Cemento e scarti del caffè per migliorare le prestazioni del calcestruzzo

In uno studio innovativo, i ricercatori del Royal Melbourne Institute of Technology University (RMIT University) hanno svelato un metodo rivoluzionario per potenziare la resistenza del calcestruzzo utilizzando un ingrediente inaspettato: i fondi di caffè usati.

Pubblicata sulla rivista Journal of Cleaner Production, la ricerca esplora il potenziale del riutilizzo dei fondi di caffè non solo per migliorare le proprietà del calcestruzzo, ma anche per contribuire alla riduzione dei rifiuti e alla salvaguardia dell'ambiente.

Il Legame tra Caffè e Cemento

L'ispirazione per questo studio nasce dalla sfida duplice della gestione dei rifiuti del caffè e dalla crescente domanda di materiali edili sostenibili.

Con una stima di 10 milioni di tonnellate di rifiuti di caffè prodotti globalmente ogni anno, i ricercatori guidati dal Dr. Rajeev Roychand hanno cercato di sfruttare il potere dei fondi di caffè per affrontare questi problemi.

Sottoponendo i fondi di caffè usati a un processo di pirolisi a 350°C, i ricercatori hanno convertito il materiale di scarto in biochar. Questa sostanza porosa ricca di carbonio ha mostrato un notevole potenziale per potenziare la resistenza del calcestruzzo.

Il Dr. Jie Li, professore associato di ingegneria civile e delle infrastrutture presso l'RMIT University, spiega che l'approccio innovativo non solo rafforza il calcestruzzo, ma devia anche i rifiuti organici dalle discariche, offrendo una soluzione sostenibile.

Questo tipo di innovazione riflette gli sforzi creativi che gli scienziati stanno compiendo per riutilizzare materiali in modo sostenibile e ridurre l’impatto ambientale. Con l’aumento della consapevolezza ambientale, i materiali da costruzione stanno diventando potenziali depositi per riciclabili e carbonio, impedendo la loro emissione nell’atmosfera.

L’RMIT sta anche collaborando con 10 autorità locali australiane per pavimentare strade utilizzando plastica di scarto e ha prodotto cemento usando pneumatici usati. Allo stesso modo, l’Università di Sydney ha integrato il vetro macinato nel proprio cemento. A livello internazionale, l’Università di Kitakyushu in Giappone ha costruito una casa utilizzando pannolini triturati, mentre la Washington State University ha realizzato mattoni da cartongesso di scarto.

Kilmartin-Lynch, un aborigeno con un dottorato in sostenibilità del cemento, porta una prospettiva indigena al progetto. La sua dedizione nasce dal desiderio di preservare l’ambiente australiano. Ha affermato “Volevo essere in quello spazio per fare un cambiamento”.

Dallo spreco alla solidità

Il processo di pirolisi gioca un ruolo fondamentale nella trasformazione dei rifiuti di caffè in un materiale adatto al miglioramento del cemento.

L'alto contenuto di materiale organico dei fondi di caffè naturali rappresenta una sfida per l'uso diretto nel cemento strutturale a causa delle reazioni di idratazione ostacolate dalle particelle di cemento. Tuttavia, dopo la pirolisi, il contenuto organico si decompone, lasciando dietro di sé un biochar poroso.

I ricercatori hanno studiato attentamente gli effetti delle diverse temperature e delle proporzioni di biochar di caffè nei mix design di calcestruzzo.

I risultati hanno indicato che la pirolisi dei rifiuti di caffè a 350°C ha portato a un notevole aumento del 29,3% nella resistenza a compressione quando miscelato con il 15% di biochar di caffè. Questo miglioramento è stato attribuito a un'eccellente performance del legame, alla cura interna e al rafforzamento della struttura porosa.

Risultati e implicazioni

Gli effetti benefici della sostituzione della sabbia con il biochar di caffè sono emersi chiaramente attraverso una serie di analisi.

Le analisi di fluorescenza a raggi X, analisi di carbonio, idrogeno, azoto e zolfo (CHNS), analisi della dimensione delle particelle con diffrazione laser, diffrazione dei raggi X, microscopia elettronica a scansione e test di resistenza a compressione hanno confermato i miglioramenti delle proprietà meccaniche e fisico-chimiche del cemento.

In particolare, la pirolisi a 350°C ha dimostrato di creare un legame eccellente con la microstruttura del cemento, consentendo al cemento di penetrare nei pori del biochar e rinforzando la struttura porosa stessa. Le caratteristiche porose del biochar hanno contribuito all'assorbimento e alla ritenzione di acqua, supportando la cura interna del cemento e migliorando ulteriormente la sua resistenza.

Verso l'implementazione pratica

Dopo aver ottenuto risultati promettenti in laboratorio, il team di ricerca sta cercando attivamente partner dell'industria per avviare prove sul campo. Queste prove forniranno dati essenziali per test meccanici e di durabilità a lungo termine, un passo cruciale per stabilire la fattibilità del calcestruzzo potenziato dal caffè nelle applicazioni reali.

Nonostante il potenziale di questo approccio innovativo, ci sono sfide significative da superare, soprattutto in termini di fattibilità economica e logistica. Kypros Pilakoutas, direttore del Centro per il Cemento e il Calcestruzzo dell’Università di Sheffield, che non è coinvolto nella ricerca dell’RMIT, ha espresso dubbi sulla sua applicazione su larga scala.

“La fattibilità economica di una tale applicazione è altamente dubbia,” ha detto. Tuttavia, Kilmartin-Lynch rimane ottimista. “Speriamo che un giorno tutti i vostri rifiuti organici possano essere semplicemente svuotati in un grande contenitore, sottoposti a pirolisi, e poi utilizzati,” ha affermato.

Quale futuro per l’innovazione

Come già accaduto per altre ricerche che abbiamo pubblicato su INGENIO in questi anni, si tratta ancora di sperimentazioni la cui applicazione sul mercato appare quanto mai lontana.

E’ importante sottolineare questo aspetto, perchè troppo spesso ricerche seppur interessanti dal punto di vista scientifico ma ancora limitate all’ambito sperimentale vengono presentate dal mondo della comunicazione come soluzioni già attuali (e miracolose).

Ma non bisogna arrendersi, la sfida per la sostenibilità è troppo importante.

L’uso di materiale organico nella produzione di leganti e conglomerati ha una lunga storia. La Grande Muraglia Cinese è tenuta insieme da una malta fatta in parte di riso appiccicoso, e i costruttori pre-19° secolo in Cina utilizzavano una forma di cemento fatta con lo stesso ingrediente domestico. Pomici e cenere vulcanica erano usate dai Mesoamericani nella costruzione della città ancora in piedi di El Tajin in Messico circa 1.000 anni fa. Nel Mediterraneo antico, si dice che additivi vari come il sangue, il latte e l’uovo fossero utilizzati.

Infine una nota editoriale. La stampa in questo specifico settore, continua a fare confusione tra cemento (legante) e calcestruzzo (materiale utilizzato per costruire) delineando una corsa a dare l’informazione che fa notizia piuttosto che a “fare informazione”.