Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials
Questo studio dimostra che tra i materiali cementizi a base di polvere di vetro di scarto attivati con silicato di sodio derivante da cenere di lolla di riso preparati con diversi moduli, un modulo di 1,5 produce la massima resistenza alla compressione a 28 giorni (39,6 MPa) ottimizzando l'equilibrio tra la depolimerizzazione della rete nelle prime fasi e la policondensazione nelle fasi successive, come evidenziato da un aumento significativo del rapporto dell'ossigeno a ponte.
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Nel mondo moderno, l'industria delle costruzioni affronta una doppia sfida: deve trovare modi per costruire strutture più forti e durevoli, riducendo al contempo l'enorme impronta di carbonio lasciata dalla produzione tradizionale di cemento. Allo stesso tempo, le città generano enormi quantità di rifiuti solidi, in particolare vetro, che non marcisce né si decompone naturalmente e spesso finisce per riempire le discariche. Gli scienziati sanno da tempo che il vetro frantumato può essere utilizzato come sostituto di parte della sabbia e della ghiaia nel calcestruzzo, ma semplicemente mescolarlo non è sufficiente per renderlo resistente. Per trasformare il vetro di scarto in un materiale legante che tenga insieme gli edifici, i ricercatori utilizzano un processo chiamato attivazione alcalina. Questo consiste nel mescolare la polvere di vetro con un liquido altamente alcalino, che agisce come un solvente chimico per scomporre la struttura rigida del vetro e poi riassemblarla in un nuovo gel solido. La chiave di questo processo risiede nel liquido attivatore stesso. Se il liquido è troppo forte, rompe il vetro rapidamente ma potrebbe non avere abbastanza blocchi costruttivi rimasti per formare una rete resistente in seguito. Se è troppo debole, non riesce a sciogliere efficacemente il vetro in primo luogo. Trovare l'equilibrio perfetto è essenziale per creare un materiale che sia sia ecologico che meccanicamente robusto.
Un team di ricercatori dell'Università di Quzhou, in Cina, si è posto l'obiettivo di risolvere questo equilibrio utilizzando due materiali di scarto specifici: polvere di vetro di scarto e cenere di lolla di riso. La cenere di lolla di riso è un sottoprodotto della lavorazione del riso, ricco di silice, lo stesso ingrediente principale presente nel vetro e nella sabbia. Invece di acquistare costosi prodotti chimici commerciali per attivare il vetro, il team ha creato il proprio attivatore liquido sciogliendo la cenere di lolla di riso in una soluzione di idrossido di sodio. Hanno poi mescolato questo liquido "fatto in casa" con la polvere di vetro di scarto per creare una pasta. Per capire come la ricetta influenzi la resistenza finale, hanno preparato tre diversi lotti. In ogni lotto, hanno mantenuto costante la quantità di vetro, cambiando però il rapporto tra gli ingredienti nel attivatore liquido. Un lotto aveva un rapporto più basso tra silice e sodio, un altro un rapporto medio e il terzo un rapporto alto. Hanno poi testato quanto questi materiali diventassero duri dopo una settimana e dopo quattro settimane.
I risultati hanno rivelato un modello chiaro nello sviluppo del materiale nel tempo. Dopo appena una settimana, il lotto con il rapporto di silice più basso era il più resistente, raggiungendo una resistenza alla compressione di 31,4 MPa. Ciò è accaduto perché l'alta concentrazione della componente alcalina in quel mix ha scomposto la rete del vetro molto rapidamente, permettendogli di indurire precocemente. Tuttavia, con il passare del tempo, la storia è cambiata. Al traguardo delle quattro settimane, il lotto con il rapporto di silice medio è emerso come il vincitore netto, raggiungendo una resistenza alla compressione di 39,6 MPa, significativamente superiore agli altri due gruppi. Il lotto con il rapporto di silice più alto, che possedeva il maggior numero di blocchi costruttivi disponibili, si è posizionato nel mezzo, mentre quello che era partito forte è sceso alla resistenza più bassa del gruppo. Questo spostamento ha dimostrato che, sebbene un attacco chimico iniziale forte aiuti il materiale a fare presa rapidamente, la resistenza a lungo termine dipende dall'avere abbastanza silice disciolta disponibile per costruire una rete densa e interconnessa nel tempo.
Per capire perché ciò sia accaduto, i ricercatori hanno esaminato l'interno del materiale utilizzando strumenti di imaging avanzati in grado di vedere la disposizione degli atomi e la struttura dei legami chimici. Hanno scoperto che il processo non ha creato nuovi cristalli; invece, il vetro si è trasformato in un solido amorfo disordinato, molto simile al vetro originale ma con una struttura interna differente. Analizzando i legami chimici, hanno misurato il rapporto di atomi di "ossigeno a ponte", che sono i collegamenti che tengono uniti gli atomi di silicio in una rete tridimensionale forte. A una settimana, il mix con il rapporto di silice più basso aveva il maggior numero di questi collegamenti, spiegando la sua resistenza iniziale. Ma a quattro settimane, il mix con il rapporto medio aveva sviluppato il maggior numero di collegamenti a ponte, raggiungendo il 63,25 percento. Questo aumento del numero di connessioni corrispondeva direttamente all'aumento della resistenza. Il mix con il rapporto di silice più basso ha esaurito i blocchi costruttivi troppo presto per formare ulteriori collegamenti, mentre il mix con il rapporto di silice più alto non riusciva a sciogliere il vetro abbastanza velocemente da utilizzare tutti quei blocchi extra. Solo il mix medio è riuscito a mantenere la dissoluzione del vetro e la formazione dei collegamenti contemporaneamente, creando la struttura più forte possibile.
Questo studio dimostra che la strada verso un materiale edilizio più forte e più verde non consiste nel massimizzare un singolo ingrediente, ma nel trovare l'equilibrio preciso tra la velocità della reazione chimica e la disponibilità di materiali da costruzione. Utilizzando la cenere di lolla di riso per creare l'attivatore, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile trasformare due diversi tipi di scarti in un sostituto del cemento ad alte prestazioni. Le scoperte suggeriscono che, per questa specifica combinazione di materiali, una quantità moderata di silice nell'attivatore fornisce il miglior ambiente affinché il vetro si dissolva e si riassembli in una rete densa e durevole. Questo approccio offre un modello pratico per trasformare i crescenti accumuli mondiali di vetro e scarti agricoli in una risorsa preziosa per l'edilizia sostenibile, provando che la giusta ricetta chimica può trasformare ciò che un tempo era considerato spazzatura in una base per il futuro.
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