Politecnico di Torino (logo)

Gumina, Astrid

Geopolimeri : un'alternativa smart per la realizzazione di materiali sostenibili.

Rel. Jean Marc Christian Tulliani, Alessandra Formia. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura per il restauro e valorizzazione del patrimonio, 2015

Abstract:

Prologo

Ad oggi il nostro pianeta è stato messo a dura prova e l'economia mondiale non è stata da meno: terribili e repentini cambiamenti climatici, idrogeologici, saturazione di inquinamento in ogni sua forma, crisi economica e culturale.

Facile risulterebbe cedere ai fatalismi, molto più difficile risulta, invece, comprendere che motore di tali stravolgimenti è proprio l'attività umana e il suo smodato uso ed abuso delle risorse.

Discorso valido su scala mondiale e applicabile ad ogni campo dell'operato umano.

Ma, che cosa circonda ed è essa stessa l'attività umana se non l'architettura?Dotarsi di un'adeguata forma mentis a partire dalla formazione delle singole componenti costitutive di questa non potrebbe essere la chiave per la risoluzione di molte delle problematiche attuali? Proprio da tali considerazioni prende il via la mia ipotesi di un utilizzo Smart delle risorse, un riuso intelligente di ciò che sulla terra è presente in abbondanza: i rifiuti e gli scarti di una società mai come adesso incentrata sulla produzione seriale ed industriale.

Ottimizzare, dunque, la produzione materica delle componenti architettoniche con un risparmio delle materie prime pure a favore di un recupero di ciò che altrimenti andrebbe perso con conseguenti, ulteriori, costi di smaltimento.

Il lavoro si pone, allora, l'obiettivo, seppur ambizioso, di trovare una valida alternativa ai materiali tradizionali, quali, ad esempio, i cementi Portland, per la quale produzione sono richiesti notevoli costi in termini di approvvigionamento dei componenti, consumo delle risorse e, soprattutto in termini di emissioni nocive in tutto il processo che va dalla creazione alla distribuzione.

Campo di sperimentazione sarà un materiale tra i più recenti: il geopolimero che, già nel suo format originale, si compone di materiali di origine geologica o, in alcuni casi, frutto di ulteriori processi produttivi. L'ipotesi principale si basa sulla possibilità di ricavare la componente silicatica, necessaria alla geopolimerizzazione, da materiali di recupero quale il vetro1, ridotto in polvere e disciolto in una soluzione basica.

Tutta la fase sperimentale, quindi, risulta ruotare attorno alla definizione dei rapporti ottimali e delle quantità necessarie alla determinazione di un materiale, in grado di soddisfare gli standard dei geopolimeri, che si origini da un processo sostenibile in termini ambientali e, perché no, economici.

Ulteriori tentativi hanno visto l'utilizzo di un differente rifiuto industriale: la lolla del riso, scarto ottenuto dalla sbramatura del risone2, utilizzato altresì come combustibile e che, sotto forma di ceneri, risulta ricco di ossido di Silicio.

Durante lo svolgimento dell'attività sperimentale ci si è, inoltre, interessati alla possibilità di implementazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei geopolimeri ottenuti tradizionalmente: l'aggiunta di additivi o di ulteriori componenti hanno permesso di generare materiali per applicazioni differenti.

Si tratta, dunque, nel suo insieme di un lavoro che, da fondamenta teoriche derivate da un attento studio della letteratura, ha provato, con la modestia di chi agisce per tentativi gettando le basi per sviluppi futuri, a muovere piccoli e lenti passi verso un possibile utilizzo "smart" di un materiale che, seppur di recente messa a punto, possiede e mostra un vastissimo potenziale.

Relatori: Jean Marc Christian Tulliani, Alessandra Formia
Soggetti: S Scienze e Scienze Applicate > SH Fisica tecnica
T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TE Tecnologia dei materiali
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in Architettura per il restauro e valorizzazione del patrimonio
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/4045
Capitoli:

Indice

Prologo

1. Geopolimeri

1.1 Definizione, cenni storici e stato dell'arte

1.2 Componenti e rapporti

1.3 Processo produttivo

1.4 Geopolimerizzazione

1.5 Sostenibilità ambientale: OPC Vs GPC

2. Ipotesi per una produzione “smart”

2.1 Componenti alternativi

2.1.1 II vetro

Dal vetro di recupero al Watersglass

2.1.2 La lolla del riso

Dalla lolla del riso all' RHA (Rice Husk ash)

2.2 Possibili "ingredienti" per nuovi campi di applicazione

2.2.1 Geopolimeri alleggeriti: aggregati e agenti porogeni

Il Poraver®

L'Acqua Ossigenata

2.2.2 Coadiuvanti della resistenza meccanica: Il Primal B60 A

3. Attività sperimentale

3.1 Finalità

3.2 Materiali e metodi

3.2.1 Materie prime e reattivi

3.2.1.1 Dal Caolino al Metacaolino rosa (MKr)

3.2.1.2 Preparazione polvere vetrosa

3.2.1.3 Soluzioni alcaline

3.2.2 Preparazione delle soluzioni

3.2.3 Soluzione Na0H/Na2C03 + polvere vetrosa

Soluzione con polvere vitrea

3.2.3.1 Soluzioni C13, C12, C11

3.2.3.2 Impiego della lolla nelle soluzioni C13 e vetrosa

3.2.4 Realizzazione dell'impasto

3.2.5 Formatura dei campioni e curing

3.2.6 Aggiunta aggregati e agenti porogeni

3.3 Caratterizzazione dei campioni

3.4 Tecniche di analisi

3.4.1 Prove chimico - fisiche

3.4.1.1 Diffrazione X-Ray (XRD)

3.4.1.2 Fluorescenza X-Ray (XRF)

3.4.1.3 Misura della densità geometrica

3.4.1.4 Osservazione al Microscopio elettronico a scansione

(FIELD EMISSION -FESEM)

3.4.1.5 Misura della conducibilità termica (X)

3.4.2 Prove meccaniche

3.4.2.1 Flessione su tre punti

3.4.2.2 Resistenza a compressione

4. Conclusioni

4.1 Commento dei risultati

4.2 Possibili sviluppi futuri

Appendice

Bibliografia

Normativa di riferimento

Sitografia

Ringraziamenti

Bibliografia:

Bibliografia

A. BOSIO, N. RODELLA, M. PASQUALI, A GIANONCELLI, A. ZACCO, L. BORGESE, L.E. DEPERO, E. BONTEMPI, Ecco II Materiale che nasce dalle ceneri dei rifiuti, Approfondimenti - Il processo di inertlzzazione COSMOS-RICE per il recupero delle ceneri da incenerimento di RSU.

A.BOSOAGA, O. MASEK, J.OAKEY. C02 capture technologies for cement industry. Energy Procedía 2009.

C. SHI, P. V. KRIVENKO, DELLA ROY, Alkali-activated cements and concretes, 2006, Taylor & Francis e-Library.

C.LEONELLI, M.ROMAGNOLI (a cura dij, Geopolimeri, polimeri inorganici chimicamente attivati, I.Cer.S., Lulu.com, Bologna 2011.

E.KAMSEU, Geopolymer materials as new matrices for structural and insulating applications, Ph.D thesis, University of Modena and Reggio Emilia, 2011.

F. PUERTAS, M. TORRES-CARRASCO, Sodium silicate solutions from dissolution of glass wastes. Statistical analysis, Materiales de Construcc ion, Vol. 64, Issue 314, April-June 2014.

F. PUERTAS, M. TORRES-CARRASCO, Use of glass waste as an activator in the preparation of alkali-activated slag. Mechanical strength and paste characterization, Cement and Concrete Research 57, 2014.

G. ENGELHARDTH, D. MICHEL, High Resolution Solid State NMR of Silicates and Zeolites. Wiley, Chichester, UK, 1987.

H. WANG, H. LI, F. YAN, Synthesis and mechanical properties of metakaolinite-based geopolymer. Colloids Surfs A: Pysicochem Eng Asp 268: 1-6, 2007.

I. MINA, REL. P.PALMERO, Leganti Geopolimerici: materiali innovativi per la sostenibilità ambientale in architettura, Politecnico di Torino CdLm in Architettura per il progetto sostenibile, A.A.2013/2014.

I. PERNA', HANZLiCEK, The solidification of aluminum production waste in geopolymer matrix. Journal of Cleaner Production 84: 657-662, 2014.

J. ALLWOOD, J. CULLEN, Sustainable Materials - with Both Eyes Open: Future Buildings, Vehicles, Products and Equipment - Made Efficiently and Made with Less New Material, UIT Cambridge, 24 Nov. 2011.

J. DAVIDOVITS, 2002, 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications. Market Trends and Potential Breakthroughs, Geopolymer 2002 Conference, October 28- 29, 2002, Melbourne, Australia.

J. DAVIDOVITS, Geopolymer Chemistry & Applications, Istitut Geopolymér, 2011.

J. DAVIDOVITS, Global Warming Impact on the Cement and Aggregates Industries, published in World Resource Review, Vol. 6, No.2.

J.WASTIELS, X. WU, S. FAIGNENT, G. PATFOORT, Mineral polymer based on fly ash, Proceed.9th Intl.Conf. Solid Waste Management, Philadelphia, PA, USA, 1993.

KJ. GOTO, States of silica in aqueous solution. II. Solubility of amorphous silica, Chem. Soc. Jpn. Pure Chem Sect. 76, 1955.

L. SUN, K. GONG, Silicon-based materials from rice husk and their applications. Ind. Eng. Chem. Res. 40, 5861-5877, 2001.

L.K. AGGARWAL, P.C. THHPLIYAL, S.R. KARADE, Properties of polymer modified mortars using epoxy and acrylic emulsions. Const Build Mat 21: 379-383, 2007.

M. CRIADO; A. FERNANDEZ-JIMENEZ, A. PALOMO, I. SOBRADO, J. SSANZ, Effect of the Si02/Na20 ratio on the alkali activation of fly ash. Part II: 29Si MAS-NMR" Survey, Microporous and Mesoporous Materials 109 [1-3], 2008.

N. MULLER, J. HARNISCH, A blueprint for a climate friendly cement industry, WWF International, Nürnberg, Germany, 2008.

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 Sei 42, Advances in geopolymer science & technology, 2007.

P. DUXSON, J.L. PROVIS, G.C. LUKEY, S.W. MALLICOAT, W.M. KRIVEN, J.S.J. VAN DEVENTER, Understanding the relationship between geopolymer composition, microstructure and mechanical properties. Colloids Surfs A: Pysicochem Eng Asp 269: 47-58, 2005.

R. BYRON, W.E. STEWART; E.N. LIGHTFOOT, Transport Phenomena, 2a ed., New York, Wiley, ISBN 0-470-11539-4, 2005.

S.A. BERNAL, E.D. RODRIGUEZ, R.MEJIA DE GUTIERREZ, J.L. PROVIS , S. DELVASTO, Activation of Metakaolin/Slag Blends Using Alkaline Solutions Based on Chemically Modified Silica Fume and Rice Husk Ash, Springer Science+Business Media B.V. 2011.

T.M. EL-SHAMY, C.G. PANTEN, Descomposition of silicates glasses in alkaline solutions, Nature 266, 1977.

T.M. EL-SHAMY, J. LEWIS, R.W. DOUGLAS, The dependence on the pH of the descomposition of glasses by aqueous solutions, Glass Technol. 13,1972.

Y.M. LIEW, H. KAMARUNDIN, A.M. MUSTAFA AL BAKRI, M. BNHUSSAIN, M. LUGMAN, I. KHAIRUL NIZAR, C.M. RUZAIDI, C.Y Heah, Optimization of solids-to liquid and alkali activator ratios of calcinated kaolin geopolymeric powder. Const Build Mat 37: 440-451, 2012.

Z. ZHANG, J.L. PROVIS, A. REID, H.WANG, Geopolymer foam concrete: An emerging material for sustainable construction. Const Build Mat 56: 113-127, 2014.

Normativa di riferimento

UNI EN 12390-13:2013: Prova sul calcestruzzo indurito - Parte 13: Determinazione del modulo di elasticità secante in compressione.

UNI EN 12390-3:2009: Prove sul calcestruzzo indurito - Parte 3: Resistenza alla compressione dei provini.

UNI EN 12390-5:2009: Prove sul calcestruzzo indurito - Parte 5: Resistenza a flessione dei provini.

SITOGRAFIA

http://dx.doi.Org/10.1016/i.micromeso.2007.05.062

http://it.wikipedia.org/wiki/Spettrofotometria XRF#mediaviewer/File:X-ray fluorescence simple figure.svg

http://nuke.nanoireservice.it/HLaboratorio/tabid/473/Default.aspx

http://www.antichitabelsito.it/schede/primal B60.pdf

http://www.assovetro.it/pagina.php7art-8

http://www.carbolite.com/it/api/?action=product pdf&productld=145&I d=2374085&L=3&userld=&site=carbolite&print language=3&print info=l &print image=l&print images=l&print advantages=l&print features=l

http://www.disat.polito.it/it/

http://www.gastronomiamediterranea.com/2013/10/una-fiiornata-in-risaia-per-il-nuovo-raccolto/

http://www.geopolvmer.org/science/introduction

http://www.hotdiskinstruments.com/products/instruments-for-thermal-conductivitv-measurements/tps-2500-s.html

www.aso-cement.jp/en/products/product ordinary.html

Modifica (riservato agli operatori) Modifica (riservato agli operatori)