Materiali ibridi ad attivazione alcalina: l’effetto dei trattamenti termici e del contenuto di ossido di calcio

Le malte sono state attivate mediante silicato di sodio, idrossido di potassio e carbonato di sodio in forma solida. In generale, al crescere del rapporto GGBFS/FA la lavorabilità delle malte diminuisce, ma migliorano le prestazioni elasto-meccaniche, indipendentemente dal contenuto di CaO e dalla tipologia di trattamento termico.

La maturazione dei campioni a temperature pari a 40°C o 60°C promuove lo sviluppo di elevate resistenze meccaniche alle brevi stagionature senza particolari benefici a 28 giorni. Infine, l’aggiunta di CaO determina un forte miglioramento delle proprietà elasto-meccaniche delle malte a bassi rapporti GGBFS/FA solo quando le temperature di stagionatura sono superiori a 20°C.

Sostenibilità: materiali ad attivazione alcalina la strada migliore per ridurre l'utilizzo di cemento Portland 

Una delle sfide più importanti del ventunesimo secolo è quella di raggiungere un modello di sviluppo sostenibile, specialmente nel settore dell’edilizia. Oggigiorno, il calcestruzzo è il secondo materiale più utilizzato al mondo, sorpassato solo dall’acqua. La produzione di cemento Portland richiede un elevato quantitativo di energia, infatti per ogni tonnellata di cemento Portland prodotto sono necessarie una tonnellata e mezzo di materie prime naturali. Inoltre, bisogna ricordare che l’industria del cemento è responsabile di circa il 5-7% dell’anidride carbonica emessa in atmosfera, la principale componente dei gas serra (Chen et al., 2010; Coppola et al., 2019a).

La sostenibilità nel mondo delle costruzioni può essere raggiunta attraverso diverse strade: ottimizzando la produzione in cementerie, limitando l’utilizzo di clinker nelle miscele, utilizzando materiali ad at- tivazione alcalina (Alonso and Palomo, 2001; Bernal et al., 2012; Candamano et al., 2017; Mobili et al. 2016), utilizzando cemento solfoalluminoso (L. Coppola et al., 2018a, 2018d; Guo et al., 2014; Maté, 2014; Zhang and Glasser, 2005) e riducendo il consumo di risorse non rinnovabili scegliendo con attenzione gli ingredienti e la composizione della miscela (Coppola et al., 2017, 2016, 2015, 2007; Luigi Coppola et al., 2018a; Ponikiewski and Gołaszewski, 2013).

Tra tutti quelli menzionati, l’utilizzo di materiali ad attivazione alcalina sembra essere la strada più promettente per la realizzazione di miscele prive di cemento Portland. In particolare, i principali leganti utilizzati per la produzione di tali miscele sono: la loppa d’altoforno (GGBFS) e le ceneri volanti a basso contenuto di calcio (FA).

In letteratura sono presenti diversi studi riguardanti le miscele ad attivazione alcaline a base di lo pa d’altoforno o cenere volante, ma si trovano relativamente poche ricerche riguardante l’utilizzo combinato di questi due sottoprodotti. In particolare, alcune prove scientifiche riguardanti i materiali ibridi ad attivazione alcalina (Parthiban et al., 2013; Puertas and Fernández-Jiménez, 2003) suggeriscono che l’aggiunta di loppa d’altoforno all’interno di malte a base di cenere volante promuove lo sviluppo delle prestazioni meccaniche, migliora la microstruttura e incrementa la durabilità.

Inoltre, Chi e Huang (Chi and Huang, 2013) hanno trovato che miscele a base di loppa d’altoforno e cenere volante attivate alcalinamente mediante idrossido di sodio e silicato di sodio, riescono a sviluppare resistenze a compres- sione e flessioni superiori rispetto a quelle ottenibili con malte a base di cemento Portland. Inoltre, è stato evidenziato che la sostituzione parziale della loppa d’altoforno con cenere volante può ridurre fortemente il ritiro di malte ibride attivate alcalinamente.

In letteratura, sono state riscontrate anche altre tecniche in grado di superare i punti deboli delle mi- scele realizzate utilizzando esclusivamente la cenere volante come legante. Tutte le tecniche prevedono di migliorare la reattività del legante, in modo da incrementare le prestazioni meccaniche del prodotto finale.

Alcuni dei metodi utilizzati per raggiungere tale obiettivo sono: la macinazione prolungata della cenere volante, la maturazione a temperature supe- riori rispetto a quella ambiente, l’attivazione alcalina e chimica (Antiohos and Tsimas, 2004).

In particolare, in letteratura sono presenti ricerche in cui la cenere volante viene attivata alcalinamente tramite l’utilizzo di calce idrata. Temuujin et al (Temuujin et al., 2009) hanno trovato che l’aggiunta del 3-5% di ossido di calcio in un sistema ibrido ce- nere volante/cemento accelera il processo di indurimento e incrementa le prestazioni meccaniche.

Tale comportamento è stato riscontrato anche da Huang e Cheng (Huang and Cheng, 1986), i quali hanno studiato sistemi a base di cenere volante e Ca(OH)2, scoprendo che l’aggiunta di calce idrata accelera il grado di reazione della cenere volante sia alle brevi che alle lunghe stagionature. Inoltre, hanno sottolineato che tale effetto di accelerazione sarebbe mini- mo nel caso in cui si effettuasse una maturazione a temperatura ambiente.

L’influenza della temperatura di maturazione sullo sviluppo delle prestazioni meccaniche è nota nella maggior parte dei sistemi cementizi. Ad esempio, Kovalchuck et al. (Kovalchuk et al., 2007) affermano che temperature di curing moderate determinano la formazione di fasi AFt e AFm in paste a base di cemento Portland.

Tali condizioni dovrebbero pertanto incidere sull’indurimento e sulle prestazioni allo stato indurito delle miscele aventi un gel alcalino pre.zeolitico, come la cenere volante attivata alcalinamente, questo poiché è noto che una struttura composta da zeoliti sintetizzate è molto sensibile alle condizioni di stagionatura.

Ulteriori ricerche scientifiche riportano che le malte a base di cenere volante attivate alcalinamente induriscono lentamente a temperatura ambiente, e per questo motivo, tali sistemi sono generalmente sottoposti a moderate temperature di stagionatura. In particolare, Palomo et al. (Palomo et al., 1999) han- no sottoposto miscele a base di cenere volanti a una maturazione umida (umidità relativa pari a 95%) e con temperature comprese tra i 30°C e 85°C.

Lo scopo di questo articolo è studiare l’influenza di trattamenti termici e dell’aggiunta di ossido di calcio sulle proprietà elasto-meccaniche di malte ibride a base di loppa d’altoforno e cenere volante con diversi rapporti GGBFS/FA.

Materiali e metodi

Sono stati utilizzati come precursori loppa granu- lata d’altoforno con indice di pozzolanicità a 28 giorni pari a 0.76 (secondo EN 196-5) e ceneri volanti a basso contenuto di calcio con indice pozzola- nico a 28 giorni pari a 0.88 (secondo EN 450-1). Metasilicato di sodio pentaidrato:idrossido di potas- sio:carbonato di sodio = 7:3:1 sono stati utilizzati come attivatori per produrre diverse miscele con un dosaggio di attivatori pari al 16% rispetto alla massa del legante secondo uno studio precedente (Coppola et al., 2019b).

In tabella 1 sono riportate le composizioni chimiche dei precursori utilizzati. Le particelle di GGBFS hanno una densità pari a 3.13 g/cm³, una dimensione media delle particelle di 12.42 µm e una superficie specifica pari a 345 m²/kg. Invece, le par- ticelle di cenere volante hanno una densità di 2.20 g/cm³, una dimensione media di 16.69µ m e una superficie specifica pari a 450 m²/kg. L’ossido di calcio, utilizzato come fonte esterna di calcio, possiede una massa specifica pari a 3.35g/cm³ ed è stato uti- lizzato come fornito, ovvero non è stato eseguito nessun pretrattamento. In particolare, il 10% in peso di precursore nelle miscele ibride è stato sostituito dall’ossido di calcio.

TABELLA 1: Composizione chimica di FA e GGBFS

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

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