Effetti delle nanoparticelle Al2O3, SiO2 e g

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2720 (2023) Citare questo articolo

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Vengono sollevate questioni ambientali riguardanti la produzione del cemento Portland. Di conseguenza, il biocemento funge da sostituto affidabile del cemento Portland nei progetti di edilizia verde. Questo studio ha creato una tecnica completamente nuova per creare biocemento di alta qualità dai rifiuti agricoli. La tecnica si basa su nanomateriali che migliorano e accelerano il processo di “Precipitazione della Calcite Indotta Microbicamente (MICP)”, che migliora la qualità del biocemento prodotto. La miscela è stata ulteriormente miscelata con l'aggiunta di 5 mg/l di nanofogli di nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4 NS), nanoparticelle di allumina (Al2O3 NP) o nanoparticelle di silice (SiO2 NP). Il rapporto cemento: sabbia era 1:3, il rapporto ceneri: cemento era 1:9 e il rapporto acqua: cemento era 1:2. Sono stati preparati stampi a cubetti, quindi colati e compattati. Dopo la sformatura, tutti i campioni sono stati polimerizzati in un terreno nutriente con brodo-urea (NBU) fino al test a 28 giorni. Il terreno è stato rifornito ad un intervallo di 7 giorni. I risultati mostrano che l'aggiunta di 5 mg/l di g-C3N4 NS con cenere di tutolo di mais ha prodotto la più alta "resistenza alla compressione" e la più alta "resistenza alla flessione" dei cubetti di malta biocementizia di 18 e 7,6 megapascal (MPa), rispettivamente; e un "assorbimento d'acqua" accettabile (5,42%) rispetto a tutti gli altri trattamenti. Questo trattamento ha prodotto una riduzione della "resistenza alla compressione", della "resistenza alla flessione" e dell'"assorbimento di acqua" di 1,67, 1,26 e 1,21 volte rispetto al controllo (cemento Portland standard). Si è concluso che l'aggiunta di 5 mg/l di g-C3N4 NS alla miscela cementizia ne migliora le proprietà, laddove il biocemento risultante è un promettente sostituto del cemento Portland convenzionale. L’aggiunta di nanomateriali al cemento ne riduce la permeabilità agli ioni, aumentandone la resistenza e la durata. L’uso di questi nanomateriali può migliorare le prestazioni delle infrastrutture in calcestruzzo. L’utilizzo delle nanoparticelle rappresenta una soluzione efficace per ridurre l’impatto ambientale associato alla produzione del calcestruzzo.

Il biocemento è un nuovo materiale da costruzione verde realizzato utilizzando rifiuti agricoli. L’utilizzo del biocemento ha dimostrato vantaggi ambientali, economici e tecnici. Il calcestruzzo risultante è chiamato "cemento verde"1,2. Il biocemento migliora notevolmente la resistenza della malta agli attacchi acidi. Inoltre, la malta biocementizia ha una migliore resistenza alla permeabilità all’acqua rispetto al solo cemento Portland3. De Muynck et al.4 hanno coniato i seguenti termini: biomineralizzazione o biodeposizione di CaCO3, biomalta e biocemento costituiti da biocemento. I seguenti rifiuti organici possono essere utilizzati come materie prime per la produzione di biocemento: lolla di riso, paglia di riso, erba di vetiver, pannocchia di mais, canna da zucchero, guscio di palma da olio, paglia di grano, stelo di lino, foglie di bambù, fanghi di depurazione, microalghe, segatura e fanghi di cartiera3 ,4,5,6,7.

La "nanotecnologia" può essere definita come lo studio, lo sfruttamento e l'uso di materiali di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm chiamati "nanomateriali", dove 1 nm (nm) è uguale a 10−9 m. I nanomateriali possono essere sintetizzati sotto forma di nanocubi, nanofili, nanobarre, nanotubi e nanoparticelle (nanosfere e nanocapsule). Le caratteristiche principali dei nanomateriali variano sostanzialmente rispetto al materiale originale8.

La retrogradazione delle costruzioni cementizie è un problema diffuso poiché hanno un'elevata permeabilità, lasciando penetrare l'acqua e portando alla corrosione. L'implementazione di sigillanti, ad esempio il biocemento, è un potente mezzo per aumentare la durabilità del calcestruzzo9. È possibile aggiungere ceneri di rifiuti agricoli per sostituire solo il 6-20% del cemento Portland. La resistenza del biocemento diminuisce quando si utilizzano ceneri con residui organici più elevati1. Ciò ostacola l’espansione dell’uso del biocemento e limita anche i benefici ambientali derivanti dall’utilizzo del biocemento.

Si ipotizza che i nanomateriali migliorino le capacità di legame tra i diversi componenti dei materiali cementizi. Pertanto, l’utilizzo di nanomateriali consente l’aggiunta di residui organici di ceneri per sostituire una quantità superiore al 20% del cemento Portland mantenendo la resistenza del biocemento prodotto. Di conseguenza, ciò influisce positivamente sulle proprietà ingegneristiche, in particolare sulle proprietà meccaniche, della malta e del calcestruzzo prodotti dal biocemento. Inoltre, si ipotizza che i nanomateriali biostimolano i batteri e ne aumentino l’attività, accelerando la biomineralizzazione portando ad un aumento della quantità e della velocità di precipitazione di CaCO3. Ciò alla fine porta a sigillare le fessure del calcestruzzo. Nanomateriali come nano-silice (nano-SiO2), nano-allumina (nano-Al2O3), nano-ossido di ferro (nano-Fe2O3), nano-ossido di titanio (nano-TiO2), nanotubi di carbonio (CNT), grafene e l'ossido di grafene può essere miscelato con materiali a base di cemento10. Negli ultimi anni diversi ricercatori hanno studiato l’incorporazione di nanomateriali in materiali a base di cemento. La combinazione di compositi cementizi e nanomateriali ha il potenziale per migliorare la resistenza meccanica delle strutture in calcestruzzo risultanti11,12,13,14,15. La nano-silice è un nanomateriale comune utilizzato nei compositi a base di cemento. Questo materiale accelera l'idratazione del cemento generando silicato di calcio idrato (C–S–H) e dissolvendo i silicati tricalcici (C3S)16. Inoltre, la nano-silice funge da seme per la nucleazione C–S–H, che accelera l'idratazione del cemento16. L'aggiunta di nano-silice ai materiali a base di cemento può migliorarne la durabilità, la lavorabilità e le proprietà meccaniche17. Le particelle nano-Al2O3, invece, possono aumentare la resistenza alla compressione dei materiali a base di cemento18,19. Con un dosaggio dello 0,25% sul peso del cemento, le nanofibre di Al2O3 possono aumentare la resistenza a compressione dei materiali a base di cemento fino al 30%16. Le nanoparticelle migliorano la resistenza e la durabilità del calcestruzzo stimolando la reazione di idratazione e riempiendo i micropori nella struttura della pasta di cemento. Ciò diminuisce la porosità del calcestruzzo, migliorando la resistenza e le proprietà meccaniche della malta cementizia10.