È stato dimostrato che i nanocristalli di cellulosa derivati ​​da sottoprodotti industriali aumentano la resistenza del calcestruzzo, rappresentando un potenziale additivo rinnovabile per migliorare l'onnipresente materiale da costruzione.

I nanocristalli di cellulosa (CNC) potrebbero essere raffinati dai sottoprodotti generati nella carta, bioenergia, agricoltura e industrie della pasta di legno. Vengono estratte da strutture chiamate microfibrille di cellulosa, che contribuiscono a conferire a piante e alberi la loro grande forza, leggero e resistente. Ora, i ricercatori della Purdue University hanno dimostrato che i nanocristalli di cellulosa possono aumentare la resistenza alla trazione del calcestruzzo del 30 percento.

"Questo è un abbondante, materiale rinnovabile che può essere raccolto da materie prime di cellulosa di bassa qualità già prodotte in vari processi industriali, " disse Pablo Zavattieri, professore associato presso la Lyles School of Civil Engineering.

I nanocristalli di cellulosa potrebbero essere utilizzati per creare una nuova classe di biomateriali con applicazioni ad ampio raggio, come il rinforzo di materiali da costruzione e componenti automobilistici.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati a febbraio sulla rivista Compositi in cemento e calcestruzzo . Il lavoro è stato condotto da Jason Weiss, Jack e Kay Hockema di Purdue Professore di Ingegneria Civile e direttore del Pankow Materials Laboratory; Robert J. Moon, un ricercatore del Forest Products Laboratory del servizio forestale degli Stati Uniti; Jeffrey Youngblood, un professore associato di ingegneria dei materiali; studente di dottorato Yizheng Cao; e Zavattieri.

Un fattore che limita la resistenza e la durabilità del calcestruzzo odierno è che non tutte le particelle di cemento sono idratate dopo essere state miscelate, lasciando pori e difetti che ne ostacolano la resistenza e la durata.

"Così, in sostanza, non stiamo usando il 100% del cemento, ", ha detto Zavattieri.

Però, i ricercatori hanno scoperto che i nanocristalli di cellulosa aumentano l'idratazione della miscela di calcestruzzo, permettendo a più di esso di maturare e potenzialmente alterando la struttura del calcestruzzo e rafforzandolo. Di conseguenza, è necessario utilizzare meno cemento.

I nanocristalli di cellulosa sono larghi circa 3-20 nanometri e lunghi 50-500 nanometri - o circa 1/1, 000esimo della larghezza di un granello di sabbia - rendendoli troppo piccoli per essere studiati con microscopi ottici e difficili da misurare con strumenti di laboratorio. Provengono da una varietà di fonti biologiche, principalmente alberi e piante.

Il calcestruzzo è stato studiato utilizzando diverse tecniche analitiche e di imaging. Poiché le reazioni chimiche nell'indurimento del calcestruzzo sono esotermiche, alcuni dei test hanno misurato la quantità di calore rilasciato, indicando un aumento dell'idratazione del calcestruzzo. I ricercatori hanno anche ipotizzato la posizione precisa dei nanocristalli nella matrice di cemento e hanno appreso come interagiscono con le particelle di cemento sia nel calcestruzzo fresco che in quello indurito. È stato dimostrato che i nanocristalli formano piccoli ingressi per consentire all'acqua di penetrare meglio nel calcestruzzo.

La ricerca coincide con gli obiettivi di P3Nano, un partenariato pubblico-privato a sostegno dello sviluppo e dell'uso di nanomateriali a base di legno per un'ampia gamma di prodotti commerciali.

"L'idea è quella di supportare e aiutare Purdue a far progredire ulteriormente la tecnologia CNC-Cement per prove sul campo su vasta scala e il potenziale per la commercializzazione, ", ha detto Zavattieri.