Materiali geopolimerici per le costruzioni in terra cruda Fabio Fratini Quinta Giornata di Studio Gruppo di Lavoro “Geopolimeri” “Materiali Geopolimerici per i Beni Culturali” Firenze Mercoledi 21 marzo 2012

La terra è uno dei più antichi materiali usati in architettura Se ne parla nella Bibbia (Libro dell’Esodo 5, 6-8) Ampiamente diffusa nell’antico Egitto e nelle civiltà della Mesopotamia Vitruvio parla di mattoni di terra (lateres) suggerendo la terra più adatta, l’ opportunità di mescolarla con la paglia, il miglior periodo per la realizzazione dei mattoni, l’essiccamento Plinio parla della tecnica della terra pressata nelle casseforme-pisé (parietes formacei), che fornisce murature molto resistenti e dei mattoni crudi

Circa il 30% della popolazione mondiale vive in costruzioni di terra !

Le costruzioni dell’ Iran, Afghanistan, Yemen, Iraq, Marocco, Mali testimoniano che l’architettura in terra si è evoluta e specializzata fino a raggiungere una perfezione tecnica (sistemi voltati, cupole, edifici a più piani, superfici decorate) Djenné-Mali Bam-Iran Ait Benhaddou-Marocco

Costruzioni in terra cruda sono diffuse anche in Europa: Germania, Inghilterra, Spagna, Portogallo, Italia In Francia il 15% della popolazione rurale vive in costruzioni di terra mulino a Villefontaine-Francia Castilla y Leon Granada, muralla de la Alcazaba

In Italia l’architettura in terra è diffusa in Lombardia (province di Lodi, Crema, Pavia), nell’Alessandrino, nel Ferrarese, in provincia di Macerata, in provincia di Chieti, nel Campidano prov. Alessandria Campidano Campidano

Ci sono molte tecniche per realizzare costruzioni in terra: le più diffuse nell’ area Mediterranea sono: pisé mattoni di terra (adobe)

La terra è anche architettura contemporanea Casa di Martin Rauch-Austria Hotel Tierra-San Pedro de Atacama, Cile Cappella della Riconciliazione, Berlino Gli Stati Uniti”, hanno ufficialmente legittimato l’uso dell’adobe e del pisé inserendo queste tecniche nella normativa nazionale delle costruzioni. In California le costruzioni in adobe crescono con un ritmo del 30% annuo

Cosa è la terra ? Con il termine terra si intende quello che in realtà si deve chiamare suolo cioè lo strato superficiale che ricopre la crosta terrestre e che deriva dall' alterazione di un substrato roccioso Il suolo è composto da: - parte solida (minerale e organica), parte liquida parte gassosa Si differenzia in una serie di orizzonti: orizzonte superficiale (5-10% sostanza organica) eluvium (minerali residuali, acidi umici, lisciviato degli elementi alcalini e alcalino terrosi) illuvium (inorganico)

Composizione della frazione minerale di una terra - Fillosilicati del tipo “minerali argillosi” altri Fillosilicati (muscovite, biotite) quarzo feldspati carbonati ossidi e idrossidi (goethite, ematite, gibbsite) solfati (gesso) solfuri (pirite)

Composizione della terra e caratteristiche del "prodotto finito" - % di minerali argillosi: forte coesione del prodotto essiccato ma fessurazione da ritiro; - tipo di minerali argillosi: la presenza di minerali a reticolo espandibile aumenta i problemi di ritiro e fessurazione con peggioramento delle caratteristiche meccaniche; - sostanze organiche disperse: aumentano la plasticità ma aumentano il ritiro; - fibre vegetali: si oppongono al ritiro e nella giusta quantità migliorano le caratteristiche meccaniche.

Tipi di terre Terre grasse - sono costituite da un’elevata % di minerali argillosi; -trattengono una forte quantità di acqua e la perdono lentamente per evaporazione; -subiscono un forte ritiro in essiccazione; -sono molto plastiche; Terre magre – contengono una % rilevante di frazione sabbiosa; - trattengono poca acqua e la perdono più rapidamente - hanno un basso ritiro; - sono poco plastiche;

La terra cruda: problemi di conservazione strutturali tipo di terra Fattori interni troppo magra troppo grassa minerali espandibili - azione della pioggia (erosione, rigonfiamento) umidità di risalita, sali (disgregazione) uso (erosione) Fattori esterni uso (erosione) terra (magra) umidità di risalita

La terra cruda: gli attuali metodi di conservazione manutenzione rifacimenti

Attuali metodi di miglioramento della qualità della terra (durabilità) Correzione granulometrica calce Aggiunta di fibre Stabilizzazione meccanica compressione paglia - calce - Mg(OH)2 - cemento - altri additivi (es. succhi di piante grasse) -riduzione plasticità -aumento lavorabilità -favorire la flocculazione Stabilizzazione chimica

Sono stati fatti anche tentativi di miglioramento degli impasti terrosi con prodotti consolidanti di sintesi (resine acriliche, resine siliconiche e loro miscele) Le sperimentazioni più innovative di stabilizzazione chimica sono quelle del Dip. di Mineralogia e Petrologia dell’ Università di Granada. L’argilla utilizzata per le murature in terra dell’Alhambra è stata trattata con soluzioni di diluite di Ca(OH)2, NaOH e KOH. Si è visto che: il reticolo dei minerali argillosi espandibili è stato rapidamente distrutto, più lentamente quello di caolinite, illite e paragonite; si sono formati alluminiosilicati alcalini debolmente cristallini stabili e CSH. Entrambi hanno agito da agenti leganti Comunque fino ad ora non sono segnalati metodi di trattamento in opera delle costruzioni in terra

Possibili applicazioni dei materiali geopolimerici alla terra cruda Additivi della terra per migliorarne le caratteristiche di durabilità Prodotti per il consolidamento in situ dei manufatti in terra cruda

Lo scopo della nostra ricerca Ottenere una soluzione a base allumino-silicatica, capace di reagire e produrre una struttura geopolimerica per: additivare l’ impasto terroso per produrre manufatti in terra cruda di maggior durabilità consolidamento superficiale dei manufatti in terra ma anche di materiali lapidei naturali e artificiali

Metodo alternativo di produzione Nel metodo tradizionale di preparazione di materiali geopolimerici è previsto l’utilizzo di soluzioni altamente alcaline. Tali soluzioni possono essere fonte di sottoprodotti dannosi nel campo dei Beni Culturali Per questo abbiamo sperimentato un metodo basato sulla tecnica dell’ attivazione meccano-chimica

L’ attivazione meccano-chimica è un metodo per aumentare la reattività dei materiali Come conseguenza, il trattamento delle materie prime che si utilizzano per la produzione dei geopolimeri, (ceneri vulcaniche, pomici, scorie di fonderia, metacaolino…) risulta più semplice e meno costoso

L’ attivazione meccano-chimica si effettua tramite macinazione spinta Questo processo causa le seguenti trasformazioni: - aumento della superficie specifica; - formazione di difetti puntuali; - transformazioni di fase nei materiali polimorfici; reazioni chimiche. I vantaggi di questo processo sono: più basse temperature di reazione; aumento della solubilità e della velocità di solubilizzazione; formazione di composti solubili in acqua

La nostra sperimentazione Siamo partiti da pomice e caolino come precursori per la produzione di consolidanti geopolimerici e leganti geopolimerici Questi materiali sono stati attivati meccanicamente - usato direttamente come additivo mescolato alla terra - lisciviato con soluzioni alcaline in bassa concentrazione (1M) rispetto a quelle normalmente utilizzate nella produzione dei geopolimeri (5-10M) in modo da ottenere una soluzione ricca in Si(OH)4 e Al(OH)4 capace di geopolimerizzare e consolidare materiale attivato

Quantità di Si e Al nella soluzione ottenuta dalla lisciviazione del caolino attivato - a 320’ di macinazione, con NaOH 1M si ottiene: Si~600ppm e Al~800ppm Quantità di Si nella soluzione ottenuta dalla lisciviazione della pomice attivata - a 320’ di macinazione, sia con NaOH che con KOH 1M si ottiene: Si~4000ppm

Preparazione della terra per la sperimentazione Si è utilizzata una terra marnoso-argillosa in cui la frazione argillosa contiene una piccola quantità di minerali a reticolo espandibile Si è selezionata una granulometria < 630 m 40g di terra sono stati mescolati a 20ml delle seguenti soluzioni: - NaOH 0,386M - KOH 0,382M - soluzione estratta da caolino macinato in NaOH 1M - soluzione estratta da caolino macinato in KOH 1M - soluzione estratta da pomice macinata in NaOH 1M - soluzione estratta da pomice macinata in KOH 1M - acqua distillata - soluzione acquosa di nano-silice

Provini di terra realizzati acqua caolino + KOH 1M caolino + NaOH 1M KOH 0,382M NaOH 0,386M nanosilice pomice + KOH 1M pomice + NaOH 1M

Verifica del comportamento dei campioni di terra Prove di resistenza alla perforazione (DRMS) Le soluzioni estratte con NaOH 1M sono quelle che hanno un’efficacia maggiore. La nanosilice rende il materiale duro ma fragile

Variazioni colorimetriche Il DE ha valori vicini a 3 Il parametro che varia maggiormente è b con tendenza ad un aumento (ingiallimento)

Il lavoro che resta da fare Valutazione di Na e K liberi dovuti a reazione incompleta degli attivatori alcalini Verifica della presenza di eventuali fasi di neoformazione dannose come carbonati alcalini Studio delle fasi cristalline di neoformazione (idrosodalite ecc..) che accompagnano i composti amorfi formatisi nel processo di geopolimerizzazione Studio delle capacità stabilizzanti Studio della durabilità degli impasti terrosi Mettere a punto il metodo di trattamento superficiale con le soluzioni realizzate