Waste valorization of coconut shell char as a partial cement replacement in sustainable mortar: fresh-state, setting, and mechanical performance
Questo studio dimostra che l'incorporazione del 5–10% di carbone di gusci di cocco, prodotto tramite pirolisi, come sostituzione parziale del cemento, ottimizza l'equilibrio tra le proprietà allo stato fresco e le prestazioni meccaniche in malte sostenibili, con il dosaggio del 5% che conferisce resistenze alla compressione e alla flessione superiori rispetto al controllo.
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Il calcestruzzo è il materiale edilizio più utilizzato sulla Terra, costituendo lo scheletro delle nostre città, ponti e case. Eppure, l'ingrediente principale del calcestruzzo, il cemento Portland, comporta un pesante costo ambientale. Il processo di produzione rilascia enormi quantità di anidride carbonica e consuma significative risorse minerali, spingendo gli ingegneri a cercare modi per ridurne l'uso senza compromettere la resistenza della struttura finale. Una via promettente prevede la sostituzione di una parte del cemento con materiali di scarto che siano stati trasformati in una polvere fine e ricca di carbonio. Questo approccio mira a trasformare gli avanzi agricoli in componenti edilizi utili, riducendo potenzialmente l'impronta di carbonio dell'edilizia e gestendo al contempo i rifiuti. La sfida consiste nel trovare la giusta quantità da aggiungere; troppo poca potrebbe non fare differenza, mentre troppa potrebbe indebolire il materiale o rendere impossibile versarlo e modellarlo prima che indurisca.
In uno studio recente, i ricercatori hanno indagato se i gusci di cocco, un comune prodotto di scarto nelle regioni tropicali, potessero servire come tale sostituto. Hanno preso gusci di cocco scartati e li hanno riscaldati in un ambiente a basso contenuto di ossigeno a una temperatura elevata di 750 gradi Celsius per due ore. Questo processo, noto come pirolisi, ha trasformato i gusci duri in una polvere nera e leggera chiamata carbone di guscio di cocco. Il materiale risultante era una sostanza fine e porosa con un alto contenuto di carbonio, distinta dal cemento pesante e a base minerale che doveva sostituire. Il team ha mescolato questo carbone all'interno di malta standard — una miscela di cemento, sabbia e acqua — a vari livelli, che andavano da una piccola quantità fino a quasi un terzo del materiale solido nella miscela. Il loro obiettivo era vedere come questa aggiunta influenzasse il comportamento della miscela quando era umida, quanto tempo impiegasse a fare presa e quanta resistenza acquisisse dopo un mese di stagionatura.
I risultati hanno mostrato che l'aggiunta del carbone di guscio di cocco ha modificato la malta in modi prevedibili. Poiché il carbone è più leggero e pieno di minuscoli fori, la miscela fresca diventava meno densa all'aumentare della sua quantità. Tuttavia, questa porosità ha reso la miscela più difficile da lavorare. La superficie ruvida e simile a una spugna delle particelle di carbone ha assorbito parte dell'acqua di miscelazione e ha creato più attrito tra le particelle, causando una diminuzione significativa della fluidità della malta all'aumentare della quantità di carbone. La miscela impiegava anche più tempo per indurire; il tempo necessario affinché la malta iniziasse a fare presa e si indurisse completamente è aumentato all'aumentare del contenuto di carbone, probabilmente perché c'era meno cemento disponibile per innescare le reazioni chimiche che legano il materiale.
Nonostante questi cambiamenti nello stato fresco, la resistenza meccanica della malta indurita ha seguito un modello sorprendente. Quando i ricercatori hanno testato la resistenza dei campioni dopo 28 giorni, hanno scoperto che l'aggiunta di una piccola quantità di carbone rendeva la malta più resistente. La miscela contenente il 5 percento di carbone di guscio di cocco per volume ha raggiunto una resistenza alla compressione di 38,1 megapascal, sensibilmente superiore ai 31,6 megapascal registrati per la miscela di controllo senza carbone. Anche questa miscela al 5 percento ha mostrato una migliore flessibilità, resistendo meglio alle forze di flessione rispetto alla malta standard. Tuttavia, questo beneficio non continuava indefinitamente. Man mano che i ricercatori aumentavano la quantità di carbone oltre il 10 percento, la resistenza iniziava a diminuire. Ai livelli più alti, la riduzione del contenuto di cemento e l'introduzione di troppe particelle porose e non reattive hanno sopraffatto i benefici, portando a una struttura più debole.
Lo studio conclude che esiste una specifica finestra in cui il carbone di guscio di cocco è più efficace. Un livello di sostituzione compreso tra il 5 e il 10 percento offriva il miglior equilibrio, permettendo una riduzione del cemento utilizzato mantenendo o addirittura migliorando le prestazioni strutturali della malta. Questo intervallo ha ridotto la quantità di cemento necessaria di circa il 3,6 - 7,2 percento in massa senza sacrificare la capacità del materiale di sostenere carichi o resistere alle crepe. Sebbene il carbone non abbia agito come un reagente chimico per rinforzare il cemento nel modo in cui fanno alcuni altri additivi, le sue proprietà fisiche hanno aiutato a colmare i vuoti e a migliorare l'impacchettamento della miscela a bassi dosaggi. I ricercatori sottolineano che, sebbene questo approccio mostri potenziale nel trasformare i rifiuti in una risorsa utile, non è una soluzione completa da sola. I benefici ambientali dipendono dall'energia utilizzata per creare il carbone e dalla durabilità a lungo termine del materiale, aree che richiedono ulteriori studi. Per ora, il lavoro dimosta che una modesta quantità di guscio di cocco lavorato può essere un ingrediente valido per una malta sostenibile, offrendo un passo pratico verso la riduzione della dipendenza dal cemento tradizionale.
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