Synergistic enhancement of grinding efficiency, hydration kinetics, and mechanical properties of Portland cement by ethaline

Il calcestruzzo è l'ossatura silenziosa del mondo moderno, un materiale così onnipresente che raramente ci fermiamo a considerare come venga prodotto. Al suo cuore risiede il cemento Portland, una polvere fine creata frantumando rocce e minerali in enormi mulini industriali. Questa polvere è l'ingrediente chiave che, quando mescolata con l'acqua, si indurisce nelle strutture che ci riparano e sostengono le nostre città. Tuttavia, il viaggio dalla roccia grezza al cemento finito è energivoro e genera una quantità significativa di calore. Quando la polvere viene macinata troppo grossolanamente, reagisce lentamente e in modo disomogeneo; quando viene macinata troppo finemente senza aiuto, il processo spreca enormi quantità di elettricità. Inoltre, una volta aggiunta l'acqua, la reazione chimica che trasforma la miscela in pietra rilascia calore. Se questo calore si accumula troppo velocemente, può causare crepe nel calcestruzzo prima ancora che si assesti, indebolendo la struttura finale. Per decenni, gli ingegneri hanno cercato modi per rendere questo processo più fluido, veloce ed efficiente, utilizzando spesso additivi chimici per guidare la reazione.

Un team di ricercatori della HSNC University di Mumbai ha esplorato una nuova strada, rivolgendosi a una classe di liquidi noti come solventi eutettici profondi. Questi non sono gli acidi duri e corrosivi del passato, ma piuttosto miscele delicate create combinando due ingredienti comuni e sicuri: un sale derivato dalla colina, un nutriente presente in molti alimenti, e l'etilene glicole, una sostanza spesso utilizzata nell'antigelo. Quando mescolati in un rapporto specifico e riscaldati, questi due liquidi formano una nuova sostanza stabile che si comporta diversamente rispetto ai singoli ingredienti. I ricercatori, Kuldeep Rajpurohit, Ashok Pandey e Hemlata Bagla, hanno deciso di testare se questo fluido verde, che hanno chiamato "ethaline", potesse agire come una guida utile per il cemento. Il loro obiettivo era vedere se l'aggiunta di una piccola quantità di questo liquido durante il processo di macinazione e di miscelazione potesse migliorare il modo in cui il cemento viene prodotto, come scorre e quanto diventa resistente.

Lo studio è iniziato creando la miscela di ethaline e comprendendone il comportamento di base. I ricercatori hanno scoperto che il liquido scorre in modo fluido e prevedibile, proprio come l'acqua, ma la sua viscosità cambia a seconda della temperatura. All'aumentare della temperatura, il liquido diventa più fluido e scorre più facilmente. Questa proprietà è fondamentale perché significa che il liquido può diffondersi rapidamente e rivestire uniformemente le particelle di cemento, anche sotto l'intenso calore e l'attrito di un mulino di macinazione. Per confermare che i due ingredienti si fossero davvero combinati in una nuova sostanza, il team ha utilizzato una tecnica che misura come la luce vibra attraverso un materiale. I risultati hanno mostato che le molecole si erano effettivamente legate tra loro attraverso forze invisibili chiamate legami a idrogeno, creando una struttura unica che era distinta dal sale e dal glicole separati.

Con il liquido preparato, il team si è spostato al mulino del cemento. Hanno preso del comune cemento Portland e lo hanno macinato in un mulino a sfere, una macchina che frantuma le rocce usando pesanti sfere d'acciaio, aggiungendo diverse quantità di liquido ethaline per vedere come questo influenzasse il processo. Senza alcun additivo, le particelle di cemento tendono ad agglomerarsi, rendendo più difficile la loro scomposizione. Tuttavia, quando i ricercatori hanno aggiunto l'ethaline, le particelle sono rimaste separate. Il liquido ha agito come uno scudo, impedendo ai minuscoli granelli di cemento di riattaccarsi l'uno all'altro. Ciò ha permesso alla macchina di macinazione di lavorare in modo più efficiente. Alla dose massima testata, pari al due per cento del peso del cemento, la polvere risultante ha raggiunto la massima finezza Blaine registrata nello studio, nonostante la macchina abbia utilizzato esattamente la stessa quantità di energia. Una polvere più fine significa che una maggiore superficie è esposta all'acqua, che è il primo passo verso la creazione di un prodotto finale più resistente.

Una volta macinato il cemento, i ricercatori lo hanno mescolato con acqua e sabbia per creare malta, testando come il liquido influenzasse il comportamento del materiale dal momento in cui veniva versato fino al momento dell'indurimento. Hanno scoperto che l'ethaline rendeva la malta umida più fluida, permettendole di diffondersi ulteriormente su un tavolo di prova senza bisogno di acqua extra. Questo miglioramento del flusso è vitale per l'edilizia, poiché consente agli operai di inserire il materiale in spazi stretti e modellarlo in forme complesse senza che diventi troppo rigido troppo presto. Il liquido ha anche rallentato il processo di presa quel tanto che bastava per essere utile. Il tempo necessario affinché il cemento iniziasse ad indurirsi è passato da circa 170 minuti a quasi 200 minuti con dosi più elevate. Questo ritardo ha dato agli operai una finestra temporale più lunga per mescolare, trasportare e rifinire il calcestruzzo prima che diventasse troppo rigido per essere lavorato.

Forse la cosa più importante è che l'aggiunta di ethaline ha cambiato il modo in cui il cemento reagisce chimicamente. Quando il cemento indurisce, rilascia calore. Se questo calore viene rilasciato troppo velocemente, può causare crepe interne nel calcestruzzo. I ricercatori hanno misurato il calore generato nel tempo e hanno scoperto che l'ethaline ha ridotto l'ammontare totale di calore rilasciato fino all'undici per cento. Questo rilascio di energia più lento e controllato suggerisce che la reazione chimica stesse avvenendo in modo più ordinato. Quando hanno osservato il cemento indurito sotto un potente microscopio, la differenza era visibile. I campioni di controllo, realizzati senza l'additivo, mostravano una struttura piuttosto rada con spazi e minuscole crepe. Al contrario, i campioni trattati con la giusta quantità di ethaline apparivano molto più densi e compatti, con le particelle strettamente impacchettate e meno vuoti. Questa struttura più serrata è la ragione fisica per cui il materiale diventa più resistente.

I test di resistenza hanno confermato che questa struttura più densa si traduce in prestazioni nel mondo reale. I ricercatori hanno testato cubi di malta indurita a varie età, da tre giorni a due mesi. Alla dose ottimale di un e mezzo per cento di ethaline, il cemento ha raggiunto una resistenza alla compressione di 62 megapascal dopo 28 giorni, un miglioramento significativo rispetto ai 56 megapascal ottenuti dal campione di controllo non trattato. Il materiale è diventato anche più resistente alle forze di trazione, che è una misura chiave della durabilità. Tuttavia, lo studio ha rivelato un equilibrio critico: aggiungere troppo liquido, specificamente il due per cento, ha effettivamente ridotto la resistenza. Sebbene questa dose più alta abbia prodotto la massima finezza Blaine, ha rallentato così tanto la reazione chimica che il materiale non si è indurito in modo altrettanto efficace. Questo risultato evidenzia che l'obiettivo non è semplicemente rendere la polvere il più fine possibile, ma trovare la quantità precisa di additivo che bilanci l'efficienza di macinazione con le necessità chimiche del cemento.

Il lavoro di Rajpurohit e dei suoi colleghi dimostra che un semplice liquido verde può servire come potente strumento per migliorare uno dei materiali edilizi più importanti al mondo. Riducendo l'energia necessaria per macinare il cemento, migliorandone il flusso, rallentando il tempo di presa per prevenire le crepe e, infine, rendendo la struttura finale più forte, l'ethaline offre una soluzione multifunzionale. La ricerca suggerisce che questo approccio non richiede macchinari complessi o prodotti chimici esotici, ma piuttosto una comprensione attenta di come queste molecole interagiscono con il cemento. Sebbene lo studio si sia concentrato su un tipo specifico di cemento e un additivo specifico, i risultati aprono la porta a un nuovo modo di pensare agli additivi per il cemento, allontanandosi dai prodotti chimici aggressivi verso liquidi sostenibili e modulabili che possono essere personalizzati per una migliore prestazione. I risultati indicano che, con la giusta quantità di questo solvente verde, il calcestruzzo del futuro potrà essere prodotto in modo più efficiente, durare più a lungo e resistere con maggiore forza.