Il biochar come additivo auto-sensibile e auto-riparante nei composti cementizi

Il contesto della ricerca: biochar, PNRR e collaborazione università–industria

La relazione presentata da Flora Faleschini ad ANIDIS 2025, svoltosi ad Assisi dal 7 all’11 settembre, si inserisce all’interno di un più ampio percorso di ricerca finanziato dal PNRR, nell’ambito dello SPOC Agritech. Il progetto, sviluppato in collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale, il Dipartimento di Geoscienze e il Dipartimento di Beni Culturali dell’Università di Padova, con il contributo industriale di ENI, mira a esplorare il potenziale del biochar come additivo multifunzionale per i materiali cementizi.

Il biochar è un materiale carbonioso ottenuto mediante pirolisi di biomasse o di fanghi industriali. Questo processo consente di trasformare scarti di origine vegetale o industriale in un prodotto solido ricco di carbonio, caratterizzato da un’impronta ambientale negativa grazie alla capacità di sequestrare CO₂. Dal punto di vista chimico-fisico, il biochar presenta una composizione fortemente dipendente dal feedstock di partenza e dalle condizioni di pirolisi. In generale, è contraddistinto da un elevato contenuto di carbonio, da una significativa frazione di ceneri e dalla presenza di fasi amorfe spesso ricche in silice. All’interno della sua matrice possono inoltre essere presenti elementi in traccia che, a seconda dei casi, influenzano positivamente o negativamente i tempi di presa e l’interazione con la matrice cementizia.

Biochar come additivo per calcestruzzi smart e self-sensing

La ricerca illustrata ad ANIDIS 2025 si configura come una revisione critica della letteratura scientifica, finalizzata a individuare le principali proprietà funzionali che il biochar può conferire ai calcestruzzi. Tra queste, emerge in primo luogo la capacità di trasformare un materiale tradizionalmente isolante come il calcestruzzo in un materiale “smart”, dotato di proprietà di self-sensing. Il principio è quello della sensibilizzazione elettrica della matrice cementizia attraverso l’aggiunta di filler conduttivi, in grado di modificare la resistività elettrica del composito e renderla sensibile a deformazioni, fessurazioni o variazioni di stato.

Rispetto ad additivi tradizionalmente utilizzati per questo scopo, come fibre di carbonio, fibre di acciaio, nanotubi di carbonio, grafene o ossido di grafene, il biochar presenta alcuni vantaggi intrinseci. La sua struttura contiene frazioni di grafite e una quota significativa di carbonio amorfo, che contribuiscono a migliorare la conducibilità elettrica del calcestruzzo. A ciò si aggiungono un costo decisamente inferiore rispetto ai nanomateriali avanzati e un profilo ambientale nettamente più favorevole. La letteratura mostra come l’aggiunta di biochar, sia in sostituzione parziale dell’aggregato fine sia come sostituzione del legante in basse percentuali, comporti una riduzione significativa della resistività elettrica sia allo stato fresco sia allo stato indurito. A 48 ore dal getto e a 28 giorni, i calcestruzzi additivati con biochar evidenziano variazioni marcate delle proprietà elettriche, con relazioni chiare tra il contenuto di biochar e parametri come il FCR, indicativo della risposta elettrica del materiale.

Un confronto diretto con calcestruzzi contenenti nanoparticelle di grafene mette in luce un aspetto particolarmente rilevante: dosaggi di biochar compresi tra lo 0 e il 2% in peso del cemento consentono di ottenere prestazioni elettriche comparabili, se non superiori, a quelle raggiunte con l’1% di grafene. Questo risultato assume un valore ancora maggiore se si considerano le difficoltà di dispersione del grafene all’interno della matrice cementizia, legate alla sua tendenza all’agglomerazione, che rendono il biochar una soluzione più semplice e robusta dal punto di vista tecnologico.

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Proprietà autoriparanti e prospettive di sviluppo dei calcestruzzi al biochar

Un secondo ambito di grande interesse riguarda le proprietà autoriparanti dei calcestruzzi contenenti biochar. La capacità di self-healing può manifestarsi in forma autogena, sfruttando l’idratazione lenta di particelle di cemento non completamente reagite, oppure in forma autonoma, grazie all’impiego di agenti specifici come batteri o microcapsule contenenti sostanze riparanti. Il biochar si inserisce in entrambi questi meccanismi. Da un lato, la sua struttura porosa favorisce la ritenzione d’acqua, promuovendo l’idratazione tardiva del cemento e la chiusura progressiva delle fessure. Dall’altro, studi sperimentali dimostrano che il biochar può agire in sinergia con batteri autoriparanti, migliorandone l’efficacia e la distribuzione all’interno della matrice.

Anche in questo caso, la revisione di letteratura evidenzia una notevole robustezza del fenomeno rispetto alla variabilità del materiale di partenza. Biochar ottenuti da cippati di legno, fibre di bambù, lolla di riso o altre biomasse, pirolizzati a temperature diverse e con granulometrie differenti, mostrano capacità autoriparanti comparabili, sia in presenza sia in assenza di agenti esterni. Questo suggerisce che il biochar rappresenti una piattaforma versatile per lo sviluppo di calcestruzzi durevoli e resilienti.

Le prospettive di ricerca delineate da Flora Faleschini guardano ora alla funzionalizzazione mirata del biochar. L’obiettivo è individuare le combinazioni ottimali tra feedstock, condizioni di pirolisi e trattamenti post-produzione per massimizzare le proprietà di self-sensing e self-healing. Parallelamente, si stanno esplorando effetti sinergici tra biochar e altri additivi funzionali, nonché l’applicazione di questi materiali in matrici leganti alternative ai cementi Portland tradizionali, come i leganti geopolimerici. Un’attenzione particolare è rivolta allo studio delle zone di interfaccia, agli effetti a lungo termine e alla durabilità, aspetti cruciali per un reale trasferimento delle soluzioni sviluppate dalla ricerca al settore delle costruzioni.