Reni Stanchi, Cervello Appannato: Il Legame Nascosto con il Declino Cognitivo

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Ammettiamolo, il cemento Portland, quello che tiene in piedi le nostre città, ha un piccolo, grande problema: l’anidride carbonica. La sua produzione è una delle principali fonti di emissioni di CO2 a livello globale, e questo, amici miei, non è proprio il massimo per il nostro pianeta. Ma se vi dicessi che c’è un’alternativa più “verde”, un tipo di cemento che non solo emette meno CO2 durante la sua produzione, ma che potrebbe addirittura “mangiarsela”? Sembra fantascienza, vero? Eppure, è proprio su questo che un gruppo di scienziati (e modestamente, ci siamo dentro anche noi con questo studio!) ha voluto vederci chiaro, concentrandosi su un protagonista affascinante: il cemento sulfoalluminoso di calcio (CSA).

Un Eroe Chiamato CSA e il Suo Ingrediente Segreto: la Ye’elimite

Il cemento CSA è da tempo sulla cresta dell’onda come possibile sostituto del Portland. Perché? Beh, per produrlo serve una temperatura di cottura più bassa (circa 200°C in meno, non male!), il che si traduce in un 40% in meno di emissioni di CO2. E non è finita qui: è anche più facile da macinare. Insomma, un bel risparmio energetico e un sospiro di sollievo per l’ambiente. Ma la vera magia sta nei suoi componenti e in come reagiscono, soprattutto quando incontrano l’anidride carbonica. Il componente principale del clinker di CSA che ci interessa qui è la ye’elimite (una roba che in gergo tecnico chiamiamo C4A3S̅ – non preoccupatevi dei simboli, è solo per farci capire tra noi “addetti ai lavori”).

Quando la ye’elimite si idrata, cioè reagisce con l’acqua, forma dei prodotti come il monosolfato e il gel di idrossido di alluminio. Se poi aggiungiamo del gesso (CS̅H2), ecco che spunta fuori l’ettringite, un altro composto chiave che conferisce al cemento CSA proprietà fantastiche come la presa rapida (perfetta per riparazioni d’emergenza) e la capacità di compensare il ritiro (addio crepe!).

La Carbonatazione: Da Nemica ad Alleata?

Tradizionalmente, la carbonatazione – la reazione del cemento con la CO2 atmosferica – è vista come il diavolo per la durabilità del calcestruzzo. Ma la scienza è bella perché ribalta le prospettive! Negli ultimi anni, si è iniziato a pensare alla carbonatazione accelerata come a un metodo di “stagionatura” per rendere la produzione di cemento più sostenibile. Immaginate di poter “bloccare” la CO2 direttamente nel materiale da costruzione! E pare che la carbonatazione “umida” (cioè in presenza di acqua) sia ancora più efficiente.

Il cemento CSA, a quanto pare, è più incline alla carbonatazione naturale rispetto al Portland. Questo ci ha incuriosito tantissimo. Cosa succede esattamente quando la ye’elimite, il gesso e l’acqua incontrano la CO2? Nonostante molti studi abbiano analizzato la carbonatazione dei cementi CSA in generale, mancava una sorta di “mappa” dettagliata, un modello teorico completo che descrivesse il meccanismo di carbonatazione proprio del sistema base: ye’elimite-gesso-acqua-CO2. Ed è qui che siamo entrati in gioco noi!

La Nostra Missione: Creare l'”Atlante” della Carbonatazione

Il nostro obiettivo era ambizioso: colmare questa lacuna, passando dalla complessità del cemento CSA alla purezza della fase minerale ye’elimite, per costruire un quadro teorico fondamentale. Volevamo capire, passo dopo passo, cosa succede a livello chimico. Per farlo, ci siamo armati di calcoli teorici, basati sulla priorità delle reazioni chimiche. Abbiamo immaginato un sistema con 1 mole di ye’elimite, una quantità variabile ‘a’ di gesso e una quantità variabile ‘b’ di CO2, più acqua a sufficienza.

Ne è venuto fuori un vero e proprio “atlante” teorico delle reazioni, con diverse zone e confini. Immaginate una mappa dove l’asse orizzontale rappresenta la quantità di gesso e quello verticale la quantità di CO2. Ogni punto su questa mappa, ogni zona, ogni linea di confine, ci dice quali reazioni avvengono e quali prodotti si formano. Abbiamo definito confini specifici: un “Confine Inferiore” (BB), “Confine I” (BI), “Confine II” (BII), “Confine III” (BIII), “Confine Superiore” (TB), “Confine Sinistro” (LB) e “Confine Destro” (RB). Questi confini delimitano quattro zone principali (Zona I, II, III, IV).

Per ogni zona e confine, abbiamo riassunto le reazioni e l’evoluzione dei prodotti. Ad esempio, abbiamo visto che il monocarbonato (un prodotto intermedio della carbonatazione) esiste solo nella Zona I e nel Confine BI. La formazione di carbonato di calcio, invece, inizia dalla Zona III. E il gesso? Beh, il gesso a volte si comporta da reagente, a volte da prodotto, a seconda della zona in cui ci troviamo. Un vero trasformista!

Cosa Ci Dicono i Numeri: Termodinamica e Dintorni

Una volta tracciata la mappa, dovevamo assicurarci che le reazioni previste potessero effettivamente avvenire. Qui entra in gioco la termodinamica. Abbiamo calcolato la variazione di energia libera di Gibbs e l’entalpia per ogni zona e confine. I risultati? Tutti negativi! In parole povere? Le reazioni avvengono da sole, spontaneamente, senza bisogno di “spinte” esterne, e nel farlo rilasciano calore (sono esotermiche). Ottimo!

E i volumi? Abbiamo scoperto che il volume solido aumenta in ogni zona e confine, principalmente a causa della formazione di nuova ettringite o altri prodotti solidi. Al contrario, il volume chimico diminuisce, perché l’acqua viene consumata nelle reazioni. Ma la domanda cruciale era: quanta CO2 può assorbire il nostro sistema? Teoricamente, 1 mole di ye’elimite può “catturare” fino a 3 moli di CO2, indipendentemente dalla quantità di gesso presente. Pensateci: durante la produzione della ye’elimite, vengono rilasciate 3 moli di CO2 per ogni mole di ye’elimite prodotta dalla decomposizione del carbonato di calcio. Quindi, in una situazione ideale di carbonatazione completa, potremmo riassorbire tutta la CO2 emessa per produrla! Un ciclo quasi perfetto.

La Prova del Nove: Modellazione e Sperimentazione

Non ci siamo fermati alla teoria, ovviamente! Abbiamo messo alla prova il nostro “atlante”. Come? In due modi: con una modellazione al computer (usando un software figo chiamato GEMS-PSI, che minimizza l’energia libera di Gibbs) e con esperimenti di laboratorio.

Per la modellazione, abbiamo simulato il sistema ye’elimite-gesso-acqua aggiungendo progressivamente CO2, variando anche la quantità di gesso. I risultati della modellazione si sono allineati magnificamente con i nostri calcoli teorici, confermando l’evoluzione dei prodotti di carbonatazione nelle diverse zone e confini. Anzi, il nostro approccio teorico si è rivelato ancora più dettagliato, permettendoci di distinguere, ad esempio, l’origine dell’ettringite (se da carbonatazione del monosolfato o da idratazione diretta della ye’elimite), cosa che la modellazione GEMS da sola non faceva con la stessa chiarezza.

Poi, siamo passati al bancone del laboratorio. Abbiamo sintetizzato la nostra ye’elimite purissima, l’abbiamo mescolata con acqua (e in alcuni casi con gesso, per rappresentare il “Confine Sinistro” – senza gesso – e il “Confine Destro” – con 2 moli di gesso) e l’abbiamo sottoposta a carbonatazione umida, facendo gorgogliare CO2 a flusso controllato. Abbiamo prelevato campioni a tempi diversi e li abbiamo analizzati con tecniche come la diffrazione a raggi X (XRD) per vedere quali minerali si formavano e l’analisi termogravimetrica (TG-DTG) per quantificarli.

I risultati sperimentali? Un successone! Hanno confermato in linea di massima quanto previsto dal nostro atlante teorico. Ad esempio, nel “Confine Sinistro” (senza gesso), abbiamo visto che prima si carbonata il monosolfato formando monocarbonato ed ettringite. Poi, il monocarbonato si trasforma in carbonato di calcio. Infine, anche l’ettringite si carbonata. Alla fine, i prodotti principali erano gesso, carbonato di calcio (sotto forma di vaterite, aragonite e calcite – che chic!) e idrossido di alluminio. E le quantità di carbonato di calcio e idrossido di alluminio aumentavano col tempo, proprio come previsto dai calcoli.

Nel “Confine Destro” (con tanto gesso), dove l’ettringite è già presente in abbondanza dall’idratazione, la carbonatazione ha colpito direttamente l’ettringite, formando ancora gesso, carbonato di calcio e idrossido di alluminio, con quantità crescenti nel tempo.

Cosa Abbiamo Imparato e Dove Andiamo Ora?

Quindi, cosa ci portiamo a casa da questa avventura scientifica?

• Abbiamo creato un “atlante” teorico delle reazioni per il sistema ye’elimite-gesso-acqua-CO2, con zone e confini ben definiti che descrivono l’evoluzione dei prodotti.
• Abbiamo dimostrato, calcoli alla mano, che queste reazioni sono spontanee ed esotermiche.
• Abbiamo calcolato che 1 mole di ye’elimite può assorbire fino a 3 moli di CO2.
• Il volume solido aumenta, mentre quello chimico diminuisce durante la carbonatazione.
• La modellazione GEMS e, soprattutto, gli esperimenti di laboratorio hanno confermato la validità del nostro approccio teorico. Il nostro modello ha persino offerto una visione più dettagliata rispetto alla sola modellazione GEMS, distinguendo le diverse “vie” di formazione e carbonatazione dell’ettringite.

Certo, ci sono ancora aspetti da approfondire, come la cinetica delle reazioni (quanto velocemente avvengono?) e come l’evoluzione della porosità del materiale influenzi la diffusione della CO2. Ma questo studio getta le basi per una comprensione più profonda e scientifica della carbonatazione del cemento CSA. E chissà, forse un giorno, grazie anche a queste ricerche, costruiremo edifici che non solo sono più “gentili” con l’ambiente durante la loro produzione, ma che contribuiscono attivamente a ripulire l’aria che respiriamo. Non sarebbe fantastico?

Fonte: Springer