Valutazione dello scisto grafitico come materiale cementizio supplementare nel calcestruzzo per attività antifungina, resistenza, idratazione, microstruttura e schermatura dalle radiazioni

Calcestruzzo più pulito per un mondo che si riscalda

Il calcestruzzo è onnipresente nell’ambiente costruito, ma la produzione del suo componente principale, il cemento Portland, rilascia grandi quantità di anidride carbonica. Questo studio esplora se una roccia di origine naturale chiamata scisto grafitico possa sostituire parzialmente il cemento nel calcestruzzo. Se funziona, potremmo ridurre le emissioni generate dalle costruzioni, ottenere resistenza contro funghi nocivi e persino modulare la capacità del calcestruzzo di attenuare le radiazioni in ospedali e impianti nucleari.

Trasformare una roccia comune in un ingrediente utile

Lo scisto grafitico è una roccia metamorfica laminata presente nel Deserto Orientale d’Egitto. I ricercatori hanno frantumato e macinato questa roccia fino a ottenere una polvere fine e l’hanno miscelata nel calcestruzzo, sostituendo il 10 o il 15 percento del cemento in peso. Hanno poi confrontato questi impasti con il calcestruzzo ordinario, valutando non solo resistenza e durabilità ma anche il comportamento sotto calore, attacco fungino ed esposizione a diversi tipi di radiazione. Poiché i minerali principali dello scisto hanno bassa densità e forme lisce a lamina, il team si aspettava che agisse più come un additivo di riempimento spaziale che come un sostituto cementizio altamente reattivo.

Cosa avviene all’interno del calcestruzzo

A livello microscopico, le particelle di scisto grafitico erano più piccole e avevano circa il doppio della superficie dei granuli di cemento. Questo ha permesso loro di infilarsi nelle fessure tra le particelle di cemento, contribuendo a compattare maggiormente la miscela. Tuttavia, i test chimici hanno mostrato che lo scisto non prendeva parte in modo significativo alle reazioni di indurimento del cemento. Si è comportato principalmente come un riempitivo inerte. Nelle miscele con il 10 percento di sostituzione, questo effetto di compattazione ha migliorato in modo modesto la struttura interna attorno ai granuli di sabbia e pietrame, in particolare nella sottile zona di confine dove spesso si avviano le fessure. Con il 15 percento di sostituzione, i benefici sono stati superati dai problemi: più granuli di cemento non reagiti, porosità aggiuntiva e microfessure che indeboliscono il materiale.

Bilanciare resistenza, funghi e fuoco

Il calcestruzzo contenente il 10 percento di scisto grafitico ha perso parte della resistenza iniziale rispetto al calcestruzzo ordinario, ma il divario si è ridotto nell’arco di sei mesi man mano che il cemento residuo continuava ad idratarsi. Al contrario, l’impasto al 15 percento ha mostrato una perdita di resistenza più evidente. Nonostante ciò, la polvere di roccia ha apportato vantaggi notevoli. È rimasta stabile quando riscaldata fino a 800 gradi Celsius, suggerendo che il calcestruzzo con questo additivo potrebbe comportarsi meglio in incendi severi. In test separati in piastre Petri, lo scisto grafitico ha inibito fortemente la crescita di diversi funghi problematici, spesso in modo più efficace del solo cemento. Questo comportamento antifungino sembra derivare dalla sua elevata area superficiale e dal contenuto minerale, che insieme stressano e danneggiano le cellule fungine.

Modulare la capacità del calcestruzzo di schermare le radiazioni

Poiché il calcestruzzo è frequentemente usato per proteggere persone e apparecchiature dalle radiazioni, il team ha anche testato come le nuove miscele gestissero neutroni veloci e raggi gamma. L’aggiunta di scisto grafitico ha leggermente migliorato l’attenuazione dei neutroni veloci, grazie ad elementi leggeri come idrogeno e carbonio presenti nei suoi minerali, efficaci nel rallentare queste particelle. Ma la stessa aggiunta ha ridotto la densità del calcestruzzo e aumentato la porosità, danneggiandone la capacità di fermare i raggi gamma altamente penetranti. L’impasto al 10 percento ha offerto solo un piccolo guadagno nella schermatura neutronica mentre ha subito una perdita evidente nella protezione dai raggi gamma, e l’impasto al 15 percento ha avuto prestazioni ancora peggiori sotto questo profilo.

Dove potrebbe trovare impiego questo nuovo calcestruzzo

Nel complesso, lo studio suggerisce che lo scisto grafitico può fungere da additivo minerale multifunzionale se usato a circa il 10 percento di sostituzione del cemento. In quella fascia aiuta a ridurre l’uso di cemento e le emissioni correlate, aggiunge caratteristiche promettenti antifungine e di resistenza al fuoco, e conferisce un lieve miglioramento nella schermatura dei neutroni, sebbene a costo di una protezione minore contro i raggi gamma e di una resistenza leggermente inferiore. Tale calcestruzzo potrebbe essere più adatto per elementi strutturali non critici o applicazioni specializzate in cui la resistenza ai funghi e la stabilità al fuoco contano più della massima resistenza o della migliore schermatura dalle radiazioni. Con un’ulteriore messa a punto della miscela e del contenuto d’acqua, lo scisto grafitico potrebbe diventare uno strumento utile per confezionare calcestruzzi più intelligenti e sostenibili.

Citazione: Serry, M., Zayed, A.M., Tagyan, A.I. et al. Assessing graphite schist as a supplementary cementitious material in concrete for antifungal activity, strength, hydration, microstructure, and radiation shielding. Sci Rep 16, 12019 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40900-0

Parole chiave: calcestruzzo a basso tenore di carbonio, sostituzione del cemento, materiali antifungini, schermatura dalle radiazioni, scisto grafitico