Studio di formulazioni cementizie ad attivazione alcalina a base di cenere vulcanica e metacaolino: ottimizzazione dei parametri mediante DOE

Never before have the problems connected to climate change been the subject of attention in the public, economic and technical-scientific debate more than in the last decade, highlighting the need to make substantial changes to our society and the way we behave towards the planet. The construction sector has a significant impact on environmental pollution: the production of Portland cement is responsible for 5-7% of anthropogenic CO2 emissions on a global scale, as well as the consumption of a large quantity of raw materials. Portland cement is today an indispensable, economical and high-performance building material. However, considering the alarming impact it has on the environment, it is imperative to make a change of direction by finding other solutions. This thesis work carried out research on one of these possible alternatives, alkaline activated cements. They are Portland cement-free binders, made by mixing an activating alkaline solution with Kenyan volcanic ash and metakaolin. The first part of the experimental work focused on the characterization of the ash with laser grain size, X-ray fluorescence (XRF) and X-ray diffraction (XRD) techniques. Subsequently, the mechanical properties of compressive strength and yield stress of the cement were studied as the composition proportions of the cement formulation varied. To organize the experiments and analyze the results, the principles of the Design of Experiment (DoE) were applied, a method of planning experiments based on the use of statistical analysis. The results obtained with this approach were verified by preparing concrete and mortar samples, applying the formulation optimized in the previous phases. It should also be noted that it was decided to use an unused raw resource present in Kenya, with the aim of encouraging the development and production of local cement. Currently the importation of cement into African countries is widespread, with a consequent rise in prices. The population could be provided with the possibility of purchasing cement at reduced prices, encouraging the construction of new infrastructures.

Mai come nell’ultimo decennio i problemi connessi ai cambiamenti climatici sono stati oggetto di attenzione nel dibattito pubblico, economico e tecnico-scientifico, evidenziando la necessità di apportare delle modifiche sostanziali alla nostra società e al modo di porci nei confronti del pianeta. Il settore edile ha un peso significativo sull’inquinamento ambientale: la produzione di cemento Portland è responsabile del 5-7% delle emissioni antropogeniche di CO2 su scala globale, nonché del consumo di un’ingente quantità di materie prime grezze. Il cemento Portland è ad oggi un materiale edilizio indispensabile, economico e dalle elevate prestazioni. Tuttavia, considerando l’allarmante impatto che ha sull’ambiente, è imperativo apportare un cambio di rotta, trovando altre soluzioni. Questo lavoro di tesi ha svolto ricerche su una di queste possibili alternative, i cementi ad attivazione alcalina. Essi sono leganti privi di cemento Portland, realizzati mescolando una soluzione alcalina attivante con ceneri vulcaniche del Kenya e metacaolino. Le prime fasi del lavoro sperimentale si sono concentrate sulla caratterizzazione delle ceneri con tecniche di granulometria laser, fluorescenza a raggi X (XRF) e diffrazione a raggi X (XRD). Successivamente sono state studiate le proprietà meccaniche di resistenza a compressione e yield stress del cemento al variare delle proporzioni della composizione della formulazione cementizia. Per organizzare gli esperimenti ed analizzare i risultati sono stati applicati i principi del Design of Experiment (DoE), un metodo di pianificazione degli esperimenti basato sull’impiego dell’analisi statistica. I risultati ottenuti con tale approccio sono stati verificati preparando campioni in cemento e in malta, applicando la formulazione ottimizzata nelle fasi precedenti. Va precisato, inoltre, che si è deciso di utilizzare una risorsa grezza inutilizzata presente sul territorio del Kenya, con l’intento di favorire lo sviluppo e la produzione di cemento locale. Attualmente l’importazione del cemento nei paesi africani è molto diffusa, con conseguente lievitazione dei prezzi. Si potrebbe fornire alla popolazione la possibilità di acquistare cemento a prezzi ribassati, favorendo la costruzione di nuove infrastrutture.