Mechanical Performance and High-Energy Photon Attenuation of a Slag-Based Geopolymer Concrete Incorporating Calcined Brezina Dam Sediments

I materiali da costruzione comportano un pesante costo ambientale, non solo per l'energia necessaria a produrli, ma anche per i rifiuti che generano. Per affrontare questo problema, gli scienziati si sono rivolti al calcestruzzo geopolimerico, un tipo di materiale edilizio che sostituisce il tradizionale legante cementizio con sottoprodotti industriali e minerali locali. Invece di cuocere il calcare per creare il cemento, processo che rilascia enormi quantità di anidride carbonica, le miscele geopolimeriche utilizzano materiali come la scoria granulata di altoforno — un residuo della produzione dell'acciaio — e li attivano con una soluzione chimica per legare il tutto. Questo approccio offre un modo per costruire strutture resistenti riutilizzando i rifiuti. Oltre a sostenere gli edifici, esiste un crescente bisogno di materiali che possano bloccare in sicurezza le radiazioni ad alta energia nelle strutture mediche e tecniche. Trovare un materiale che sia allo stesso tempo resistente ed efficace nel bloccare le radiazioni, pur essendo realizzato con rifiuti locali, è un obiettivo significativo per l'ingegneria sostenibile.

Ricercatori in Algeria si sono posti l'obiettivo di testare se un particolare rifiuto locale potesse servire a questo duplice scopo. Si sono concentrati sui sedimenti che si sono depositati sul fondo della diga di Brezina. Nel tempo, le dighe accumulano strati di limo e sabbia, che possono diventare un problema di gestione. Il team ha raccolto questo sedimento, lo ha asciugato, lo ha macinato in una polvere fine e lo ha riscaldato a una temperatura elevata per modificarne le proprietà chimiche. Hanno poi mescolato questo sedimento calcinato con scoria granulata di altoforno, polvere di silice, sabbia e ghiaia, utilizzando una miscela liquida di silicato di sodio e idrossido di sodio per innescare il processo di indurimento. L'obiettivo era vedere quanto sedimento della diga potesse sostituire altri ingredienti senza indebolire il calcestruzzo, e se il materiale risultante potesse bloccare efficacemente i fotoni ad alta energia, ovvero le particelle che compongono i fasci di radiazioni utilizzati nel trattamento del cancro.

Il team ha creato quattro diverse versioni della miscela di calcestruzzo. Una versione non conteneva affatto sedimento della diga, fungendo da base di riferimento. Le altre tre versioni sostituivano quantità variabili di polvere di silice con il sedimento calcinato, utilizzando specificamente il 10%, il 20% o il 30% di sedimento nella parte legante. Per garantire che il materiale indurisse correttamente, i ricercatori hanno inserito il calcestruzzo fresco in un forno, riscaldandolo a diverse temperature e per diversi intervalli di tempo. Hanno testato la resistenza dei blocchi induriti comprimendoli finché non si rompevano e misurando quanta forza potevano sopportare. Hanno anche osservato quanto fosse densamente il materiale, poiché la densità gioca spesso un ruolo nel modo in cui un materiale blocca le radiazioni.

I risultati hanno mostrato che la quantità di sedimento e il programma di riscaldamento contavano molto. Le miscele contenenti il 10% e il 20% di sedimento hanno generalmente performato meglio di quelle senza sedimento o di quella con la quantità massima del 30%. La prestazione migliore è derivata dalla miscela con il 10% di sedimento, che è stata riscaldata a 80 gradi Celsius per 10 ore. Questo campione specifico ha raggiunto una resistenza alla compressione di 58,41 megapascal, una misura di quanta pressione può sopportare prima di cedere. La miscela con il 20% di sedimento ha performato bene, raggiungendo 55,50 megapascal nelle stesse condizioni. Al contrario, la miscela con il 30% di sedimento era la più debole e meno densa, suggerendo che l'aggiunta eccessiva di materiale della diga avesse interrotto la struttura del calcestruzzo. I ricercatori hanno scoperto che tempi di riscaldamento più lunghi portavano generalmente a un calcestruzzo più resistente, ma solo fino a un certo punto, e che la temperatura specifica doveva essere controllata attentamente.

Per capire quanto bene questo nuovo calcestruzzo potesse fermare le radiazioni, i ricercatori non hanno utilizzato una vera sorgente di radiazioni, che sarebbe pericolosa e difficile da misurare con precisione in un laboratorio. Inveio, hanno utilizzato una potente simulazione al computer per modellare il modo in cui un fascio di fotoni ad alta energia viaggerebbe attraverso il materiale. Hanno simulato un fascio simile a quelli utilizzati nei moderni acceleratori lineari medici. Il computer ha calcolato quanto profondamente la radiazione penetrerebbe prima che la sua intensità diminuisse della metà, una misura nota come spessore di dimezzamento (half-value layer), e quanto profondamente arriverebbe prima di scendere a un decimo, ovvero lo spessore di decimo (tenth-value layer). Per la miscela geopolimerica con il 10% di sedimento, la simulazione ha mostrato uno spessore di dimezzamento di 9,94 centimetri e uno spessore di decimo di 27,19 centimetri.

Questi numeri simulati erano molto vicini a quelli del calcestruzzo standard, che mostrava uno spessore di dimezzamento di 10,11 centimetri. Ciò suggerisce che il nuovo calcestruzzo geopolimerico, realizzato con il sedimento locale della diga, bloccherebbe le radiazioni quasi con la stessa efficacia del calcestruzzo convenzionale attualmente utilizzato negli ospedali e nelle strutture tecniche. Tuttavia, la simulazione ha anche mostrato che un calcestruzzo specializzato contenente bario, un elemento pesante spesso aggiunto ai materiali di schermatura, performava meglio, con una distanza molto più breve necessaria per ridurre la radiazione. Lo studio chiarisce che, sebbene la miscela geopolimerica sia promettente, i risultati sulle radiazioni si basano interamente su modelli informatici. I ricercatori sottolineano che questi risultati sono preliminari e che sono necessari esperimenti nel mondo reale per confermare che il materiale funzioni bene in pratica quanto lo fa nella simulazione.

Il lavoro evidenzia un potenziale percorso da seguire per l'edilizia sostenibile in Algeria e oltre. Trasformando una sfida ambientale locale — l'accumulo di sedimenti nelle dighe — in un utile componente edilizio, i ricercatori hanno dimostrato che i rifiuti possono essere trasformati in un materiale ad alte prestazioni. Il calcestruzzo si è dimostrato abbastanza resistente per l'uso strutturale e ha mostrato capacità di schermatura dalle radiazioni paragonabili ai materiali edilizi standard. Eppure, il percorso dal laboratorio al cantiere richiede ulteriori passaggi. Il team ha osservato che i dati sulle radiazioni necessitano di una validazione sperimentale e che sono necessarie informazioni più dettagliate sulla durabilità a lungo termine e sull'impatto ambientale del materiale. Per ora, lo studio rappresenta una solida prova di concetto, mostrando che una miscela di scoria industriale e sedimento di diga calcinato può creare un calcestruzzo che è sia meccanicamente solido che potenzialmente capace di schermare contro le radiazioni ad alta energia.