Effect of the Curing Regime on the Mechanical Properties, Mineralogical Phase Composition (XRD), and Carbon Footprint of 100% Fly Ash-Based High-Performance Geopolymer Concrete of M60 Grade
Questo studio dimostra che un calcestruzzo geopolimerico di classe M60 a base di 100% ceneri volanti, stagionato a 80°C per 48 ore, raggiunge proprietà meccaniche paragonabili al calcestruzzo convenzionale in cemento Portland ordinario (OPC), riducendo significativamente l'impronta di carbonio incorporata del 74,5%.
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Il calcestruzzo è il materiale edilizio più utilizzato sulla Terra, e costituisce lo scheletro delle nostre città, dei ponti e delle nostre case. Per oltre un secolo, la colla che ha tenuto insieme questo materiale è stata l'ordinario cemento Portland, una sostanza ottenuta riscaldando calcare e argilla a temperature estreme. Sebbene efficace, il processo di produzione di questo cemento è un grande inquinante, poiché rilascia enormi quantità di anidride carbonica nell'atmosfera mentre il calcare si decompone e mentre i combustibili fossili vengono bruciati per alimentare le fornaci. Mentre il mondo cerca un modo per costruire un futuro più verde, gli scienziati stanno cercando un modo per produrre calcestruzzo resistente senza fare affidamento su questo ingrediente ad alto contenuto di carbonio. Un'alternativa promettente consiste nell'utilizzare la ceneri volanti, una fine polvere vetrosa residua della combustione del carbone nelle centrali elettriche. Invece di lasciare che questo scarto resti in discarica o inquini l'aria, i ricercatori possono attivarlo chimicamente per legare sabbia e pietra, creando un materiale noto come calcestruzzo geopolimerico. Tuttavia, questo nuovo materiale si comporta diversamente rispetto al calcestruzzo tradizionale; spesso richiede condizioni specifiche per raggiungere la sua piena resistenza, e trovare la ricetta perfetta per strutture ad alte prestazioni è rimasto una sfida.
Un team di ricercatori del Government College of Engineering si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma, testando se fosse possibile creare un calcestruzzo ad alta resistenza utilizzando solo ceneri volanti, eliminando completamente la necessità del tradizionale cemento. Il loro obiettivo era produrre una miscela capace di sostenere carichi pesanti, uno standard noto come classe M60, solitamente riservato alle infrastrutture critiche. Sapevano che le ceneri volanti non induriscono da sole quando mescolate con l'acqua; hanno bisogno di una spinta chimica da soluzioni alcaline, specificamente idrossido di sodio e silicato di sodio, per trasformarsi in un legante solido. La domanda critica era come curare questa miscela. Mentre il calcestruzzo tradizionale indurisce semplicemente stando in acqua, il calcestruzzo geopolimerico spesso necessita di calore per accelerare la reazione chimica. Il team ha testato cinque diversi scenari di cura per vedere quale avrebbe prodotto i risultati migliori: lasciare i campioni in una stanza standard, cuocerli a 60 gradi Celsius per uno o due giorni, oppure cuocerli a 80 gradi Celsius per uno o due giorni. Hanno anche misurato il costo ambientale di ciascun metodo per vedere se l'energia utilizzata per il riscaldamento valesse la riduzione delle emissioni di carbonio.
I risultati hanno dimostrato che il calore era effettivamente la chiave per sbloccare il potenziale del materiale. I campioni lasciati a indurire a temperatura ambiente hanno sviluppato una resistenza discreta, ma non sono riusciti a raggiungere l'obiettivo delle alte prestazioni. I campioni cotti a 60 gradi hanno ottenuto risultati migliori, ma i risultati più impressionanti sono arrivati dai campioni curati a 80 gradi per 48 ore. Dopo soli 28 giorni, questi campioni hanno raggiunto una resistenza alla compressione di 67,85 megapascal e, al giorno 56, hanno toccato i 74,12 megapascal. Questa prestazione era quasi identica a quella di un calcestruzzo standard ad alta resistenza fatto con cemento ordinario, che ha raggiunto i 74,46 megapascal alla stessa età. I ricercatori hanno anche testato quanto bene il materiale resistesse allo sforamento, una proprietà nota come resistenza alla trazione per divisione. La miscela geopolimerica ottimizzata ha raggiunto 4,83 megapascal, ovvero circa il 95 percento della resistenza della miscela di cemento tradizionale. Ciò ha dimosttato che un calcestruzzo realizzato interamente con scarti industriali può eguagliare l'affidabilità strutturale del materiale convenzionale utilizzato per grattacieli e ponti.
Per capire perché questo materiale fosse diventato così resistente, gli scienziati hanno esaminato l'interno dei campioni utilizzando la diffrazione di raggi X, una tecnica che identifica i cristalli e le strutture microscopiche che si formano durante il processo di indurimento. Nel cemento tradizionale, la resistenza deriva da un gel chiamato silicato di calcio idrato, che si forma mentre il cemento reagisce con l'acqua. Nel geopolimero di ceneri volanti, la reazione chimica ha creato un gel diverso, noto come alluminosilicato di sodio idrato. L'analisi ha rivelato che questo nuovo gel ha formato una rete tridimensionale densa che ha bloccato la miscela insieme. Lo studio ha anche scoperto che le ceneri volanti hanno mantenuto alcune delle loro strutture minerali originali, come quarzo e mullite, che hanno agito come riempitivi robusti all'interno della nuova matrice di gel. Fondamentalmente, le scansioni a raggi X non hanno mostrato segni di idrossido di calcio, un sottoprodotto comune nel cemento tradizionale, confermando che il processo chimico era fondamentalmente diverso e non dipendeva dalle stesse reazioni che rendono il cemento così intensivo in termini di carbonio.
Forse il risultato più significativo dello studio è stata la drastica riduzione dell'impatto ambientale. I ricercatori hanno calcolato le emissioni totali di carbonio associate alla produzione di un metro cubo del loro nuovo calcestruzzo rispetto a una miscela standard a base di cemento. Poiché le ceneri volanti sono un prodotto di scarto, esse comportano quasi nessun costo di carbonio in questo calcolo. Le uniche emissioni derivavano dalla produzione degli attivatori chimici e dall'elettricità utilizzata per riscaldare i forni per due giorni. Anche con questi input energetici, l'impronta totale di carbonio del calcestruzzo geopolimerico era di soli 106,9 chilogrammi di anidride carbonica per metro cubo. Al contrario, la miscela di cemento tradizionale emetteva 420 chilogrammi per metro cubo. Ciò rappresenta una riduzione del 74,5 percento, dimostrando che è possibile creare materiali edilizi ad alta resistenza e duraturi che siano molto più gentili con il pianeta. Lo studio conclude che, utilizzando ceneri volanti di scarto e applicando un trattamento termico specifico, l'industria delle costruzioni può produrre calcestruzzo strutturale che rivaleggia con i materiali tradizionali in termini di resistenza, riducendo drasticamente le emissioni di carbonio che alimentano il cambiamento climatico.
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