Leganti geopolimerici : materiali innovativi per la sostenibilità ambientale in architettura

Irene Mina

Leganti geopolimerici : materiali innovativi per la sostenibilità ambientale in architettura.

Rel. Paola Palmero, Orio De Paoli. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura Per Il Progetto Sostenibile, 2014

Questa è la versione più aggiornata di questo documento.

Controlla la disponibilità in biblioteca

Abstract:	Ciò che ha mosso la ricerca e l’interesse verso il campo dei geopolimeri è stato in primo luogo il concetto di sostenibilità ambientale in Architettura e, in particolar modo, il settore che riguarda i materiali per l’edilizia. Sebbene possa sembrare un discorso prettamente tecnico, in realtà per l’architetto, la conoscenza approfondita dell’ormai vastissimo patrimonio dei materiali, che con i fenomeni di globalizzazione non vede più confini né limiti, risulta fondamentale: egli infatti è l’utilizzatore per eccellenza dei materiali e pertanto non può esimersi dalla loro conoscenza approfondita, in termini sia di prestazioni tecnologiche che di impatto ambientale, e deve saperla coniugare con il patrimonio culturale che è tenuto a possedere. Nell’ambito connesso allo sviluppo di nuovi materiali per applicazioni in edilizia, e quindi in un’ottica di progresso e d’innovazione che non si discosti, ma si affianchi, allo sviluppo che prevede invece l’ottimizzazione e il miglioramento dei materiali della tradizione, tale lavoro focalizza l’attenzione su di un materiale oggetto di studi già da alcune decine di anni, che tuttavia soprattutto nel contesto italiano, trova ancora poca fiducia da parte dell’industria e praticamente alcuna applicazione reale nel settore delle costruzioni. I geopolimeri, definibili come una nuova classe di leganti inorganici e caratterizzati da un’estrema variabilità a livello di composizione e dunque di prestazioni, trovano già vasto impiego in numerosi settori quali ad esempio l’industria automobilistica ed aereospaziale, l’industria plastica e ceramica, il campo dell’arte, della decorazione e del restauro di Beni Culturali; considerato dunque l’incremento dell’attenzione da parte della comunità scientifica internazionale circa lo studio di tali materiali, il lavoro qui presentato risulta innovativo soprattutto per il campo di applicazione verso cui si indirizza. L’innovazione, se così si può definire, di tale studio non sta dunque nella scoperta del materiale, ma nella volontà di concentrare l’attenzione all’ambito applicativo dell’architettura nel contesto europeo ed italiano. I cementi geopolimerici possono infatti essere utilizzati come possibili sostituti del Portland con notevoli vantaggi prestazionali e di maggiore tutela dell’ambiente soprattutto in termini di ridotte emissioni di C02. Questo lavoro si presenta quindi inizialmente come un contributo teorico che propone un’analisi, una raccolta e una sintesi del sapere internazionale, in modo da fornire un insieme di linee guida per la produzione degli impasti geopolimerici; propone inoltre un confronto diretto tra i cementi geopolimerici e il Portland, sia sul piano della sostenibilità che su quello delle proprietà tecniche e delle prestazioni dei due leganti; presenta e documenta, infine, quanto prodotto durante la fase sperimentale in laboratorio. Quest’ultima fase ha previsto la realizzazione di alcuni provini di impasto geopolimerico, che si differenziano per determinate caratteristiche di composizione, e altri di cemento Portland. In particolar modo è necessario specificare che la produzione delle paste geopolimeriche ha visto inizialmente alcune realizzazioni di prova, per poi riuscire gradualmente, mediante un continuo processo di ottimizzazione dei rapporti tra le diverse sostanze, ad ottenere un impasto ritenuto il più adeguato e sufficientemente performante. Sui campioni prodotti verranno testate le principali proprietà meccaniche, fisiche e chimiche, attraverso le specifiche modalità di analisi, e verranno comparati i dati. In conclusione, data la relativamente recente attenzione che è stata posta al mondo dei geopolimeri, e soprattutto relativamente al loro impiego nel campo dell’architettura e dell’edilizia, risulta necessario leggere ed interpretare tale studio in termini di applicazione potenziale e di sviluppo futuro. Esso non vuole dunque pretendere di portare avanti la ricerca, ma di studiare approfonditamente le caratteristiche del materiale per porre le basi per una ricerca presso il Politecnico di Torino e per fornire un quadro generale e riassuntivo dell’esperienza internazionale, confermata dalle prove pratiche effettuate nei laboratori del DISAT. Tale lavoro ha dunque come obiettivo complessivo quello di fornire un quadro generale che bene faccia intuire e comprendere il futuro e potenziale ruolo dei cementi geopolimerici in edilizia. Abstract in italiano (PDF, 283kB - Creative Commons Attribution) Abstract in inglese (PDF, 225kB - Creative Commons Attribution)
Relatori:	Paola Palmero, Orio De Paoli
Tipo di pubblicazione:	A stampa
Soggetti:	S Scienze e Scienze Applicate > SE Ecologia S Scienze e Scienze Applicate > SL Scienze T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TE Tecnologia dei materiali
Corso di laurea:	Corso di laurea magistrale in Architettura Per Il Progetto Sostenibile
Classe di laurea:	NON SPECIFICATO
Aziende collaboratrici:	NON SPECIFICATO
URI:	http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/3529
Capitoli:	INTRODUZIONE: premessa, obiettivi e finalità 1.0 I GEOPOLIMERI 1.1 DEFINIZIONI 1.2 ETIMOLOGIA 1.3 GEOPOLIMERI E ZEOLITI 1.4 CENNI STORICI E STATO DELL’ARTE 1.4.1 Geopolymer Camp 1.4.2 Incremento mondiale della ricerca nel campo dei geopolimeri 1.4.3 La situazione italiana 1.5. PROPRIETÀ DEI GEOPOLIMERI 1.5.1 Proprietà fisiche, chimiche, meccaniche 1.5.2 La necessità di standard 1.6 SETTORI DI APPLICAZIONE 1.6.1 Introduzione 1.6.2 Materiali per alte temperature e resistenti al fuoco 1.6.3 Industria plastica e ceramica 1.6.4 Industria automobilistica 1.6.5 Industria aerospaziale 1.6.6 Industria navale 1.6.7 Leganti refrattari: trattamento e stoccaggio di rifiuti tossici e radioattivi 1.6.8 Arte e decorazione 1.6.9 Restauro e Beni Culturali 1.6.10 Ingegneria biomedica 1.6.11 Edilizia, Ingegneria civile, costruzioni e trasporti 1.7 TECNICHE DI FORMATURA 1.7.1 Colaggio 1.7.2 Estrusione 1.7.3 Altre tecniche di formatura 2.0 CEMENTI GEOPOLIMERICI: SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE E CONFRONTO CON IL CEMENTO PORTLAND 2.1 SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE E ARCHITETTURA 2.1.1 II ruolo dei materiali per l’edilizia nella sostenibilità ambientale 2.2 CEMENTO PORTLAND, UNA VISIONE D’INSIEME 2.3 PRODUZIONE E CONSUMI DEL CEMENTO PORTLAND: STATO DELL’ARTE 2.3.1 Produzione e consumi di cemento nel mondo 2.3.2 Produzione e consumi di cemento in ambito europeo 2.3.3 Produzione e consumi di cemento in Italia 2.4 CEMENTI GEOPOLIMERICI E CEMENTO PORTLAND: DUE LEGANTI A CONFRONTO 2.4.1 Confronto sul piano della sostenibilità 2.4.2 Confronto sulla base delle proprietà tecniche 2.4.3 LCA e considerazioni 3.0 L’IMPASTO GEOPOLIMERICO 3.1 PROCESSO DI PREPARAZIONE 3.2 MATERIE PRIME 3.2.1 Polveri alluminosilicatiche 3.2.2 Attivatori alcalini 3.2.3 Cariche 3.2.4 Impurità 3.3 PROCESSO DI GEOPOLIMERIZZAZIONE O GEOSINTESI 3.3.1 Dissoluzione alcalina 3.3.2 Fattori che influenzano la geopolimerizzazione 3.3.3 Condensazione e consolidamento (gelation and reorganization process) 3.3.4 Essiccamento 3.4 LA CHIMICA DEL PROCESSO: LA STRUTTURA A LIVELLO ATOMICO FINALITÀ DELLA RICERCA MATERIE PRIME E REATTIVI 4.2.1 II metacaolino 4.2.2 Soluzione attivante: soluzione alcalina 4.3 PROCEDURA DI PREPARAZIONE DEI GEOPOLIMERI 4.3.1 Preparazione della soluzione alcalina 4.3.2 Preparazione deN’impasto geopolimerico 4.4 PROCEDURA DI PREPARAZIONE DEI CEMENTI 4.5 CARATTERIZZAZIONE DEI PROVINI 4.5.1 Densità geometrica 4.5.2 Prove meccaniche 4.6 OTTIMIZZAZIONE DELL’IMPASTO 4.7 MATERIALI PRODOTTI OTTIMIZZATI CON SOLUZIONE C 4.7.1 Paste geopolimeriche 4.7.2 Malte geopolimeriche 4.7.3 Geopolimero alleggerito 4.8 CARATTERIZZAZIONE DEI PROVINI 4.8.1 Densità 4.8.2 Prove di assorbimento totale in acqua 4.8.3 Prove di durabilità 4.8.4 Diffrazione ai raggi X 4.8.5 Analisi FESEM 4.9 TECNICHE DI ANALISI E STRUMENTI UTILIZZATI 4.10 SPERIMENTAZIONI PER IPOTESI APPLICATIVE FUTURE 4.11 CONCLUSIONI ALLEGATI Allegato A _ Testo originale, tradotto in inglese, della Enevloppe Soleau (29/12/1975) Allegato B _ Sintesi dei possibili futuri campi applicativi neH’ambito dell’edilizia CONCLUSIONI RINGRAZIAMENTI BIBLIOGRAFIA
Bibliografia:	G. C. BYE, Blue Circle, Industries, UK, Portland Cement composition, production andproperties, Pergamon Press, Oxford, 1983, pp. 1-4, 105-124. MAURO MEZZINA (a cura di), Costruire con il cemento armato, UTET libreria srl, Torino 2001, pp. XV-XX,OLONYI, B. KAUHSEN, J. BRANDT, Grande Atla cemento, UTET scienze tecniche, Torino, 2004, pp. , Patologia e Dario Flaccovio Editore, Palermo 2005, pp.LK, M. FUCHS, T. ROSENKRANZ, Grande Atlante di ArchitTET scgo (MI), 2006, pp. 8-31. GIANCARLO BARBIRNETTI, L’industria mondiale del cemento, i fati di muAngeli s.r.l., Milano, 2007, pp. 9-35. M.UMER, Grande Atlante di Architettura, Atlante della Sostenibilità, UTET scienze tecnichMilanofiori Assago (MI), 2008, pp. 8-18, 32-35, 110-175. ALFREDO NEGRO, JEAN-MARC TULLIANI, LAURA MONTANARO, Scienza e tecnologia dei materiali, Celid, Torino 2008, pp. 73-101, 150-163, 190-192. JOSEP DAVIDOVITS, Geopolymer Chemistry and Applications 3rd edition, Institut Géopolimère, Saint- Quentin, 2011, pp. 3-20. CRISTINA LEONELLI, MARCELLO ROMAGNOLI (a cura di), Geopolimeri, polimeri inorganici chimica¬mente attivati, I.Cer.S., Lulu.com, Bologna 2011, pp. 1-17, 23-40, 44-52, 83-93, 264-284. ARTICOLI E RELAZIONI TRATTI DA RIVISTE INTERNAZIONALI _ Review JOSEPH DAVIDOVITS, Global Warming Impact on the cement and Aggregates Industries, World Re¬source Review, Vol.6, No.2, (1994), pp. 263-278. P. DUXSON, A. FERNANDEZ-JIMENEZ, J.L.PROVIS, G.C.LUKEY, A PALOMO, J.S.J, VAN DEVENTER, Geopolymer technology: the current state of art, J Mater Sci 42, (2007), Advances in geopolymer science & technology, pp. 2917-2933. DIVYA KHALE, RUBINA CHAUDHARY, Mechanism of geopolymerisation and factors influencing its deve¬lopment: a review, J Mater Sci 42, (2007), pp. 729-746. KOSTAS KOMNITSAS, DIMITRAZAHARAKI, Geopolymerization, a review and prospects for the minerals industry, Elsevier, Mineral Engineering 20, (2007), pp. 1261-1277. G. HABERT, J.B.D’ESPINOSE DE LACAILLERIE, N.ROUSSEL, An environmental evaluation of geo- polymer based concrete production: reviewing current research trends, Elsevier, Journal of Cleaner Production 19, (2011), pp. 1229-1238. JOSEPH DAVIDOVITS, Geopolymere Cement a review, Institut Geopolymere, (January 2013), pp.1-11. ARTICOLI E RELAZIONI TRATTI DA RIVISTE INTERNAZIONALI _ Argomenti specifici DAVIDOVITS et al., Process for obtaining a geopolymeric alumino-silicate and products thus obtained, United States Patent, Patent Number 5,342,595, (1994). JOSEPH DAVIDOVITS, Geopolymers: Inorganic polymeric new materials, Geopolymer Institute, (1997), (Reprint of a paper published in 1991 Journal of Thermal Analysis Vol.37, 1991, pp. 1633-1656). A. PALOMO, M.T. BLANCO-VARELA, M.L.GRANIZO, F.PUERTAS, T. VAZQUEZ, M.W.GRUTZECK, Che¬mical stability of cementitious materials based on metakaolin, Pergamon, Cement and Concrete Research 29, (1999), pp. 997-1004. D.M.ROY, RARJUNAN, M.R.SILSBEE, Effect of silica fume, metakaolin, and low-calcium fly ash on che¬mical resistance of concrete, Pergamon, Cement and Concrete Research 31, (2001), pp.1809-1813. JOSEPH DAVIDOVITS, Enviromentally Driven Geopolymer Cement Applications, Geopolymer 2002 Con¬ference, October 28-29, Melbourne, Australia, (2002). JOSEPH DAVIDOVITS, 30 Yearsof Successes and failures in Geopolymer Applications. Market trends and Potential Breakthroughs, Geopolymer 2002 Conference, october 28-29, (2002) Melbourne, Australia. HUA XU, JANNIE S.J. VAN DEVENTER, Geopolymerisation of multiple minerals, Pergamon, Minerals Engineering 15, (2002), pp. 1131-1139. T. BAKHAREV, Resistance of geopolymer materials to acid attack, Elsevier, Cement and Concrete Rese¬arch 35, (2005), pp.658-670. T. BAKHAREV Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solution, Elsevier, Cement and Concrete Research 35, (2005), pp. 1233-1246. PETER DUXSON, JOHN L. PROVIS, GRANT C. LUKEY, SETH W.MALLICOAT, VEN, JANNIE S.J. VAN DEVENTER, Understandinship between geopolymer composition, microstruc¬ture pvier, Colloids and surfaces A: (2005), pp. 47-58. HONGLING WANG, HAIHONG LI, FENGYUAN YAN, Sinthesis and mechanical properties of metakaoli- nite-based geopolymer, Elsevier, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 268, (2005), pp. 1-6. PETER DUXSON, JOHN L. PROVIS, GRANT C. LUKEY, JANNIE S.J. VAN DEVENTER, The role of inor¬ganic polymer technology in the development of ‘green concrete’, Elsevier, Cement and Concrete Research 37, (2007), pp. 1590-1597. JAMES R. MACKECHNIE & THORBJORG SAEVARSDOTTIR, New insulating precast concrete panels, SB07 2007 New Zeland, Paper number 065. VALENTINA MEDRI, Geopolimeri: “ceramiche”per uno sviluppo sostenibile, L’industria dei laterizi, gennaio-febbraio 115, (2009), pp.48-53. CRISTINA LEONELLI, ELIE KAMSEU e VALENTINA MEDRI, SAMANTA FABBRI, Materie prime di origine naturale nel processo di geopolimerizzazione, Ceramica Informazione, luglio - agosto 489, (2010), pp. 305- 310. JAMES ALDRED, JOHN DAY, Is geopolymer concrete a suitable alternative to traditional concrete?, 37th Conference on our world in concrete & structures, CI-PREMIER PTE LTD, (29-31 August 2012), Singapore. JANNIE S.J. VAN DEVENTER, JOHN L. PROVIS, PETER DUXSON, Technical and commercial progress in the adoption of geopolymer cement, Elsevier, Minerals Engineering 29, (2012), pp.89-104. MARIA CHIARA BIGNOZZI, STEFANIA MANZI, ISABELLA LANCELLOTTI, ELIE KAMSEU, LUISA BAR¬BIERI, CRISTINA LEONELLI, Mix-design and characterization of alkali activated materials based on metakao¬lin and ladle slag, Elsevier, Applied Clay Science 73, (2013), pp. 78-85. FRANCESCO COLANGELO, GIUSEPPINA ROVIELLO, LAURA RICCIOTTI, CLAUDIO FERONE, RAF¬FAELE CIOFFI, Preparation and Characterization of New Geopolymer-Epoxy Resin hybrid Mortars, Materials, (2013), 6, pp. 2989-3006. MATERIALE TRATTO DA UNIVERSITÀ E DA GRUPPI DI RICERCA ITALIANI ING. ILARI A CAPASSO, I geopolimeri, Dipartimento per le Tecnologie, Università di Napoli Parthenope. (Riferimento al sito internet www.docenti.unina.it; data ultima consultazione 12/12/2013) DOTT.SSA ISABELLA LANCELLOTTI, I geopolimeri, Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e dell'Am- biente, Università di Modena e Reggio Emilia. (Riferimento al sito internet www.icvbc.cnr.it; data ultima consul¬tazione 13/01/2014) V GIORNATA DI STUDIO Gruppo di Lavoro “Geopolimeri” Materiali geopolimerici per i Beni Culturali, Ge¬opolimeri e Beni Culturali: stato dell’arte, Firenze 21 marzo 2012. (riferimento al sito internet http://www.icvbc. cnr.it/ ;data ultima consultazione 13/01/2014) ARTICOLI E PUBBLICAZIONI SCIENTIFICHE CIRCA LA SITUAZIONE ATTUALE DELL'INDUSTRIA DEL CEMENTO Nicolas Müller, Jochen Harnisch, A blueprint for a climate friendly cement industry, WWF International, Nürnberg, Germany, 2008. The Cement Sustainability Initiative, A Sectorial Approach, Greenhouse gas mitigation in the cement industry, World Business Council for Sustainable Development, 2009. AITEC, Relazione Annuale 2012, Stampa di G. Scalia, Roma, 2012. AITEC, Comunicato stampa, Assemblea annuale dell’associazione di rappresentanza dell'industria del cemento, Roma, 20 Giugno 2013. TESI CONSULTATE ALESSANDRA FORMIA, Relatori J.M Tulliani, M. Sangermano, M. Zerbinatti, La conoscenza e il progetto di conservazione di alcuni intonaci storici del Sacro Monte di Varallo Sesia, materiali ibridi per il consolidamento corticale e studio di intonaci compatibili per la reintegrazione, Politecnico di Torino, Ciclo XXIV, A.A. 2011 -2012. RIFERIMENTI A SITI INTERNET Videoconferenze riportate dal sito ufficiale del Geopolymer Institute www.geopolymer.org/camp/gpcamp-2010 (State of thè Geopolymer 2010) (data ultima consultazione 15/01/2014) www.geopolymer.org/camp/gpcamp-2013 (State of thè Geopolymer 2013) (data ultima consultazione 18/01/2014) www.geopolymer.org/applications/geopolymer-cement (Mass Production of Geopolymer Cement) a ultima consultazione 21/01/2014) Geopolimeri http://geopolymerhouses.wordpress.com/2011/07/31/victorglukhovsky/ (data ultima consulymer.org (data ultima consultazione 09/01/2014) www.geopolymers.com.au (data ultima consultazione 16/01/2014) http://vimeo.com/1657519 (data ultima consultazione 23/01/2014) http://vimeo.com/1657489 (data ultima consultazione 23/01/2014) www.istec.cnr.it (data ultima consultazione 24/01/2014) Produttori/applicazioni relativi ai leganti geopolimerici www.atrindustries.com (data ultima consultazione 23/01/2014) www.banahuk.co.uk (data ultima consultazione 25/01/2014) www.hassellstudio.com (data ultima consultazione 26/01/2014) www.zeobond.com (data ultima consultazione 02/02/2014) www.wagner.com.au (data ultima consultazione 02/02/2014) Dati statistici sull’industria del cemento www.cembureau.be (data ultima consultazione 12/11/2013) www.buzziunicem.it (data ultima consultazione 18/11/2013) www.aitecweb.com (data ultima consultazione 12/12/2013) www.aitec-ambiente.org (data ultima consultazione 13/12/2013) www.wbcsdcement.org (data ultima consultazione 23/01/2013)

Modifica (riservato agli operatori)