Resistenza delle malte a base di loppa attivata alcalinamente in ambienti aggressivi

I materiali a base di cemento Portland sono stati una eccellente risposta alla crescente domanda di nuove strutture ed infrastrutture conseguente alla crescita demografica globale, grazie alle buone proprietà reologiche, meccaniche e fisiche che questo legante offre.

Per via del forte impatto ambientale della produzione di cemento Portland, sono in fase di sviluppo leganti alternativi al cemento Portland, con proprietà similari, ma che necessitano di un minor consumo energetico e contraddistinti da ridotte emissioni di CO2.

Tra i possibili sostituti vi sono i leganti ad attivazione alcalina, basati sulla reazione di una fonte contenente metalli alcalini con la loppa granulata d’altoforno, principale scoria del settore siderurgico. Lo studio si propone di valutare la durabilità di conglomerati realizzati con loppa in comparazione con quella delle miscele tradizionali.

I risultati mostrano una eccellente durabilità delle malte a base di loppa d’altoforno in presenza di ambienti ricchi di sali disgelanti mentre la resistenza a soluzioni solfatiche e ai cicli di gelo e disgelo è garantita solo in caso di miscele con elevati dosaggi di attivatori alcalini.


Leganti, un po' di storia

Uno degli argomenti di maggiore interesse per la comunità scientifica e non solo è la salvaguardia dell’ambiente e in particolar modo il raggiungimento di uno sviluppo sostenibile; questa tematica tocca significativamente anche il settore delle costruzioni e delle infrastrutture, storicamente uno dei settori maggiormente impattanti sotto il profilo dell’ecosostenibilità. 

La produzione mondiale di cemento, principale componente nella produzione di malte e calcestruzzi, incide per circa il 7% sull’emissione totale di anidride carbonica ed è ritenuta una tra le principali responsabili del riscaldamento globale e dei cambiamenti climatici (Damtoft et al. 2008). Una delle strategie proposte per contrastare l’elevata richiesta di cemento Portland e, quindi, per ridurre le emissioni di questo gas serra e limitare il consumo di risorse non rinnovabili è l’utilizzo di leganti alternativi al cemento portland, come per esempio i materiali ad attivazione alcalina (AAM- Alkali-Activated Materials).

Gli AAM sono una categoria di leganti inorganici che coinvolgono la reazione di una sostanza contenente metalli alcalini (silicati, carbonati ed idrossidi di sodio e potassio) con una sostanza solida in polvere, contenente allumino-silicati, con differenti tenori di ossido di calcio. Tali polveri reattive possono essere di origine naturale, come il metacaolino, oppure un sottoprodotto di altre lavorazioni, come le ceneri volanti e la loppa d’altoforno.

Sin dagli inizi del ‘900 si ha traccia dell’impiego dell’attivazione alcalina di precursori allumino-silicati: Kuhl brevettò un nuovo sistema legante alternativo al cemento Portland basato sull’impiego di loppa granulata d’altoforno e soluzioni a base di potassa caustica. Successivamente, nel 1940, Purdon pubblicò un ampio studio sperimentale riguardante leganti totalmente privi di clinker di cemento Portland ottenuti dalla miscela di scorie d’altoforno con soluzioni caustiche prodotte a partire da basi e sali di metalli alcalini (Purdon 1940). 

Tuttavia, solamente grazie agli studi di Glukhovsky degli anni ’50, gli studiosi iniziarono a parlare di cementi alcalini (Glukhovsky 1959) fino a giungere agli anni ’70 quando Davidovids, attraverso una serie di brevetti, coniò il termine “geopolimeri” per indicare leganti ad attivazione alcalina prodotti impiegando precur- sori allumino-silicatici a basso contenuto di calcio (Davidovits 1989).

Una delle versioni maggiormente promettente è quella che impiega loppa granulata d’altoforno (AAS – Alkali Activated Slag); questa versione di materiale ad attivazione alcalina risulta promettente sia dal punto di vista delle performance elasto-meccaniche sia da quello della durabilità senza dimenticarsi il modesto impatto ambientale per via del largo impiego di materie prime seconde derivanti dal settore siderurgico

Convenzionalmente gli AAS prevedono l’impiego di un precursore solido finemente macinato e una solu- zione acquosa fortemente basica che consente il processo di indurimento e di sviluppo delle resistenze meccaniche. Tuttavia per esigenze di tipo pratico, il presente studio verte sullo sviluppo di prodotti di tipo “one part”, ossia materiali ad attivazione alcalina in cui gli attivatori sono in fase solida in maniera da consentire agli operatori l’utilizzo solo aggiungendo acqua al premiscelato; tutto ciò consente una maggiore sicurezza dal momento che le soluzioni attivatrici sono corrosive e pericolose per l’uomo.

Nella letteratura scientifica sono presenti un numero piuttosto ristretto di studi che trattano la tematica dei “one-part” AAS (Wang et al.2017, b, Coppola et al. 2018). Tra questi, Luukkonen ha ampiamente discusso il ruolo dei precursori, degli attivatori in fase solida e degli additivi sulle prestazioni e sui meccanismi di indurimento dei materiali ad attivazione alcalina a base di loppa granulata d’altoforno (Luukkonen et al. 2018).

Il presente articolo presenta i risultati preliminari di uno studio finalizzato alla valutazione delle prestazioni reologiche, fisico-meccaniche e di durabilità di diverse miscele AAS “one part” destinate alla produzione di malte premiscelate.

 

Materiali e metodi

Il precursore o sistema legante è stato realizzato impiegando una loppa granulata d’altoforno (GGBFS), il cui indice di attività pozzolanica al 28° giorno risulta pari a 0.76 in accordo alla norma EN 15167-1 e EN 196-5, diametro medio D50 = 12.42 μm, superficie specifica 3440 cm2/g e massa volumica 3.13 g/cm3. Il mix solido di precursore è composto da metasilicato di sodio, idrossido di potassio e carbo- nato di sodio in rapporto massico pari a 7:3:1. Sono stati studiati 3 rapporti precursore/attivatore (l’8%, il 12% e 16%) al fine di valutare l’effetto del contenuto di alcali sulle proprietà allo stato fresco ed indurito delle malte a base di AAS nonché sulla durabilità in diversi ambienti aggressivi. Il rapporto acqua/legante è stato mantenuto costante a 0.55 così come il rapporto sabbia/legante è stato fissato pari a 3.

Infine, sono state realizzate malte di riferimento impiegando sia un cemento Portland CEM I 42.5 R (superficie specifica 3200 cm2/g) che un cemento d’altoforno CEM III/B 42.5 N (superficie specifica 4100 cm2/g). In entrambe le miscele a base di cemento per mantenere una lavorabilità simile a quella degli AAS senza modificare il rapporto a/c, è stato necessario l’utilizzo di un additivo superfluidificante a base di policarbossilato etere dosato allo 0.5% rispetto alla massa del cemento. La composizione delle malte è riportata in Tabella 1.

 

Composizione delle malte sottoposte ad indagine

TABELLA 1:Composizione delle malte sottoposte ad indagine

 

La lavorabilità è stata misurata attraverso una tavola a scosse in accordo a quanto previsto dalla EN 1015-3. Dopo le procedure di miscelazione, sono stati realizzati provini di dimensione 40x40x160 mm la cui maturazione è avvenuta per le prime 24 h entro cassero con un film protettivo per evitare l’evaporazione dell’acqua, successivamente sono stati posti in una camera climatica a 20°C e U.R. 60%.

La resistenza a flessione e compressione è stata valutata a 28 giorni dal confezionamento in accordo alla EN 1015-11, così come il modulo elastico dinamico in conformità alla EN 12504-4.

 

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

organizzati da aicap e CTE

 

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