Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age

In molte parti del mondo, il modo più pratico per costruire una casa è utilizzare la terra stessa. I blocchi di terra compressa, che sono essenzialmente mattoni fatti di suolo che è stato compresso strettamente in stampi, offrono un'alternativa a basso costo e sostenibile ai mattoni di argilla cotta o al calcestruzzo. Tuttavia, il suolo grezzo è debole e si sbriciola quando si bagna, quindi i costruttori tradizionalmente mescolano un agente legante per tenerlo insieme. Per decenni, la scelta standard è stata l'ordinario cemento Portland, un materiale che indurisce in una struttura simile alla pietra ma che comporta un pesante costo ambientale a causa della massiccia quantità di anidride carbonica rilasciata durante la sua produzione. Mentre il mondo cerca metodi di costruzione più verdi, gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione a un tipo diverso di legante: il geopolimero. Questo materiale viene creato mescolando l'argilla locale con una forte soluzione alcalina, innescando una reazione chimica che trasforma l'argilla in una sostanza dura, simile alla roccia, senza la necessità di una cottura ad alta temperatura. La domanda che i ricercatori si pongono è se questo nuovo approccio a basse emissioni di carbonio possa davvero reggere alle prestazioni del cemento tradizionale, specialmente nei climi umidi e tropicali dove questi edifici sono più necessari.

Un team di ricercatori con sede in Camerun e in Germania ha deciso di rispondere a questa domanda confrontando direttamente due tipi di blocchi di terra stabilizzata. Hanno preso un tipo specifico di suolo rosso, ricco di argilla, noto come laterite, comune nella regione, e lo hanno preparato per l'uso in due modi diversi. Per il primo gruppo di blocchi, hanno mescolato il suolo con il comune cemento Portland. Per il secondo gruppo, hanno utilizzato un legante geopolimerico a base di caolino, un tipo di argilla che è stata prima riscaldata ad alta temperatura per renderla chimicamente reattiva, e poi mescolata con una soluzione alcalina liquida. Hanno creato blocchi con diverse quantità di questi leganti, che variavano dal cinque al dieci per cento del peso totale, e li hanno pressati in forme solide utilizzando una macchina pesante. Dopo aver lasciato i blocchi riposare e indurire per una o due settimane, il team li ha sottoposti a una serie rigorosa di test per vedere quanto fossero resistenti, quanta acqua assorbissero e come fosse la loro struttura interna al microscopio.

I risultati hanno rivelato una netta divisione nelle prestazioni a seconda di quale tipo di resistenza fosse più importante. Quando i ricercatori hanno testato quanto peso potessero sopportare i blocchi prima di schiacciarsi, i blocchi geopolimerici si sono dimostrati i concorrenti più forti. Al livello massimo di legante del dieci per cento e dopo due settimane di maturazione, i blocchi geopolimerici potevano resistere a una forza di compressione di 10,62 megapascal a secco, e un impressionante 10,12 megapascal anche dopo essere stati immersi in acqua. Al contrario, i blocchi di cemento allo stesso livello potevano sopportare solo 8,12 megapascal a secco e sono scesi a 6,75 megapascal quando bagnati. Questa differenza è significativa perché mostra che i blocchi geopolimerici non solo sono partiti più forti, ma hanno retto molto meglio all'esposizione all'umidità, perdendo pochissima della loro resistenza. I blocchi di cemento, invece, hanno subito un calo di resistenza molto maggiore quando bagnati, suggerendo che siano più vulnerabili all'erosione e ai danni causati dalle piogge intense.

La storia è stata diversa quando i ricercatori hanno testato la flessibilità dei blocchi, ovvero la loro capacità di piegarsi senza spezzarsi. In questo ambito, i blocchi di cemento tradizionali hanno preso il comando. I blocchi stabilizzati con cemento potevano resistere a una forza di flessione di 4,22 megapascal, mentre i blocchi geopolimerici sono riusciti solo a 2,81 megapascal. Ciò indica che, sebbene il geopolimero crei un materiale molto duro e denso che resiste allo schiacciamento, è più fragile e meno capace di gestire le forze di torsione o di flessione che potrebbero verificarsi durante un terremoto o un cedimento irregolare del terreno. Il cemento, al confronto, mantiene un po' più di flessibilità, permettendo di assorbire lo stress senza rompersi così facilmente.

Per capire perché questi due materiali si siano comportati in modo così diverso, il team ha guardato all'interno dei blocchi utilizzando strumenti di imaging specializzati che rivelano la disposizione di atomi e molecole. Hanno scoperto che i blocchi di cemento contenevano i prodotti chimici attesi dell'idratazione del cemento, insieme ad alcune particelle di cemento non reagite che non si erano mescolate completamente a causa del basso contenuto di acqua utilizzato per produrre i mattoni. I blocchi geopolimerici, tuttavia, mostravano un paesaggio interno differente. Invece di cristalli di cemento, contenevano un gel amorfo denso — una sostanza che manca di una struttura cristallina rigida ma che lega strettamente le particelle di suolo. Questo gel si è formato perché il caolino trattato con il calore ha reagito con la soluzione alcalina per creare una nuova rete tridimensionale. Questa rete è stata così efficace nel riempire i minuscoli spazi tra le particelle di suolo che i blocchi geopolimerici sono risultati più densi e meno porosi rispetto ai blocchi di cemento. Hanno assorbito significativamente meno acqua, con i migliori campioni di geopolimero che assorbivano solo circa il nove per cento del loro peso in acqua, rispetto a quasi il dodici per cento dei campioni di cemento.

Lo studio conclude che nessuno dei due materiali è un sostituto perfetto dell'altro in ogni situazione, ma il geopolimero offre un'alternativa convincente per esigenze specifiche. Per i costruttori nelle regioni tropicali dove la pioggia intensa è una minaccia costante, i blocchi geopolimerici forniscono una resistenza superiore ai danni da acqua e una maggiore resistenza alla compressione, rendendoli eccellenti per pareti portanti che devono rimanere asciutte e solide. Tuttavia, per applicazioni in cui la struttura deve flettere o resistere alle forze di flessione, il cemento tradizionale mantiene il vantaggio. La ricerca dimostra che, utilizzando materiali disponibili localmente e un processo chimico a basse emissioni di carbonio, è possibile creare blocchi di terra che siano non solo ecologici, ma anche tecnicamente superiori in termini di durata e stabilità all'acqua. Questo lavoro suggerisce che il futuro dell'edilizia sostenibile in queste regioni potrebbe risiedere nello scegliere il legante giusto per il compito giusto, piuttosto che fare affidamento su una singola soluzione universale.