ensuring different expected performance levels of the product. In detail, the study focuses on the addition/replacement of recycled fibers and/or aggregates, such as consisting of polyethylene terephthalate (PET) waste plastics in the form of reinforcing fibers, and construction and demolition waste (CDW) in the form of recycled aggregate within the traditional mixture. A careful state of the art analysis with bibliographical references relating to studies conducted on innovative and eco-sustainable concretes, it allowed to study the structural response of PET-fiber-reinforced concrete (FRC) elements and to investigate the influence of the waste materials presence in the composition of the cement mixture. The recycled PET fibers reinforcement, commonly used to improve the concrete ductility, have been used in addition to cement mixtures (premixed screeds). The results of the extensive experimental campaign conducted show the influence of the material on the mechanical and thermo-acoustic properties and it allowed to evaluate its feasibility in non-structural applications. In the context of the recycled fibers application as concrete reinforcement, although experimental evidence has shown the effectiveness of the PET-fiber-reinforced material (FRC) to improve the tensile performance, currently, prediction models of post-cracking behavior are not available. The validity of this concrete reinforcement was simulated by proposing a prediction model of the constitutive tensile stress-strain response of the material containing different percentages of PET. At the same time, the waste material consisting of CDW was implemented within the target concrete to replace the natural aggregate. Waste aggregates of different nature, composition and treatment were used to evaluate the mechanical characteristics and the physical properties related to the durability of the concrete with recycled aggregates (RAC). Different substitution ratios (from 20% to 100%), higher than those required by the main international standards on structural concrete, were applied in three concretes with different strength classes. The focus of the research sees its complete resolution in the last part of the dissertation with the implementation of both types of analyzed techniques, i.e., the endogenous and the exogenous one. In fact, the addition of recycled fibers obtained from the reuse of polypropylene (PP) bags and the replacement of natural aggregates with recycled inside the concrete mix, allowed to evaluate the influence of this technique on the mechanical properties. The results of the tests carried out reveal that with a correct design it can be safe and feasible to apply recycled waste in concrete in order to obtain a material defined as structurally performing in civil engineering. All the results obtained have been summarized and discussed in the section dedicated to the conclusions. The presented research represents a contribution that aims to enhance and bring out the potential of the techniques investigated and provide the basis for a theoretical and analytical study that allows the development and distribution of models for a design aimed at enhancing eco-sustainability.

La risposta a lungo termine alla sfida di sostenibilità dei materiali da costruzione comporta una sostanziale riduzione del dispendioso consumo di risorse naturali e materiali. In questo scenario, il riciclo di materiali di scarto si inserisce coerentemente nella strategia di sviluppo di sistemi innovativi per la produzione e la distribuzione di energie sostenibili. In particolare, con riferimento a un settore commercialmente promettente quale quello degli aggregati derivati da rifiuti, scarti e simili, per la produzione di impasti cementizi, gli studi condotti vedono delineate due filosofie di approccio: il processo esogeno che prevede il riciclo di rifiuti urbani, nello specifico plastiche post-consumo, ed il processo endogeno che prevede la frantumazione diretta di rifiuti derivanti da attività di costruzione e demolizione. La presente dissertazione mira ad offrire contributi innovativi per ampliare le frontiere della conoscenza nel campo dei materiali da costruzione che coinvolgono l’utilizzo di prodotti di scarto, mediante lo sviluppo di ampi studi sperimentali, simulazioni numeriche della risposta meccanica e la proposta di nuove possibili applicazioni strutturali ed architettoniche. Il principio metodologico che ha guidato lo sviluppo dell’intera attività di ricerca è quello di ridurre al minimo l’impatto ambientale derivante dall’attività edilizia e dai processi industriali, limitando il continuo consumo di materie prime e garantendo diversi livelli prestazionali attesi del prodotto. Nel dettaglio, la studio si concentra sull'aggiunta/sostituzione di fibre e/o aggregati riciclati, quali plastiche di scarto costituite da polietilene tereftalato (PET) nella forma di fibra da rinforzo, e rifiuti di costruzione e demolizione (CDW) nella forma di aggregato riciclato all’interno della tradizionale miscela. Un’approfondita analisi dello stato dell’arte, accompagnata da riferimenti bibliografici relativi a studi condotti su calcestruzzi innovativi con carattere eco-sostenibile, ha permesso di studiare la risposta strutturale di elementi in calcestruzzo fibro-rinforzato (FRC) con PET e di indagare l’influenza della presenza di materiali di scarto, nella composizione della miscela cementizia. Le fibre da rinforzo in PET riciclato, comunemente utilizzate per conferire maggiore duttilità al calcestruzzo, sono state impiegate in aggiunta a miscele di cemento (massetti premiscelati). I risultati dell’ampia campagna sperimentale condotta hanno permesso di valutare l’influenza sulle proprietà meccaniche e termo-acustiche del materiale e valutarne la fattibilità in applicazioni non strutturali. Nell’ambito dell’applicazione delle fibre riciclate come rinforzo del calcestruzzo, seppure l’evidenza sperimentale abbia mostrato la efficacia del materiale fibro-rinforzato (FRC) con PET nel migliorare le prestazioni meccaniche a trazione, ad oggi, non sono disponibili modelli di previsione del comportamento post-fessurativo. La validità di tale rinforzo per le miscele cementizie è stata simulata proponendo un modello di previsione del legame costitutivo a trazione di calcestruzzi contenenti diverse percentuali di PET. Parallelamente, il materiale di scarto costituito da CDW è stato implementato all’interno di calcestruzzi target in sostituzione dell’aggregato naturale. Aggregati di scarto di differente natura, composizione e trattamento sono stati utilizzati per valutare le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo con aggregati riciclati (RAC) e le proprietà fisiche legate alla durabilità del materiale. Differenti rapporti di sostituzione (dal 20% al 100%), superiori a quelli previsti dalle principali norme internazionali sul calcestruzzo strutturale, sono stati applicati in tre calcestruzzi con differente classe di resistenza. Il focus della ricerca vede la sua completa risoluzione nell’ultima parte della dissertazione con l’implementazione di entrambe le tipologie di tecniche analizzate, quella endogena e quella esogena. Infatti, l’aggiunta di fibre riciclate ottenute dal riutilizzo di sacchi in Polipropilene (PP) e la sostituzione di aggregati naturali con detriti riciclati all’interno della miscela di calcestruzzo, hanno permesso di valutare l’influenza di tale tecnica sulle proprietà meccaniche del materiale. I risultati dei test condotti rivelano che con una corretta progettazione può rivelarsi sicuro e fattibile applicare rifiuti riciclati nel calcestruzzo al fine di ottenere un materiale definito strutturalmente performante nell'ingegneria civile. Tutti i risultati ottenuti sono stati riassunti ed argomentati nella sezione dedicata alle conclusioni. La ricerca presentata rappresenta un contributo che vuole esaltare e far emergere le potenzialità delle tecniche investigate e fornire le basi per un approfondimento teorico ed analitico che permetta di sviluppare e distribuire modelli per una progettazione diretta alla valorizzazione dell’eco-sostenibilità.