È la fine del conglomerato cementizio armato? Calcestruzzo di carbonio (Carbon concrete): costruzione del primo edificio al mondo

Written by Nicolò Piro on .

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L'Università Tecnica di Dresda (Germania) sta costruendo il primo edificio in cemento al mondo con rinforzo in fibra di carbonio. La costruzione sperimentale in calcestruzzo al carbonio presenterà al pubblico le possibilità del nuovo materiale composito nel mezzo di Dresda.

 

Il cemento armato è oggi il materiale da costruzione più importante al mondo. Ma in tempi di cambiamento climatico, viene sempre più criticato. Lo strato di calcestruzzo necessario per proteggere l'acciaio dalla corrosione è troppo spesso e il consumo di cemento ad alta intensità di CO2 è troppo elevato. Se spetta all'Università tecnica di Dresda (TU Dresden), il calcestruzzo al carbonio, ovvero il materiale composito realizzato con rinforzo in fibra di carbonio inossidabile e calcestruzzo ad alte prestazioni, dovrebbe quindi superare in futuro il cemento armato convenzionale. Il cambio di materiale in calcestruzzo al carbonio ridurrebbe della metà il consumo di energia e le emissioni di CO2 nella produzione e riparazione di edifici e risparmierebbe risorse preziose, scrive la TU di Dresda.

Trasferimento vivace di conoscenza

L'università ora vuole trasmettere i risultati della sua offensiva di ricerca sul calcestruzzo al carbonio ad un vasto pubblico. A tal fine, la TU di Dresda sta costruendo il primo edificio al mondo in cemento al carbonio. La capitale sassone ha dato il via libera e ha rilasciato il permesso di costruzione. Entro la fine del 2020, un edificio insolito nella sua costruzione e dall'aspetto futuristico sarà costruito su Einsteinstrasse: un edificio sperimentale di 220 metri quadrati che fungerà anche da banco di prova.

L'edificio originariamente progettato come un cubo con il nome del progetto "Cube" ha guadagnato ulteriore slancio architettonico. Due elementi a torsione disposti simmetricamente uno di fronte all'altro formeranno contemporaneamente le estremità laterali e superiori della stanza e illustreranno la straordinaria gamma di applicazioni della costruzione in calcestruzzo al carbonio. La cosiddetta scatola chiarirà inoltre che le strutture edili convenzionali secondo lo stato dell'arte possono già essere costruite con calcestruzzo al carbonio. Il progetto faro del progetto "C³ - Carbon Concrete Composite", che è finanziato dal Ministero federale tedesco per l'Istruzione e la ricerca, raggruppa così tutti i risultati che sono stati intensamente ricercati in questo progetto dal 2014. (gd / mgt).

Il calcestruzzo di carbonio è un materiale composito fatto di calcestruzzo e un rinforzo in fibre di carbonio (carbonio). La particolarità sono le fibre di carbonio. Fino a cinquantamila di questi sottili filamenti vengono combinati in fibre lunghe e quindi in un filo. I filati vengono quindi trasformati in uno strato in una macchina tessile e dotati di un rivestimento (impregnazione). Il rinforzo inossidabile altamente portante, realizzato in carbonio, significa che una durata di servizio è molto superiore alle odierne costruzioni in cemento armato e rappresenta quindi un'alternativa nella costruzione che consente di risparmiare materie prime.

Oggi, il cemento armato è il materiale da costruzione più importante al mondo. Per proteggere l'acciaio dalla corrosione, è ricoperto da uno spesso strato di cemento. Dopo l'acqua, il cemento è la materia prima più utilizzata al mondo a circa cinque miliardi di metri cubi. Il calcestruzzo in sé è costituito da cemento, sabbia, ghiaia e acqua. 1,6 miliardi di tonnellate di cemento, dieci miliardi di tonnellate di aggregato (sabbia e ghiaia) e un miliardo di tonnellate di acqua all'anno sono utilizzate in tutto il mondo per la costruzione di nuovi edifici e il rinnovo di vecchi edifici e ponti.

Il cambio di materiale dal cemento armato al calcestruzzo al carbonio con la costruzione in calcestruzzo al carbonio consente da un lato risparmi di materiale fino all'80% e dall'altro riduce il consumo di energia e le emissioni di CO2 fino al 50%. Tuttavia, finora il petrolio greggio è stato utilizzato per produrre carbonio, poiché è attualmente poco costoso e sufficientemente disponibile rispetto alle quantità richieste. In futuro, tuttavia, la produzione di carbonio potrebbe avvenire a partire dalle lignine, i prodotti di scarto del legno lasciati dalla produzione di carta.

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Cos' è il calcestruzzo di carbonio(carbonbeton)?

Il calcestruzzo al carbonio (anche calcestruzzo al carbonio digitato) è un edificio artificiale e materiale composito simile al cemento armato. È costituito da due componenti in cemento e un rinforzo in fibre di carbonio (chiamato anche "carbonio (fibre)") sotto forma di tappeti e barre. A causa del processo di fabbricazione, i rinforzi a forma di tappetino vengono spesso indicati come tessuti e il cemento armato con essi (termine generico) come calcestruzzo tessile.
Il termine calcestruzzo di carbonio comprende rinforzi a forma di bastoncino e asta in carbonio, ma non vetro resistente agli alcali, basalto ecc. Al contrario, il termine cemento armato tessile comprende rinforzi a forma di tappetino realizzati in vetro resistente agli alcali e carbonio o basalto, ma nessun rinforzo a forma di bastoncino realizzato con questi materiali. Pertanto, il calcestruzzo di carbonio non è né un termine generico né un sottogruppo di calcestruzzo tessile. Piuttosto, entrambe le aree hanno un'intersezione con i rinforzi a forma di tappetino in carbonio.
Contrariamente al cemento armato, in cui il rinforzo è in acciaio, il rinforzo in calcestruzzo al carbonio è costituito da fibre di carbonio continue (filamenti) trasformate in filati o barre. Il materiale di rinforzo in carbonio qui utilizzato ha una resistenza alla trazione di circa 3000 N / mm² ed è quindi superiore a quello del normale acciaio di rinforzo (circa 550 N / mm²), pertanto, rispetto al confronto, è necessario un materiale di rinforzo inferiore. È adatto sia per la produzione di nuovi componenti sia per il rinforzo di quelli esistenti. Calcestruzzi a grana fine con granulometria massima <2 mm e calcestruzzi con granulometria massima <= 8 mm sono utilizzati come calcestruzzi.
I tessuti tecnici, di solito rasati, sono utilizzati per il calcestruzzo tessile. Il vetro resistente agli alcali e le fibre di carbonio si sono dimostrati materiali in fibra. Il calcestruzzo tessile è stato sviluppato principalmente nelle università di Dresda e Aquisgrana dalla metà degli anni '90 e i suoi fondamenti sono stati ricercati in due centri di ricerca collaborativa della German Research Foundation (DFG).
Il rinforzo in carbonio è chimicamente inerte alle sollecitazioni nella costruzione e, come il rinforzo in acciaio, non deve essere protetto dalla corrosione da una copertura in cemento di diversi centimetri di spessore. Per i componenti in calcestruzzo di carbonio, il materiale può essere salvato e reso molto più sottile.
Il rinforzo in carbonio è disponibile sotto forma di barre e tappetini. Le fibre di carbonio corte hanno attualmente un'importanza minore e non rientrano nel termine calcestruzzo di carbonio. Le barre di carbonio sono generalmente prodotte in un processo di pultrusione con sezioni rotonde di diversi diametri. La superficie è spesso profilata per ottenere una buona trasmissione di potenza tra il rinforzo e il calcestruzzo. Il rinforzo a rete a griglia è prodotto in un processo di lavorazione tessile, quindi viene spesso chiamato anche tessuto di rinforzo. Il cemento armato con esso è anche noto come cemento tessile. Il rinforzo in rete è offerto con diverse sezioni del filato e larghezze della maglia. Esistono tessuti 2D a strato singolo e strutture di rinforzo 3D.
Il calcestruzzo di carbonio (inizialmente calcestruzzo tessile) è stato sviluppato principalmente nelle università di Dresda e Aquisgrana dalla metà degli anni '90 e i suoi fondamenti sono stati ricercati all'interno di due centri di ricerca collaborativa della German Research Foundation (DFG). Dal 2014, ulteriori sviluppi sono stati realizzati principalmente nel progetto C³ finanziato dal Ministero federale dell'educazione e della ricerca (BMBF).

Storia
La ricerca sul calcestruzzo di carbonio in Germania si basa sulla ricerca sul calcestruzzo tessile nell'ambito di due centri di ricerca collaborativa della German Research Foundation (DFG) a Dresda e Aquisgrana nel periodo dal 1999 al 2011 - Collaborative Research Center 528 (focus su rinforzo, portavoce: Manfred Curbach) a Dresda e Collaborative Research Center 532 (Focus su nuovi componenti, portavoce: Prof. Josef Hegger) ad Aquisgrana. Le conoscenze scientifiche acquisite sono state successivamente messe in pratica. La fondazione del German Textile Concrete Centre, Tudalit e. V., TUDATEX GmbH e CarboCon GmbH sono il risultato di questo intenso lavoro. L'implementazione pratica lungo l'intera catena di processo - dal materiale al componente finito - è già iniziata ed è proseguita dal 2014 nel più grande progetto di ricerca della Germania nel settore dell'edilizia "C³ - Carbon Concrete Composite". Il progetto C³ è finanziato con 45 milioni di euro di finanziamenti dal Ministero Federale dell'Istruzione e della Ricerca BMBF nell'ambito dell'iniziativa di finanziamento Twenty20 - Partnership for Innovation e conta oltre 160 membri (a partire dal 2019).

Processo di fabbricazione

Produzione di una trave di calcestruzzo al carbonio lunga 5 m mediante il processo di fusione
Il calcestruzzo di carbonio viene prodotto principalmente mediante il processo di fusione o laminazione; ma sono anche possibili la filatura e la stampa. Il processo di fusione viene utilizzato principalmente per la produzione di nuovi componenti. Il rinforzo viene prima disposto in una cassaforma verticale o orizzontale con l'aiuto di distanziali. Il componente viene quindi concretizzato in un solo passaggio. Questo processo è già noto dalla produzione di cemento armato. Riparazione di un vecchio ponte ad arco ferroviario mediante il processo di laminazione
Il processo di laminazione viene preferibilmente utilizzato per rafforzare gli edifici. Qui, uno strato di cemento fine spesso circa 3-5 mm viene applicato sul sottosuolo (un edificio o una cassaforma esistente). Il primo strato di rinforzo tessile viene leggermente pressato in questo strato. Quindi le fasi di applicazione del calcestruzzo e di inserimento dell'armatura tessile vengono ripetute fino al raggiungimento del numero desiderato di strati. L'estremità è un sottile strato di cemento fine. Il calcestruzzo fine può essere applicato manualmente o mediante spruzzatura. Non sono necessari distanziatori per fissare la posizione.
La filatura è simile a quella del cemento armato. Qui il rinforzo è solitamente disposto in una cassaforma cilindrica, che viene quindi riempita di cemento. Girando, il tubo viene modellato in una sezione trasversale simile a un tubo.
La stampa di componenti in calcestruzzo è attualmente ancora parte della ricerca e non è / solo raramente utilizzata nella pratica di costruzione. La disposizione simultanea del calcestruzzo e del rinforzo durante la stampa è impegnativa. Una soluzione è quella di depositare filati di carbonio durante il processo di stampa.

Impieghi

Le prime applicazioni conosciute del rinforzo del carbonio nei progetti pratici risalgono agli anni '90. Qui a. in Canada e Giappone, rinforzi in carbonio a forma di bastoncino vengono utilizzati in parti di ponti. Negli Stati Uniti, i rinforzi in carbonio a forma di bastoncino sono stati utilizzati nella costruzione di ponti, in particolare negli ultimi 10 anni. In Germania, il focus delle applicazioni fino ad oggi è stato sui rinforzi opachi / tessili realizzati in carbonio. L'area di applicazione è divisa in nuove costruzioni e ristrutturazioni / rinforzi.

Nuovo edificio
La maggior parte dei progetti pratici si trova nell'area delle facciate, dei rivestimenti e delle strutture murarie. Le lastre di cemento armato con un rinforzo in carbonio e / o vetro e spessori di soli 10-30 mm offrono un'alternativa / integrazione alle soluzioni già consolidate di cemento armato, i cui spessori dei componenti sono generalmente superiori a 70 mm. I pannelli di grandi dimensioni, con dimensioni del pannello fino a 3 × 5 m, sono principalmente rinforzati con carbonio. Oltre all'area della facciata, le lastre di cemento vengono utilizzate anche per rivestire altre strutture. Il rivestimento dei piloni del ponte più alto del mondo del ponte Yavuz Sultan Selim sul Bosforo a Istanbul può essere menzionato qui come esempio.
 
Ponte trogolo in cemento di carbonio ad Albstadt-Ebingen

Il ponte, che fu rinforzato esclusivamente con carbone per la prima volta, fu costruito ad Albstadt-Ebingen. Il ponte ha una larghezza di 3 m, una campata di 15 me un peso di circa 14 t. Lo spessore della carreggiata è di 9 cm e lo spessore del parapetto è di 7 cm. Il ponte può essere utilizzato con un veicolo di sgombero e spargimento fino a 10 t.
Nell'ambito della ristrutturazione di altri due ponti stradali ad Albstadt (Margrethausen e Pfeffingen), i componenti esistenti in cemento armato dei due vecchi ponti sono stati sostituiti da filigrana e componenti durevoli in calcestruzzo al carbonio. Entrambi i ponti con geometrie diverse si basano sullo stesso sistema di supporto. Nella direzione longitudinale, il carico viene trasferito tramite travi di acciaio e due lastre di cemento al carbonio vengono utilizzate per la direzione trasversale, che hanno uno spessore di soli 14 cm nel punto più sottile. Gli elementi sottili vengono posati sulle travi di acciaio e trasferiscono i carichi verticali e orizzontali nella sottostruttura in acciaio. Il ponte largo 5,7 me lungo 6,5 m a Margrethausen è omologato per un carico fino a 24 t. Il ponte gemello di Pfeffingen è poco meno di 4 m più lungo e circa 2 m più stretto e ha un carico totale consentito di 40 t.
Le ultime costruzioni a ponte si basano su lastre prefabbricate in cemento al carbonio precompresso, spessore 4 cm. Questi pannelli di grande formato vengono tagliati e utilizzati sia per il ponte che per i longheroni. La combinazione con travi longitudinali in legno e travi sono anche mostrate per questo sistema.

Ristrutturazione / Rinforzo

 Rinforzo del soffitto con calcestruzzo al carbonio in un edificio residenziale e commerciale di nuova costruzione a Praga
Il calcestruzzo al carbonio è stato utilizzato per il rinnovamento e il rinforzo di diverse costruzioni di calotte e cupole elencate da 10 anni. Una delle prime applicazioni è il rinforzo di un guscio di hypar a Schweinfurt dal 1960. In questo contesto si può menzionare anche il rinforzo di un tetto a botte a Zwickau del 1903. In entrambe le costruzioni in cemento armato, che hanno uno spessore di soli 8 cm, la capacità portante esistente è stata aumentata al livello richiesto oggi con strati di cemento al carbonio spessi circa 1–2 cm. Soprattutto a causa dell'applicazione molto sottile di strati, si può soddisfare il desiderio della protezione del monumento - preservare l'aspetto originale. Oltre all'area di protezione dei monumenti, il calcestruzzo al carbonio viene utilizzato principalmente per il classico rinforzo di pavimenti in cemento armato. Tra l'altro, i soffitti sono stati rafforzati in un edificio residenziale e commerciale di nuova costruzione a Praga. Le lastre di cemento armato supportate da punti misurano 30 m × 70 me hanno uno spessore di 23 cm. I soffitti presentavano deformazioni fino a 15 cm e una capacità portante insufficiente. Il rinforzo è stato realizzato con calcestruzzo al carbonio sul fondo.
Inoltre, il calcestruzzo al carbonio è già stato utilizzato per rinnovare due silos. Il primo silo cilindrico in cemento armato ha una capacità di 20.000 t di zucchero, un diametro esterno di circa 30 me un'altezza di circa 45 m. L'interno del silo mostrava numerose crepe con ampie larghezze. Il secondo silo con una capacità di 80.000 tonnellate di zucchero è stato danneggiato da un incendio all'interno. Le superfici di entrambi i silos sono state rinnovate con uno strato di calcestruzzo al carbonio.
Il rinnovamento di un ponte a campata singola nel 2012 e il rinnovamento di un ponte a campata multipla nel 2014 possono essere nominati come la prima grande applicazione in calcestruzzo al carbonio per il rinnovo di ponti stradali. Entrambi i ponti in cemento armato hanno ricevuto uno strato di calcestruzzo al carbonio direttamente pilotabile come cemento. Nel caso di un ponte ad arco ferroviario del 1910, gli archi si estendevano fino a 19 m di larghezza e mostravano crepe con ampie larghezze di fessura. Questi dovevano essere rinnovati e coperti con rinforzi. La ristrutturazione è stata effettuata con uno strato di calcestruzzo al carbonio su tutta la superficie nella parte inferiore degli archi.

 
Vantaggi
Un vantaggio significativo del rinforzo in carbonio rispetto al rinforzo in acciaio è la sua resistenza alla corrosione, che inizialmente consente alle strutture in calcestruzzo di avere una durata significativamente maggiore. Poiché il rinforzo in carbonio non deve essere protetto dalla corrosione come il rinforzo in acciaio, anche la copertura in cemento, che è di diversi centimetri per il cemento armato, può essere ridotta a pochi millimetri. Sono possibili costruzioni significativamente più sottili e risparmi di materiale di oltre il 50%. I pannelli di facciata in cemento armato con uno spessore di 7–8 cm hanno uno spessore di soli 2-3 cm con cemento al carbonio. Anche gli strati di rinforzo degli edifici hanno uno spessore di circa 7 cm in cemento armato - lo spessore è solo 1–2 cm dal calcestruzzo al carbonio.
Rispetto all'acciaio di rinforzo, il carbonio è quattro volte più leggero (densità 1,8 g / cm³ invece di 7,8 g / cm³) e da cinque a sei volte più forte (3.000 N / mm² anziché 500 N / mm²). Il carbonio è più di 20 volte più potente dell'acciaio di rinforzo. È richiesto un materiale significativamente inferiore, che deve essere considerato soprattutto quando si confrontano i prezzi.
Gli attuali risultati della ricerca mostrano che dopo la fine dell'utilizzo, il carbonio e il calcestruzzo possono essere nuovamente separati utilizzando la tecnologia che è già comune oggi. Viene raggiunto un livello di purezza del 97%. Il calcestruzzo può quindi essere riciclato e il carbonio utilizzato nel riciclaggio del carbonio - in altre parole, ovunque vengano trasportati articoli sportivi, automobili, aerei, ecc.
Svantaggi
Uno svantaggio è la grande mancanza di automazione nella produzione di componenti in calcestruzzo di carbonio. Tra l'altro Negli impianti prefabbricati, i rinforzi sono spesso ancora tagliati a mano e i robot (ad es. Robot per saldatura, come per il cemento armato) sono appena disponibili. Un altro svantaggio del calcestruzzo al carbonio è la mancanza di esperienza nel riciclaggio. Anche se il carbonio e il calcestruzzo possono già essere separati e riciclati, l'industria dell'edilizia (come in altri settori) è priva di prodotti che utilizzano fibre di carbonio riciclate. Questo sarà al centro della ricerca nei prossimi anni.
 
Rapporto qualità-prezzo
 
Attualmente in terminini di prestazioni le differenze tra carbonio e l'acciaio sono (a partire dal 2019) evidenti. Un chilogrammo di acciaio costa solo circa 1 euro, 1 kg di carbonio, invece, circa 16 euro. Tuttavia, la densità del carbonio è quattro volte inferiore e la resistenza sei volte superiore. Quindi ottieni prestazioni 24 volte per 16 volte il prezzo. Da un punto di vista puramente matematico, il carbonio sarebbe quindi già più economico dell'acciaio.
Un fattore positivo per il calcestruzzo al carbonio è l'uso significativamente ridotto del materiale nel confronto dei prezzi con il cemento armato. I pannelli di facciata o gli strati di rinforzo con calcestruzzo al carbonio, ad esempio, hanno uno spessore di soli 2 cm circa invece di almeno 8 cm come nel caso del cemento armato. Ciò significa che è necessario fabbricare, trasportare, installare e ancorare circa il 75% in meno di materiale. Poiché la produzione di cemento armato nell'impianto prefabbricato è stata ora notevolmente ottimizzata e automatizzata rispetto a quella del calcestruzzo al carbonio, le parti in cemento armato sono generalmente più economiche delle parti in calcestruzzo al carbonio spesso fabbricate manualmente.
 

 

 

 

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