Un cemento autorigenerante sviluppato dal Pacific Northwest National Laboratory può superare le prestazioni del calcestruzzo convenzionale, offrendo una tecnologia potenzialmente anti-inquinamento per la crescente industria geotermica.

Questa combinazione rivoluzionaria utilizza un ingrediente flessibile, un polimero, per riparare superfici fratturate e riempire crepe, riducendo al minimo i rischi di guasti meccanici e offrendo una fonte di energia sostenibile.

Il chimico Carlos Fernandez e il suo team in collaborazione con Simerjeet Gill del Brookhaven National Laboratory, dettagliare le proprietà curative del polimero e come può migliorare le prestazioni meccaniche del cemento in una carta, "Approfondimenti sulle proprietà fisiche e chimiche di un composito cemento-polimero sviluppato per applicazioni di pozzi geotermici, " in Compositi in cemento e calcestruzzo .

Il finanziamento della ricerca è stato fornito dall'Ufficio per le tecnologie geotermiche del Dipartimento dell'energia.

Polimeri sotto pressione

È noto che il cemento utilizzato nei pozzi geotermici si rompe sotto pressione e in ambienti ad alta temperatura associati alla perforazione per l'energia geotermica. L'obiettivo del documento del team era vedere come avrebbe resistito il suo cemento autorigenerante se testato contro il cemento convenzionale in queste condizioni di calore estremo. Attraverso una serie di test, eseguita al PNNL e alla National Synchroton Light Source II di BNL, il team ha scoperto che la tecnologia del cemento autorigenerante potrebbe eliminare la necessità di rimuovere, riparare e sostituire pozzi di cemento fessurati.

I ricercatori del PNNL hanno testato la forza e le reazioni del cemento autorigenerante alle sollecitazioni meccaniche e hanno condotto analisi dell'area superficiale, Composizione chimica, e topografia superficiale. I test hanno confermato che il cemento autoriparante è un'alternativa significativa al cemento convenzionale perché è flessibile e guarisce autonomamente le crepe.

La flessibilità è attribuita al legame chimicamente "morbido" o flessibile tra gli atomi nel polimero e il cemento. Questo incollaggio morbido consente grandi deformazioni che possono essere contenute all'interno del cemento senza rompere i legami. Questo è stato previsto attraverso la modellazione computazionale fatta da Vanda Glezakou del PNNL. Il polimero aggiunge dal 60 al 70 percento in più di elasticità al cemento quando viene aggiunto, ridurre le fratture nel cemento, Fernandez riporta sul giornale.

Da soli, i polimeri sono grandi, molecole a catena che lavorano per tenere insieme le sostanze e si trovano naturalmente nel corpo umano. Quando aggiunto al cemento, i polimeri aggiungono flessibilità al materiale fragile e impediscono alle crepe di diffondersi rapidamente. Il polimero si stacca, migra verso la crepa, e si attacca di nuovo per riempire la fessura. C'è stata una riduzione dell'87 percento delle dimensioni della fessura quando il polimero è stato aggiunto al calcestruzzo.

Cementare il futuro

Il cemento è il secondo materiale di consumo più grande al mondo dopo l'acqua. Così, trovare un modo per rendere il cemento ancora più efficace potrebbe essere un punto di svolta non solo per l'industria geotermica, ma per l'industria delle costruzioni in generale.

"L'idea tra qualche anno sarebbe di estenderla a tutto, " Fernandez ha detto. "Il cielo è il limite."

L'industria del cemento guadagna più di 37 miliardi di dollari all'anno. Però, il cracking del cemento costa in media 12 miliardi di dollari all'anno per riparare le sole infrastrutture. La combinazione polimero-cemento potrebbe ammontare a 3,4 miliardi di dollari l'anno di risparmi per infrastrutture come dighe, impianti di scorie nucleari, e grattacieli, Fernandez prevede. Ciò potrebbe significare meno chiusure stradali e riparazioni di manutenzione che intasano le strade e creano disagi per gli spostamenti quotidiani.

Come una lampada a LED, il polimero-cemento potrebbe creare risparmi a lungo termine. Il cemento convenzionale è di 5 centesimi per libbra. Il costo stimato per il polimero-cemento va dai 30 ai 35 centesimi per libbra. Però, potrebbe potenzialmente prolungare la vita delle strutture in calcestruzzo da 30 a 50 anni, ha detto Fernandez.

Per l'industria petrolifera, nello specifico, dove le alte temperature sono una costante, rimuovere e sostituire il calcestruzzo fessurato richiede molto tempo, impresa costosa, ha detto Fernandez. La sostituzione del cemento convenzionale con il cemento autorigenerante può comportare un risparmio di milioni di dollari.

Il cemento autorigenerante potrebbe essere utilizzato anche negli impianti di scorie nucleari e nelle dighe idroelettriche dove crepe nelle strutture e guasti meccanici potrebbero provocare allagamenti o contaminazione. Le costose ispezioni e riparazioni annuali e semestrali potrebbero diminuire di numero, ha detto Fernandez. La natura flessibile del cemento autorigenerante gli consente inoltre di resistere a maggiori sollecitazioni meccaniche dovute a disastri naturali e condizioni meteorologiche estreme come terremoti o forti venti.

Un'alternativa concreta per l'ambiente

Il cemento autorigenerante potrebbe risolvere le principali preoccupazioni sulla sigillatura dei pozzi per il petrolio, gas, e la produzione di calore geotermico. Le perdite nei pozzi causano contaminazione e limitano la capacità di fornire alternative energetiche pulite. Queste perdite contaminano le falde acquifere e le acque superficiali.

Altre miscele polimero-cemento autorigeneranti sviluppate per l'industria petrolifera e del gas hanno spesso proprietà meccaniche scadenti e non possono resistere agli ambienti ad alta temperatura che si trovano nei pozzi geotermici.

"Lo sviluppo di una combinazione polimero-cemento autorigenerante che sia funzionale negli ambienti geotermici potrebbe rappresentare una tecnologia rivoluzionaria verso la crescita dell'industria dell'energia geotermica, ", ha riferito la squadra sul giornale.

Ci sono grandi riserve di energia geotermica in tutto il paese e in tutto il mondo che non sono utilizzate perché il cemento per pozzi si guasta in condizioni di alta temperatura e in ambienti chimicamente corrosivi. L'energia geotermica è l'energia termica che la Terra genera e immagazzina. Con miglioramenti come il cemento autorigenerante, l'energia geotermica ha il potenziale per essere un applicabile, fonte di energia sostenibile. Il cemento autorigenerante può fornire energia significativa con un rilascio minimo di carbonio nell'atmosfera.

Inoltre, decine di migliaia di tonnellate di cemento convenzionale finiscono in discarica, ha detto Fernandez. Con l'estensione di oltre 30 anni di utilizzo aggiuntivo del composito, meno cemento andrebbe in discarica.