Nuovi additivi potrebbero trasformare il calcestruzzo in un efficace serbatoio di carbonio

Mar 21, 2023

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Nonostante i numerosi vantaggi del calcestruzzo come materiale da costruzione moderno, tra cui l’elevata resistenza, il basso costo e la facilità di produzione, la sua produzione rappresenta attualmente circa l’8% delle emissioni globali di anidride carbonica.

Recenti scoperte di un team del MIT hanno rivelato che l'introduzione di nuovi materiali nei processi di produzione del calcestruzzo esistenti potrebbe ridurre significativamente l'impronta di carbonio, senza alterare le proprietà meccaniche del calcestruzzo.

I risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista PNAS Nexus, in un articolo dei professori di ingegneria civile e ambientale del MIT Admir Masic e Franz-Josef Ulm, del postdoc del MIT Damian Stefaniuk e del dottorando Marcin Hajduczek, e James Weaver del Wyss Institute dell'Università di Harvard.

Dopo l'acqua, il cemento è il secondo materiale più consumato al mondo e rappresenta la pietra angolare delle moderne infrastrutture. Durante la sua produzione, tuttavia, vengono rilasciate grandi quantità di anidride carbonica, sia come sottoprodotto chimico della produzione del cemento, sia come energia necessaria per alimentare queste reazioni.

Circa la metà delle emissioni associate alla produzione di calcestruzzo provengono dalla combustione di combustibili fossili come petrolio e gas naturale, che vengono utilizzati per riscaldare una miscela di calcare e argilla che alla fine diventa la familiare polvere grigia nota come cemento Portland ordinario (OPC). . Mentre l’energia necessaria per questo processo di riscaldamento potrebbe eventualmente essere sostituita con elettricità generata da fonti rinnovabili solari o eoliche, l’altra metà delle emissioni è inerente al materiale stesso: poiché la miscela minerale viene riscaldata a temperature superiori a 1.400 gradi Celsius (2.552 gradi Fahrenheit), subisce una trasformazione chimica da carbonato di calcio e argilla in una miscela di clinker (costituito principalmente da silicati di calcio) e anidride carbonica, con quest'ultima che si disperde nell'aria.

Quando l'OPC viene miscelato con acqua, sabbia e ghiaia durante la produzione del calcestruzzo, diventa altamente alcalino, creando un ambiente apparentemente ideale per il sequestro e lo stoccaggio a lungo termine dell'anidride carbonica sotto forma di materiali carbonatici (un processo noto come carbonatazione). Nonostante questo potenziale del calcestruzzo di assorbire naturalmente l’anidride carbonica dall’atmosfera, quando queste reazioni si verificano normalmente, principalmente all’interno del calcestruzzo stagionato, possono sia indebolire il materiale sia abbassare l’alcalinità interna, che accelera la corrosione dell’armatura di rinforzo. Questi processi alla fine distruggono la capacità portante dell’edificio e influiscono negativamente sulle sue prestazioni meccaniche a lungo termine. Pertanto, queste lente reazioni di carbonatazione in fase avanzata, che possono verificarsi su scale temporali di decenni, sono state da tempo riconosciute come percorsi indesiderati che accelerano il deterioramento del calcestruzzo.

"Il problema con queste reazioni di carbonatazione post-indurimento", afferma Masic, "è che si distrugge la struttura e la chimica della matrice cementante che è molto efficace nel prevenire la corrosione dell'acciaio, che porta al degrado".

Al contrario, i nuovi percorsi di sequestro dell’anidride carbonica scoperti dagli autori si basano sulla formazione molto precoce di carbonati durante la miscelazione e il getto del calcestruzzo, prima che il materiale si solidifichi, il che potrebbe in gran parte eliminare gli effetti dannosi dell’assorbimento di anidride carbonica dopo che il materiale si è indurito.

La chiave del nuovo processo è l’aggiunta di un ingrediente semplice ed economico: il bicarbonato di sodio, altrimenti noto come bicarbonato di sodio. Nei test di laboratorio utilizzando la sostituzione del bicarbonato di sodio, il team ha dimostrato che fino al 15% della quantità totale di anidride carbonica associata alla produzione di cemento potrebbe essere mineralizzata durante queste prime fasi, abbastanza da incidere potenzialmente in modo significativo sull’impronta di carbonio globale del materiale.