Il calcestruzzo è stato, è e continuerà a essere un materiale strutturale critico – Come possiamo superare le sue limitazioni?

Limitazioni del calcestruzzo

Il calcestruzzo è diventato il materiale centrale nella costruzione negli ultimi decenni, soprattutto negli ambienti urbani densi. Ha progressivamente sostituito mattoni, pietre e legno, grazie al suo basso costo, alla facilità d’uso e alla scalabilità.

Ma non è privo di problemi.

Sostenibilità

Innanzitutto, è tutt’altro che un prodotto sostenibile per quanto riguarda le risorse consumate. Consuma enormi quantità di sabbia, al punto che è stato descritto che il mondo sta “esaurendo la sabbia”.

Fonte: Visual Capitalist

La produzione di cemento è anche un’attività molto intensiva dal punto di vista energetico. È inoltre quasi esclusivamente alimentata da combustibili fossili, risultando che la produzione di cemento è responsabile dell’8% delle emissioni di CO2 del mondo.

Questo può essere confrontato con le emissioni di CO2 di automobili e furgoni, che sono responsabili del 10% delle emissioni globali del mondo. Quindi, rendere il calcestruzzo più sostenibile sarebbe altrettanto impattante quanto trasformare tutte le auto del mondo in veicoli elettrici e alimentarle solo con energia verde.

Durabilità

Se gli edifici in calcestruzzo durassero secoli, almeno potremmo considerare che il consumo di sabbia e le emissioni di CO2 fossero qualcosa di fatto una volta per tutte, con la costruzione che rimane per molto tempo.

Ma questa non è affatto la realtà. Gli edifici in calcestruzzo armato, la maggior parte di ciò che viene costruito oggi, hanno una durata media di sole 50-100 anni. Devono quindi essere completamente demoliti, le macerie rimosse e sepolte da qualche parte, e ricostruiti da zero.

Nuove tecnologie del calcestruzzo

Questi costi ambientali elevati combinati alla mancanza di durabilità significano che il calcestruzzo deve essere migliorato. Naturalmente, potremmo teoricamente tornare completamente a utilizzare solo pietra, argilla e legno come materiali di base per la costruzione. Tuttavia, la praticità e il basso costo del calcestruzzo lo rendono molto difficile da rimuovere dalla sua posizione di materiale preferito dagli architetti.

Rimozione dell’acciaio

Il principale colpevole della bassa durabilità del calcestruzzo moderno è l’armatura in acciaio (barra di rinforzo) inserita al suo interno. L’armatura in acciaio offre importanti vantaggi strutturali, migliorando radicalmente la resistenza a trazione del calcestruzzo (la capacità di resistere a essere tirato o allungato).

Il problema è che l’acciaio, per lo più composto da ferro, alla fine arrugginisce. Quando arrugginisce, si espande, causando crepe nel calcestruzzo circostante. Questo è spesso chiamato cancro del calcestruzzo, ed è il motivo per cui il calcestruzzo armato dura solo così tanto.

Fonte: USNW Sydney

Calcestruzzo al grafene

Mentre inventiamo nuovi materiali, nuove soluzioni possono essere applicate al calcestruzzo. Aggiungendo il grafene al calcestruzzo, un eccezionale materiale 2D, i ricercatori dell’Università della Virginia sono riusciti a migliorare le prestazioni del calcestruzzo, rendendolo più durevole e riducendo le emissioni di carbonio.

È stato pubblicato nel Journal of Building Engineering con il titolo “Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene-enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay.”

Si sono concentrati sul calcestruzzo utilizzato nei metodi di stampa 3D, un argomento di cui abbiamo trattato più in dettaglio in “Home Ownership is More Prohibitive than Ever Before in North America – Can 3D Printing Change This?”.

Il calcestruzzo LC2 potenziato con grafene potrebbe ridurre le emissioni di gas serra di circa il 31% rispetto ai tradizionali miscele di calcestruzzo stampabile. Questo perché, invece di utilizzare l’acciaio, grande emettitore di carbonio durante la produzione, hanno usato il grafene, che è costituito da carbonio puro. Quindi, almeno per la parte di rinforzo, questo nuovo calcestruzzo cattura carbonio invece di emetterlo.

Tuttavia, la parte cemento rimane lo stesso processo ad alta intensità di carbonio, ma è un buon primo passo.

E poiché il grafene è molto più stabile e non si ossida (arrugginisce), questo tipo di calcestruzzo dovrebbe essere al sicuro dal cancro del calcestruzzo. Se l’edificio risultante dura molto più a lungo, significherà molte meno emissioni nel lungo termine.

Armatura in canapa

Materiali avanzati come il grafene potrebbero non essere l’unica opzione. Questo è positivo poiché il grafene è, per ora, piuttosto costoso, il che potrebbe ostacolare la commercializzazione di questi calcestruzzi ad alte prestazioni e basse emissioni.

La canapa (la specie non psicoattiva delle piante di cannabis) è sempre più utilizzata nei materiali da costruzione. Quando adeguatamente lavorata, può essere trasformata in materiale isolante, blocchi di canapa per piccoli edifici, e persino hemcrete (canapa+calcestruzzo).

Fonte: 2050 Materials

Potrebbe anche essere modellata in armatura per calcestruzzo sotto forma di armatura composita in termoplastica rinforzata con fibre naturali (NFRT), o armatura in canapa, mescolando corda a base di canapa con una manica termoplastica.

Fonte: CASE

Poiché la canapa è una fibra vegetale, è a impatto negativo di carbonio, intrappolando il carbonio atmosferico. Inoltre, la canapa è molto resistente e non infiammabile.

Calcestruzzo auto-riparante

Non tutti i calcestruzzi durano solo pochi decenni. Alcune forme di calcestruzzo sono state effettivamente robuste abbastanza da durare millenni, fin dall’Impero Romano. Per esempio, il famoso Pantheon è la più grande cupola di calcestruzzo non armato al mondo ed è stata costruita nel 128 d.C.

Il primo elemento chiave è che tali strutture in calcestruzzo non utilizzavano alcuna armatura. Erano anche realizzate con materiali speciali, come rocce vulcaniche e cenere, che rendevano il calcestruzzo parzialmente auto-riparante.

Quindi, sebbene non sia perfettamente scalabile, poiché le rocce vulcaniche non sono abbondanti come la sabbia, potrebbe essere un’opzione per molte costruzioni che non hanno realmente bisogno di armatura e che è improbabile debbano essere ricostruite.

Riscaldamento del calcestruzzo

Oltre alla corrosione, un altro fattore che può danneggiare gli edifici in calcestruzzo sono i cicli di gelo-scioglimento in inverno. Ogni volta, l’acqua si espande quando congela in ghiaccio, scheggiando un po’ di calcestruzzo o causando crepe. Col tempo, ciò può evolvere in danni sempre più gravi.

In “Self-Heating Concrete Could Help our Roads, Aquifers, and Wallets”, abbiamo esplorato come i materiali a cambiamento di fase a bassa temperatura (PCM) possano essere incorporati in microcapsule di paraffina e mescolati direttamente nel calcestruzzo.

Ciò potrebbe aiutare a mantenere il calcestruzzo privo di gelo a temperature intorno a 0°C e ridurre le necessità di manutenzione stradale invernale.

Cemento a zero emissioni di carbonio

Con le emissioni di carbonio del cemento quasi pari a quelle delle automobili, è necessario un miglioramento importante per ridurre o eliminare completamente le emissioni di carbonio associate, cosa più facile a dirsi che a farsi.

Energia verde

Poiché la produzione di cemento richiede molto calore, dobbiamo osservare lo sviluppo di alternative elettriche o termiche ai forni e calcinatori basati su combustibili fossili.

Questo non è necessariamente un compito tecnico molto complesso, ma vedere l’intera industria cambiare le proprie attrezzature e adottare questa nuova tecnologia richiederà tempo.

Inoltre, le alternative elettriche ai processi industriali basati su combustibili fossili sono verdi solo quanto l’elettricità che utilizzano. Pertanto, è necessaria anche una fornitura costante di elettricità priva di carbonio.

Emissioni legate al calcare

Un grosso problema nella rimozione delle emissioni di carbonio dalla produzione di cemento è che non tutte le emissioni provengono dall’energia consumata. Se fosse così, bastarebbe usare elettricità verde per riscaldare il calcare in cemento.

Ma il calcare stesso, materia prima di base per il cemento, è un emettitore di CO2, secondo questa formula (con Δ=calore): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 in un processo chiamato calcinazione.

Ma esistono alcune alternative:

• Sostituzione del calcare: utilizzando il silicato di calcio, invece del carbonato di calcio (calcare), l’azienda Brimstone propone di creare cemento a zero emissioni di carbonio.
  • Poiché il silicato di calcio è un minerale molto abbondante, si tratta principalmente di sviluppare la tecnologia e renderla competitiva commercialmente.
• Cattura del carbonio: al momento, la maggior parte degli impianti di produzione di cemento utilizza calcinatori e calcare basati su combustibili fossili, potrebbe essere più facile catturare le emissioni che evitarle.
  • Una prima impianto pilota che produce cemento in questo modo è già in funzione in Norvegia e potrebbe essere un modello da seguire.

Azienda di cemento sostenibile

Essendo uno dei leader mondiali nella produzione di cemento, CRH sarà fondamentale per trasformare la costruzione in cemento in un’industria più sostenibile. È il numero 1 in termini di volume totale di materiale da costruzione fornito sia nei mercati statunitensi che europei.

L’azienda è attiva in 28 paesi e 3.390 sedi, impiega 78.500 persone, con CRH Americas che rappresenta il 65% delle vendite globali del 2023.

L’azienda prevede che la robusta spesa dei governi occidentali per le infrastrutture aiuterà a far crescere il suo business. Le tendenze di reindustrializzazione e di delocalizzazione della produzione ad alta tecnologia dovrebbero inoltre contribuire.

Sostenibilità

CRH ha fatto seri progressi nella sostenibilità con una serie di iniziative:

• È il più grande riciclatore in Nord America, con 43,9 milioni di tonnellate di rifiuti e sottoprodotti di altre industrie riciclati nel 2023.
• Ha ridotto le sue emissioni di CO2 dell’8% nel 2023, grazie all’uso del 36% di combustibili alternativi nei suoi impianti di cemento.
• Mira a una riduzione delle emissioni del 30% entro il 2030 (rispetto alle emissioni del 2021).

Ciò è lodevole di per sé, ma può essere visto come troppo poco, troppo tardi.

Fortunatamente, CRH è anche un promotore di cambiamenti più fondamentali nell’industria. In particolare, ha investito 75 milioni di dollari nella società di cemento a basso contenuto di carbonio Sublime, insieme al gigante europeo del calcestruzzo Holcim.

Sublime Systems è nata dal MIT nel 2020 per utilizzare un elettrolizzatore per produrre cemento a temperature ambientali, sostituendo forni ad alta intensità energetica e di combustibili fossili. Consente anche l’uso di fonti di calcio come materiale di ingresso, evitando il rilascio di CO2 dall’uso del calcare.

Il primo impianto commerciale di Sublime a Holyoke dovrebbe aprire già nel 2026. Se dimostrato efficace, potrebbe essere il vero punto di svolta per l’industria del cemento e aprire la strada a un calcestruzzo a basse emissioni scalabile.

“Sublime è una forza dirompente nella produzione di cemento. La sua tecnologia unica attraversa l’intero processo produttivo, dall’uso di elettricità pulita a materie prime senza carbonio. Siamo entusiasti del suo potenziale e felici di collaborare per portarlo sul mercato su larga scala. Questo investimento è pienamente in linea con la strategia di Holcim per accelerare la decarbonizzazione delle costruzioni scalando le tecnologie più innovative.”
Ufficiale Nollaig Forrest - Responsabile della Sostenibilità di Holcim

CRH ha anche investito in altre startup di decarbonizzazione e sostenibilità:

• 23,7 milioni di € in Cool Planet Technologies, che sviluppa soluzioni di cattura del carbonio per industrie tradizionalmente difficili da decarbonizzare.
• 34,7 milioni di $ da CRH e altri investitori in Carbon Upcycling Technologies, che utilizza una soluzione di mineralizzazione totalmente elettrica per immagazzinare permanentemente CO2 in sottoprodotti industriali e minerali, come cemento, plastica, prodotti di consumo, fertilizzanti e prodotti farmaceutici.
• AICrete, una piattaforma “ricetta come servizio” che collabora con i produttori locali di calcestruzzo, ottimizzando i materiali locali e riducendo la quantità di cemento utilizzato tramite analisi AI, diminuendo sia l’impronta di CO2 sia il costo della produzione di calcestruzzo.
• Il finanziamento Series B di FIDO AI è una startup che utilizza l’AI per ridurre il consumo d’acqua e aumentare il risparmio idrico.

In generale, CRH è un leader redditizio nell’industria del calcestruzzo e si sta preparando attivamente alla decarbonizzazione del settore, sia direttamente nelle strutture esistenti sia fungendo da principale fornitore di capitale per startup innovative che creano la prossima generazione di tecnologie per la produzione di cemento e calcestruzzo.