Un team di ricerca di Princeton guidato dalla professoressa Claire White sta aiutando a sviluppare nuovi materiali che funzionano come il cemento, ma riducono drasticamente le emissioni di carbonio legate alla produzione di cemento. Credito:David Kelly Crow
La cosa più difficile del calcestruzzo potrebbe essere il problema di come realizzare l'onnipresente materiale da costruzione in modo ecologico. Recenti risultati di laboratorio presso l'Università di Princeton indicano che la sfida di rendere il calcestruzzo più verde potrebbe alla fine essere incrinata.
Il calcestruzzo solleva preoccupazioni per il cambiamento climatico perché la produzione del suo componente principale, Cemento Portland, è responsabile fino all'8 per cento delle emissioni umane di anidride carbonica. Ancora peggio dal punto di vista ambientale, i previsori prevedono che la produzione di cemento Portland raddoppierà nei prossimi 30 anni.
Ci sono possibili sostituzioni per il cemento Portland. Un'opzione, chiamati materiali attivati da alcali, promette di svolgere la stessa funzione e di ridurre le emissioni di carbonio legate al cemento fino al 90%. Gli studi hanno dimostrato che i materiali attivati da alcali sono resistenti quanto il cemento Portland. Ma ci sono relativamente pochi dati a lungo termine sulla durabilità del cemento più verde, una domanda chiave per chi costruisce una struttura che duri decenni o più.
I ricercatori di Princeton e di altre istituzioni hanno lavorato per affrontare la mancanza di informazioni sui nuovi sostituti del cemento. Chiara Bianca, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e l'Andlinger Center for Energy and the Environment, ha detto che può essere difficile in laboratorio simulare con precisione la durabilità a lungo termine del calcestruzzo. Ma l'informazione è fondamentale se l'industria deve adottare il materiale.
"Uno dei motivi per cui i materiali attivati con alcali non sono ampiamente utilizzati è la mancanza di standard di test a livello nazionale, " ha detto il Bianco.
Negli ultimi anni, Il gruppo di ricerca di White ha utilizzato metodi diversi sia per misurare la durabilità a lungo termine delle alternative al cemento sia per proporre modi per eliminare i punti deboli dei materiali. In un rapporto, il suo team ha osservato piccole crepe che si sviluppano con l'invecchiamento di alcuni materiali attivati da alcali; perché le crepe possono diminuire notevolmente la resistenza nel tempo, i ricercatori hanno proposto di aggiungere piccole quantità di nanoparticelle di ossido di zinco per ridurre il cracking.
"Utilizziamo e studiamo i cementi Portland da quasi 200 anni, quindi capiamo molto su come si deteriorano nel tempo e in diverse condizioni ambientali, " disse Maria Juenger, un professore nel dipartimento di civile, ingegneria architettonica e ambientale presso l'Università del Texas-Austin. D'altra parte, Juenger ha detto, "i materiali attivati dagli alcali sono una nuova bestia, e dobbiamo impegnarci molto nello studio della loro durata prima di utilizzarli nelle strutture [perché] guasti imprevisti potrebbero essere costosi".
In un articolo pubblicato il 15 giugno su Journal of the American Ceramic Society , Il team di ricerca di White descrive un nuovo approccio per valutare la permeabilità del materiale attivato dagli alcali. La permeabilità è un punto debole critico per qualsiasi cemento perché sostanze chimiche come l'anidride carbonica, solfati o cloruri che si intromettono in una struttura in calcestruzzo possono indebolire il calcestruzzo e corrodere l'acciaio utilizzato come rinforzo per la maggior parte degli edifici moderni.
La permeabilità è una misura importante della durabilità di un cemento, ma è molto difficile misurare con precisione in un laboratorio, Ha spiegato il bianco. Questo perché i metodi più comuni per testare la permeabilità richiedono ai ricercatori di pretrattare il cemento o di usare l'alta pressione per forzare il liquido attraverso un campione. Entrambi rendono il test meno rappresentativo delle condizioni del mondo reale.
Risolvere questo problema, Il team di ricerca di White ha utilizzato un metodo chiamato test di flessione del raggio, che in genere non viene utilizzato per misurare la permeabilità. Nella prova, un cilindro orizzontale di cemento è supportato su entrambe le estremità mentre viene applicata una forza verso il basso contro il punto medio del lato superiore del cilindro, facendolo deviare. Misurando il modo in cui il cilindro risponde alla flessione nel tempo, i ricercatori sono stati in grado di calcolare come il liquido si muove attraverso i minuscoli pori all'interno del cemento.
In una serie di prove, Caterina Eiben, un ex studente laureato nel laboratorio di White, misurato la permeabilità del materiale attivato con alcali costituito da una soluzione di idrossido di sodio e scorie, un sottoprodotto della produzione di ferro. Anna Blyth, un anziano in ascesa, condotto un'altra serie di misurazioni utilizzando il materiale, ma alterato la soluzione in modo che il materiale contenesse silice solubile. I ricercatori hanno scoperto che la prima versione di materiale attivato con alcali era più permeabile del cemento Portland; ma la versione in silice aveva una permeabilità notevolmente inferiore.
"È stato piuttosto eccitante" ha detto Blyth, che ha condotto i test come parte della sua ricerca indipendente universitaria. "Il lavoro svolto dalla professoressa White nel suo laboratorio ha importanti implicazioni per l'industria e, si spera, contribuirà a creare standard e codici per affrontare l'implementazione di sostituti rispettosi dell'ambiente per il cemento Portland".
White ha detto che i risultati sono un passo incoraggiante. Ma ha detto che non apre completamente la strada al nuovo tipo di cemento. Mentre la permeabilità è una misura chiave della durabilità, campioni con bassa permeabilità possono soffrire di altri potenziali problemi.
"Il tipo di materiale che si comporta davvero bene in termini di permeabilità, quelli con dimensioni dei pori molto piccole, a volte è vulnerabile alle microfessurazioni, ", ha detto. "Sappiamo che questo è vero per questi cementi di scorie attivati dai silicati".
White ha detto che il lavoro futuro nel suo laboratorio prevede di affrontare la domanda scottante.
"Vogliamo sviluppare nuovi metodi per ottenere dati accurati su come questi materiali si esibiranno nel tempo, " ha detto. "Questo aiuterà con l'attuazione di alternative sostenibili nel settore delle costruzioni".