14.4.1 Materiali derivati dai carboidrati nel cemento e nel calcestruzzo
Il biochar è un materiale carbonioso derivato dalla biomassa di scarto, di cui diverse proprietà chiave, tra cui la bassa densità apparente, la bassa conduttività termica e la natura porosa, lo hanno reso per presentare caratteristiche di prestazione distinte del calcestruzzo. Per esempio, la bassa densità si traduce nella produzione di calcestruzzo più leggero, quindi il biochar agisce come un’efficace alternativa alla frazione di volume più grande occupata da materiali più densi, come la polvere di cemento e l’aggregato (Cuthbertson et al., 2019). Inoltre, la bassa conducibilità termica e la struttura porosa del biochar hanno un effetto sull’aumento dell’isolamento termico del materiale rompendo il ponte termico. Oltre alle sue proprietà di isolamento, i vuoti e le reti di pori interconnessi derivati dal biochar aumentano anche l’assorbimento acustico del calcestruzzo. Studi recenti hanno inoltre suggerito che l’aggiunta di biochar nei compositi a base di cemento potrebbe aumentare la resistenza alla compressione promuovendo l’idratazione del cemento grazie alla sua elevata capacità di ritenzione dell’acqua (Wang et al., 2019). Il biochar può rilasciare gradualmente l’acqua durante l’idratazione del cemento. Questo porta a calcestruzzo con proprietà meccaniche migliorate (Cuthbertson et al., 2019). Inoltre, il biochar di solito ha una dimensione fine delle particelle, quindi il biochar potrebbe essere utilizzato come riempitivo per riempire i micropori nei materiali da costruzione (Wang et al., 2019). Rispetto ai compositi incorporati nel legno, i compositi biochar-modificati hanno mostrato una resistenza al fuoco relativamente alta a causa delle sue proprietà fisiochimiche stabili. Pertanto, il biochar viene utilizzato come risorsa rinnovabile per sostituire il contenuto di cemento mentre si fa la malta che viene utilizzata nell’industria delle costruzioni.
Biochar è dimostrato di migliorare efficacemente le proprietà del calcestruzzo su entrambi i lati della scala quando si sostituisce il cemento in frazioni minori, come la resistenza alla flessione e la resistenza alla trazione di divisione (Akhtar e Sarmah, 2018). È stato trovato che l’aggiunta dello 0,1% (v/v) di biochar come legante sostitutivo ha presentato le migliori prestazioni nella resistenza meccanica nel calcestruzzo. Le materie prime di biochar, come la lettiera di pollame e i fanghi di cartiera, svolgono un ruolo attivo nel migliorare l’assorbimento dell’acqua nel calcestruzzo. Il biochar è considerato un materiale ideale per ridurre la CO2 nella produzione di calcestruzzo, oltre a diminuire il sequestro di carbonio (Akhtar e Sarmah, 2018). La ricerca ha mostrato che un aumento del 78% della resistenza alla trazione per il campione di calcestruzzo con il 5% di aggiunta di biochar di bagassa trattata rispetto al calcestruzzo senza alcun biochar (Zeidabadi et al., 2018). L’aggiunta di biochar porta a una riduzione lineare della densità del calcestruzzo da circa 2200 a 1454 kg/m3 quando si confronta nessuna aggiunta di carbonio e 15 wt.% di biochar. Inoltre, l’aggiunta di biochar ha anche ampliato i coefficienti di assorbimento acustico del calcestruzzo, poiché ha generato una struttura porosa ben sviluppata all’interno del calcestruzzo. Inoltre, la conducibilità termica del calcestruzzo è diminuita e ha raggiunto il suo minimo con l’aggiunta di biochar al 2 wt.%. Tuttavia, la sfavorevole resistenza ridotta del calcestruzzo causata dall’aggiunta di biochar rende questo materiale composito un calcestruzzo a bassa resistenza (Cuthbertson et al., 2019). Il tempo di presa iniziale è stato diminuito e la resistenza alla compressione iniziale della malta è stata migliorata sia dal biochar fresco che da quello saturo. Si è scoperto che l’aggiunta di biochar ha incorporato significativamente la duttilità alla malta sotto flessione, anche se ha avuto poco effetto sulla resistenza alla flessione. L’aggiunta di biochar ha anche portato all’impermeabilità della malta a causa della riduzione della penetrazione dell’acqua e della sorpattività. Tuttavia, il biochar fresco ha contribuito a una maggiore resistenza meccanica e a una maggiore permeabilità rispetto al biochar saturo di anidride carbonica (Gupta et al., 2018a). A questo proposito, il biochar si dimostra un materiale promettente utilizzato come additivo nella costruzione del calcestruzzo, contribuendo sia al sequestro del carbonio che al riciclaggio dei rifiuti. La prova di compressione ha rivelato che con una maggiore sostituzione di biochar nella malta, la resistenza alla compressione è stata ridotta con l’aumento della sostituzione di biochar e meno idrati di silicato di calcio si sono formati nei compositi di cemento biochar. Il test di assorbimento dell’acqua ha mostrato che con l’aumento della sostituzione del biochar, più acqua viene trattenuta nei compositi malta-biochar. Dai risultati, si può concludere che il biochar può essere una valida alternativa del cemento, fino a una certa percentuale, mentre si fa la malta per applicazioni specifiche (Roy et al., 2017).
Sono in aumento le ricerche sull’esplorazione della condizione ottimale dell’aggiunta di biochar al cemento. Parametri come la dimensione, il dosaggio e la pirolisi sono presi in considerazione. Come malta di cemento, le particelle macroporose più grossolane di biochar (dimensioni 2-100 μm) sono più efficaci nel migliorare la fluidità e la viscosità della pasta di cemento, rispetto a quella delle particelle più fini (dimensioni 0,10-2 μm) (Gupta e Kua, 2019). Anche così, quest’ultimo ha dimostrato di avere più effetto nel migliorare la resistenza iniziale e la tenuta all’acqua in condizioni di indurimento a secco rispetto al primo biochar (Gupta e Kua, 2019). L’aggiunta di 1-2 wt.% di biochar pirolizzato a 300°C-500°C migliora la resistenza alla compressione precoce (7 giorni) della malta a causa dell’elevata ritenzione idrica. L’aggiunta di biochar non ha influenzato significativamente la resistenza alla flessione, il ritiro da essiccazione e il modulo di elasticità. Sulla base dei risultati sperimentali, si conclude che l’aggiunta di 1-2 wt.% di biochar può essere raccomandata per migliorare la resistenza e ridurre la permeabilità della malta di cemento (Gupta et al., 2018b). Diversi parametri di pirolisi e la natura delle materie prime del biochar hanno un effetto sulle proprietà meccaniche dei compositi di cemento. I risultati dei test meccanici hanno mostrato un promettente miglioramento della resistenza, della tenacità e della duttilità. Infatti, valori più alti di resistenza alla flessione e di energia di frattura sono stati registrati per i campioni con l’aggiunta di biochar rispetto a quelli dei campioni senza di esso. Tuttavia, i valori di resistenza alla flessione e di energia di frattura potrebbero essere influenzati da diversi parametri di pirolisi utilizzati nella produzione di biochar (temperatura, velocità di riscaldamento e pressione). Pertanto, i risultati potrebbero essere influenzati dal tipo di materiale carbonioso e dai parametri di produzione piuttosto che dalla dimensione delle particelle di carbonio. Da un punto di vista economico, queste particelle di carbonio hanno costi zero, poiché sono lo scarto del processo di pirolisi della biomassa. Per questo motivo, rappresentano buoni materiali per nuovi materiali da costruzione verde (Cosentino et al., 2018).
Inoltre, aggiungere particelle di biochar al calcestruzzo vegetale è un modo per migliorare ulteriormente la compatibilità vegetale del calcestruzzo vegetale. Posato come base di rinforzo e coperto dallo strato di terreno con vegetazione, il calcestruzzo vegetale è composto da cemento, acqua e aggregato grossolano. Ridurre l’alcalinità del calcestruzzo vegetale utilizzando cemento a bassa base o aggiungendo additivi è significativo per migliorare la compatibilità vegetale e la resistenza alla compressione del calcestruzzo vegetale. La ricerca mostra che il contenuto di biochar è aumentato, la porosità e il coefficiente di permeabilità del calcestruzzo vegetale ha continuato a diminuire, mentre l’effetto del biochar sulla promozione della crescita delle piante in un primo momento ha mostrato un aumento al massimo e poi una graduale diminuzione. Pertanto, l’aggiunta di una quantità adeguata di biochar può migliorare le caratteristiche del calcestruzzo vegetale. Inoltre, è stata raccomandata la proporzione di miscela ottimale del calcestruzzo vegetale biochar-modificato (Zhao et al., 2019).
Il cemento è uno dei materiali più significativi per lo sviluppo urbano, di cui la produzione rappresenta le maggiori emissioni globali di CO2. A questo proposito, l’utilizzo di materiali verdi e sostenibili nella produzione di cemento può contribuire a ridurre l’emissione di gas serra nell’atmosfera e alleviare il riscaldamento globale. Tra questi materiali, la biomassa derivata dai rifiuti agricoli ha dimostrato di servire come un’efficace alternativa al cemento Portland nella produzione di cemento, che ha ridotto con successo l’impatto ambientale della produzione di cemento. Tali materiali sintetizzati possono essere utilizzati come materiali pozzolanici (Zeidabadi et al., 2018). L’uso di biochar come additivo sequestrante di carbonio nella malta di cemento o come riempitivo del calcestruzzo standard al posto della sabbia o dell’aggregato grosso ha presentato potenziali miglioramenti delle sue caratteristiche prestazionali, nonché un’opportunità di sequestro del carbonio.