Alkali activated materials as alternative binders for the built heritage: study of their interaction with ornamental stones in mortars, composites and cements

Alkali activated materials (AAMs) are amorphous materials obtained by the reaction of an aluminosilicate source and an alkaline solution. AAMs, included those called geopolymers, are studied as alternative to traditional construction materials mainly for their versatility, high mechanical properties and durability. The research concerned the study of alkali activated binders, mortars, cements and composites, in order to assess their suitability in the construction field, especially for the conservation of existing materials belonging to Cultural Heritage, for which the use of versatile and high performance materials can be advantageous. The interaction and synergic use of AAMs with natural and artificial stone materials was also evaluated. Geopolimeric binders were obtained by using a high quality kaolin (kaolinite 73% and 27% quartz) heat-treated at 800°C for 2 hours and sodium silicate. Binders characterized by different water/solid weight ratios between 0.33 and 0.66 were synthesized, in order to obtain workable materials without the use of additives, and the role of water in the reaction development has been evaluated. High values of compressive and flexural strength (up to 72 MPa and 6 MPa, respectively) were obtained for all the samples. Increasing the water content an increase both of porosity (from 21% to 32%) and median pore radius were observed. Infrared spectroscopy allowed to correlate the degree of amorphous gel development with the water content increase. The results showed that the decrease of mechanical strengths have to be ascribed to the porosity increase rather than to the reduction of metakaolin conversion into geopolymer. The binder with a water/solid ratio of 0.66 was used for the synthesis of mortars, using two crashed ornamental stones, the Pietra Serena and the Pietra di Angera, as aggregates. The physical and mechanical characterization returned: i) mechanical strength values that fall within the M20 class (UNI-EN 998-2: 2010); ii) density values comparable to those of ornamental stones reference; iii) porosity values between 14 and 17%. In the mortar synthesized by using Pietra Serena the fine fraction seemed to contribute to geopolymeric reaction, providing soluble silica and alumina. Colorimetric measurements were also carried out on samples in order to evaluate the aesthetic compatibility of the mortars with ornamental stone references. The binder with a water/solid ratio of 0.46 was used to evaluate the interaction, at the interface, between geopolymers and natural (ornamental stones) and artificial (brick, mortar and concrete) stone materials, by performing stereomicroscope and SEM analysis. Results showed that the stone material compositions influenced the adhesion properties of geopolymers. An alumino-silicate matrix, like those of Pietra Serena and brick, seemed to have a greater physical affinity with the geopolymer binder. In the carbonate matrices instead a partial dissolution of calcite, related to crystallinity of calcite itself, and calcium diffusion into geopolimer matrix were observed giving rise to precipitation phases. Sewage sludge deriving by the cultivation of Pietra Serena were also used as precursors in the synthesis of alkali activated cements. Sewage sludge were used untreated or heat-treated at 800°C for 2 hours. The AAMs obtained by using a 8 M sodium hydroxide solution revealed the inefficiency as precursor of the untreated sludge (3 MPa of compressive strength), and its validity if used calcined (up to 18 MPa) due to the development of CaO and the formation of CSH phases characteristic of cement-based materials. The features of alkali activated cements obtained from mixtures of fly ash, metakaolin and sewage sludge was also evaluated. Results revealed promising mechanical strength values for binary mixtures fly ash - Pietra Serena sewage sludge.

La ricerca condotta ha riguardato lo studio di leganti, malte, materiali compositi e cementi a base di precursori alluminosilicatici attivati alcalinamente, valutandone l’idoneità in campo strutturale e nel particolare contesto della conservazione e ripristino del patrimonio culturale. E’ stata inoltre studiata l’interazione e l’uso sinergico degli AAMs con materiali lapidei naturali e artificiali. Sono stati prodotti leganti geopolimerici impiegando un caolino naturale di alto grado (73% caolinite e 27% quarzo) trattato termicamente a 800°C per due ore e silicato di sodio. Modificando il rapporto in peso acqua/solido tra 0.33 e 0.66 sono stati ottenuti leganti lavorabili senza ricorrere all’impiego di additivi fluidificanti. E’stata quindi valutata l’azione dell’acqua sullo sviluppo della reazione. I campioni hanno restituito elevati valori di resistenza a compressione e flessione (fino a 72 MPa e 6 MPa rispettivamente), tanto da ipotizzarne un impiego in applicazioni strutturali. E’ stato notato un aumento della porosità (dal 21% al 32%) e della dimensione media dei pori all’aumentare del contenuto di acqua. Analisi tramite spettroscopia infrarossa hanno permesso di correlare il grado di sviluppo del gel alluminosilicatico all’incremento del contenuto di acqua. I risultati ottenuti hanno mostrato che la diminuzione della resistenza meccanica nei campioni con crescente contenuto di acqua è da ascrivere ad un aumento della porosità piuttosto che ad una riduzione della conversione di metacaolino in geopolimero.Il legante geopolimerico con rapporto acqua/solido di 0.66 è stato utilizzato per la sintesi di malte, impiegando come aggregati due pietre ornamentali macinate, la Pietra Serena e la Pietra di Angera. La caratterizzazione fisico-meccanica ha restituito: i) valori di resistenza meccanica che rientrano nella classe M20; ii) valori di densità comparabili a quelle delle pietre ornamentali di riferimento; iii) valori di porosità variabili tra il 14 e 17%. La caratterizzazione chimica ha permesso di evidenziare, per la malta sintetizzata impiegando la Pietra Serena, come la frazione fine sembri contribuire alla reazione di geopolimerizzazione. Sono state effettuate inoltre misure colorimetriche per valutare la compatibilità estetica delle malte con le pietre ornamentali di riferimento.Il legante geopolimerico con rapporto acqua/solido di 0.46 è stato utilizzato per valutarne l’interazione all’interfaccia con materiali lapidei naturali (pietre ornamentali) e artificiali (laterizio, malta e calcestruzzo), attraverso analisi allo stereomicroscopio e al SEM. E’ stato evidenziato che la composizione dei materiali lapidei influenza le proprietà di adesione dei geopolimeri. Una matrice allumino-silicatica, come quella della Pietra Serena o del laterizio, ha mostrato maggiore affinità fisica con il legante geopolimerico. Nelle rocce carbonatiche si è invece osservata una parziale dissoluzione della calcite, legata al grado di cristallinità del carbonato, e conseguente diffusione di calcio nella matrice geopolimerica e formazione difasi di precipitazione. Fanghi di segagione della Pietra Serena sono stati impiegati anche come precursori nella sintesi di AAMs, valutando la possibilità di ottenere materiali per applicazioni strutturali a partire da materiale di scarto. I fanghi di segagione sono stati utilizzati tal quali o trattati termicamente a 800°C per 2 ore. Gli AAMs ottenuti hanno rivelato l’inefficienza degli scarti usati tal quali come precursore e la sua validità se usata calcinata a causa dello sviluppo di CaO e alla formazione di fasi C-S-H caratteristici dei materiali cementizi. Sono state inoltre valutate le caratteristiche di AAMs ottenuti da miscele di ceneri volanti, metacaolino e fanghi di segagione. Risultati promettenti in termini di valori di resistenza meccanica sono stati ottenuti per miscele binarie fly ash- fanghi di segagione di Pietra Serena.