La dipendenza del mondo dal cemento, il secondo materiale più consumato dopo l’acqua, sta portando a una crisi ambientale e delle risorse, con tassi di estrazione della sabbia che superano il rifornimento naturale.
Uno studio condotto da ricercatori della Rice University ha scoperto che il grafene derivato dal coke metallurgico, un prodotto a base di carbone, potrebbe servire non solo come additivo rinforzante nel cemento ma anche come sostituto della sabbia nel calcestruzzo.
“Ciò potrebbe avere un impatto notevole su una delle più grandi industrie del mondo”, ha affermato James Tour, professore di TT e WF Chao della Rice e professore di chimica, scienza dei materiali e nanoingegneria. “Abbiamo confrontato il calcestruzzo realizzato utilizzando il sostituto dell’aggregato di grafene con il calcestruzzo realizzato utilizzando idonei aggregati di sabbia e abbiamo scoperto che il nostro calcestruzzo è più leggero del 25% ma altrettanto resistente.”
Il calcestruzzo, una miscela di aggregati come sabbia e ghiaia legati con cemento e acqua, è essenziale per lo sviluppo urbano. Considerando che si prevede che il 68% della popolazione mondiale vivrà in aree urbane entro il 2050, si prevede che la domanda di cemento e quindi di estrazione della sabbia aumenterà in modo significativo. Questa cifra è triplicata negli ultimi due decenni, raggiungendo circa 50 miliardi di tonnellate all’anno. Tuttavia, ciò comporta un costo ambientale significativo.
La produzione di cemento, un componente chiave del calcestruzzo, rappresenta l’8% delle emissioni mondiali di anidride carbonica. Inoltre, l’estrazione della sabbia, in gran parte non regolamentata, rappresenta una grave minaccia per gli ecosistemi fluviali e costieri. Secondo un rapporto delle Nazioni Unite del 2022, questa crescente domanda di sabbia, unita alla crescita della popolazione e all’espansione urbana, potrebbe presto innescare una “crisi della sabbia”.
Applicando la sua tecnica di riscaldamento Joule al coke metallurgico, il laboratorio Tour ha creato un tipo di grafene che potrebbe servire come sostituto della sabbia nel cemento.
“Gli esperimenti iniziali in cui il coke metallurgico veniva convertito in grafene hanno prodotto un materiale che sembrava di dimensioni simili alla sabbia”, ha detto Paul Advincula, un ex dottorando della Rice e autore principale dello studio. “Abbiamo deciso di esplorare l’uso del grafene derivato dal coke metallurgico come sostituto totale della sabbia nel cemento, e i nostri risultati mostrano che funzionerebbe davvero bene.”
I test che confrontano il calcestruzzo convenzionale con il calcestruzzo costituito da aggregati di grafene mostrano risultati promettenti. Il calcestruzzo a base di grafene non solo corrisponde alle proprietà meccaniche del calcestruzzo standard, ma offre anche un rapporto resistenza/peso più elevato.
Il laboratorio Tour ha utilizzato il riscaldamento Flash Joule per una varietà di applicazioni, tra cui la sintesi di nanomateriali di carbonio ibridi, il riciclaggio di parti di batterie e la rimozione di metalli pesanti dalle ceneri volanti di carbone.
“Questa tecnica produce grafene più velocemente e su scala più ampia rispetto ai metodi precedenti”, ha affermato Advincula.
Con il potenziale di ridurre la dipendenza dalla sabbia naturale e di ridurre le emissioni di carbonio dell’industria del calcestruzzo, questa nuova tecnologia potrebbe portare a pratiche di sviluppo urbano più sostenibili.
“Ci vorrà del tempo prima che il prezzo del grafene scenda abbastanza da renderlo fattibile”, ha detto Tour. “Ma questo dimostra semplicemente che ci sono alternative che possiamo perseguire.”
Satish Nagarajaiah, professore di ingegneria civile e ambientale e di ingegneria meccanica e autore corrispondente dello studio, ha sottolineato che “il 30% del calcestruzzo è composto da sabbia, una parte significativa”.
“Il fatto che siamo sull’orlo di una ‘crisi della sabbia’ ci motiva a cercare alternative, e il coke metallurgico, che costa più o meno lo stesso della sabbia, circa il 10% del costo del cemento, potrebbe aiutare non solo a migliorare -calcestruzzo di qualità, ma alla fine si tradurranno anche in risparmi significativi”, ha affermato Nagarajaiah.
La ricerca è stata supportata dal Corpo degli Ingegneri dell’Esercito degli Stati Uniti, dal Centro di ricerca e sviluppo degli ingegneri (W912HZ-21-2-0050), dall’Ufficio per la ricerca scientifica dell’aeronautica militare (FA9550-22-1-0526) e dalla National Science Foundation.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
