Cemento con escrementi umani: fino al 42% più resistente grazie al biochar

Una nuova ricerca sta trasformando un materiale che normalmente consideriamo un rifiuto in una possibile risorsa per l’edilizia. Un gruppo internazionale di ricercatori ha infatti studiato un cemento con escrementi umani, più precisamente un calcestruzzo nel quale una parte del cemento viene sostituita con biochar ottenuto da fanghi fecali trattati. Il risultato più sorprendente è arrivato dopo 91 giorni di stagionatura: con il 10% di biochar, la resistenza alla flessione è aumentata del 42%, mentre quella alla compressione è cresciuta del 21% rispetto al calcestruzzo di riferimento.

Dietro questa scoperta non c’è però l’idea di mescolare semplicemente le feci al cemento. I ricercatori hanno sottoposto i fanghi fecali a un processo di trattamento e trasformazione termica, ottenendo un materiale carbonioso chiamato biochar. La sperimentazione apre così una domanda interessante: i rifiuti umani potrebbero diventare una materia prima per costruire materiali più resistenti e, allo stesso tempo, più sostenibili?

Come si ottiene il nuovo materiale per il calcestruzzo

La ricerca è stata condotta da un gruppo guidato da Raghuvesh Tiwari e Priyansha Mehra del Department of Civil Engineering della Manipal University Jaipur, in collaborazione con Shaik Hussain del Trenchless Technology Center della Louisiana Tech University e altri ricercatori.

Il punto di partenza sono i fanghi fecali provenienti dagli impianti di trattamento dei fanghi fecali, strutture che raccolgono e trattano i rifiuti provenienti da sistemi sanitari come fosse settiche e altre infrastrutture che non sono collegate alle reti fognarie convenzionali. Il materiale utilizzato nello studio è stato fornito da un impianto di trattamento situato nel Telangana, in India.

 

Dalle feci trattate al biochar che entra nel calcestruzzo

Il passaggio fondamentale è la trasformazione dei fanghi fecali in biochar. Questo termine indica un materiale ricco di carbonio ottenuto attraverso un trattamento termico della biomassa in condizioni con poco ossigeno. In questo modo la materia organica viene trasformata in un prodotto solido dalle caratteristiche fisiche e chimiche differenti rispetto al materiale di partenza.

Nel caso studiato dai ricercatori, il biochar è stato utilizzato come sostituto parziale del cemento nella miscela. È quindi importante non confondere i due concetti: non si costruisce con escrementi umani non trattati, ma con un materiale derivato da fanghi fecali che sono stati sottoposti a processi specifici prima di essere utilizzati nei provini di calcestruzzo.

I ricercatori hanno sperimentato diverse percentuali di sostituzione. Le concentrazioni del 5% e del 10% hanno prodotto i risultati più interessanti sul piano delle prestazioni meccaniche. Con il 10% di biochar, dopo 91 giorni, il calcestruzzo ha raggiunto un incremento del 21% nella resistenza alla compressione e del 42% nella resistenza alla flessione rispetto alla miscela di controllo.

Il comportamento potrebbe essere collegato anche alla struttura porosa del biochar. La sua capacità di interagire con l’acqua e con i prodotti della reazione di idratazione del cemento può influenzare il processo di maturazione del materiale. Le analisi microstrutturali dello studio hanno inoltre esaminato la formazione delle fasi leganti presenti nel calcestruzzo.

Il calcestruzzo diventa davvero più resistente del 42%?

La risposta è sì, ma bisogna spiegare bene che cosa significa quel 42%. Il dato non indica che ogni caratteristica del nuovo materiale sia aumentata del 42% e nemmeno che il cemento tradizionale venga semplicemente sostituito dalle feci. Il valore si riferisce alla resistenza alla flessione del calcestruzzo con il 10% di biochar dopo 91 giorni di stagionatura.

Questa distinzione è importante perché la resistenza alla flessione e quella alla compressione misurano comportamenti diversi. La prima riguarda la capacità del materiale di sopportare sollecitazioni che tendono a incurvarlo, mentre la seconda misura la sua capacità di resistere a una forza di compressione.

Il 42% riguarda la flessione, mentre la compressione aumenta del 21%

La formulazione con il 10% di biochar ha mostrato il risultato più interessante della sperimentazione. Dopo 91 giorni, la resistenza alla compressione è risultata superiore del 21% rispetto al calcestruzzo di controllo, mentre la resistenza alla flessione ha raggiunto un incremento del 42%.

Anche la quantità di biochar è fondamentale. Una percentuale più elevata non significa automaticamente un materiale migliore. I ricercatori hanno osservato che la formulazione con il 15% presentava inizialmente caratteristiche interessanti, ma alcuni parametri non mantenevano lo stesso vantaggio nel corso della stagionatura. Questo mostra quanto sia delicato trovare il giusto equilibrio tra cemento, biochar, acqua e altri componenti della miscela.

Lo studio ha inoltre analizzato aspetti che vanno oltre la semplice resistenza meccanica. Sono state valutate, tra le altre cose, porosità, assorbimento d’acqua e ritiro per essiccamento, mentre le analisi microstrutturali hanno permesso di osservare i cambiamenti all’interno del materiale. Dopo 120 giorni, il ritiro per essiccamento della malta con il 10% di biochar è risultato simile a quello della malta realizzata con cemento Portland ordinario.

Il risultato più interessante, quindi, non è soltanto quel 42%. È il fatto che un materiale derivato da un rifiuto possa modificare le proprietà del calcestruzzo senza compromettere necessariamente tutti gli altri parametri analizzati.

Perché usare rifiuti umani potrebbe rendere l’edilizia più sostenibile

Il vero interesse della ricerca va oltre la curiosità legata alla provenienza del biochar. Il settore delle costruzioni utilizza enormi quantità di cemento e qualsiasi strategia capace di ridurne parzialmente l’impiego può avere conseguenze ambientali interessanti. La ricerca sul biochar nel calcestruzzo è infatti parte di un filone più ampio che studia materiali alternativi capaci di diminuire l’impatto ambientale dei leganti tradizionali.

In questo caso il vantaggio potenziale è doppio. Da una parte si cerca di valorizzare un materiale di scarto, trasformandolo in una risorsa. Dall’altra si può ridurre la quantità di cemento necessaria per ottenere una determinata miscela. Non significa però che il nuovo materiale sia automaticamente a emissioni zero o che possa già sostituire il cemento tradizionale su larga scala.

La stessa ricerca sottolinea infatti la necessità di approfondire la durabilità e il comportamento del materiale in condizioni differenti prima di arrivare a un’applicazione concreta nell’edilizia.

Meno rifiuti, ma la tecnologia deve ancora superare diversi test

Uno degli aspetti più delicati riguarda la sicurezza ambientale. I fanghi fecali possono contenere sostanze che devono essere controllate con attenzione, compresi metalli pesanti. Per questo i ricercatori hanno analizzato anche la concentrazione di questi elementi nei provini di calcestruzzo.

I risultati dello studio sono incoraggianti: l’aumento della quantità di biochar è stato associato a una riduzione della concentrazione di alcuni metalli pesanti nei campioni e a una potenziale diminuzione del loro rilascio. Questo non significa però che qualsiasi materiale derivato dai fanghi fecali possa essere utilizzato automaticamente nell’edilizia. La composizione dei rifiuti può cambiare in base alla provenienza e al trattamento ricevuto.

Restano poi da verificare le prestazioni nel lungo periodo e in condizioni ambientali differenti. Gelo, temperature elevate, salinità e altri fattori possono influenzare la durata di un materiale da costruzione. Sono proprio questi aspetti a determinare se una soluzione sperimentata in laboratorio possa diventare realmente utilizzabile in edifici, infrastrutture o opere pubbliche.

La ricerca rappresenta quindi soprattutto una prova di fattibilità. Il risultato è interessante perché dimostra che il biochar ottenuto dai fanghi fecali può avere un ruolo nella produzione di calcestruzzo e può migliorare alcuni parametri meccanici. Ma trasformare questa scoperta in una tecnologia utilizzabile su larga scala richiederà ulteriori studi, standard tecnici e verifiche sulla sicurezza e sulla durabilità.

Conclusione

Trasformare un rifiuto umano in un componente per il calcestruzzo può sembrare un’idea bizzarra, ma dietro questa scoperta c’è una ricerca ingegneristica precisa. Gli scienziati non hanno utilizzato direttamente le feci: hanno ottenuto biochar da fanghi fecali trattati e lo hanno impiegato per sostituire una parte del cemento.

Il risultato più sorprendente è arrivato con il 10% di biochar: dopo 91 giorni, la resistenza alla compressione è aumentata del 21%, mentre quella alla flessione ha raggiunto il 42% in più rispetto al calcestruzzo di riferimento.

Siamo però ancora lontani dal poter parlare di una rivoluzione già pronta per i cantieri. Bisogna capire come il materiale si comporti nel corso degli anni e in condizioni ambientali differenti. Se le prossime ricerche confermeranno questi risultati, però, quello che oggi consideriamo un rifiuto potrebbe diventare una risorsa per un’edilizia più circolare, riducendo contemporaneamente la necessità di utilizzare una parte dei materiali convenzionali.

I dettagli della ricerca “Mechanical, durability, and microstructural performance of biochar-modified concrete using faecal sludge–derived biochar” sono stati pubblicati su Scientific Reports.

 

Redazione

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