Il calcestruzzo che respira: la zeolite e il biochar di bambù trasformano il cemento in una spugna per la CO2

L’industria delle costruzioni si trova da tempo di fronte a una delle sfide ambientali più complesse dell’era moderna. Il calcestruzzo, pur essendo il materiale da costruzione più utilizzato al mondo e la spina dorsale delle nostre città, è responsabile di una quota significativa delle emissioni globali di gas a effetto serra, principalmente a causa dei processi ad altissima temperatura necessari per produrre il cemento. Tuttavia, una ricerca scientifica innovativa pubblicata sulla rivista Carbon Research con il DOI 10.1007/s44246-024-00116-1, guidata dalla ricercatrice Srinivasan Revathi e dal suo team, mostra come sia possibile ribaltare questo paradigma.

L’idea fondamentale dello studio è trasformare il calcestruzzo da elemento inquinante a risorsa attiva nella cattura dell’anidride carbonica presente nell’aria. Incorporando nell’impasto due ingredienti di origine naturale e sostenibile, ovvero la zeolite e il biochar di bambù, i ricercatori sono riusciti a creare un materiale capace di assorbire CO2 direttamente dall’atmosfera e, al contempo, di risultare più resistente rispetto al calcestruzzo tradizionale.

I due ingredienti segreti: zeolite e biochar di bambù

Per comprendere la portata di questo sviluppo, è utile osservare da vicino la struttura e le proprietà fisiche dei materiali aggiunti alla miscela.

La zeolite: un setaccio molecolare naturale

La zeolite è un minerale alluminosilicato d’origine vulcanica caratterizzato da una struttura cristallina ricca di cavità e micropori regolari. Grazie a questa architettura porosa, agisce come una sorta di spugna o setaccio molecolare. L’elevato contenuto di ossigeno e l’ampia superficie specifica consentono alla zeolite di intrappolare le molecole di anidride carbonica che entrano in contatto con il materiale. Nel nuovo impasto, la zeolite è stata utilizzata come sostituto parziale dell’aggregato fine, ossia la sabbia.

Il biochar di bambù: il potere del carbonio vegetale

Il biochar è una forma di carbone vegetale altamente poroso ottenuto riscaldando la biomassa vegetale, in questo caso il bambù, ad alte temperature in assenza di ossigeno, processo noto come pirolisi. Il biochar presenta un’elevata percentuale di carbonio e una struttura interna ricca di microscopici canali. Nello studio, la polvere di biochar di bambù è stata impiegata come sostituto parziale del cemento tradizionale.

La formula ottimale: trovare il giusto equilibrio

Sostituire componenti chiave del calcestruzzo come sabbia e cemento non è un’operazione semplice, in quanto un’eccessiva variazione rischia di compromettere la stabilità strutturale dell’edificio o dell’infrastruttura. Per questo motivo i ricercatori hanno testato diverse combinazioni:

• Sostituzione della sabbia con zeolite: provata in proporzioni del 25% e del 50%.

• Sostituzione del cemento con biochar di bambù: testata nelle percentuali dello 0,5%, 1% e 1,5%.

Dalle prove di laboratorio è emersa una miscela ideale, denominata dallo studio miscela ZB5, composta da 50% di zeolite in sostituzione della sabbia e 1% di biochar di bambù in sostituzione del cemento.

Le prestazioni meccaniche della miscela ideale

I test eseguiti sul mix ottimale ZB5 hanno evidenziato risultati fisici notevoli:

1. Resistenza alla compressione: la miscela ha raggiunto un valore di 38,49 MPa, evidenziando un incremento del 7,48% rispetto al calcestruzzo tradizionale.

2. Resistenza alla trazione indiretta (split tensile strength): è stato registrato un aumento del 15% rispetto al materiale di riferimento.

3. Resistenza agli impatti e assorbimento d’acqua: miglioramenti significativi nella durabilità e nella tenuta del blocco.

Mentre l’aumento della zeolite migliora gradualmente sia la resistenza meccanica sia la capacità di cattura della CO2, la ricerca ha dimostrato che una quantità di biochar superiore all’1% tende a ridurre la resistenza meccanica, pur continuando ad aumentare l’assorbimento di anidride carbonica. L’1% di biochar rappresenta quindi il punto d’equilibrio ottimale tra solidità e sostenibilità.

Come il calcestruzzo cattura la CO2 dall’aria

Il processo attraverso cui il calcestruzzo assorbe la CO2 prende il nome di carbonatazione. Nelle strutture tradizionali la carbonatazione avviene in modo lento e spesso indesiderato, poiché può diminuire l’alcalinità interna e rischiare di esporre le armature metalliche alla corrosione.

Nel caso della miscela ZB5, la combinazione tra le cavità della zeolite e la rete porosa del biochar permette all’anidride carbonica di penetrare in modo controllato e diffuso. All’interno del materiale, la CO2 reagisce chimicamente con gli idrossidi di calcio presenti nella pasta di cemento, trasformandosi in carbonato di calcio (ovvero roccia calcarea solida e stabile).

Durante i test in camera di carbonatazione condotti per 7 giorni, il blocco di calcestruzzo ottimizzato ha mostrato:

• Un tasso di assorbimento medio pari a 1,2 grammi di CO2 al giorno.

• Una profondità di penetrazione del carbonio di 15 millimetri nell’arco di una settimana.

In questo modo, il gas serra viene fissato permanentemente all’interno della matrice solida del materiale, senza rischio di essere riemesso nell’ambiente.

Considerazioni personali e scenari operativi

La portata di questa innovazione risiede nella sua concretezza applicativa. Troppo spesso la ricerca scientifica propone soluzioni di cattura del carbonio che richiedono impianti industriali complessi, energivori e costosi. Al contrario, l’impiego di zeolite e biochar sfrutta materiali ampiamente disponibili e scarti vegetali, trasformando gli stessi elementi strutturali delle nostre città in serbatoi passivi di carbonio.

Sotto il profilo pratico, questo tipo di calcestruzzo risulta particolarmente adatto per infrastrutture esposte ad elevate concentrazioni di inquinamento, tra cui:

• Pavimentazioni stradali e marciapiedi urbani, costantemente a contatto con i gas di scarico dei veicoli.

• Barriere antirumore e muretti di parapetto, che offrono un’ampia superficie esposta all’aria.

• Condotte fognarie e gallerie, ambienti chiusi in cui i livelli di anidride carbonica sono naturalmente più elevati.

Immaginare interi quartieri o reti viarie costruiti con materiali capaci di assorbire costantemente inquinanti rappresenta un passaggio fondamentale verso la transizione ecologica del settore edile. La vera sfida futura consisterà nello strutturare filiere industriali locali in grado di produrre biochar e zeolite su vasta scala, garantendo costi competitivi rispetto alle materie prime tradizionali.

Traduzione dell’abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link al DOI originale.

Abstract

L’anidride carbonica (CO₂ ) è uno dei principali inquinanti atmosferici che entrano nell’atmosfera. Si registra un’elevata emissione di anidride carbonica nell’atmosfera a causa della combustione di combustibili fossili nell’industria del cemento e in molte altre industrie, nonché delle emissioni dovute al traffico. Questo aumento della concentrazione di CO₂ nell’atmosfera porta a diversi effetti negativi e al riscaldamento globale. Per ridurre il livello di CO₂ nell’atmosfera , sono stati compiuti sforzi per preparare un calcestruzzo in grado di assorbire CO₂ . mediante l’aggiunta di zeolite e biochar di bambù. Questi materiali sono stati scelti perché la zeolite e il biochar di bambù hanno un elevato volume dei pori e un’ampia superficie specifica, e quindi possono assorbire più CO₂ In La zeolite ha un maggiore contenuto di ossigeno e il biochar di bambù ha un maggiore contenuto di carbonio, il che favorisce l’assorbimento di CO₂ . questo lavoro, la zeolite è stata sostituita all’aggregato fine in diverse percentuali, tra il 25% e il 50%, e il biochar di bambù è stato sostituito al cemento nelle percentuali dello 0,5%, 1% e 1,5%. Sono state valutate le proprietà di resistenza e l’assorbimento di CO₂. Sono state confrontate le capacità di assorbimento di diverse proporzioni di zeolite e biochar di bambù nel calcestruzzo ed è emerso che il calcestruzzo con il 50% di zeolite e l’1% di biochar di bambù (ZB 5 ) rappresentava la miscela ottimale. La miscela ottimale è stata determinata in base alla resistenza a compressione, alla resistenza a trazione indiretta, all’assorbimento d’acqua, alla resistenza all’impatto, alla quantità di CO2 assorbita e alla profondità di penetrazione della CO2 nel calcestruzzo. Questa miscela ottimale presenta una resistenza a compressione di 38,49 MPa, superiore del 7,48% rispetto al calcestruzzo convenzionale, e una resistenza a trazione indiretta di 4,39 MPa, superiore del 15% rispetto al calcestruzzo convenzionale. È stato inoltre riscontrato che la miscela ottimale assorbiva 1,2 g di CO2 al giorno e che la profondità di penetrazione della CO2 era di 15 mm quando il cubo di calcestruzzo veniva mantenuto nella camera di carbonatazione per 7 giorni. Questo studio ha fornito informazioni utili sull’aggiunta di zeolite e biochar di bambù al calcestruzzo, che ne migliora sia le proprietà di resistenza che l’assorbimento di CO2 . Questo studio è importante perché oggigiorno le attuali emissioni di CO₂ nell’atmosfera sono dovute principalmente a diverse attività antropiche. Questo calcestruzzo ZB fornisce una soluzione per ridurre la quantità di CO₂ 2 nell’atmosfera e può essere utilizzato nelle pavimentazioni in calcestruzzo, nelle condotte fognarie, nei parapetti e negli ambienti con di CO2 più elevate. concentrazioni ed emissioni

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