Valorization of Wastepaper Ash and Waste Ceramic Powder as Supplementary Cementitious Materials in Cement Mortar Production

Immaginate il mondo dell'edilizia come un mostro gigante e affamato che divora enormi quantità di cemento per costruire le nostre case e le nostre strade. Questo mostro è anche un po' un elemento di disturbo, poiché emette enormi nuvole di anidride carbonica che riscaldano il nostro pianeta. Nel frattempo, abbiamo un cumulo di "rifiuti" che giace lì intorno: vecchie carte da ufficio e piastrelle in ceramica rotte. Di solito, questi finiscono in discarica o vengono bruciati, il che è una brutta notizia per l'aria e il suolo.

Questo studio pone una domanda semplice e curiosa: E se potessimo nutrire il mostro del cemento con quei rifiuti invece di produrre nuovo cemento?

I ricercatori hanno preso due tipi specifici di scarti — la cenere da carta di scarto (WPA) (la cenere rimasta dopo la combustione della carta) e la polvere di ceramica di scarto (WCP) (piastrelle frantumate) — e le hanno mescolate insieme in un rapporto 2:1. Hanno poi provato a sostituire diverse quantità del cemento nel malto (la colla che tiene insieme i mattoni) con questo "mix di rifiuti", che hanno chiamato WPACP. Hanno testato sostituzioni dello 0%, 5%, 10%, 15% e 20%.

La Zona "Goldilocks": Trovare il Mix Perfetto

Pensate al mix di malta come all'impasto di una torta. Se aggiungete troppa farina, diventa secco e sbriciolato. Se ne aggiungete troppo poca, diventa un pasticcio molliccio. I ricercatori hanno scoperto che questo mix WPACP aveva un punto di equilibrio molto specifico.

• Il Calo della Lavorabilità: Non appena hanno iniziato ad aggiungere il mix di rifiuti, la malta è diventata più "assetata". Aveva bisogno di più acqua per rimanere fluida e lavorabile. Più rifiuti aggiungevano, più era difficile da lavorare. Quando sono arrivati al 20%, la malta stava diventando rigida e pigra.
• L'Impennata della Resistenza: Qui la cosa si fa eccitante. Quando hanno sostituito il 15% del cemento con il mix WPACP, la malta non solo ha retto, ma è diventata più forte.
  • A 28 giorni di stagionatura (lasciandola indurire), il mix al 15% era più forte del 25,3% in compressione rispetto al mix di cemento regolare.
  • A 56 giorni, era ancora più forte del 16,1%.
  • Tuttavia, se sono andati troppo oltre e hanno usato il 20%, la resistenza ha iniziato a scendere di nuovo. Il documento esclude esplicitamente l'idea che "più rifiuti siano sempre meglio". Il mix al 20% è stato effettivamente peggiore del controllo, dimostrando che esiste un limite a quanto scarto si può inserire prima che la struttura si indebolisca.

Lo Scudo Invisibile: Durata e Densità

Perché il mix al 15% ha vinto? Immaginate la malta come una spugna. Una spugna normale ha grandi buchi dove l'acqua può infiltrarsi e causare danni. Le particelle WPACP sono super piccole e angolari. Quando aggiunte al livello del 15%, agiscono come un puzzle microscopico, riempiendo tutti i piccoli spazi e i buchi tra i grani di sabbia più grandi.

• L'Effetto "Riempitivo": Questo ha creato una struttura molto più densa e compatta. Il mix al 15% aveva la più bassa assorbimento d'acqua e la minore porosità (meno buchi).
• Il Test Sonico: Hanno usato le onde sonore (Velocità dell'Impulso Ultrasonico) per controllare l'interno della malta. Il suono viaggia più velocemente attraverso oggetti densi e solidi e più lentamente attraverso cose spugnose e piene di buchi. Il mix al 15% ha permesso al suono di viaggiare più velocemente, confermando che era compatto. Entro i 56 giorni, questo mix è stato classificato come di "buona" qualità, superando il cemento regolare.
• Lo Scudo di Solfati: Hanno persino immerso i campioni in una soluzione di solfato salino (come l'acqua di mare aggressiva) per vedere se si sarebbero sbriciolati. Il mix al 15% ha perso la minor quantità di resistenza, dimostrando di essere il migliore nel resistere agli attacchi chimici.

Il Lavoro Investigativo Microscopico

Per essere assolutamente certi di cosa stesse accadendo all'interno, i ricercatori hanno utilizzato "microscopi" hi-tech che guardano il calore e la luce:

1. Analisi Termica (TGA/DTA): Hanno riscaldato i campioni fino a 900°C per vedere cosa evaporasse. Hanno scoperto che il mix al 15% aveva la minore perdita di peso. Ciò significa che aveva la struttura più stabile e il minor numero di punti deboli o di acqua "libera". Ha anche mostato che la cenere e la polvere di scarto stavano reagendo con il cemento per creare "colla" extra (gel C-S-H) e consumare le parti più deboli (idrossido di calcio).
2. Spettroscopia a Infrarossi (FT-IR): Questo è come prendere l'impronta digitale delle sostanze chimiche. Le scansioni hanno mostato che il mix al 15% aveva un segnale molto più forte per la "super colla" (gel C-S-H) e un segnale più debole per le parti più deboli (idrossido di calcio). Ciò ha confermato che i materiali di scarto stavano attivamente aiutando a costruire una matrice più forte, non si limitavano a stare lì come riempitivo.

Il Verdetto

Il documento conclude che non si può semplicemente versare scarti illimitati nel cemento. Il 20% è troppo e lo 0% perde i benefici. Ma il 15%? Quello è il numero magico.

Sostituendo il 15% del cemento con un mix 2:1 di cenere da carta di scarto e polvere di ceramica di scarto, si ottiene una malta che è:

• Più forte (fino al 25,3% di resistenza alla compressione in più a 28 giorni).
• Più densa (minore assorbimento d'acqua e porosità).
• Più durevole (migliore resistenza agli attacchi dei solfati).
• Più verde (meno cemento necessario, meno rifiuti in discarica).

Lo studio suggerisce che questa è un'opzione praticabile e reale per produrre materiali da costruzione che siano più duri per l'ambiente e più resistenti sul campo di lavoro. Tuttavia, gli autori notano che, sebbene i risultati di laboratorio siano promettenti, sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare questo processo per l'uso su larga scala. Non hanno ancora dichiarato che sia un problema risolto per tutto il mondo, ma hanno sicuramente trovato una ricetta molto solida per il futuro.