Cosa sono i geopolimeri?

I geopolimeri sono catene o reti di molecole minerali legati con legami co – valente, in pratica vanno a simulare la chimica delle rocce naturali. Hanno le seguenti caratteristiche:

La natura del materiale:

• Il materiale geopolimerico prevede una reazione chimica a temperatura ambiente, tra una polvere reattiva ed un liquido salino.
• Le polveri reattive, alla diffrattometria X sono amorfe.
• Il liquido di miscelazione è a base di silicati con un rapporto molare ben preciso tra Si e M+ ( ione metallico + ).
• Allo stato indurito, cioè condensato, presentano una diffrattometria X cristallina.

Sintesi Percorsi:

Il liquido reagente, può avere pH alcalino oppure acido. Si utilizzano silicati alcalini ( Na, K, ecc. ) con un rapporto molare Environment friendly tipico a seconda del metallo M+ utilizzato. Per quanto riguarda il liquido a pH acido, si può utilizzare acido fosforico ad una precisa concentrazione, ma non è spesso conveniente per motivi legati al costo dell’acido. Le polveri reattive, sono silico-alluminose, calcinate ad una temperatura che varia da 750°C per quanto riguarda i metacaolini, a temperature di 1300-1500°C per gli scarti di altre industrie (Carbone e metalli), fino ad arrivare a quasi 3000°C per i fumi.

Chi li ha introdotti?

Alla fine del 1970, il Prof. Joseph Davidovits , l'inventore e sviluppatore della codifica e della terminologia della geochimica del sistema, ha coniato il termine geopolimero per classificare la geosintesi, che produce materiali inorganici organizzati in struttura polimerica, ora utilizzati per una serie di applicazioni industriali. Davidovits ha anche istituito una terminologia scientifica, logica in base a diverse unità chimiche essenzialmente per i materiali silicatici e alluminosilicatici, classificati secondo il rapporto molare, Si: Al

• Si : Al = 0 , siloxo
• Si: Al = 1 , sialate ( acronimo di silicio - oxo - alluminato di Na , K , Ca , Li )
• Si : Al = 2 , sialate - siloxo
• Si : Al = 3 , sialate - disiloxo, con Si: Al > 5 ho geopolimeri rock based
• Si : Al > 3 , sialate link
• Si : Al > 20 , due dimensioni e alta flessibilità

Questa terminologia è stata presentata alla comunità scientifica in una conferenza IUPAC nel 1976.
Sede per i dettagli nella Biblioteca della carta Milestone carta IUPAC -76. Nel link di seguito riportato potrete ottenere maggiori informazioni su questa tecnologia.
Presentazione del Prof. Joseph Davidovits

Come si formano i geopolimeri?

Il legante geopolimerico utilizza minerali silico-alluminosi e un reagente / indurente, che permette la dissoluzione iniziale dei minerali silico-alluminosi e la conseguente condensazione fino al raggiungimento dell'indurimento. Il tutto è una reazione chimica a temperatura ambiente. La reazione chimica è fortemente esotermica, può essere accelerata ed ottimizzata maturando i materiali geopolimerici a temperature > di 60°C per tempi di 24 – 48 h ( a seconda del tipo di legante utilizzato ).

A cosa servono nelle costruzioni?

Sono prodotti inorganici (quindi ingnifughi e resistenti agli shock termici), con caratteristiche meccaniche superiori. Sono "carbon-negative" ovvero assorbono anidride carbonica (CO2) dall’aria, condensando, quindi “pulendo” l’aria da gas serra.

Quali sono le differenze con materiali analoghi nelle costruzioni?

Principalmente non sono materiali idratati (non contengono acqua cristallina o di reticolo, quindi minerali idrati). Non sono soggetti alle problematiche derivanti da questi minerali ( ritiro idraulico e resistenza di shock termici ). Sono resistenti ad un’ampia scala del PH, da 1 a 14 e per questa ragione meglio sopportano il contatto con i solfati e l’acqua salata. Non essendo presenti sostanze organiche, il contenuto di VOC ( Volatile Organic Compound ) è pari a 0, ciò significa che la qualità dell’aria per chi vive all’interno di una struttura, realizzata con tali materiali, è decisamente più salubre. A livello prestazionale, le principali caratteristiche sono le seguenti:

• Resistenza meccanica:
  Da paragonabile a superiore ai sistemi cementizi, per quanto riguarda la compressione. La resistenza alla flessione è decisamente migliore dei sistemi tradizionali, fin dalle brevi stagionature ( decisamente necessaria anche in antisismica ).
• Resistenza chimica:
  I prodotti geopolimerici ben sopportano attacchi acidi e il contatto con soluzioni solfatiche, proprio per questi motivi sono ottimi passivanti per i ferri di armatura ed i metalli in genere. Inoltre non hanno nessuna difficoltà ad essere utilizzati in ambienti a contatto con l'acqua salata ( zone costiere, piattaforme ecc…)
• Resistenza ai cambi di temperatura:
  I cicli di gelo/disgelo, non arrecano danni alla struttura perché non è disponibile l’acqua che può espandere sia superficialmente che all’interno, in più sono materiali mesoporosi, per cui c’è aria a sufficienza per “ assorbire “ i movimenti creati dagli shock termici.
• Resistenza al fuoco:
  Essendo “totalmente” inorganici, sono completamente ignifughi.
• Resistenza al calore:
  A seconda del tipo di legante geopolimerico utilizzato, si riscontra un’ottima resistenza al calore fino a temperature di 1300°C - 1700°C. Il tutto mantenendo resistenza meccanica e con l’unico effetto visibile riguardante la parziale sinterizzazione della superficie ( a queste temperature i minerali silico-alluminosi della matrice cominciano a fondere ).
• Ritiro igrometrico:
  Con questi materiali il ritiro è molto ridotto o addirittura nullo già a temperatura ambiente, ancor più se la maturazione avviene ad una temperatura maggiore di 50°C- 70°C, perché la percentuale di acqua nel sistema è molto ridotta, considerando che è utile esclusivamente per ottenere una determinata lavorabilità.
• Induttanza termica (λ):
  In virtù della loro struttura “ mesoporosa ” i materiali geopolimerici hanno λ molto basse ma variabili a seconda del legante geopolimerico utilizzato e dalla densità del tipo di aggregati coinvolti.
• Waterproofing (impermeabilità all'acqua):
  Altra proprietà legata alla struttura mesoporosa è la possibilità del passaggio all’interno della matrice geopolimerica, delle molecole di aria ( permeabilità al vapore ), mentre è completamente impedito il passaggio dell’ acqua ( macromolecola ) non si ha quindi imbibimento.

Quanto costano?

Sono prodotti a Km 0 cioè sia le polveri reattive, utilizzate per il legante, quanto gli aggregati che conferiscono le caratteristiche meccaniche al prodotto finito, sono reperibili in qualsiasi parte del mondo. I silico-alluminati sono tra i minerali più diffusi sul pianeta.

I prodotti geopolimerici, producono carbonatazione con effetti negativi o reazioni alcali-aggregato?

Non è presente ossido di calcio libero (CaO) o calce idrata ( CaOH2 ) che possano reagire per carbonatazione, dando carbonato di calcio dilavabile o aggredibile chimicamente. Non ci sono neppure sali di calcio ( solfati tipo gesso, anidrite ) che possano reagire con la silice e gli alcali per produrre ettringite secondaria e generare crepe per espansione. Gli alcali sono ben legati nella matrice, di conseguenza non disponibili per reazioni secondarie.

Quali sono le differenze tra materiali geopolimerici e materiali alcali attivati?

• Geopolimeri:

  
  Utilizzano per esempio flyash ( cenere volante ) ovvero un sottoprodotto delle centrali elettriche a carbone, calcinate ad una temperatura ben precisa. Nei geopolimeri, l’indurente o liquido reagente alcalino ha un pH del tutto simile a quello rilevato nei sistemi tradizionali ( circa 12-13 ), quindi condizioni “ environment friendly ” ( il prodotto può viaggiare tramite taniche sui mezzi pesanti ). Le flyash utilizzate a contatto con il liquido reagente alcalino si dissolvono superficialmente per depolimerizzazione, mantenendo integra la loro natura sferoidale. Saranno così facilmente condensate tramite il processo di geopolimerizzazione.

• Alcali attivati:

  
  Utilizzano flyash senza considerare la temperatura di calcinazione, quindi immettendo nel sistema bio-masse ( carbone e altre sostanze organiche ), incombusti ed altre fasi minerali non idonee ad una corretta dissoluzione chimica. Il liquido utilizzato ha un rapporto molare più basso, quindi il pH può arrivare quasi a 14 con condizioni “ environment hostile ” ( corrosivo, quindi il prodotto necessita del trasporto in taniche, all’interno di containers normati ADR ). Le flyash sono a contatto con il liquido alcalino attivatore ( tutta la reazione si basa sull’effetto del pH molto elevato, quindi attivante ). Vengono disciolte tramite completa distruzione della struttura sferoidale di partenza. Questo comporterà una condensazione disordinata, implicando elementi non utili alla reazione e la presenza di minerali idrati, che creeranno punti di debolezza a livello di ritiro, sviluppo delle resistenze meccaniche, attacchi acidi e immersione sia in acqua che in sostanze solfatiche.

Come riconoscere un geopolimero?

Il test principale per confermare o meno la bontà dell’avvenuta geopolimerizzazione, consiste nell’immergere in acqua il materiale indurito. Se il processo ha avuto buon fine, il materiale presenterà circa le stesse resistenze meccaniche di un provino gemello, maturato all’aria agli stessi tempi di stagionatura. Questo perché l’acqua non influenza la maturazione, non potendo entrare all’interno della struttura. Se si avessero differenze, anche significative di resistenza meccanica, si confermerebbe la presenza di idrati nella matrice o comunque di un errato mix design. Tutti questi indizi porterebbero nella direzione di un materiale alcali attivato non di un geopolimero.