Il calcestruzzo è diventato il nostro materiale da costruzione preferito per innumerevoli strutture come ponti, torri e dighe. Ma ha anche un enorme impatto ambientale dovuto principalmente alle emissioni di anidride carbonica dalla produzione di cemento, uno dei suoi principali costituenti. I ricercatori stanno ora sperimentando ortaggi a radice e plastica riciclata nel cemento per vedere se questo può renderlo più forte e più sostenibile e persino alimentare i lampioni o i sensori di inquinamento atmosferico.

Dopo l'acqua, il cemento è la sostanza più utilizzata al mondo. produzione di cemento, un componente chiave del calcestruzzo, è responsabile di circa l'8% dell'anidride carbonica globale (CO ₂ ) emissioni. Si tratta di bruciare molti minerali, conchiglie, scisto e altri componenti in forni riscaldati a circa 1, 400°C, dove i combustibili fossili sono generalmente utilizzati come fonte di energia, producendo così CO ₂ emissioni.

Inoltre, produzione di clinker:piccolo, grumi solidi che sono un prodotto intermedio del cemento, sono il risultato di una reazione chimica ad alta temperatura che è anche ad alta intensità energetica.

"L'industria del cemento sta lavorando per decarbonizzare e ridurre l'impronta dei combustibili fossili, " ha detto il dottor Nikola Tošić, ricercatore presso l'Università Politecnica della Catalogna a Barcellona, Spagna. "Ma la parte chimica delle emissioni di anidride carbonica è inevitabile a meno che non arriviamo a tipi di cemento (completamente) diversi".

Quando il cemento viene mescolato con acqua, forma una pasta che lega insieme inerti quali sabbia e pietrisco, permettendo al calcestruzzo di indurire e conferendogli forza e struttura.

Rafforzare il cemento in modo che ne serva meno è una strategia per ridurne l'impatto ambientale. Il professor Mohamed Saafi della Lancaster University nel Regno Unito ei suoi colleghi mirano a raggiungere questo obiettivo nell'ambito del progetto B-SMART.

Il cemento deve essere combinato con l'acqua in modo che aderisca alla sabbia e alla roccia frantumata e li leghi insieme. Però, non tutte le particelle di cemento si idratano durante il processo. "La maggior parte di loro rimane essenzialmente seduta lì senza fare nulla che è uno spreco, " ha detto il Prof. Saafi. "Se possiamo amplificare questo meccanismo di idratazione, la sua forza aumenterà in modo significativo e quindi possiamo usare meno cemento".

Tuberi

Il prof. Saafi e il suo team si sono rivolti agli ortaggi a radice per chiedere aiuto. Hanno studiato se il materiale di scarto delle carote lavorate per produrre alimenti per l'infanzia, o gli avanzi dell'estrazione dello zucchero di barbabietola potrebbero essere aggiunti al cemento per rafforzarlo. Utilizzando simulazioni al computer, sono stati in grado di vedere come i fogli super sottili realizzati con queste verdure e gettati nella pasta di cemento avrebbero interagito con il cemento, esaminando il loro effetto sia sull'idratazione del cemento che sulle sue proprietà meccaniche risultanti. Quindi hanno condotto esperimenti in laboratorio per cercare di convalidare i risultati delle loro simulazioni.

I ricercatori hanno scoperto che l'incorporazione di fogli realizzati con scarti vegetali era in grado di migliorare l'idratazione del cemento. I fogli fungevano da serbatoi che consentivano all'acqua di raggiungere più particelle di cemento e quindi migliorare la sua capacità di legame. "Allo stesso tempo, una volta terminata l'idratazione alcuni di questi nanofogli di carota rimangono nel cemento e ne rendono la struttura molto resistente, " ha detto il Prof. Saafi. "Non l'abbiamo mai visto prima ed è davvero una scoperta sorprendente".

È stato riscontrato che l'aggiunta di ortaggi a radice al cemento offre ulteriori vantaggi. Facendo pressione su una carota, Per esempio, produce energia elettrica che potrebbe alimentare una piccola luce LED o dispositivi elettronici. Quando i nanofogli di carota sono stati aggiunti al cemento, Il prof. Saafi ei suoi colleghi hanno scoperto di poter realizzare un cemento che produce elettricità. Se usato per costruire un ponte, Per esempio, l'elettricità potrebbe essere generata al passaggio di auto oa causa di vibrazioni o movimenti causati dai pedoni. "Possiamo usare questa elettricità dal cemento per alimentare LED o lampioni, " ha detto il prof. Saafi. "Potrebbe anche alimentare sensori per monitorare l'inquinamento atmosferico".

L'elettricità prodotta dal calcestruzzo potrebbe anche fornire informazioni sulla salute di una struttura. La tensione generata cambierebbe se ci sono crepe, Per esempio. Incorporare un dispositivo di monitoraggio che traccia l'uscita elettrica in un edificio o in un ponte potrebbe quindi aiutare a determinare quando qualcosa non va e una struttura deve essere controllata, prevenendo così un fallimento catastrofico.

Il team sta ora conducendo test sul campo per vedere se possono costruire strutture con il loro cemento di carota che hanno le stesse proprietà osservate in laboratorio. Mirano inoltre a utilizzare i processi esistenti durante la produzione del calcestruzzo modificato per ridurre i costi.

Se tutto va bene, il team si aspetta che il loro cemento vegetale possa ridurre la quantità di cemento necessaria per costruire una struttura di 10 kg per metro cubo di calcestruzzo. "Speriamo in futuro di poterlo ottimizzare un po' meglio e ridurre ulteriormente la quantità di cemento (necessaria), " ha detto il prof. Saafi.

cenere volante

Altri tipi di materiale di scarto sono in fase di sperimentazione per rendere il calcestruzzo più sostenibile. Sottoprodotti industriali come le ceneri volanti:una multa, il materiale polveroso che rimane dopo la combustione del carbone e le scorie d'altoforno, gli avanzi granulati della produzione di acciaio, potrebbero in parte sostituire il cemento.

"Possiamo ridurre (la quantità di) cemento dal 30% al 50% e aggiungere questi sottoprodotti industriali (invece), " ha detto il dottor Tošić, che sta esplorando questo approccio come parte di un progetto chiamato GREEN-FRC.

Il team si sta concentrando sulla produzione di calcestruzzo fibrorinforzato da utilizzare in contesti urbani, per realizzare ad esempio marciapiedi ed edifici. Sperimenteranno diverse miscele di calcestruzzo per trovare quelle ottimali dal punto di vista della sostenibilità e dove le proprietà meccaniche non sono compromesse.

Inizialmente verranno utilizzati modelli matematici per prevedere le proprietà dei loro calcestruzzi più verdi in base alla loro composizione, che saranno seguiti da test di laboratorio. "Ci aspettiamo che si comportino in modo diverso dal solito, cemento tradizionale, " ha detto il dottor Tošić.

Interessante è anche l'integrazione della plastica nel calcestruzzo. Le fibre di plastica riciclate potrebbero eventualmente essere utilizzate per renderlo più forte, forse consentendo una riduzione dei componenti non sostenibili come l'acciaio utilizzato per rinforzare il cemento. Da quando il progetto è iniziato all'inizio del 2020, il team ha incorporato diverse quantità e tipi di fibre di plastica in polipropilene nel calcestruzzo e ne ha testato le prestazioni a lungo termine. Il calcestruzzo si deforma continuamente nel tempo se sottoposto a un carico costante, quindi vogliono vedere come si comporta quando la sua composizione viene alterata. "Dobbiamo essere in grado di prevederlo, " ha detto il dottor Tošić.

Prossimamente, il team inizierà anche a esaminare come alcune argille potrebbero essere utilizzate per sostituire parzialmente il cemento nel calcestruzzo. Il cemento ha un'impronta ambientale aggiuntiva che deriva da risorse naturali come argille e minerali necessari per produrlo. Ma utilizzare invece argilla calcarea e calcio potrebbe essere un'opzione più sostenibile poiché è molto più abbondante di altri materiali naturali utilizzati per realizzare il cemento tradizionale, così come altre alternative come i sottoprodotti industriali.

Il Dr. Tošić pensa che i loro calcestruzzi più verdi saranno inizialmente utilizzati per pavimentazioni, rivestimento per gallerie e pannelli per facciate di edifici, che richiedono meno rinforzi rispetto a strutture come gli edifici. Alcune imprese edili si stanno già interessando al progetto fornendo gratuitamente materiali per i loro esperimenti. "Nell'ultimo anno, stiamo notando che le società di costruzioni stanno apportando un cambiamento o un cambiamento in termini di pensiero, " ha detto il dottor Tošić. "Stanno vedendo che la sostenibilità è necessaria per loro in futuro, altrimenti perderanno un mercato".