Calcestruzzo Geopolimerico da Cemento di Scarto: La Mia Scommessa Vinta per un’Edilizia Eco-Friendly!

Amici lettori, mettetevi comodi perché oggi vi porto nel cuore di una ricerca che mi ha appassionato tantissimo e che, credetemi, potrebbe davvero dare una svolta al modo in cui costruiamo. Parliamo di cemento, quell’ingrediente fondamentale delle nostre città, ma che, ahimè, ha un impatto ambientale non da poco. E se vi dicessi che ho esplorato un modo per trasformare un problema – i rifiuti di cemento – in una risorsa preziosa? Proprio così, sto parlando di calcestruzzo geopolimerico a base di polvere di cemento di scarto (WCC)!

Il Gigante Cemento e l’Ombra della CO2: Una Sfida Globale

Sapete, l’India è il secondo produttore mondiale di cemento. Un gigante, sì, ma con un’impronta di carbonio bella pesante, soprattutto a causa della produzione di clinker. E con l’urbanizzazione che galoppa – si prevede che la popolazione urbana indiana raggiungerà gli 800 milioni entro il 2050 – la domanda di case e infrastrutture, e quindi di cemento, è destinata a esplodere. Questo significa anche una montagna crescente di rifiuti da costruzione e demolizione (CeD), in gran parte proprio cemento di scarto (WCC). Gestire questi rifiuti è un bel rompicapo: sono eterogenei, difficili da riciclare e occupano spazio prezioso in discarica, con rischi di contaminazione. Insomma, la faccenda è seria.

Geopolimeri: Eroi Silenziosi per un Futuro Sostenibile

Ma ecco che entrano in gioco loro, i geopolimeri. Immaginateli come una nuova classe di “colle” inorganiche, nate attivando chimicamente materiali ricchi di alluminosilicati (come la nostra polvere di WCC) con soluzioni alcaline. Il bello? Possono offrire un’alternativa molto più amica dell’ambiente rispetto al tradizionale cemento Portland, riducendo le emissioni di CO2 e, contemporaneamente, dando una nuova vita ai materiali di scarto. Un doppio colpo vincente: sostenibilità ambientale e gestione efficace dei rifiuti! Molti studi si sono concentrati su ceneri volanti e scorie, ma l’uso di WCC è un campo ancora relativamente giovane e promettente, come ha rivelato anche una nostra analisi bibliometrica.

La Ricetta Perfetta: Ottimizzazione con il Central Composite Design (CCD)

Trovare la “ricetta” giusta per un geopolimero performante non è come fare una torta seguendo le istruzioni della nonna. Ci vuole metodo, precisione e un pizzico di statistica avanzata. Nel mio studio, ho usato un approccio chiamato Central Composite Design (CCD). È una tecnica statistica che ci permette di capire come due fattori chiave – la molarità (M) della soluzione di idrossido di sodio (NaOH) e il rapporto della miscela alcalina (AM) (ovvero il rapporto tra silicato di sodio e idrossido di sodio) – influenzano le proprietà del nostro geopolimero. L’obiettivo? Trovare la combinazione ottimale per bilanciare diverse prestazioni: resistenza a compressione, assorbimento d’acqua, ritiro, forza di adesione al taglio e, non meno importante, l’impatto ambientale.

Abbiamo preparato diverse miscele, variando questi due parametri, e poi abbiamo messo alla prova i nostri campioni. Un aspetto cruciale è stata la maturazione: abbiamo testato diverse temperature, da quella ambiente fino a 70°C, perché la temperatura influisce parecchio sulla reazione di geopolimerizzazione.

I Risultati che Fanno la Differenza: Più Forza, Meno Impatto

E i risultati? Davvero incoraggianti! Abbiamo scoperto che una maturazione a caldo (specificamente a 60°C per 24 ore) aumenta la resistenza a compressione a 28 giorni del 15-20% rispetto alla maturazione a temperatura ambiente. Questo è un dato importantissimo perché significa ottenere materiali più resistenti in tempi più brevi.

Ma la vera chicca riguarda l’ambiente. Valutando l’impatto ambientale (Life Cycle Assessment, LCA, con approccio “cradle-to-gate”), abbiamo visto una riduzione del 15% del Potenziale di Riscaldamento Globale (GWP) e del 12% del Potenziale di Acidificazione (AP) rispetto alla malta di cemento Portland tradizionale. C’è un “ma”: l’impatto sui combustibili fossili (FF) è risultato superiore del 30%, principalmente a causa dell’uso degli attivatori alcalini. È un compromesso, ma il bilancio complessivo pende decisamente a favore dei geopolimeri, soprattutto per le emissioni di CO2.

L’analisi di desiderabilità multi-risposta, uno strumento statistico che ci aiuta a trovare il miglior compromesso tra tutte le proprietà, ha identificato la combinazione magica: molarità 10 (10M) e rapporto di miscela alcalina 2.5. Con questi parametri, abbiamo ottenuto un equilibrio eccellente tra resistenza a compressione, assorbimento d’acqua, ritiro, forza di adesione e GWP.

Non Solo Resistenza: Uno Sguardo Approfondito alle Prestazioni

Ovviamente, la resistenza a compressione non è tutto. Abbiamo analizzato anche altre proprietà fondamentali:

• Ritiro (Shrinkage): Tutti i campioni hanno mostrato un aumento rapido del ritiro nei primi 25 giorni, stabilizzandosi poi. Miscele con rapporti AM più alti (2.5 e 3.5) tendevano a un ritiro iniziale maggiore, probabilmente per una geopolimerizzazione più rapida. La combinazione 10M e 2.5AM ha mostrato un buon comportamento, stabilizzandosi bene nel tempo.
• Assorbimento d’Acqua per Capillarità: Qui, la miscela 10M2.5AM si è distinta con un basso assorbimento (33.20 gm/100cm²), indicando una buona densità della matrice geopolimerica. Un basso assorbimento è cruciale per la durabilità.
• Forza di Adesione al Taglio (Tensile Bond Strength): La miscela 12M2.5AM ha raggiunto la forza di adesione più alta (0.43 MPa a 90 giorni), ma anche la 10M2.5AM ha performato molto bene, dimostrando che queste malte possono legarsi efficacemente ad altri materiali da costruzione come i mattoni.

Le analisi ANOVA (analisi della varianza) hanno confermato che la molarità e l’interazione tra molarità e rapporto alcalino sono i fattori più significativi per la resistenza a compressione, mentre per il ritiro e l’assorbimento d’acqua anche i termini quadratici del rapporto alcalino giocano un ruolo chiave. Questo ci dice quanto sia complesso il sistema e quanto sia importante un’ottimizzazione mirata.

E i Costi? Un Bilancio Economico-Ambientale Positivo

Parliamo di soldi. Un materiale può essere super ecologico, ma se costa un occhio della testa, difficilmente prenderà piede. Abbiamo quindi fatto un’analisi costi-benefici (CBA). Anche se la maturazione a caldo comporta un costo energetico aggiuntivo, la maggior parte delle miscele geopolimeriche ha mostrato una migliore efficienza in termini di costo per MPa di resistenza ottenuto, specialmente a temperature di maturazione più elevate. Inoltre, abbiamo calcolato un indice consolidato (ECM) che tiene conto dei parametri ambientali, meccanici ed economici. Ebbene, tutte le malte geopolimeriche hanno superato la malta cementizia tradizionale, con la miscela 10M2.5AM che ha ottenuto il punteggio ECM più alto. Questo significa che, considerando tutto l’insieme, il nostro geopolimero è una scelta vantaggiosa!

Dentro la Materia: Microstruttura e Composizione

Per capire meglio cosa succede a livello microscopico, abbiamo usato tecniche come la microscopia elettronica a scansione (FE-SEM), l’analisi termogravimetrica (TGA/DTG) e la diffrazione a raggi X (XRD). Le immagini FE-SEM della miscela ottimale (10M2.5AM maturata a 60°C) hanno rivelato una microstruttura compatta, che spiega l’alta resistenza. Certo, si notavano anche alcune microfratture e vuoti d’aria, probabilmente dovuti al ritiro, ma la struttura generale era solida. L’analisi TGA/DTG ha mostrato perdite di massa a temperature specifiche, indicative dell’evaporazione dell’acqua legata e della decomposizione di fasi come la calcite (formata per carbonatazione). L’XRD ha confermato la formazione dei gel geopolimerici N-(A)-S-H (sodio-allumino-silicato idrato) e, grazie alla presenza di calcio nel WCC, anche di gel C-(A)-S-H (calcio-allumino-silicato idrato), entrambi cruciali per le prestazioni del materiale.

Tirando le Somme: Una Strada Promettente per l’Edilizia del Futuro

Quindi, cosa ci portiamo a casa da questa avventura scientifica? Beh, prima di tutto la conferma che utilizzare polvere di cemento di scarto (WCC) come unico precursore per produrre malte geopolimeriche è fattibile e vantaggioso. Abbiamo identificato le condizioni ottimali: una soluzione di NaOH 10M, un rapporto alcalino di 2.5 e una maturazione a caldo a 60°C per 24 ore. Questa combinazione non solo ci dà ottime proprietà meccaniche (come l’80% della resistenza a 28 giorni raggiunta in soli 7 giorni e un buon controllo del ritiro e dell’assorbimento d’acqua), ma riduce anche significativamente l’impatto ambientale rispetto al cemento tradizionale, in particolare il GWP.

Certo, la strada è ancora lunga. Serviranno ulteriori studi sulla durabilità a lungo termine in diverse condizioni ambientali, sulla scalabilità industriale e sull’integrazione di questi materiali nelle normative edilizie. Ma i risultati ottenuti sono una solida base di partenza e mi riempiono di ottimismo.

Credo fermamente che l’innovazione nei materiali da costruzione, come quella che vi ho raccontato, sia una delle chiavi per affrontare le sfide ambientali del nostro tempo, promuovendo un’edilizia più verde e una gestione più intelligente delle risorse. E chissà, magari un giorno le nostre case saranno costruite proprio con questi “mattoni” del futuro, nati dalla saggezza della chimica e dal rispetto per il nostro pianeta!

Fonte: Springer