Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

I pavimenti in cemento di fabbriche, magazzini e spazi pubblici molto frequentati affrontano una battaglia costante contro l'usura. Ogni passo, ogni carrello e ogni pneumatico di un veicolo sfrega contro la superficie, consumando lentamente il materiale e indebolendo la struttura nel tempo. Per costruire pavimenti che durino, gli ingegneri si affidano al cemento, l'agente legante che tiene insieme il calcestruzzo. Tuttavia, produrre questo cemento comporta un prezzo pesante: per ogni tonnellata di cemento prodotta, vengono rilasciate quasi 0,85 tonnellate di anidride carbonica nell'atmosfera, contribuendo significativamente al cambiamento climatico. Questa realtà ha spinto i ricercatori a cercare modi per sostituire parte del cemento con scarti industriali, trasformando un problema di inquinamento in una soluzione edilizia. Uno di questi prodotti di scarto proviene dalle raffinerie di petrolio, dove piccole particelle chiamate catalizzatori vengono utilizzate per aiutare a trasformare il petrolio greggio in carburante. Una volta terminato il loro compito, queste particelle vengono scartate come "catalizzatore esausto". Queste particelle sono ricche di alluminio e silice, gli stessi ingredienti presenti nelle rocce e nelle sabbie che compongono il cemento, suggerendo che potrebbero essere utili in una nuova vita.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di testare se queste particelle di scarto delle raffinerie di petrolio potessero essere mescolate al calcestruzzo per creare pavimenti più forti e durevoli che aiutino anche l'ambiente. Si sono concentrati su due diversi tipi di miscele di calcestruzzo. Il primo era una miscela di cemento standard, in cui le particelle di scarto avrebbero agito come riempitivo per sostituire parte del cemento. Il secondo era una miscela "attivata con alcali", un tipo di calcestruzzo più avanzato che utilizza una soluzione chimica per legare le particelle di scarto senza l'uso del cemento tradizionale. I ricercatori volevano vedere come la dimensione delle particelle di scarto e il tipo di miscela influenzassero la capacità del calcestruzzo di resistere alla compressione, alla flessione e al costante sfregamento dell'abrasione. Miravano anche a creare un insieme di regole che gli ingegneri potessero usare per prevedere quanto sarebbe stato resistente un pavimento prima ancora di versare il calcestruzzo, basandosi semplicemente sulla quantità di scarto aggiunta e sulla finezza delle particelle.

Il team ha iniziato raccogliendo i propri materiali: cemento Portland standard, sabbia di fiume, acqua e le particelle di catalizzatore esausto provenienti da una raffineria in Polonia. Hanno accuratamente selezionato le particelle del catalizzatore in due dimensioni, una più fine e una più grossolana, per vedere se la dimensione fosse importante. Hanno poi creato una serie di lotti di prova. In alcuni lotti, le particelle di scarto sostituivano fino al 20 percento del cemento, mentre in altri le particelle venivano utilizzate come ingrediente principale nella miscela attivata con alcali. Per garantire la lavorabilità delle miscele, hanno aggiunto un plastificante liquido per aiutare il calcestruzzo umido a scorrere facilmente negli stampi. Dopo che il calcestruzzo si è indurito, i ricercatori hanno sottoposto i campioni a una serie rigorosa di test. Hanno schiacciato cubi del materiale per misurare la resistenza alla compressione, piegato lunghe travi per testare la resistenza alla flessione e utilizzato una macchina specializzata che strofinava una ruota abrasiva pesante contro la superficie per misurare quanto peso il materiale perdeva nel tempo. Questo test di abrasione è fondamentale perché simula anni di traffico pedonale e di usura dei veicoli in poche ore.

I risultati hanno rivelato una netta divisione nelle prestazioni a seconda del tipo di calcestruzzo utilizzato. Nelle miscele di cemento standard, l'aggiunta delle particelle di scarto ha funzionato in modo straordinario. Quando i ricercatori hanno sostituito il 20 percento del cemento con il catalizzatore esausto, il calcestruzzo risultante è diventato più forte e resistente all'usura. La miscela con le particelle più fini ha raggiunto una resistenza alla compressione di 52 megapascal e una resistenza alla flessione di 8 megapascal, mostrando anche un miglioramento del 18 percento nella resistenza all'abrasione rispetto al solo cemento. Le particelle di scarto hanno agito come una spugna, assorbendo acqua e reagendo con il cemento per colmare i piccoli vuoti, creando un materiale più denso e resistente. Tuttavia, la storia è stata diversa per le miscele attivate con alcali. In queste miscele, le particelle di scarto non hanno reagito completamente con il legante chimico. Il materiale risultante era significativamente più debole e subiva un'usura molto più elevata, perdendo peso a un ritmo nove volte superiore rispetto alle miscele di cemento dopo 28 giorni. I ricercatori hanno scoperto che il processo di attivazione chimica era incompleto, lasciando molte delle particelle di scarto non reagite e tenute debolmente all'interno della struttura, il che rendeva la superficie facilmente friabile sotto l'effetto dell'attrito.

Per dare un senso a questi complessi risultati, i ricercatori hanno sviluppato un insieme di modelli matematici in grado di prevedere le prestazioni del calcestruzzo senza dover eseguire ogni singolo test. Questi modelli non erano semplici supposizioni casuali; erano costruiti su principi fisici che collegavano la quantità di scarto aggiunta, la dimensione delle particelle, il tipo di legante, l'età del calcestruzzo alla sua resistenza finale e alla durata. I modelli si sono dimostrati altamente accurati, prevedendo la resistenza alla compressione, la resistenza alla flessione e la perdita per abrasione con un margine di errore inferiore al 7 percento. Ciò significa che se un ingegnere conosce la miscela specifica che sta pianificando, può utilizzare queste formule per prevedere con fiducia come il pavimento si comporterà sotto un traffico intenso. I modelli hanno confermato che, per il cemento standard, l'aggiunta dello scarto è stata una vittoria su entrambi i fronti, potenziando la resistenza e la durata. Per le miscele attivate con alcali, i modelli hanno evidenziato che le ricette chimiche attuali non sono ancora pronte a utilizzare pienamente questo scarto, poiché le particelle rimangono troppo inerti per fornire la necessaria forza di legame.

Lo studio conclude che l'uso di scarti di raffineria di petrolio nel calcestruzzo è una via percorribile, ma richiede l'approccio corretto. Sostituire una parte del cemento con queste particelle crea un materiale ad alte prestazioni che è più resistente all'usura e riduce l'impronta di carbonio delle costruzioni. I ricercatori stimano che sostituire il 20 percento del cemento potrebbe ridurre le emissioni di carbonio di circa 170 chilogrammi per ogni tonnellata di legante utilizzato. Tuttavia, questo beneficio si realizza solo quando lo scarto viene utilizzato in miscele di cemento tradizionali, dove agisce come riempitivo reattivo. Nei sistemi più sperimentali attivati con alcali, la tecnologia non è ancora abbastanza matura per gestire efficacemente questo specifico scarto. Il lavoro fornisce una tabella di marcia chiara per l'industria delle costruzioni: selezionando attentamente il tipo di calcestruzzo e la dimensione delle particelle di scarto, i costruttori possono creare pavimenti che siano non solo più sostenibili, ma anche più duraturi, trasformando un sottoprodotto industriale in una base per il futuro.