Utilizzo della sinterizzazione a microonde ottimizzata per produrne una sicura e sostenibile

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4611 (2023) Citare questo articolo

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L'idrossido di sodio (NaOH) come attivatore alcalino presenta una limitazione fondamentale nella produzione di massa di leganti attivati ​​dagli alcali a causa del suo grave effetto sulla sicurezza degli utenti. In questo studio, miscele di scorie attivate da alcali monocomponenti sicure e sostenibili (OP-AAS) sono state preparate attraverso un'efficiente sinterizzazione a microonde per una miscela di scorie di altoforno granulate macinate amorfe attive (GGBFS) e polvere di idrossido di sodio (NaOH). Diverse polveri sinterizzate a microonde sono state preparate utilizzando energia a microonde di potenza 900 W per la miscela in diversi periodi di trattamento (10, 20 e 30 minuti). Sono state studiate le proprietà fresche e indurite di diverse miscele OP-AAS. Inoltre, la composizione della fase e la microstruttura sono state studiate utilizzando l'analisi della diffrazione di raggi X (XRD) e il microscopio elettronico a scansione (SEM). Sono stati eseguiti test di citotossicità/vitalità per valutare la morte cellulare indotta dai materiali sviluppati per misurarne la sicurezza per l'utente. Secondo la resistenza alla compressione, l'analisi di citotossicità/vitalità, l'impatto ambientale e il calcolo dei costi dell'OP-AAS sviluppato, si è concluso che l'impiego della sinterizzazione a microonde per una breve durata è sufficiente per produrre materiali leganti sicuri con proprietà meccaniche adeguate adatti per applicazioni commerciali nella costruzione settore.

I leganti attivati ​​dagli alcali (AAB) sono stati ampiamente studiati come leganti alternativi al cemento Portland (PC) nell'industria del calcestruzzo per considerazioni di sostenibilità, ambientali ed economiche1,2,3,4,5. Gli AAB sono un'alternativa sostenibile al PC, preparati con materiali di scarto o sottoprodotti che aiutano a conservare le risorse naturali utilizzate nell'industria dei PC6,7. Inoltre, l'utilizzo dei rifiuti consente di risparmiare la vasta area necessaria in caso di smaltimento o stoccaggio8,9,10. Dal punto di vista ambientale, gli AAB mostrano un basso impatto ambientale rispetto al PC, che produce circa (da 0,5 a 0,82) kg di CO2 per ogni kg di PC prodotto11,12,13,14,15. Dal punto di vista economico, sono prodotti con materiali a basso costo (sottoprodotti) senza necessità di un elevato consumo di energia, nella maggior parte dei casi, durante la produzione16,17,18. Gli AAB si formano attraverso un processo di geopolimerizzazione risultante dalla miscelazione di materiali di base contenenti un'alta percentuale di silice e allumina (fonte di alluminosilicato) in un mezzo alcalino (attivatore alcalino)19,20,21. La fonte di alluminosilicato può essere ottenuta da fonti geologiche come il metacaolino (MK) o sottoprodotti industriali come GGBFS dell'industria di produzione dell'acciaio e ceneri volanti (FA) dalla combustione del carbone bituminoso o antracite22,23,24. L'attivatore alcalino comunemente utilizzato può essere idrossido di sodio/potassio (Na/KOH), silicato (Na2/K2Si2O3), carbonato (Na2/K2CO3) e ossido (Na2/K2O)25,26. Dopo molti studi sui materiali attivati ​​con alcali, gli AAB possono essere classificati in base al metodo di produzione in due sistemi principali: un sistema AAB in due parti e un sistema AAB in una sola parte, come chiarito in Fig. 1.

Classificazione della produzione di leganti attivati ​​con alcali.

Il tradizionale sistema AAB in due parti è la tecnica principale per produrre AAB in cui il materiale attivo amorfo di alluminosilicato è combinato con la soluzione alcalina forte precedentemente preparata27,28,29,30. Gli AAB in due parti hanno proprietà significative; mostrano elevate proprietà meccaniche in termini di resistenza alla compressione31,32,33, forza di adesione30,34 e resistenza ai carichi di fatica35,36. Inoltre, hanno una durata maggiore rispetto al PC in termini di resistenza agli acidi37,38,39, alle sostanze chimiche40,41, ai cicli di gelo-scongelamento42,43 e alle temperature elevate44,45,46. Nonostante i vantaggi degli AAB in due parti, la presenza dell’attivatore alcalino sotto forma di soluzione è una delle principali sfide che devono affrontare la loro scalabilità a causa delle difficoltà di trasporto, miscelazione e posizionamento del calcestruzzo. Inoltre, alcune delle soluzioni alcaline utilizzate presentano problemi economici e ambientali.