Tematiche di ricerca:

• Adesivi geopolimerici per la realizzazione di rinforzi strutturali su edifici in muratura
• Utilizzo di FlyAsh per la riqualificazione di rifiuti industriali
• Pannellazioni e ricoperture di dispositivi tecnologici con uso di geopolimeri
• Utilizzo di attivatori geopolimerici come «catalizzatori» per l’ottenimento di mattoni a bassa energia
• Materiali Geopolimerici per complementi d’arredo
• Studio di manufatti cementizi antichi
• I geopolimeri nel restauro di manufatti ceramici

I geopolimeri sono materiali inorganici con composizioni chimiche simili a quelle delle zeoliti (minerali), ma al contrario di queste dotati di una struttura amorfa. Tipicamente un geopolimero è ottenuto dalla combinazione di una polvere di un materiale alluminosilicatico (tipicamente i metacaolini dalla calcinazione a 500-800°C del caolino, la loppa di altoforno o le ceneri volanti (fly-ash) provenienti dalle centrali a carbone) con una soluzione (relativamente concentrata) di un silicato alcalino (generalmente sodio o potassio). La reazione di consolidamento del materiale avviene a temperatura ambiente dopo la formatura che avviene per colaggio in stampi di materiale plastico o utilizzando anche altre tecniche quali ad esempio l’estrusione o la combinazione con fibre tessili per produrre dei materiali compositi.

Si possono aggiungere al impasto diversi filler funzionali come fibre, sabbia, altri filler minerali, pigmenti, etc. La figura 1 mostra alcuni prototipi realizzati nei laboratori ICMATE: In senso orario, da in alto a sinistra: Prototipo di oggetto di arredamento; malte geopolimeriche per l’incollaggio di reti di rinforzo su murature in mattoni; provini per shear e pull-off test; prototipo di un pannello sandwich con strato strutturale in geopolimero, prototipi di oggetti per l’arredamento interno ottenuti per colatura in stampi di mescole geopolimeriche.

I materiali geopolimerici, a seconda della composizione e del metodo di preparazione possono esibire diverse proprietà tecnologicamente interessanti:

• elevata resistenza alla temperatura, fino a 1200°C
• resistenza agli attacchi chimici, sia da parte di solventi organici che di soluzioni acquose acide e alcaline
• elevata resistenza meccanica
• ottenimento di elevata porosità (sia aperta che chiusa) mediante la formazione di una schiuma in fase di geopolimerizzazione, o al contrario bassa porosità mediante l’attenta formulazione della miscela e delle condizioni di processo
• tempi di setting molto rapidi
• basso ritiro in fase di consolidamento e ottima capacità di replicazione di particolari anche molto fini dello stampo
• ottima protezione dei ferri di armatura grazie all’elevato pH residuo ed alla bassa penetrazione dei cloruri
• una durabilità nettamente superiore al cemento Portland
• condizioni di processo relativamente “user friendly” in quanto sono assenti sostanze tossiche; le polveri impiegate sono minerali inerti e le soluzioni acquose sono moderatamente alcaline, mentre eventuali scarti di produzione possono essere smaltiti come inerti

Tuttavia la ragione principale per la quale i geopolimeri stanno suscitando un crescente interesse è che queste proprietà possono essere ottenute mediante un processo chimico rispettoso dell’ambiente:

• I geopolimeri sono materiali cementizi ad alte prestazioni che potrebbero portare alla sostituzione del cemento Portland, evitando cosi il trattamento ad alta temperatura del calcare (marna), necessaria per la produzione del clinker di cemento, riducendo di conseguenza il contributo all’emissione globale di CO2 dell’industria del cemento dal 5% al 1%.
• I geopolimeri possono essere ottenuti da una vasta gamma di materiali di partenza. In particolare si possono utilizzare anche una grande varietà di scorie. Oltre alla loppa di alto forno (slag), le ceneri (fly-ash) provenienti dalle centrali a carbone, sono stati usate ceneri di pula di riso, vetri di riciclo micronizzati, etc. Il solo criterio necessario è che i materiali in questione posseggano una attività pozzolanica.

Dal 2010 è attivo presso l’istituto ICMATE un gruppo di ricerca sui geopolimeri che si occupa di vari aspetti applicativi di questi materiali. L'attività del gruppo di ricerca è rivolta principalmente alla ricerca applicata, svolta in collaborazione non solo con partners istituzionali, quali Università/CNR e Soprintendenze, ma anche con piccole e medie imprese del tessuto produttivo nazionale e locale. Lo studio dei sistemi geopolimerici viene affrontato principalmente dal punto di vista chimico utilizzando la lunga esperienza nella caratterizzazione di materiali organici e inorganici dei componenti del gruppo e una ricca disponibilità strumentale.
La caratterizzazione chimica è integrata da una caratterizzazione fisica e meccanica dei materiali e da processi di trattamento.

Adesivi geopolimerici per la realizzazione di rinforzi strutturali su edifici in muratura
Utilizzo di geopolimeri come matrice adesiva in sostituzione di malte o resine organiche per il fissaggio di reti di fibre (basalto, acciaio, carbonio, ..) per la creazione di rinforzi strutturali su murature antiche o moderne con migliore resistenza al fuoco, traspirazione e adesione.

Utilizzo di FlyAsh per la riqualificazione di rifiuti industriali
Dalla grande disponibilità e reattività geopolimerica delle FlyAsh possibilità di riconvertire questi rifiuti in materie prime per la produzione di laterizi, confinamento ed inertizzazione di rifiuti speciali e produzione di nuovi cementi a basso impatto industriale

Pannellazioni e ricoperture di dispositivi tecnologici
Sfruttando la grande capacità di adesione a metalli, vetri, pietre, cementi, materie plastiche etc… dei geopolimeri, e la possibilità di progettare mescole con mirate caratteristiche meccaniche / termiche / etc, si possono abbinare a sistemi tecnologici finiture funzionali al sistema.

Utilizzo di attivatori geopolimerici come «catalizzatori» per l’ottenimento di mattoni a bassa energia
Realizzazione di laterizi a bassa temperatura di cottura (400-500°C rispetto ai 1000°C dei normali mattoni) con buone proprietà meccaniche e bioclimatiche.

Materiali Geopolimerici per complementi d’arredo
Studio di miscele geopolimeriche per creazione di forme con caratteristiche meccaniche ed estetiche da adattare alla funzione desiderata.

Studio di manufatti cementizi antichi
Studio di manufatti di Opus Signinum di vasche ed acquedotti romani per studiarne via spettroscopia MAS NMR e XRD l’analogia con la struttura geopolimerica.

Restauro di manufatti ceramici con geopolimeri
Il progetto ha come scopo di testare i geopolimeri come materiali per il reintegro formale di manufatti ceramici e lapidei.