Valutazione completa delle prestazioni ambientali e della durabilità del calcestruzzo incorporante biochar

Calcestruzzo più verde e resistente per un mondo che si riscalda

Il calcestruzzo è ovunque — dai ponti e le autostrade ai palazzi residenziali — e la produzione del suo ingrediente principale, il cemento, rilascia enormi quantità di anidride carbonica. Questo studio esplora un’idea semplice con grandi implicazioni: cosa succederebbe se potessimo intrappolare carbonio di origine vegetale all’interno del calcestruzzo mantenendone la resistenza e la durabilità anche in inverni rigidi? Mescolando una piccola quantità di «biochar» derivato dal legno al calcestruzzo, i ricercatori hanno voluto verificare se è possibile realizzare strutture più resistenti ai danni da gelo-disgelo e al tempo stesso significativamente più rispettose del clima.

Trasformare gli scarti di legno in un ingrediente utile

Il biochar è un materiale simile al carbone ottenuto riscaldando scarti di legno in condizioni a basso tenore di ossigeno. Il gruppo ha prodotto una polvere fine a partire da pellet di legno e l’ha esaminata in dettaglio con microscopi e strumenti che rivelano area superficiale, dimensioni dei pori e legami chimici. Hanno osservato che le particelle macinate di biochar avevano dimensioni simili ai granuli di cemento ma erano costellate di pori e canali microscopici. Questi pori conferiscono al biochar un’elevata area superficiale interna e la capacità di trattenere acqua, mentre la sua struttura ricca di carbonio e chimicamente stabile significa che il carbonio contenuto può rimanere sequestrato a lungo. Nel complesso, queste caratteristiche rendono il biochar un candidato promettente per sostituire parzialmente il cemento nel calcestruzzo.

Come è stato miscelato e testato il nuovo calcestruzzo

Per andare oltre i piccoli lotti di laboratorio, i ricercatori hanno prodotto quattro miscele di calcestruzzo su scala reale utilizzando un vero impianto di betonaggio: una miscela di controllo standard e tre miscele in cui il biochar ha sostituito il 3, il 5 o il 7 percento del cemento in peso. Tutte le miscele sono state progettate per raggiungere una resistenza strutturale moderata di 24 megapascal, tipica di molti edifici e pavimentazioni. Sono stati gettati cilindri e travi, stagionati in acqua fino a un anno e poi testati per compressione, flessione, rigidezza e resistenza a 300 cicli rapidi di gelo-disgelo — condizioni simili al ripetersi di congelamento e disgelo in climi freddi. Il team ha inoltre esaminato la struttura dei pori interni e le microfessure mediante porosimetria al mercurio e microscopia elettronica a scansione.

Resistenza, fessurazione e durabilità invernale

I risultati mostrano un chiaro punto ottimale. Quando il 3–5 percento del cemento è stato sostituito con biochar, il calcestruzzo ha comunque raggiunto o superato la resistenza progettuale e ha sviluppato ulteriore resistenza nell’arco di un anno, sebbene leggermente inferiore rispetto alla miscela senza aggiunte. Con il 7 percento di sostituzione, invece, la resistenza a compressione è diminuita di oltre un terzo, suggerendo che era stato rimosso troppo cemento. In prova di compressione, il calcestruzzo senza biochar tendeva a guastarsi in modo brusco con fessure oblique da taglio, mentre le miscele al 3 e 5 percento hanno mostrato una fessurazione più verticale e distribuita — segni di un’eliminazione meno fragile. Nei test gelo-disgelo, tutte le miscele si sono comportate bene, mantenendo oltre il 90 percento della rigidezza iniziale dopo 300 cicli. In particolare, il calcestruzzo con 5 percento di biochar ha eguagliato o leggermente superato la miscela di controllo in una valutazione standard di durabilità e ha mostrato un aumento molto più contenuto del danno superficiale visibile nel tempo, pur avendo inizialmente più piccoli difetti di superficie. Il biochar poroso sembra agire come una rete di minuscoli “ammortizzatori di pressione”, offrendo spazio all’acqua che ghiaccia per espandersi e riducendo la crescita di fessure dannose.

Impronta di carbonio e uso di energia

Poiché la produzione del cemento è estremamente emissiva in termini di carbonio, ogni chilogrammo di cemento sostituito conta. Il gruppo ha condotto una valutazione del ciclo di vita cradle-to-gate, esaminando emissioni e consumo energetico dall’estrazione delle materie prime fino alla produzione del calcestruzzo. All’aumentare della quota di biochar, l’impatto sul riscaldamento globale per metro cubo di calcestruzzo è diminuito costantemente. Con il 7 percento di biochar, l’impronta di carbonio calcolata è risultata circa il 28 percento più bassa rispetto alla miscela di controllo, grazie in parte alla capacità del biochar di immagazzinare il carbonio catturato dagli alberi. Anche la domanda energetica è diminuita con l’aumento del biochar, poiché la produzione di biochar nelle condizioni studiate richiedeva meno energia non rinnovabile rispetto alla produzione della stessa massa di cemento. Bilanciare questi guadagni ambientali con la perdita di resistenza misurata indica un intervallo di sostituzione ottimale di circa il 3–5 percento.

Cosa significa per gli edifici del futuro

Per i non specialisti, la conclusione è semplice: sostituendo una piccola parte del cemento con biochar finemente macinato a base di legno, è possibile ottenere un calcestruzzo sufficientemente resistente per le strutture quotidiane, che resiste bene ai ripetuti cicli di gelo e disgelo e ha un’onere di carbonio sensibilmente inferiore. Lo studio suggerisce che una dose moderata di biochar — intorno al 3–5 percento del cemento — offre il miglior compromesso, riducendo le emissioni di gas serra senza compromettere la durabilità. Se adottato su larga scala e ulteriormente perfezionato nelle pratiche costruttive reali, questo approccio potrebbe contribuire a trasformare il calcestruzzo da grande problema climatico a materiale da costruzione più attento al clima, dando al contempo nuova vita agli scarti di legno che altrimenti verrebbero bruciati o scartati.

Citazione: Kang, SB., Woo, JS., Pyo, M. et al. Comprehensive evaluation of the environmental performance and durability of biochar-incorporated concrete. Sci Rep 16, 10803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45887-2

Parole chiave: biochar nel calcestruzzo, materiali a basse emissioni di carbonio, durabilità gelo-disgelo, sequestro del carbonio, costruzione sostenibile