C'è molto che la persona media non sa del cemento. Per esempio, è poroso; è il materiale più utilizzato al mondo dopo l'acqua; e, forse più fondamentalmente, non è cemento.

Sebbene molti usino "cemento" e "cemento" in modo intercambiabile, in realtà si riferiscono a due materiali diversi, ma correlati:il calcestruzzo è un composito composto da diversi materiali, uno dei quali è il cemento.

La produzione del cemento inizia con il calcare, una roccia sedimentaria. Una volta estratto, è mescolato con una fonte di silice, come scorie o ceneri volanti di sottoprodotti industriali, e viene cotto in un forno alle 2, 700 gradi Fahrenheit. Quello che esce dal forno si chiama clinker. I cementifici macinano il clinker fino a ottenere una polvere estremamente fine e mescolano alcuni additivi. Il risultato finale è cemento.

"Il cemento viene poi portato nei luoghi dove viene mescolato con acqua, dove diventa pasta di cemento, " spiega il professor Franz-Josef Ulm, direttore di facoltà del MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). "Se aggiungi sabbia a quella pasta, diventa malta. E se aggiungi alla malta grandi aggregati - pietre di un diametro fino a un pollice - diventa cemento".

Ciò che rende il calcestruzzo così forte è la reazione chimica che si verifica quando il cemento e l'acqua si mescolano, un processo noto come idratazione.

"L'idratazione avviene quando il cemento e l'acqua reagiscono, " dice Ulm. "Durante l'idratazione, il clinker si dissolve nel calcio e si ricombina con acqua e silice per formare idrati di silice di calcio."

idrati di calcio silice, o CSH, sono la chiave della solidità del cemento. Mentre si formano, si combinano, sviluppando legami stretti che conferiscono forza al materiale. Queste connessioni hanno un sottoprodotto sorprendente:rendono il cemento incredibilmente poroso.

All'interno degli spazi tra i legami di CSH, si sviluppano minuscoli pori, sulla scala di 3 nanometri, o circa 8 milionesimi di pollice. Questi sono noti come pori del gel. In cima a questo, l'acqua che non ha reagito per formare CSH durante il processo di idratazione rimane nel cemento, creando un altro insieme di pori più grandi, chiamati pori capillari.

Secondo una ricerca condotta da CSHub, il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica, e l'Università di Aix-Marseille, la pasta di cemento è così porosa che il 96 percento dei suoi pori sono collegati.

Nonostante questa porosità, il cemento possiede un'eccellente resistenza e proprietà leganti. Certo, diminuendo questa porosità, si può creare un prodotto finale più denso e ancora più forte.

A partire dagli anni '80, gli ingegneri hanno progettato un materiale, il calcestruzzo ad alte prestazioni (HPC), che ha fatto proprio questo.

"Il calcestruzzo ad alte prestazioni si è sviluppato negli anni '80 quando le persone si sono rese conto che i pori capillari possono essere ridotti in parte riducendo il rapporto acqua/cemento, " dice Ulm. "Con l'aggiunta anche di alcuni ingredienti, questo ha creato più CSH e ha ridotto l'acqua rimasta dopo l'idratazione. Essenzialmente, ha ridotto i pori più grandi riempiti d'acqua e ha aumentato la resistenza del materiale."

Certo, osserva Ulma, ridurre il rapporto acqua/cemento per l'HPC richiede anche più cemento. E a seconda di come viene prodotto quel cemento, questo può aumentare l'impatto ambientale del materiale. Ciò è in parte dovuto al fatto che quando il carbonato di calcio viene cotto in un forno per produrre cemento convenzionale, avviene una reazione chimica che produce anidride carbonica (CO ₂ ).

Un'altra fonte di CO . del cemento ₂ le emissioni provengono dal riscaldamento dei forni da cemento. Questo riscaldamento deve essere effettuato utilizzando combustibili fossili a causa delle temperature estremamente elevate richieste nel forno (2, 700 F). Si studia l'elettrificazione dei forni, ma attualmente non è tecnicamente o economicamente fattibile.

Poiché il calcestruzzo è il materiale più popolare al mondo e il cemento è il legante principale utilizzato nel calcestruzzo, queste due fonti di CO ₂ sono la ragione principale per cui il cemento contribuisce per circa l'8% alle emissioni globali.

Il direttore esecutivo di CSHub Jeremy Gregory, però, vede la scala del calcestruzzo come un'opportunità per mitigare il cambiamento climatico.

"Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più utilizzato al mondo. E poiché ne usiamo così tanto, qualsiasi riduzione della sua impronta avrà un grande impatto sulle emissioni globali".

Molte delle tecnologie necessarie per ridurre l'impronta del calcestruzzo esistono oggi, lui nota.

"Quando si tratta di ridurre le emissioni di cemento, possiamo aumentare l'efficienza dei forni da cemento aumentando il nostro uso di materiali di scarto come fonti di energia piuttosto che di combustibili fossili, " spiega Gregorio.

"Possiamo anche utilizzare cementi miscelati che hanno meno clinker, come il cemento calcareo Portland, che mescola il calcare non riscaldato nella fase finale di macinazione della produzione del cemento. L'ultima cosa che possiamo fare è catturare e immagazzinare o utilizzare il carbonio emesso durante la produzione del cemento".

cattura del carbonio, utilizzo, e lo stoccaggio ha un potenziale significativo per ridurre l'impatto ambientale del cemento e del calcestruzzo, creando nel contempo grandi opportunità di mercato. Secondo il Center for Climate and Energy Solutions, l'utilizzo del carbonio nel calcestruzzo avrà un mercato globale da 400 miliardi di dollari entro il 2030. Diverse aziende, come Solidia Cement e Carbon Cure, stanno anticipando la curva progettando cemento e calcestruzzo che utilizzano e di conseguenza sequestrano CO ₂ durante il processo produttivo.

"Ciò che è chiaro, anche se, "dice Gregorio, "è che le miscele di calcestruzzo a basse emissioni di carbonio dovranno utilizzare molte di queste strategie. Ciò significa che dobbiamo ripensare al modo in cui progettiamo le nostre miscele di calcestruzzo".

Attualmente, le specifiche esatte delle miscele di calcestruzzo sono prescritte in anticipo. Sebbene ciò riduca il rischio per gli sviluppatori, ostacola anche miscele innovative che riducono le emissioni.

Come soluzione, Gregory sostiene di specificare le prestazioni di un mix piuttosto che i suoi ingredienti.

"Molti requisiti prescrittivi limitano la capacità di migliorare l'impatto ambientale del calcestruzzo, come i limiti sul rapporto acqua/cemento e l'uso di materiali di scarto nella miscela, " spiega. "Il passaggio a specifiche basate sulle prestazioni è una tecnica chiave per incoraggiare una maggiore innovazione e raggiungere gli obiettivi di costo e impatto ambientale".

Secondo Gregorio, ciò richiede un cambiamento culturale. Per passare a specifiche basate sulle prestazioni, numerosi portatori di interessi, come architetti, ingegneri, e specificatori, dovranno collaborare per progettare il mix ottimale per il loro progetto piuttosto che affidarsi a un mix prestabilito.

Per incoraggiare altri promotori del calcestruzzo a basse emissioni di carbonio, dice Gregorio, "dobbiamo [anche] affrontare le barriere del rischio e dei costi. Possiamo mitigare il rischio chiedendo ai produttori di segnalare l'impronta ambientale dei loro prodotti e abilitando specifiche basate sulle prestazioni. Per affrontare i costi, dobbiamo sostenere lo sviluppo e la diffusione della cattura del carbonio e delle tecnologie a basse emissioni di carbonio".

Mentre le innovazioni possono ridurre le emissioni iniziali del calcestruzzo, il calcestruzzo può ridurre le emissioni anche in altri modi.

Un modo è attraverso il suo utilizzo. L'applicazione del calcestruzzo negli edifici e nelle infrastrutture può consentire nel tempo minori emissioni di gas serra. edifici in cemento, ad esempio, può avere un'elevata efficienza energetica, mentre le proprietà superficiali e strutturali delle pavimentazioni in calcestruzzo consentono alle auto di consumare meno carburante.

Il calcestruzzo può anche ridurre parte del suo impatto iniziale attraverso l'esposizione all'aria.

"Qualcosa di unico del calcestruzzo è che assorbe effettivamente il carbonio durante la sua vita durante un processo chimico naturale chiamato carbonatazione, "dice Gregorio.

La carbonatazione avviene gradualmente nel calcestruzzo come CO ₂ nell'aria reagisce con il cemento per formare acqua e carbonato di calcio. Un articolo del 2016 su Nature Geoscience ha scoperto che dal 1930, la carbonatazione nel calcestruzzo ha compensato il 43% delle emissioni derivanti dalla trasformazione chimica del carbonato di calcio in clinker durante la produzione del cemento.

carbonatazione, anche se, ha uno svantaggio. Può portare alla corrosione dell'armatura in acciaio spesso inserita nel calcestruzzo. Andando avanti, gli ingegneri possono cercare di massimizzare l'assorbimento di carbonio del processo di carbonatazione riducendo al minimo i problemi di durata che può porre.

carbonatazione, così come tecnologie come la cattura del carbonio, utilizzo, e stoccaggio e miscele migliorate, contribuiranno tutti al calcestruzzo a basse emissioni di carbonio. Ma rendere questo possibile richiederà la collaborazione del mondo accademico, industria, e il governo, dice Gregorio.

Lui vede questa come un'opportunità.

"Il cambiamento non deve avvenire solo sulla base della tecnologia, ", osserva. "Può succedere anche dal modo in cui lavoriamo insieme verso obiettivi comuni".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.