SUSTAINABLE BUILDING MATERIALS BASED ON GEOPOLYMER AND NATURAL FIBERS

I materiali geopolimerici rappresentano una nuova classe di materiali sempre più emergente nell’edilizia. Nella produzione di materiali cementizi, la possibilità di sfruttare materie prime derivanti da materiali da riciclo e con basso impatto ambientale consente di ottenere un materiale tecnologico che rispetta le attuali normative ambientali pur mantenendo elevate performance meccaniche di ampio interesse per l’utilizzo in varie applicazioni strutturali. Le proprietà dei materiali geopolimerici dipendono da numerosi fattori come le proprietà dei precursori, rapporti volumetrici tra precursori e attivatori, temperatura di stagionatura, caratteristiche degli attivatori etc. Questo rende non sempre facile lo studio del comportamento meccanico, chimico e fisico di questi materiali. Di fatto a differenza dei materiali cementizi tradizionali, la combinazione di tutti questi fattori comporta significative differenze nel materiale geopolimerico. Si può affermare che i geopolimeri sono una classe di materiali il cui potenziale deve ancora essere completamente studiato e solo attraverso una comprensione dettagliata della scienza di tale materiale si può fare pieno uso delle loro proprietà per applicazioni specifiche. Tuttavia, tale materiale potrebbe diventare rapidamente rilevante e di grande interesse commerciale nell’ambito dell’edilizia se pensato come sostituto al cemento Portland. Questo perché un materiale ben caratterizzato ma difficile da utilizzare nel mondo reale è in effetti inutile. D’altro canto, effettuare nuove sperimentazioni che consentano di comprenderne a pieno il loro comportamento, contribuirebbe a dare una risposta alla crescente domanda di nuovi materiali da costruzione che abbiano basse emissioni di gas serra. Questa ricerca si propone nello studio di materiali leganti geopolimerici legati alla tematica della sostenibilità e dell’impatto ambientale grazie all’utilizzo di materie prime di scarto da utilizzare per la produzione di leganti innovativi. I princincipali vantaggi dell’utilizzo di queste materie prime sono dati dalla facile reperibilità. Lo scopo della ricerca è quindi la formulazione di nuovi sistemi leganti ad attivazione alcalina che siano in gradi di fornire caratteristiche meccaniche e chimiche simili a quelle dei comuni leganti inorganici. Sono studiate formulazioni partendo da un’opportuna scelta dei materiali, ottimizzando il mix-desing dei costituenti al fine di realizzare materiali capaci di offrire elevate performance. Per meglio interpretare e comprendere l’ottenimento di queste proprietà verrà approfondita la caratterizzazione fisico chimica delle materie prime, degli attivatori e dei prodotti di reazione. Nella prima fase si è deciso di caratterizzare un nuovo materiale che utilizzi come attivatore un mix di polveri di idrossido di calcio (Ca(OH)2) e silicato di potassio (K2O·nSiO2) e come precursore il metacaolino. La scelta del metacaolino è data del fatto che il sistema ottenuto sarebbe stato facilmente confrontabile con altri studi presenti in letteratura, in particolare sono stati utilizzati 3 metacaolini diversi, MK3, MK4, ed MK19, per tenere conto del fatto che le proprietà del metacaolino variano a seconda del sito di estrazione dell’argilla caolinitica, della temperatura di calcinazione e della composizione. La scelta dell’attivatore risiede nel fatto che utilizzando questo sistema attivante si sarebbe ottenuto un impasto user-friendly. Nella seconda parte è stata effettuata una campagna sperimentale che prevede lo studio del miglioramento delle prestazioni meccaniche della matrice geopolimerica attraverso l’uso di fibre naturali, nello specifico le malte geopolimeriche sono state additivate con fibre di sisal corte, ottenendo un materiale fibrorinforzato con caratteristiche più o meno isotrope. I geopolimeri mostrano un comportamento di fragilità e bassa duttilità simile ai materiali a base di cemento Portland. Questa caratterizzazione si concentra sulla valutazione delle fibre di sisal come rinforzo di una matrice geopolimerica. Sono stati prodotti campioni di controllo senza rinforzo e matrici rinforzate con diversi contenuti di sisal (da 0,5 a 2,0% in peso) per studiare l'influenza del contenuto di fibra sulle proprietà meccaniche dei compositi geopolimerici risultanti. La caratterizzazione meccanica consiste in prove di compressione, trazione indiretta e flessione su tre punti. I risultati dei test hanno mostrato l'esistenza di un contenuto di fibra ottimale che dipende dal tipo di fibra per raggiungere la massima resistenza, mentre i risultati del test di flessione a tre punti hanno indicato una relazione lineare tra la resistenza alla flessione e il contenuto di fibra. Successivamente la fibra utilizzata come rinforzo è stata sottoposta a un trattamento superficiale ecologico ed economico basato sull'immersione della fibra in una soluzione di bicarbonato di sodio a diverse concentrazioni per migliorare l'adesione fibra-matrice. La caratterizzazione meccanica (mediante flessione, compressione e trazione indiretta) ha permesso di evidenziare che il trattamento con bicarbonato di sodio porta a un notevole miglioramento delle prestazioni meccaniche dei compositi geopolimerici rinforzati con fibre di sisal.