Un’analisi ad alta tecnologia innesca una rivoluzione nell’ambito dei leganti del calcestruzzo
Il cemento è principalmente utilizzato come legante nel calcestruzzo, il materiale più ampiamente impiegato al mondo secondo solo all’acqua: questo materiale, infatti, sostiene letteralmente la vita di tutti giorni. Tuttavia, la sua produzione comporta un consumo rilevante di energia e risorse naturali, generando fino all’8 % delle emissioni globali complessive. Grazie al sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto GeoDust ha messo a punto un nuovo modo di realizzare calcestruzzi alternativi utilizzando un sottoprodotto di scarto della produzione del cemento, diminuendo al contempo la domanda di cemento e le emissioni correlate alla produzione.
La polvere da bypass delle fornaci per cemento in veste di attivatrice di alcali di un innovativo legante del calcestruzzo
Il cemento Portland, ossia il tipo di cemento più usato al mondo, si ottiene tramite il riscaldamento di materie prime a temperature superiori a 1 400 °C. Una parte dei gas all’interno della fornace è rimossa mediante un bypass al fine di prolungare il ciclo di vita della fornace e migliorare la qualità del prodotto. In seguito al raffreddamento, quello che rimane è la polvere da bypass. Questa polvere contiene metalli alcalini, in particolare il cloruro di potassio, che la rende una potenziale «attivatrice» di materiali attivati tramite alcali. Tali materiali, noti anche con il nome di geopolimeri, non sono nuovi. Normalmente, sono creati a partire da sottoprodotti industriali (precursori), e il loro impiego per la produzione di materiali simili al cemento è stato oggetto di ricerche approfondite nel corso degli ultimi decenni. Ciononostante, poiché è possibile adoperare numerosi precursori, attivatori, dosi e condizioni di indurimento, l’ampio ventaglio di proprietà dei prodotti che ne risulta non è stato caratterizzato in modo appropriato.
La caratterizzazione della filiera polvere da bypass-calcestruzzo: dalla microstruttura alle prestazioni macroscopiche
Il gruppo coinvolto nel progetto si è avvalso di approcci ad alta tecnologia per la caratterizzazione della complessità della polvere da bypass delle fornaci per cemento. Ad esempio, la microscopia elettronica a scansione ha permesso loro di vedere la granulometria, la forma e la composizione chimica, mediante la codifica a colori in base all’elemento chimico. La variabilità della composizione di questa polvere da bypass nel medesimo cementificio giorno dopo giorno si è dimostrata più elevata del previsto, rispecchiandosi a sua volta nelle proprietà del legante. Uno dei motivi per cui il gruppo ha deciso di esaminare la polvere da bypass delle fornaci per cemento è riconducibile al suo presunto potenziale di ridurre al minimo la forte contrazione dei materiali attivati da alcali. La scoperta di quanto siano sensibili i cambiamenti di volume alla dose di polvere da bypass e alle condizioni di indurimento ha lasciato sorpresi gli scienziati. In alcuni casi, infatti, l’espansione era talmente intensa da distruggere il calcestruzzo. «Il progetto GeoDust ci ha offerto l’opportunità di comprendere il ruolo della polvere da bypass delle fornaci per cemento nei leganti a base di scorie attivate da alcali. Abbiamo acquisito conoscenze in merito ai fenomeni, dalle reazioni chimiche e la microstruttura alle prestazioni macroscopiche del calcestruzzo finale», spiega Vlastimil Bílek del Politecnico di Brno, istituto che funge da coordinatore del progetto. Ciò ha contribuito allo sviluppo di successo di un legante resistente. GeoDust ha pubblicato i risultati relativi al ruolo benefico di questa polvere da bypass nel processo di attivazione tramite alcali e nella capacità di contrazione-mitigazione dei leganti attivati da alcali. Inoltre, il progetto ha pubblicato i risultati sulla preparazione di leganti attivati da alcali impiegando materiali riciclati al 100 %, nonché sulla straordinaria durabilità dei calcestruzzi attivati da alcali a base di polvere da bypass.
La sostenibilità dei leganti del calcestruzzo e l’eredità umana
Bílek riassume: «I leganti inorganici potrebbero non attirare l’attenzione del pubblico come avviene nel caso della nanotecnologia o della biomedicina; eppure, sono onnipresenti, condizionano la vita quotidiana e l’ambiente e sono difficili da caratterizzare. Il nostro progetto ha fornito un tassello di questo enigma, migliorando la sostenibilità del calcestruzzo.» Bílek, dottorando all’epoca dell’inizio del progetto, ha ora conseguito il dottorato e sta completando il suo primo progetto di ricerca in veste di ricercatore principale. Oltre ai vantaggi tecnici e ambientali, GeoDust ha promosso la competitività a livello mondiale del mondo accademico e industriale europeo tramite la formazione di ricercatori e ricercatrici in fase iniziale di carriera, tra cui Bílek.
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