Italcementi e il principio attivo TX Active®: un contributo al miglioramento della qualità dell’aria

L’inquinamento atmosferico e le sue conseguenze costituiscono un problema per tutte le principali metropoli e una minaccia per la salute del mondo. I gas di scarico sono nocivi sia per l’ambiente circostante che per la nostra salute. Le soluzioni finora considerate, di natura passiva, sono consistite nella maggior parte dei casi in restrizioni finalizzate alla diminuzione delle emissioni nocive che alterano la biosfera.

In questa prospettiva, Italcementi propone una soluzione concreta al miglioramento della qualità dell’aria: si tratta di un particolare cemento detto “fotocatalitico” con proprietà autopulenti, conforme alle norme EN 197/1, contenente il principio attivo TX Active®. Infatti, grazie alla fotocatalisi, si rende possibile anche per i materiali cementizi un processo naturale. Grazie all’azione della luce naturale o artificiale, una sostanza chiamata fotocatalizzatore, reagendo alla luce del sole, attiva un forte processo ossidativo che porta alla trasformazione delle sostanze organiche e inorganiche nocive, responsabili dell’inquinamento atmosferico, in composti innocui che possono essere facilmente lavati via dalla pioggia lasciando la superficie libera da agenti chimici.

Ne consegue che, usando cementi fotocatalitici nel confezionamento di calcestruzzi, le superfici, verticali e orizzontali, esposte ad aria, vengono rese capaci di promuovere un effetto “autopulente” in grado di catturare gli inquinanti e trasformarli in sali non tossici, quali nitrati e solfati. Il calcestruzzo fotocatalitico quindi, grazie all’azione combinata del principio attivo in esso contenuto e della luce solare, genera una barriera superficiale che agevola la rimozione dello smog dalla facciata, preservando, nel tempo, l’originale brillantezza e colorazione chiara degli edifici e la qualità estetica dei manufatti. 

Per una buona efficacia fotocatalitica devono essere soddisfatte alcune condizioni specifiche:

• presenza di luce solare o, in alternativa, un quantitativo accettabile di luce UV (per applicazioni interne);
• regolare dilavamento ottenuto tramite la pioggia o semplice acqua di pulizia che serve a lavare via i nitrati.

Le proprietà disinquinanti di TX Active® risultano particolarmente indicate per zone come:

• strade trafficate e percorsi caratterizzati da traffico elevato;
• aree di parcheggio, incroci e piazze;
• stazioni di rifornimento di carburante e autostrade;

e per applicazioni, quali:

• opere architettoniche e manufatti di particolare pregio e a elevato valore estetico;
• elementi prefabbricati con texture di elevata qualità;
• pannelli per facciate con sezioni continue e non continue e dalle forme molto complesse;
• edifici residenziali, commerciali, industriali;
• strutture in calcestruzzo, quali muri, pareti e soffitti;
• tunnel e gallerie;
• parcheggi multipiano.

La storia del TX Active® inizia nel 1991, quando i ricercatori di Italcementi focalizzano il lavoro di ricerca sulle proprietà auto-pulenti del cemento dedicando un intero decennio allo sviluppo di materiali da costruzione contenenti fotocatalizzatori. Si credeva fermamente che la trasformazione di fatto dell’energia solare sotto altre forme rappresentasse una delle opportunità più rilevanti per la ricerca e l’innovazione tecnologica. Le emissioni e le particelle sporche presenti nell’aria si depositano infatti sulla superficie lasciando macchie scure che richiedono rimozioni lunghe, rese possibili solo grazie all’impiego di prodotti chimici aggressivi e costosi. Diverse tecnologie – come i rivestimenti in silicone idro-repellente – sono state applicate nel tentativo di evitare di dover incorrere in tale processo di detersione. Nondimeno, anche queste si sono rivelate soluzioni costose che tendono a perdere efficacia nel tempo.

Convinti che ci dovesse essere una soluzione più efficace atta a preservare le proprietà estetiche del calcestruzzo, i ricercatori, coordinati dall’allora Direttore R&S Luigi Cassar, decisero di intraprendere una strada completamente diversa, sfruttando l’energia solare per scomporre le sostanze dannose prima che queste potessero formare residui sulle superfici e modificarne l’effetto estetico. Per raggiungere questo obiettivo, il team di ricercatori creò una miscela di cemento contenente sostanze conosciute come “fotocatalizzatori” che utilizzano la luce del sole per ossidare gli inquinanti e le sostanze tossiche (Pm10, ossidi e biossidi di azoto, aromatici policondensati, benzene e ossido di carbonio) che si depositano sugli edifici, e trasformarli in elementi meno dannosi e tossici, quali carbonati, nitrati e solfati, che vengono in seguito rimossi dall’acqua piovana. 

La svolta giunse quando, proprio per soddisfare le richieste di costruttori e architetti di realizzare un intonaco che oltre a essere bianco e resistente fosse anche in grado anche di mantenersi candido e brillante, alcuni minerali di un particolare tipo di ossido di titanio vennero aggiunti alla miscela di cemento. Tale accoppiamento fu straordinariamente vincente e restituì benefici superiori ad altri materiali, portando all’invenzione di un nuovo materiale che, irradiato dalla luce, sorprese gli stessi ricercatori in primis per la sua brillantezza. L’introduzione dell’ossido di titanio aveva fatto sì che le superfici fossero di un bianco splendente quando esposte alla luce, risultando più brillanti e pulite e, di conseguenza, capaci di garantire una qualità estetica che perdura nel tempo, grazie alle proprietà autopulenti e all’effetto antisporcamento (de-soiling effect).

In seguito, alcune prove eseguite presso l’Università di Ghent (Belgio) hanno dimostrato che le superfici fotocatalitiche realizzate con questo tipo di cemento, infatti, sono in grado di decomporre i microrganismi che intaccano le superfici, inibire il deposito e la proliferazione di alghe, prevenire il conseguente deterioramento delle stesse.

Nel 1996 la spettacolare costruzione della chiesa romana “Dives in Misericordia” progettata dall’archistar americana Richard Meier – con le sue vele di calcestruzzo bianche, enormi e scintillanti – testò l’efficacia del prodotto messo a punto dal prof. Cassar, diventando la prima testimonianza evidente della sua efficacia. Per una struttura di tale prestigio architettonico e significato simbolico si richiedeva l’uso di un calcestruzzo straordinario, che fosse non solo in grado di fornire elevate prestazioni di resistenza e durevolezza, ma anche caratterizzato da un colore bianco di impareggiabile brillanza.

Durante la costruzione della chiesa si poté constatare che l’aria circostante la nuova struttura era effettivamente più pulita di prima. L’ossido di titanio presente nel cemento, infatti, aveva accelerato l’ossidazione degli inquinanti nell’aria, rendendoli innocui per l’ambiente e per l’uomo. «Durante la costruzione della chiesa abbiamo potuto constatare che l’aria circostante la nuova struttura era effettivamente più pulita di prima. L’ossido di titanio presente nel nostro cemento infatti aveva accelerato l’ossidazione degli inquinanti nell’aria, rendendoli innocui per l’ambiente e per l’uomo» spiegò Luigi Cassar.

Appurato che non si trattasse di pura casualità, ma del risultato di un’azione innescata dal cemento, il materiale è stato così brevettato come “mangia smog”.  Naturalmente l’esito positivo non è stato frutto del solo puro caso, ma anche del lavoro e della collaborazione instaurata da Italcementi con diversi partner per i test di valutazione, come ISOF-CNR, l’Università di Ferrara, il centro di ricerche della Comunità Europea di Ispra. Altri test scientifici hanno in seguito confermato tale capacità mangia-smog, che acquisì immediatamente un posto di primo piano nelle strategie di sviluppo e marketing della società. In base a uno studio effettuato, le superfici rivestite con il prodotto di Italcementi riducono di circa l’70% l’ossido di azoto contenuto nell’aria. L’ossido di azoto costituisce il componente dannoso che contribuisce alla formazione delle polveri sottili ad altezza piuttosto bassa.

Il nuovo materiale, quindi, era in grado non solo di favorire la pulizia del manufatto, ma al tempo stesso di assicurare un disinquinamento dell’aria circostante: un sottile strato di rivestimento cementizio fotocatalitico e la luce del sole sono quindi gli unici elementi necessari per iniziare un’autopulizia duratura delle facciate degli edifici e dell’atmosfera circostante. Un utilizzo costante ed esteso del prodotto all’interno della cerchia urbana migliorerebbe considerevolmente la qualità dell’aria.

Dal 2006, l’invenzione di Luigi Cassar è disponibile sul mercato e viene venduta con il nome di TX Active. Da allora, la ricerca, lo sviluppo e i progressi di Italcementi riguardo a questo tipo di cemento sono stati incessanti. In particolare, per la ricerca di TXActive® Italcementi ha investito circa 5 milioni di euro. Altrettante risorse sono arrivate da finanziamenti dell’Unione Europea nell’ambito di programmi di ricerca e innovazione.

Con un processo assimilabile alla fotosintesi delle piante, le sostanze fotocatalitiche presenti nel cemento reagiscono alla luce e accelerano l’ossidazione. Il meccanismo della fotocatalisi è il seguente: una sostanza, detta fotocatalizzatore, incrementa la velocità di una reazione chimica attraverso l’azione della luce UV per cui sfruttando l’energia luminosa, i fotocatalizzatori trasformano l’acqua e l’ossigeno presenti nell’atmosfera in reagenti fortemente ossidanti in grado di decomporre le sostanze organiche e inorganiche dannose. Ciò può risultare utile, ad esempio, nei confronti dell’inquinamento delle aree urbane, che ha recentemente enfatizzato l’interesse per questi materiali per la loro capacità di abbattere le sostanze inquinanti presenti nell’atmosfera.

Oltre agli studi di Italcementi, molteplici sono state le collaborazioni con Università e Centri di Ricerca italiane ed estere, che testimoniano l’efficacia e il valore ecosostenibile di tali materiali. Ad esempio, le prove di laboratorio hanno mostrato come una radiazione UV, applicata per soli 3 minuti su un campione cementizio fotocatalitico, sia sufficiente per ottenere una riduzione degli agenti inquinanti fino al 75%; altri esperimenti, condotti su larga scala, hanno rilevato valori di abbattimento anche maggiori.

Abbattimento della tossicità del particolato
In collaborazione con l’Università di Roma “La Sapienza”, Dipartimento di Chimica, diretto dal Prof. Luigi Campanella, è stata valutata l’azione di TX Active® sull’abbattimento della tossicità del PM10. Del materiale particolato fine, prelevato in varie zone di Roma, è stato in parte posto in incubatrice in presenza di lieviti e, un’altra parte, in incubatrice con lieviti e in presenza di uno strato di TX Active® attivato da una lampada UV. L’esperimento condotto “per via respirometrica” aveva l’obiettivo di verificare l’abbattimento della componente organica, nel campione trattato con TX Active®. Si è potuto constatare un’effettiva riduzione della tossicità di questo pericoloso inquinante ambientale. I dati hanno messo in evidenza degli abbattimenti superiori al 30% della tossicità. 

Per conservare l’estetica
Le superfici esposte all’aria si macchiano a causa del deposito di composti organici, come gas di scarico dei mezzi di trasporto, sostanze organiche inquinanti derivate da attività industriali e domestiche quotidiane, muffe ecc. Inoltre, la forte umidità e le rugosità superficiali favoriscono il loro accumulo. La fotocatalisi non solo elimina queste molecole organiche ma, indirettamente, permette di ridurre l’effetto negativo dello sporco rappresentato da comuni particelle di polvere. Queste ultime, infatti, utilizzano molecole organiche per attaccarsi alle superfici; il fatto di non disporre di queste molecole riduce la loro capacità di adesione per cui la loro rimozione risulta più facile. Infine, per ottimizzare l’azione pulente, è utile disporre di superfici levigate e con una porosità minima.

Le prove di laboratorio che hanno dimostrato l’azione pulente si sono basate su esperimenti eseguiti sul campo: alcune mattonelle realizzate con il cemento TX Active sono state sporcate con inquinanti colorati (rodammina e bromocresolo) e, successivamente, esposte a una fonte di luce UV per un periodo di 100 ore. Sin dalle prime ore, i risultati dell’azione fotocatalitica sono apparsi considerevoli, e, dopo una giornata, l’indice relativo alla superficie è risultato essere praticamente uguale a quello del campione di riferimento pulito. Dopo 4 giorni, tutte le macchie organiche erano state distrutte.

A pari condizioni di luce UV l’azione pulente dipende dai seguenti parametri:

• ambiente: influisce sulla probabilità che la superficie della costruzione sia macchiata e sporcata;
• condizioni di esposizione: si riferisce all’Umidità Relativa (UR), in funzione della cinetica di proliferazione dei composti imbrattanti di origine biologica;
• caratteristiche della superficie: hanno un’influenza diretta sull’accumulo di sporco sia organico che inorganico, che sull’umidità della superficie.

Nella fase di ricerca, sono stati effettuati diversi test di laboratorio per qualificare e verificare l’efficacia dell’azione del TX Active® e numerosi test all’aperto, con sperimentazioni sul campo, per validare l’efficacia del prodotto comprovata in laboratorio, al variare delle condizioni atmosferiche. A tal fine, successivamente, sono state realizzate diverse applicazioni con TX Active®, come ad esempio calcestruzzi fotocatalitici strutturali ad alta resistenza bianchi e grigi.

In questa fase di test, la capacità di abbattimento degli inquinanti presenti in atmosfera è stata validata dai laboratori Italcementi, da laboratori universitari e da diversi Enti di Ricerca, grazie ai quali è stato poi provato che la degradazione del materiale organico e inorganico alla superficie del manufatto cementizio consente di preservare l’estetica delle opere realizzate anche dopo una prolungata esposizione in ambiente esterno, garantendo le condizioni di brillanza iniziali.

Poter quantificare l’efficacia dell’azione disinquinante di TX Active® costituisce un elemento fondamentale per i progettisti. Italcementi ha condotto numerosi test di laboratorio con apparecchiature e metodi di prova innovativi per valutare le caratteristiche antinquinanti dei manufatti TX Active® rispetto agli ossidi di azoto (NOX), alle polvero PM10 e ai VOC (Volatile Organic Carbons).

Ossidi di Azoto
La verifica dell’efficacia del TX Active®, rispetto agli ossidi di azoto (NOX), viene condotta in una camera di volume noto, nella quale vengono immessi NOX e aria, fino a raggiungimento di una concentrazione di inquinante predefinita. All’interno sono contenuti una lampada UV (fonte di energia luminosa) e un campione (di superficie nota e regolare) realizzato in cemento con TX Active®. All’esterno della camera è presente un analizzatore di biossido di azoto (NO2) a chemiluminescenza. Con queste apparecchiature e ad una definita intensità luminosa, sono state misurate le concentrazioni di inquinanti prima e dopo la reazione di fotocatalisi. I numerosi test hanno registrato abbattimenti fino al 91% di NOX. Le verifiche condotte da Italcementi sono state confermate inoltre anche dalle procedure sperimentali messe a punto dall’Università di Ferrara, dal centro di ricerche della Comunità Europea di Ispra e dall’Istituto per le Tecnologie della Costruzione del CNR (CNR – ITC).

Polveri PM10
Altri test condotti dall’Università di Roma hanno confermato l’efficienza di TX Active® nei confronti delle polveri sottili (PM10): quando le particelle di polveri sottili vengono a contatto con la superficie del manufatto sotto le condizioni di illuminazione sopra citate, la parte organica inquinante viene degradata.

VOC (Volatile Organic Carbons)
Test di laboratorio del CNR ITC hanno dimostrato l’efficacia dei cementi contenenti TX Active® anche sui composti inquinanti VOC (Volatile Organic Carbons).

Il telaio esterno in calcestruzzo bianco prefabbricato è l’elemento architettonico culminante che attira l’attenzione e mostra la grande versatilità del calcestruzzo. Le linee curve non solo dominano l’edificio ma anche i suoi dintorni. Per gli elementi bianchi del telaio è stato utilizzato il cemento fotocatalitico TX Active. L’obiettivo è ridurre in modo significativo il contenuto di NOx nell’aria intorno al nuovo edificio, che sorge su una strada trafficata. Anche la pavimentazione in calcestruzzo all’esterno dell’edificio è realizzata in TX Active.

La nuova sede è costituita da tre corpi di fabbrica separati, di diversa altezza, collegati tra loro e dotati ciascuno di un cortile interno paesaggistico. I 200.000 metri cubi di spazio chiuso in totale consentono planimetrie flessibili per diverse esigenze. Tutti gli interni sono pieni di luce e trasparenti. Le finestre possono essere aperte in ogni stanza e i dipendenti possono regolare la temperatura della stanza individualmente. Inoltre, ogni ufficio ha una ventilazione separata verso l’esterno. L’ingresso principale conduce ad un atrio a tre piani con vari elementi in cemento a vista. Nell’atrio è stato utilizzato un calcestruzzo fine autocompattante della più alta classe SB4 per gli elementi parzialmente filigranati e fortemente armati che realizzano la struttura e per le tre spettacolari “colonne ad albero” di colore grigio disposte liberamente nella stanza.

È evidente che questo edificio non è solo un edificio per uffici, ma il quartier generale di un’azienda di materiali da costruzione leader a livello mondiale.