La cenere di carbone è il sottoprodotto meno noto delle centrali elettriche a carbone. Sono i rifiuti solidi residui che provengono dalla combustione del carbone. Anche se non ha la stessa reputazione deleteria delle sue controparti aviotrasportate, decine di milioni di tonnellate di ceneri finiscono nelle discariche ogni anno. Ora i ricercatori della Drexel University credono di aver trovato un uso per il residuo in polvere, uno che potrebbe aiutare a rendere il calcestruzzo più resistente e privo di crepe.

Recentemente riportato sulla rivista Cement and Concrete Composites, la loro scoperta è un metodo per trasformare le ceneri di scarto in uno speciale additivo per calcestruzzo che aiuta a fortificare la sua struttura interna favorendo un processo di indurimento uniforme dall'interno verso l'esterno. Questo additivo, un ad alte prestazioni, aggregato funzionale:potrebbe ridurre il tempo necessario per l'indurimento del calcestruzzo e migliorarne la durabilità riducendo il rischio di formazione di crepe, secondo i ricercatori.

Il giusto mix

Il calcestruzzo è costituito da una miscela di polvere fine e particelle di roccia grossolana, chiamati aggregati, legati da una colla minerale detta “matrice cementizia, " fatto di cemento e acqua. Gli aggregati formano la robusta struttura interna del calcestruzzo mentre la matrice cementante si indurisce per legare insieme gli ingredienti in un processo chiamato indurimento. Affinché il calcestruzzo raggiunga la sua massima durabilità, il cemento deve mescolarsi accuratamente con l'acqua durante il processo di indurimento in modo che tutto si asciughi e indurisca allo stesso tempo.

"Questa è una parte molto importante del processo perché se il calcestruzzo si asciuga troppo rapidamente durante la stagionatura, a causa dell'ulteriore carenza d'acqua, può formare crepe e altri difetti. Queste crepe da ritiro da essiccazione rendono la superficie suscettibile all'ingresso di fluidi aggressivi creando problemi di durabilità del calcestruzzo come corrosione, danni da sale, o danni da gelo-disgelo, " disse Yaghoob Farnam, dottorato di ricerca, un assistente professore al Drexel's College of Engineering e il principale investigatore della ricerca.

Per garantire una polimerizzazione uniforme ci sono una serie di cose che gli appaltatori concreti potrebbero dover fare, compresa la spruzzatura costante del calcestruzzo, coprendolo con una membrana per mantenerlo umido, immergendolo in acqua o creando pozze d'acqua sulla sua superficie. Tutte queste strategie consumano tempo e risorse e sono abbastanza complesse da far sì che i difetti possano insinuarsi nel processo. Per aiutare a prevenire questo, nell'ultimo decennio i ricercatori hanno sviluppato un concetto di polimerizzazione interna che utilizza aggregati leggeri porosi per favorire il processo di polimerizzazione. L'aggregato può mantenere un livello costante di umidità all'interno del calcestruzzo per aiutarlo a polimerizzare uniformemente dall'interno verso l'esterno.

"L'uso di un aggregato leggero ad alte prestazioni nel calcestruzzo può essere una soluzione per fornire adeguatamente riserve d'acqua sufficienti all'interno del calcestruzzo poiché l'acqua è necessaria nel tempo per la polimerizzazione della matrice cementizia, " ha detto Faram.

Lavorare con il cemento è difficile

Il calcestruzzo è uno dei materiali da costruzione più utilizzati al mondo. È il materiale preferito per la maggior parte delle nuove strade ad alto volume, edifici, ponti e molte altre strutture per la sua durata e la relativa facilità di applicazione.

Ma uno svantaggio dell'utilizzo del calcestruzzo è che richiede le giuste condizioni atmosferiche per consentire una corretta miscelazione e persino indurimento, non troppo caldo, non troppo freddo, non troppo secco.

Ottenere l'esatta quantità di umidità all'interno del calcestruzzo è difficile perché la polvere e gli aggregati formano una matrice cementizia stretta che è difficile da penetrare una volta che inizia ad asciugarsi. Se l'esterno del calcestruzzo si asciuga prima che l'interno si asciughi, può risultare in una struttura più debole. Di conseguenza, gli appaltatori hanno fondamentalmente una possibilità per ottenere il rapporto tra liquido e solido giusto, mescolare rapidamente e accuratamente e versare il calcestruzzo prima che inizi ad asciugarsi.

"Questo è un problema comune in concreto, cosiddetta 'essiccazione del calcestruzzo, ' crea crepe di essiccazione e riduce la resistenza e la durabilità del calcestruzzo, " disse Mohammad Balapour, un ricercatore di dottorato nel laboratorio di Farnam e autore principale dell'articolo.

Trovare una cura

Per dare agli appaltatori più margine di manovra nel processo, La squadra di Farnam, in collaborazione con i docenti del Drexel's Civil, Architettonico, e Ingegneria Ambientale, Grazia Hsuan, dottorato di ricerca, e Sabrina Spatari, dottorato di ricerca, così come E.J. Garbozzi, dottorato di ricerca, dall'Istituto nazionale di standard e tecnologia, ha esaminato come gli aggregati leggeri funzionali possono essere sviluppati dalle ceneri di carbone e utilizzati nel calcestruzzo.

L'industria del calcestruzzo ha un accesso limitato agli aggregati leggeri naturali o sintetici, secondo Farnam, a causa della sua dipendenza da fonti limitate di materiale aggregato. Il laboratorio di Farnam voleva progettare un prodotto aggregato che avesse caratteristiche ottimali per la miscelazione, forza e porosità, e trovare un modo per ricavarlo da un abbondante materiale di scarto.

"La soluzione che abbiamo trovato prevedeva il riciclaggio di questo prodotto di scarto, cenere di carbone, in un poroso, aggregato leggero con eccellenti caratteristiche prestazionali che potrebbe essere prodotto a un costo inferiore rispetto alle attuali opzioni naturali e sintetiche, " ha detto Farnam. "Questo materiale e questo processo non solo avvantaggerebbero l'industria del calcestruzzo migliorando la qualità dei loro prodotti, ma potrebbe anche aiutare a mantenere le ceneri di carbone fuori dalle discariche".

Il materiale che hanno inventato è chiamato "aggregato reattivo poroso sferico"—SPoRA, in breve. È realizzato combinando la cenere con prodotti chimici che facilitano la sinterizzazione e l'incollaggio degli aggregati, formandole in minuscole sfere e poi cuocendole a 1, 160 gradi Celsius per pochi minuti.

Il prodotto finale è un pellet aggregato che può contenere quasi la metà del suo peso in acqua, che è migliore dei tradizionali aggregati leggeri. E, altrettanto importante, può rilasciare quell'acqua a una velocità regolare dall'interno alla matrice cementante mentre si indurisce.

Nel documento riportano che due tipi di SPoRA hanno prestazioni migliori rispetto ad alcuni materiali aggregati leggeri tradizionali:scisto, argilla e ardesia, e vetro schiumato, su misure di forma, porosità, peso relativo e capacità di assorbire e rilasciare acqua. Queste sono tutte metriche chiave legate alla sua capacità di integrarsi con la miscela cementizia e rilasciare la sua umidità al momento giusto e nella parte giusta della struttura mentre si forma.

"Quando il cemento inizia a indurire all'esterno, i pellet aggregati stanno anche rilasciando la loro umidità per aiutarli a polimerizzare anche dall'interno verso l'esterno, " Balapour ha detto. "Questo approccio può aiutare a massimizzare la durabilità del calcestruzzo. E il processo di produzione di SPoRA è abbastanza semplice da produrre aggregati di qualsiasi dimensione e capacità idrica, quindi riteniamo che possa essere utilizzato per una serie di applicazioni nel settore delle costruzioni".

Il riciclaggio di un prodotto di scarto come la cenere di carbone non solo riduce il costo di produzione di aggregati leggeri, ma garantisce anche l'accesso ai produttori di calcestruzzo.

"Prendere qualcosa che è un prodotto di scarto, con montagne di esso nelle discariche, e trasformarlo in un prodotto utile è un eccellente esempio di come la scienza può aiutare a trovare soluzioni sostenibili alle sfide della società, " Farnam ha detto. "Questo non solo aiuta a proteggere il nostro ambiente naturale, ma aiuterà anche a migliorare il nostro ambiente costruito".