Dando una seconda vita ai materiali da costruzione dopo la demolizione, gli ingegneri dell’Università di San Paolo e Princeton hanno sviluppato un approccio per il riciclaggio dei rifiuti di cemento in un’alternativa sostenibile a basse emissioni di carbonio che è paragonabile alle prestazioni rispetto allo standard del settore.
Oltre a abbassare l’intensità del carbonio del cemento e del cemento, il processo potrebbe consentire nuovi usi per i rifiuti di costruzione e demolizione, di cui il calcestruzzo è un componente significativo. Nel 2018 negli Stati Uniti, la quantità totale di costruzioni e rifiuti di demolizione era più del doppio di quello dei rifiuti domestici.
“I rifiuti di costruzione in genere finiscono in una discarica o, se riciclati, saranno utilizzati in applicazioni di basso grado come i marciapiedi o nei terreni”, ha affermato il leader della ricerca Sérgio Angulo, professore di ingegneria delle costruzioni civili e urbane presso l’Università di São Paolo. “È entusiasmante dimostrare che possiamo, in effetti, riciclare questi rifiuti di cemento recuperati in un’applicazione di alta qualità.”
Nel loro documento, pubblicato in ACS Chimica e ingegneria sostenibilei ricercatori hanno dimostrato che le miscele contenenti fino all’80% di questo cemento riciclato erano altrettanto forti quanto il cemento di Portland convenzionale da solo, generando una frazione delle emissioni di carbonio. Il cemento Portland è il legante più comune usato per creare calcestruzzo, ma la sua alta intensità di carbonio è la ragione principale per cui l’industria del cemento e del cemento è responsabile di circa l’8% delle emissioni globali.
Se pienamente realizzati e distribuiti in coordinamento con altre tecnologie emergenti che sostituiscono il cemento, i ricercatori hanno stimato che le emissioni del settore del cemento potrebbero essere ridotte fino al 61%. Le riduzioni stimate superano i tagli alle emissioni del 9% che l’associazione globale del cemento e del calcestruzzo si è previsto per essere possibili con i cosiddetti approcci di sostituzione del clinker.
“Il salto in avanti qui è che ora puoi ottenere proprietà a breve e lungo termine che sono essenzialmente uguali al cemento di Portland da sola con un’alternativa a basso contenuto di carbonio composto in modo schiacciante di materiali riciclati”, ha affermato il coautore Claire White, un professore di ingegneria civile e ambientale e il centro Andlinger per l’energia e l’ambiente.
Un confronto tra cemento riciclato da solo (a sinistra), cemento di Portland ordinario (medio) e la miscela ottimizzata dei ricercatori di cemento riciclato e cemento Portland finemente a terra (a destra), prima dell’aggiunta di acqua. La miscela di cemento ottimizzata mostra requisiti idrici simili, guadagno di forza e lavorabilità al cemento di Portland ordinario generando una frazione delle emissioni di carbonio. (Foto per gentile concessione del primo autore Mateus Zanovello, uno studente di dottorato che lavora con Angulo all’Università di San Paolo).
Abilitare cementi circolari
Al centro dell’approccio di riciclaggio c’è il calore.
Dopo aver polverizzato o schiacciato il calcestruzzo in una polvere fine – i ricercatori hanno stimato che dei cinque gigatoni di rifiuti di cemento prodotti ogni anno, circa un gigaton di questa polvere poteva essere recuperato dall’industria – il team lo ha riscaldato a 500 ° C. Questa temperatura era abbastanza alta da disidratare la polvere di cemento e ripristinare le sue proprietà come legante ma abbastanza bassa da impedire la decomposizione dei componenti carbonatici nel materiale, che porterebbe a ulteriori emissioni di anidride carbonica.
Mentre questo cemento “termoattivato” potrebbe essere usato da solo per creare il calcestruzzo, i ricercatori hanno scoperto che la sua alta superficie e la domanda di acqua durante il processo di miscelazione hanno portato a un materiale finale con elevata porosità e resistenza diminuita. Ma combinando il cemento riciclato con piccole quantità di cemento o calcare finemente a terra o calcare, il legante del cemento risultante ha dimostrato guadagni di resistenza e lavorabilità alla pari con gli standard del settore.
Il guadagno di resistenza si verifica perché il cemento Portland finemente macinato o il calcare riempie i pori nel cemento riciclato con un materiale diverso dall’acqua, riducendo la domanda complessiva d’acqua e persino formando nuovi prodotti dopo il processo di miscelazione, chiamato prodotti di idratazione, che aumentano la forza del materiale.
“In precedenza, se hai usato solo cemento riciclato termoattivo, non ha funzionato abbastanza bene per essere una sostituzione accettabile”, ha detto White. “Ma abbassando la superficie e ottimizzando l’imballaggio di particelle nella microstruttura del materiale, otteniamo qualcosa che si comporta in modo abbastanza paragonabile al cemento Portland.”
Un confronto tra cemento riciclato da solo (a sinistra), cemento di Portland ordinario (medio) e la miscela ottimizzata dei ricercatori di cemento riciclato e cemento Portland finemente a terra (a destra), dopo l’aggiunta di acqua. (Foto per gentile concessione di Mateus Zanovello).
Poiché il processo si ripropone i rifiuti di costruzione, i ricercatori hanno affermato che il processo potrebbe spostare il mondo verso un’economia di carbonio più circolare, generando meno emissioni di carbonio rispetto ad altre alternative di cemento a basse emergenti. Nel documento, ad esempio, il team stima che il loro cemento emette tra i 198 e i 320 chilogrammi di anidride carbonica per tonnellata, fino al 40% in meno di emissioni rispetto a un’alternativa a basse emissioni di carbonio disponibile in commercio nota come cemento argilloso calcolato calcareo (LC3).
“Con questa tecnologia, potresti immaginare che le città diventino molto più circolari di oggi”, ha detto Angulo. “I materiali di infrastruttura demolita possono essere utilizzati direttamente in nuovi progetti di costruzione.”
Nonostante tali benefici, Angulo e White hanno notato diversi ostacoli tecnologici, economici e politici alla distribuzione su larga scala della tecnologia.
Ad esempio, hanno spiegato che il ridimensionamento del cemento riciclato richiederebbe un approccio migliore per l’ordinamento e l’elaborazione dei rifiuti di demolizione, uno che considera la circolarità piuttosto che la discarica. La tecnologia sarebbe anche più pratica nelle città mature con una fornitura affidabile di brodi per l’edilizia invece invece di aree in rapido sviluppo con edifici principalmente nuovi.
Infine, i codici di costruzione si sono sviluppati quando Portland Cement era il legante dominante per la produzione di calcestruzzo avrebbe dovuto essere aggiornato, allontanandosi dagli standard “basati su ricette” che specificano determinate composizioni di cemento a quelle che invece si concentrano sui requisiti basati sulle prestazioni. Angulo ha affermato che diversi paesi in Europa e in America Latina hanno già iniziato ad adottare tali standard basati sulle prestazioni, il che potrebbe consentire l’uso non solo dei cementi riciclati che studia ma anche una vasta gamma di alternative a basse emissioni di carbonio.
“In Brasile, stiamo già iniziando a implementare standard basati sulle prestazioni per buste e pavimenti di edifici non strutturali”, ha affermato Angulo. “L’aggiornamento dei codici di costruzione è importante per consentire l’innovazione nel settore dell’edilizia.”
Posare le basi per una collaborazione in corso
Il lavoro sui cementi riciclati deriva da una collaborazione formata quando Angulo arrivò a Princeton come ricercatore in visita nel gruppo di White per un anno, a partire dal 2023.
Entrambi i ricercatori hanno affermato che la collaborazione – che è stata in corso anche dopo il ritorno di Angulo in Brasile – ha sbloccato nuove capacità di ricerca e prospettive che hanno migliorato il lavoro dei loro gruppi.
Per Angulo, attingere all’esperienza di White in tecniche di caratterizzazione come lo scattering totale a raggi X lo ha aiutato a comprendere meglio i meccanismi di guida dietro i materiali che studia. Ad esempio, White e Angulo hanno condotto esperimenti durante la visita di Angulo che li aiuteranno a capire meglio come la struttura atomica del materiale cambia mentre subisce l’attivazione termica. Ciò li aiuterà a rispondere a domande sulla durata del cemento riciclato su più cicli di utilizzo e se è veramente un materiale “circolare”.
Per White, la collaborazione le ha permesso di lavorare su una classe di cementi che in precedenza non aveva mai studiato, nonostante il suo ampio background in cemento a bassa carbonio. Anche al di là del progetto di cemento riciclato, White ha affermato che la visita di Angulo ha fornito al suo gruppo una prospettiva totalmente nuova su molti dei loro progetti, anche quelli che sembrano molto rimossi dal mondo dei cementi riciclati.
“Questa collaborazione ha avuto benefici in entrambe le direzioni”, ha detto White. “Sergio ha portato la sua conoscenza del dominio, il mio gruppo ha portato la nostra esperienza nelle tecniche avanzate di caratterizzazione e, insieme, siamo stati in grado di affrontare alcune delle maggiori sfide su questo materiale.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com