Progettazione e caratterizzazione di malte sostenibili che incorporano materiali derivati da rifiuti industriali

Costruire con i rifiuti invece che con rocce vergini

Calcestruzzo e malta modellano silenziosamente le nostre città, ma la produzione del cemento che li tiene insieme è una fonte significativa di anidride carbonica responsabile del riscaldamento climatico. Questo studio esplora una via alternativa: malte realizzate in larga parte con rifiuti industriali, come la cenere volante dalle centrali elettriche e la scoria dalla produzione dell'acciaio. Attivando accuratamente queste polveri con soluzioni alcaline, gli autori dimostrano che è possibile ottenere materiali da costruzione resistenti e durevoli riducendo al contempo l'impronta climatica e la necessità di nuove materie prime.

Perché ripensare il cemento è importante

Il cemento Portland tradizionale è prodotto in forni giganteschi che riscaldano calcare e argilla fino a circa 1450 °C, un processo che consuma molta energia e rilascia CO₂ sia dai combustibili sia dal calcare stesso. Con la crescita della domanda globale di edifici e infrastrutture, il cemento contribuisce da solo a circa il 7% delle emissioni mondiali di CO₂. Molti paesi cercano quindi materiali da costruzione più puliti che garantiscano comunque la resistenza e la durabilità richieste dagli ingegneri, ma con minori emissioni e un uso migliore dei sottoprodotti industriali che altrimenti finirebbero in discarica.

Trasformare cenere e scoria in nuova malta

I ricercatori hanno ideato tre ricette di malta che sostituiscono il cemento Portland con miscele di cenere volante (una polvere fine derivata dalla combustione del carbone), scoria di altoforno macinata dalla siderurgia e fumo di silice, il tutto combinato con sabbia. Queste polveri sono state “attivate” non con cottura ad alta temperatura, ma miscelandole con una soluzione di idrossido di potassio e silicato di sodio liquido, quindi stagionando le malte a temperatura ambiente e umidità moderata. Un impasto utilizzava cenere volante proveniente da una centrale rumena, un altro cenere volante dal Canada e un terzo combinava la cenere canadese con scoria. Per confronto, il team ha preparato anche una malta a base di cemento Portland come controllo.

Quanto sono resistenti queste malte a base di rifiuti?

In 28 giorni le malte sono state testate per resistenza a compressione (quanto carico possono sopportare prima di schiacciarsi) e resistenza a flessione (resistenza alla piegatura). Il tipo di cenere volante e le proporzioni esatte dell’attivatore liquido si sono rivelate determinanti. La malta fatta con cenere rumena ha raggiunto solo circa 8 MPa in compressione, mentre la cenere canadese ha quasi triplicato quella prestazione arrivando a circa 26 MPa. Modificare il rapporto liquido/polvere ha mostrato che troppo attivatore rende il materiale poroso e debole, mentre una quantità bilanciata crea una matrice più densa e resistente. Aumentare la concentrazione della soluzione di idrossido di potassio da 3,8 a 5,1 molare ha ulteriormente migliorato la resistenza, probabilmente perché ha dissolto e riorganizzato più efficacemente le particelle di cenere.

Migliorare le prestazioni con la scoria siderurgica

Il risultato più rilevante è arrivato dalla miscela che univa cenere volante canadese con scoria d'altoforno e una piccola quantità di fumo di silice. Questa ricetta ha raggiunto una resistenza a compressione di circa 44 MPa e una resistenza a flessione di 7,4 MPa dopo 28 giorni—valori comparabili o superiori alla malta di controllo a base di cemento Portland. Le immagini microscopiche hanno mostrato che la miscela con migliori prestazioni formava una rete densa e continua di gel che avvolgeva le particelle residue e la sabbia, con meno crepe e vuoti. I test termici hanno indicato che queste malte perdono pochissima massa se riscaldate ad alte temperature, suggerendo buona stabilità sotto l’esposizione al fuoco o al calore.

Impatto climatico e prospettive pratiche

Oltre alle prestazioni meccaniche, il gruppo ha stimato l'impronta carbonica delle loro malte a base di rifiuti. Poiché cenere volante, scoria e fumo di silice sono sottoprodotti di altre industrie, non richiedono nuovi processi ad alta temperatura per essere impiegati in malta. Inclusa la produzione degli attivatori ma escluso il trasporto, le malte risultanti emettono circa 220 chilogrammi di CO₂ per metro cubo. Questo è circa il 30% in meno rispetto ai calcestruzzi tipici realizzati solo con cemento Portland e circa il 45% in meno rispetto ad alcune malte cementizie con scoria riportate in letteratura. In altre parole, queste miscele possono offrire elevate prestazioni meccaniche riducendo in modo significativo le emissioni.

Cosa significa per gli edifici del futuro

In sintesi, lo studio dimostra che malte progettate correttamente, realizzate con polveri di rifiuti industriali e attivate a temperatura ambiente con soluzioni alcaline modeste, possono eguagliare o superare le malte cementizie convenzionali in termini di resistenza, riducendo notevolmente le emissioni di CO₂. Se scalati, tali materiali potrebbero permettere ai costruttori di trasformare cenere e scoria in ingredienti preziosi invece che in rifiuti costosi, alleggerendo la pressione sulle cave e sui forni di cottura. Sebbene sia ancora necessario verificare la durabilità a lungo termine e la produzione su larga scala, il lavoro indica un futuro in cui gli edifici poggiano letteralmente su fondamenta riciclate.

Citazione: Caftanachi, M., Vrabie, M., Harja, M. et al. Design and characterization of sustainable mortars incorporating industrial waste–derived materials. Sci Rep 16, 12145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41743-5

Parole chiave: malta sostenibile, materiali attivati alcalinamente, cenere volante, scoria di altoforno, edilizia a basse emissioni di carbonio