Pannelli murali geopolimerici a risparmio energetico: ottimizzazione delle proprietà meccaniche, termiche e acustiche per un'edilizia sostenibile | Rapporti scientifici

Scientific Reports volume 15, Numero articolo: 25851 (2025) Cita questo articolo

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La crescente domanda di materiali da costruzione sostenibili e multifunzionali nel settore delle costruzioni avanzate richiede compositi innovativi che acquisiscano prestazioni meccaniche, termiche e acustiche superiori. Questo studio si concentra sull'analisi del potenziale dei compositi geopolimerici sviluppati con loppa d'altoforno granulata macinata (GGBS), sabbia di fonderia di scarto (WFS), vermiculite e fibra di cocco. Sono stati sviluppati cinque mix design (M1–M5) con diverse combinazioni di WFS (5–25% in peso) e contenuto di vermiculite (40–20% in peso), mantenendo costanti il rapporto liquido/legante (L/B = 0,4) e il contenuto di fibra di cocco (5% in peso). I risultati dei test evidenziano l'impatto del mix design sulle prestazioni del materiale. In questo studio, per i campioni da M1 a M5, le densità sono variate da 1302 a 2032 kg/m³, l'assorbimento d'acqua è diminuito dal 23 al 9%, la resistenza a compressione è migliorata da 6,52 MPa a 20,0 MPa, mentre la resistenza a flessione è aumentata da 2,9 MPa a 7,0 MPa, indicando un miglioramento dell'integrità strutturale con l'aumento della WFS. Inoltre, la conduttività termica è variata da 0,1222 a 0,1652 W/m·K e i coefficienti di assorbimento acustico (SAC) hanno raggiunto un picco di 0,41, mentre i coefficienti di riduzione del rumore (NRC) sono variati da 0,23 a 0,10, dimostrando prestazioni termiche e acustiche superiori in miscele con maggiore porosità dovuta alla vermiculite. Inoltre, lo studio sottolinea la versatilità dei compositi geopolimerici, che possono essere adattati per applicazioni specifiche regolando le proporzioni della miscela. I risultati dei test posizionano i compositi geopolimerici come una soluzione promettente per materiali edili sostenibili e multifunzionali nell'edilizia moderna.

Il settore delle costruzioni si trova ad affrontare principalmente una duplice sfida: l'accelerazione dell'urbanizzazione e la mitigazione dell'impatto ambientale. L'urbanizzazione ha intensificato la domanda di infrastrutture, portando all'esaurimento delle risorse naturali e a un aumento delle emissioni di gas serra. Allo stesso tempo, la sostenibilità ambientale è diventata una preoccupazione urgente, che richiede lo sviluppo di materiali e pratiche ecocompatibili per mitigare l'impronta di carbonio del settore. Con una popolazione mondiale che dovrebbe superare i 9 miliardi entro il 2050, si prevede che le aree urbane ospiteranno circa il 68% della popolazione mondiale, determinando una domanda senza precedenti di infrastrutture sostenibili1. Ciononostante, il cemento Portland, pietra angolare dell'edilizia moderna, contribuisce in modo significativo alle emissioni globali di CO₂, rappresentando circa il 7-8% delle emissioni totali, generando 0,9 tonnellate di CO₂ per ogni tonnellata di cemento prodotta2,3. Il suo processo di produzione ad alta intensità energetica e la dipendenza dal calcare naturale hanno profonde implicazioni ambientali, sottolineando l'urgente necessità di alternative sostenibili. Questi parametri sottolineano l'urgente necessità di materiali da costruzione innovativi, efficienti dal punto di vista energetico ed ecosostenibili3.

La tecnologia dei geopolimeri è riconosciuta come una valida alternativa alle tecnologie di costruzione convenzionali. I geopolimeri offrono il duplice vantaggio di ridurre l'impronta di carbonio e di favorire l'economia circolare integrando sottoprodotti industriali come ceneri volanti, GGBS e WFS4,5,6. A differenza del cemento Portland, i geopolimeri sono formulati mediante un processo di attivazione alcalina, che trasforma i precursori di alluminosilicato in un composito stabile e indurito. Questo metodo riduce notevolmente l'energia impiegata e promuove una riduzione fino all'80% delle emissioni di CO₂, rendendo i geopolimeri un componente cruciale nella produzione di materiali da costruzione ecologici5,7.

I geopolimeri vengono sintetizzati attraverso l'attivazione alcalina di materiali alluminosilicati. La loppa d'altoforno granulata macinata (GGBS) e la sabbia di fonderia di scarto (WFS), sottoprodotti metallurgici, svolgono un ruolo fondamentale nella geopolimerizzazione. La reazione chimica forma gel di idrato di alluminosilicato di calcio (CASH) e di idrato di alluminosilicato di sodio (NASH), responsabili dell'elevata resistenza e durabilità dei materiali geopolimerici. Studi recenti hanno dimostrato il potenziale dell'incorporazione di polvere di scarto di granito e altri sottoprodotti per migliorare le proprietà meccaniche dei geopolimeri a diverse molarità di attivatori8,9,10,11. Inoltre, l'importanza del moto alcalino nei sistemi geopolimerici va oltre il semplice aumento della resistenza; riduce l'impronta di carbonio consentendo l'utilizzo di materiali di scarto industriali. Infine, l'integrazione di fibre naturali nei geopolimeri si è dimostrata promettente nel migliorare la resistenza alla trazione, la resistenza alle cricche e le prestazioni complessive, riducendo al contempo gli scarti e gli scarti di materiale10,11.

Considerando questo aspetto, è stata recentemente studiata la possibilità di combinare diversi sottoprodotti industriali con additivi naturali per adattare le prestazioni dei geopolimeri a scopi specifici. Grazie alla sua reattività resiliente, è stato dimostrato che il GGBS aumenta significativamente la resistenza iniziale del calcestruzzo geopolimerico. La ricerca indica che quando il GGBS viene incorporato con altre sostanze, la sua resistenza alla compressione può essere aumentata fino a 80,2 MPa12. Il WFS funge da eccellente riempitivo che promuove gli sforzi di gestione dei rifiuti migliorando al contempo le prestazioni meccaniche. È una risorsa utile nelle composizioni geopolimeriche perché la sua incorporazione migliora la resistenza e la durabilità13. La vermiculite offre isolamento termico e acustico grazie alla sua bassa densità e alla sua natura porosa. Grazie a questa caratteristica, è un'aggiunta perfetta ai pannelli edili ecocompatibili, promuovendo metodi di costruzione ecocompatibili14. La fibra di cocco e altre fibre naturali vengono incorporate nei compositi geopolimerici per migliorarne la resistenza ai danni. Queste fibre di cellulosa aumentano la resistenza complessiva del materiale e la responsabilità ambientale riducendo ritiro e fessurazioni15.

Secondo alcuni studi, i pannelli murali geopolimerici rinforzati con fibre sono adatti all'edilizia sostenibile in quanto possiedono elevate proprietà termiche e acustiche. L'integrazione di fibre naturali come juta, cotone, bambù e cocco migliora significativamente le proprietà di isolamento termico e acustico. Con valori di conduttività termica fino a 0,316 W/m·K, i compositi geopolimerici arricchiti con materiali di scarto biologici e contenenti fibre di melammina offrono un isolamento termico eccezionale14,16. Poiché le fibre naturali aumentano la resistenza termica e riducono la conduttività termica, i materiali geopolimerici rappresentano una valida opzione per l'edilizia a basso consumo energetico17. Questi compositi presentano eccellenti caratteristiche di isolamento acustico e valori di assorbimento acustico che raggiungono fino a 0,70 a 500 Hz16. L'inclusione di fibre organiche ottimizza ulteriormente l'assorbimento acustico, in particolare riducendo la propagazione del rumore da impatto alle basse frequenze. I geopolimeri presentano inoltre proprietà termoisolanti e acustiche superiori, come dimostrato da precedenti ricerche, il che li rende adatti per applicazioni di risparmio energetico e riduzione del rumore nell'edilizia. Queste caratteristiche, unite alla loro economicità e alla dipendenza da sottoprodotti industriali, posizionano i geopolimeri come un'alternativa sostenibile in grado di generare economie di settore18. Inoltre, da studi precedenti, le funzionalità termiche e acustiche dei pannelli murali in geopolimeri sono potenzialmente migliorate da varie modifiche e mix di materiali. Questi studi sottolineano l'idoneità dei materiali geopolimerici per applicazioni edilizie a risparmio energetico e riduzione del rumore, promuovendone ulteriormente l'adozione nel settore19. Nonostante il rinforzo in fibra aumenti le caratteristiche termiche e acustiche, sono necessari ulteriori studi per garantire la longevità dei materiali in una serie di scenari edilizi, a causa del loro impatto sull'ambiente e della loro durabilità a lungo termine.

Oltre alla sostenibilità, i geopolimeri promuovono eccellenti proprietà funzionali che soddisfano le esigenze di un'edilizia avanzata ed efficiente dal punto di vista energetico. Ad esempio, i compositi di schiuma geopolimerica che integrano aerogel di silice raggiungono una conduttività termica minima di 0,133 W/(m·K), dimostrando un eccezionale potenziale di isolamento termico20. L'aggiunta di grandi particelle di aerogel di silice nella schiuma geopolimerica migliora l'assorbimento acustico, con un coefficiente di assorbimento medio di 0,5120, mentre la progettazione di pannelli rinforzati con fibre, che integrano strati ad alto assorbimento acustico, porta a un efficace isolamento acustico21. Inoltre, studi precedenti mostrano che i pannelli geopolimerici presentano coefficienti di assorbimento acustico compresi tra 0,7 e 1,0 a frequenze inferiori (40-150 Hz) e tra 0,1 e 0,3 a frequenze superiori (800-1600 Hz)21. L'integrazione del contenuto di fibre migliora ulteriormente l'assorbimento acustico, con un dosaggio minimo che raggiunge un coefficiente medio di 0,5120.

Sebbene l'industria edile abbia sempre più adottato i geopolimeri come alternative sostenibili ai tradizionali materiali a base di cemento, la loro applicazione in elementi strutturali come i pannelli murali rimane tuttavia poco esplorata. Le lacune della ricerca includono una scarsa attenzione ai pannelli murali, con un'attenzione minima a sfide specifiche come la capacità portante, l'isolamento termico e la riduzione del rumore; un'indagine insufficiente delle prestazioni in condizioni ambientali realistiche, comprese variazioni di temperatura, umidità e durabilità a lungo termine22; e una mancanza di studi sull'integrazione di sottoprodotti industriali come GGBS e WFS per migliorare le prestazioni. Inoltre, la ricerca esistente spesso isola proprietà come la resistenza alla compressione, sottolineando la necessità di valutazioni olistiche delle prestazioni meccaniche, termiche e acustiche23. Questo studio affronta queste lacune proponendo una nuova miscela di geopolimeri che incorpora GGBS e WFS per garantire resistenza, durabilità e sostenibilità; valutando le prestazioni multifunzionali in condizioni di laboratorio e simulate; enfatizzando la sostenibilità attraverso l'uso di sottoprodotti industriali per ridurre l'impronta di carbonio; e colmando il divario tra la ricerca di laboratorio e le applicazioni nel mondo reale. Questi sforzi mirano a far progredire la comprensione dei pannelli murali geopolimerici e del loro potenziale trasformativo per l'edilizia sostenibile.

Questa ricerca si concentra principalmente sullo sviluppo e la valutazione di pannelli murali geopolimerici ad alta efficienza energetica, variando sistematicamente la miscela di materiali. In questo studio, sono state sviluppate cinque miscele di materiali geopolimerici, variando le proporzioni di WFS e vermiculite, mantenendo costanti GGBS e fibra di cocco. I parametri chiave valutati includono:

Densità: influenza la stabilità strutturale e il peso del materiale, incidendo direttamente sui requisiti energetici di trasporto e installazione.

Assorbimento d'acqua: indica la porosità e la durevolezza del materiale, essenziale per valutarne la resistenza al degrado ambientale.

Resistenza alla compressione e alla flessione: misura la capacità portante e la robustezza meccanica, fondamentali per le applicazioni strutturali.

Conduttività e resistenza termica: determinano le capacità isolanti del materiale, rispondendo all'esigenza di una costruzione efficiente dal punto di vista energetico.

Prestazioni acustiche: valutate attraverso il coefficiente di assorbimento acustico e il coefficiente di riduzione del rumore (NRC), questi parametri contribuiscono al comfort degli occupanti e alla mitigazione del rumore.

I risultati di questo studio dimostrano il potenziale dei compositi geopolimerici come materiali da costruzione multifunzionali che soddisfano la crescente domanda di infrastrutture sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico. Rispetto ai materiali tradizionali, i pannelli murali geopolimerici sviluppati presentano un isolamento termico, prestazioni acustiche e proprietà meccaniche superiori, offrendo una soluzione versatile per le moderne sfide dell'edilizia. Oltre ai suoi contributi tecnici, questa ricerca si allinea agli obiettivi globali di sostenibilità, enfatizzando l'efficienza delle risorse e la valorizzazione dei rifiuti. Incorporando sottoprodotti industriali e fibre naturali rinnovabili, lo studio supporta gli sforzi per ridurre al minimo i rifiuti in discarica, ridurre l'impronta di carbonio e preservare le risorse naturali. I risultati evidenziano la scalabilità della tecnologia geopolimerica dalla ricerca di laboratorio alle applicazioni pratiche, dimostrandone il potenziale trasformativo nel settore delle costruzioni.

I materiali utilizzati in questo studio sono stati selezionati per il loro ruolo complementare nel migliorare le proprietà termiche e acustiche dei pannelli murali geopolimerici. Le materie prime, come il GGBS, sono state acquistate da RR Enterprices di Chennai e sono un sottoprodotto del processo di altoforno utilizzato nella produzione di ghisa. Il GGBS è servito come legante primario grazie alla sua eccellente reattività e al contributo allo sviluppo della resistenza attraverso la geopolimerizzazione. Un altro materiale, il WFS, proveniente dall'industria locale di fusione dell'acciaio, è stato incorporato come riempitivo per migliorare la densità e la resistenza meccanica della miscela, sfruttando la sua granulometria uniforme e le sue caratteristiche di inerzia. La vermiculite, proveniente da un fornitore commerciale, un materiale leggero con eccellenti proprietà di isolamento termico, è stata aggiunta per ridurre la conduttività termica. La vermiculite è incorporata nella miscela geopolimerica per migliorare l'isolamento termico. La sua struttura a strati e la bassa conduttività termica riducono significativamente il trasferimento di calore attraverso il materiale, rendendolo adatto ad applicazioni che richiedono materiali da costruzione a risparmio energetico24. La Tabella 1 mostra la distribuzione granulometrica e la Tabella 2 mostra la composizione minerale di GGBS, vermiculite e WFS. La distribuzione granulometrica e la composizione chimica dei materiali utilizzati in questo studio influenzano significativamente il loro ruolo e la loro efficacia nelle applicazioni geopolimeriche. Il GGBS, con una granulometria compresa tra 1 e 100 micron e una dimensione mediana (D50) compresa tra 10 e 30 micron, viene macinato finemente per ottenere un'area superficiale specifica di 500-700 m²/kg25. Questa granulometria fine ne migliora la reattività, rendendolo altamente applicabile per reazioni cementizie e geopolimerizzazione. Chimicamente, il GGBS contiene il 30-50% di silice (SiO₂), il 6-13% di allumina (Al₂O₃) e il 30-50% di ossido di calcio (CaO), che contribuiscono collettivamente alle sue proprietà pozzolaniche e idrauliche latenti. Componenti minori includono ossido di magnesio (2-10%) e tracce di altri composti come SO₃ e TiO₂.

La vermiculite, un minerale fillosilicato noto per la sua struttura lamellare, presenta un intervallo granulometrico più ampio, da 50 a 2000 micron, con dimensioni mediane di 250-500 micron a seconda del grado. Le particelle più grossolane vengono generalmente utilizzate per l'isolamento termico, mentre quelle più fini vengono incorporate nel calcestruzzo leggero. A differenza del GGBS, la vermiculite non ha una metrica standard per l'area superficiale specifica, poiché la sua applicazione dipende dalle sue proprietà fisiche piuttosto che dalla reattività. Chimicamente, la vermiculite è composta dal 30-40% di silice, dal 15-10% di allumina e dal 25-35% di ossido di magnesio (MgO), che contribuisce alle sue proprietà di isolamento termico. Contiene inoltre ossido di ferro (15-25%) e ossido di potassio (6-12%), insieme a tracce di impurità come quarzo e feldspato.

La sabbia da costruzione (WFS) presenta una granulometria compresa tra 65 e 1000 micron, con la maggior parte delle particelle compresa tra 250 e 600 micron. Questa granulometria uniforme rende la WFS un valido sostituto della sabbia naturale in edilizia. Dal punto di vista chimico, la WFS è composta principalmente da silice (60-90%) con piccole quantità di allumina (2-8%), ossido di ferro (1-6%) e altri ossidi minori. A seconda del suo precedente utilizzo, la WFS può anche contenere leganti organici o impurità che richiedono un trattamento prima dell'incorporazione nei materiali da costruzione26.

Le fibre di cocco, ricavate dai gusci di cocco, sono state utilizzate come additivi per migliorare la resistenza alla flessione e la resistenza alle crepe, grazie alla loro elevata resistenza alla trazione e al legame naturale con la matrice geopolimerica. Altri materiali includevano pellet di NaOH (purezza del 96%), silice colloidale (64,5% in peso di H₂O, 26,98% in peso di SiO₂ e 8,53% in peso di Na₂O) e acqua di rubinetto27. Prima degli esperimenti, pellet di NaOH, silice colloidale e acqua di rubinetto sono stati miscelati accuratamente e raffreddati per produrre l'attivatore alcalino. L'attivatore alcalino consisteva in una soluzione di silicato di sodio e idrossido di sodio (concentrazione 10 M) in un rapporto di 2,5:1, che facilitava la reazione di geopolimerizzazione attivando il legante GGBS28,29,30. L'attenta selezione e caratterizzazione di questi materiali garantisce il loro ruolo complementare nel migliorare le prestazioni meccaniche, termiche e acustiche dei sistemi basati su geopolimeri. Il GGBS contribuisce alla resistenza e alla reattività, la vermiculite fornisce isolamento termico e il WFS funge da alternativa sostenibile alla sabbia naturale, migliorando la densità e la fluidità.

Sono stati formulati compositi con cinque mix design (da M1 a M5), variando le proporzioni di WFS e vermiculite, mantenendo costanti il contenuto di GGBS e fibra di cocco rispettivamente al 55% e al 5% in peso. Il mix design sviluppato è dettagliato nella Tabella 3. Le malte presentavano un rapporto L/B di 0,40, un dosaggio alcalino (rapporto Na2O/legante) del 6,0% in peso e un modulo silicatico (rapporto molare SiO2/Na2O dell'attivatore alcalino) di 1,15. Sulla base di studi precedenti, è stato scelto un rapporto liquido-legante di 0,4 per garantire un'adeguata lavorabilità e una sufficiente attivazione del legante per la geopolimerizzazione31. Questo rapporto bilancia la fluidità della miscela con le sue proprietà meccaniche e di presa32,33. Le proporzioni specifiche sono state adattate per valutare gli effetti dell'aumento del contenuto di WFS e della diminuzione del contenuto di vermiculite sulle prestazioni termiche, acustiche e meccaniche dei pannelli geopolimerici.

Inizialmente, i componenti secchi (GGBS, WFS e vermiculite) vengono miscelati in un miscelatore meccanico. I materiali secchi devono essere miscelati uniformemente per 3-5 minuti per evitare la segregazione e garantire l'uniformità34. Parallelamente, la soluzione di attivatore alcalino viene preparata sciogliendo idrossido di sodio (NaOH) in acqua fino a raggiungere una concentrazione di 10 M. Questa viene quindi miscelata con una soluzione di silicato di sodio in un rapporto di 2,5:1 (Na₂SiO₃: NaOH) per creare una soluzione altamente alcalina che attiva il GGBS e la sabbia di fonderia35. La soluzione alcalina viene lasciata raffreddare a temperatura ambiente prima di essere aggiunta alla miscela secca. L'attivatore alcalino preparato viene aggiunto lentamente alla miscela secca, mescolando continuamente. Il rapporto liquido/legante viene mantenuto a 0,4 per garantire la corretta attivazione dei leganti. La miscela viene agitata accuratamente fino a ottenere una pasta omogenea. Le fibre di cocco vengono pre-immerse in acqua per 30 minuti per migliorarne la dispersione all'interno della miscela e garantire una migliore adesione con i materiali leganti. Questo processo di immersione migliora la resistenza dell'adesione e la durabilità complessiva del composito36. Gradualmente, le fibre di cocco pre-immerse vengono aggiunte all'impasto omogeneo. Le fibre devono essere distribuite uniformemente per evitare la formazione di grumi e garantire un rinforzo uniforme in tutto il materiale composito.

Lo sviluppo di pannelli murali geopolimerici ha comportato un processo semplificato che comprendeva la preparazione delle materie prime (GGBS, WFS e vermiculite), la preparazione della soluzione alcalina, la miscelazione dei componenti secchi e umidi, la colata dei campioni negli stampi, la polimerizzazione a temperatura ambiente e i test delle proprietà meccaniche, termiche e di rumorosità. Questo approccio sistematico garantisce riproducibilità e scalabilità, rendendo i pannelli adatti ad applicazioni pratiche. Il flusso di processo per lo sviluppo di pannelli murali compositi geopolimerici è illustrato nella Figura 1.

Processo di realizzazione del pannello murale geopolimerico37.

Il materiale miscelato viene versato in stampi della forma e delle dimensioni richieste, come cubi da 50 mm × 50 mm × 50 mm per prove di resistenza alla compressione, stampi prismatici (160 mm x 40 mm x 40 mm) per prove di flessione e pannelli di particelle da 300 mm x 300 mm x 15 mm per prove termiche e acustiche. Gli stampi devono essere pre-oliati o rivestiti per facilitarne la sformatura dopo la polimerizzazione. Il materiale miscelato viene compattato negli stampi per eliminare le sacche d'aria e garantire un campione denso e omogeneo38,39,40. I campioni sono stati polimerizzati per 28 giorni in condizioni controllate per garantire l'uniformità del processo di geopolimerizzazione. Nello specifico, i campioni sono stati polimerizzati a una temperatura costante di 25 °C (± 2 °C) e un'umidità relativa del 90% (± 5%). Per mantenere queste condizioni, i campioni sono stati conservati in una camera di polimerizzazione sigillata dotata di controllo dell'umidità per evitare la perdita di umidità durante il periodo di polimerizzazione. Questi parametri di polimerizzazione sono stati selezionati sulla base di pratiche standard nella ricerca sui geopolimeri e per simulare le condizioni di polimerizzazione ambiente tipicamente riscontrate nelle applicazioni edilizie. Mentre la polimerizzazione a temperatura elevata (tipicamente 60-90 °C per 24-48 ore) è ampiamente utilizzata negli studi di laboratorio per accelerare la geopolimerizzazione e migliorare la resistenza iniziale, la polimerizzazione ambiente ha guadagnato attenzione per la sua applicabilità in scenari reali, in particolare per le costruzioni su larga scala dove la polimerizzazione ad alta intensità energetica è impraticabile. Diversi studi recenti41 hanno dimostrato la fattibilità della polimerizzazione ambiente per sistemi geopolimerici che incorporano GGBS e altri precursori reattivi, poiché questi materiali forniscono un contenuto di calcio e alluminosilicato sufficiente a facilitare la geopolimerizzazione a temperatura ambiente. Dopo il periodo di polimerizzazione, i campioni vengono quindi conservati in condizioni controllate (temperatura ambiente con umidità relativa del 50%) fino al momento del test.

In questo studio, sono stati studiati densità e assorbimento d'acqua, resistenza alla compressione e alla flessione di cinque tipologie di pannelli isolanti geopolimerici integrati in fibra. Sono state inoltre registrate le caratteristiche termiche e le prestazioni acustiche dei pannelli. Per esplorare meglio le caratteristiche superficiali e di sezione trasversale dei campioni, è stata osservata la morfologia microscopica.

La densità a secco di ciascun campione cubico (50 × 50 × 50 mm³) è stata valutata per determinare la densità complessiva del materiale, secondo la norma ASTM C13827. Prima del test, tutti i campioni sono stati pre-essiccati in forno a 60 °C fino al raggiungimento di una massa costante. La massa di ciascun campione è stata quindi misurata con due cifre decimali. L'equazione 1 fornisce la formula per calcolare la densità apparente:

dove m rappresenta la massa del campione secco (kg) e V rappresenta il volume del campione (m3).

I test di conformità sull'assorbimento d'acqua dei compositi geopolimerici sono stati condotti in conformità con gli standard ASTM C118542 e C118643. L'assorbimento d'acqua è un test di routine con valori relativi. Il test viene effettuato per determinare la tendenza di un prodotto ad assorbire acqua e talvolta per determinarne l'uniformità. L'adesione agli standard ASTM garantisce che i nostri risultati siano confrontabili con la letteratura esistente e soddisfino il rigore necessario per la validazione scientifica. Inoltre, l'utilizzo di questi standard fornisce un quadro per replicare i nostri risultati, migliorando così l'applicabilità della nostra ricerca sia a fini accademici che industriali. I campioni di barre rettangolari sono stati utilizzati come segmenti rappresentativi delle piastre. L'assorbimento d'acqua (WA) è stato calcolato utilizzando la seguente equazione (Eq. 2):

Dove:

\(\:{W}_{s}\) = massa satura (g) del campione immerso per 48 ± 8 h,

\(\:{W}_{d}\) = massa secca (g) del campione

I compositi geopolimerici sono stati sottoposti a prove di resistenza a compressione secondo la norma ASTM C10944. Provini cubici di dimensioni 50 × 50 × 50 mm sono stati lasciati stagionare per 28 giorni. La prova di compressione è stata condotta utilizzando una macchina di prova universale con una capacità di 2000 kN e una velocità di spostamento costante di 2 mm/min. L'elevata precisione dell'UTM garantisce risultati accurati e riproducibili, fondamentali per la valutazione delle prestazioni meccaniche del materiale. La resistenza a compressione di ciascun campione cubico è stata determinata facendo la media dei risultati ottenuti da tre provini. Tre repliche di provini sono state sottoposte a test di resistenza. La resistenza a compressione è calcolata utilizzando la seguente formula (Eq. (3)):

dove P è la resistenza alla compressione (MPa), F è il carico massimo applicato al campione (kN) e A è l'area della sezione trasversale del campione (m2).

Dopo la polimerizzazione, un campione indurito è stato diviso a metà ed essiccato a una temperatura di 60 °C fino alla stabilizzazione della massa. Successivamente, il campione è stato immediatamente confezionato sottovuoto e raffreddato a temperatura ambiente. La conduttività termica del campione è stata misurata secondo lo standard ASTM D 5930 (2017) utilizzando lo strumento Xiatech TC3100 (0,001–20 W/(m∙K)) tramite il metodo del filo caldo transitorio. Ogni campione è stato testato cinque volte per la precisione richiesta e la camera di prova è stata mantenuta a una temperatura di 25–27 °C e un'umidità relativa del 45–50%45,46.

Il coefficiente di assorbimento acustico dei compositi geopolimerici è stato testato utilizzando il metodo del tubo di impedenza. Il principio si basava sulle misurazioni della funzione di trasferimento, come descritto nella norma GB/T 18696.2–200247. Durante il test, il campione è stato posizionato a un'estremità del tubo di impedenza e l'altra estremità è la sorgente sonora. Due microfoni sono stati posizionati lungo il tubo e la pressione sonora incidente e riflessa sono state misurate separatamente, mentre venivano calcolate le loro funzioni di trasferimento. In base alla funzione di trasferimento, è possibile calcolare il fattore di riflessione del suono (r). L'equazione 4 fornisce la formula per il calcolo del coefficiente di assorbimento acustico:

Il tubo di impedenza (BK 4206) utilizzato nell'esperimento è mostrato in Figura 2. Il campione (vedere l'illustrazione in Figura 3), con un diametro di 99 mm e un'altezza di 15 mm, è stato preparato secondo i requisiti del test. Le superfici del campione sono state lucidate prima dell'inizio del test. A causa della limitazione del diametro fisso del tubo di impedenza, l'intervallo di frequenza del test era compreso tra 125 Hz e 6300 Hz. Ogni campione è stato testato due volte per garantire l'affidabilità dei risultati.

Configurazione sperimentale del tubo di impedenza di assorbimento acustico.

I campioni per l'assorbimento acustico (a). Campione M1, (b). Campione M2, (c). Campione M3, (d). Campione M4, (e). Campione M537.

L'NRC è stato determinato a valutare ulteriormente le proprietà di assorbimento acustico dei compositi. L'NRC fornisce un indicatore dell'efficacia dell'assorbimento acustico calcolando la media dei valori SAC (alfa) a frequenze specifiche (250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz e 2000 Hz), come descritto nella norma ASTM C42342. Ciò consente un confronto delle prestazioni complessive di assorbimento acustico di diversi materiali. L'equazione 5 fornisce la formula per calcolare il coefficiente di assorbimento acustico27:

.

Sono state eseguite osservazioni morfologiche sulla superficie e sulla sezione trasversale dei materiali mediante microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM). Inoltre, i campioni sono stati tagliati in piccoli pezzi e la superficie è stata rifinita e lucidata prima dell'osservazione.

La densità delle miscele rivela un chiaro andamento influenzato dalla composizione del materiale, in particolare dalle proporzioni di vermiculite e WFS. La Figura 4 illustra l'andamento della densità in funzione dell'assorbimento d'acqua. Al diminuire del contenuto di vermiculite e all'aumentare del contenuto di sabbia di fonderia, la densità delle miscele aumenta significativamente. M1, con il massimo contenuto di vermiculite (40%) e il più basso contenuto di WFS (5%), mostra la densità più bassa, pari a 1302 kg/m³. La natura leggera e porosa della vermiculite riduce significativamente la densità complessiva della miscela. Man mano che la WFS sostituisce la vermiculite nelle miscele successive, la densità aumenta gradualmente, riflettendo la maggiore densità apparente della sabbia di fonderia rispetto alla vermiculite. M2 e M3, con una combinazione intermedia di vermiculite (rispettivamente 35% e 30%) e WFS (rispettivamente 10% e 15%), mostrano densità medie di 1530 kg/m³ e 1576 kg/m³. Questo aumento graduale evidenzia l'effetto densificante della sostituzione della vermiculite con sabbia da fonderia, poiché la miscela diventa meno porosa e più compatta28. Le densità più elevate si osservano in M4 (1944 kg/m³) e M5 (2032 kg/m³), dove il contenuto di vermiculite è al minimo (rispettivamente 25% e 20%) e il contenuto di sabbia da fonderia è al massimo (rispettivamente 20% e 25%)48. Il netto aumento di densità in queste miscele sottolinea la predominanza della struttura più densa della sabbia da fonderia, che supera il contributo leggero della vermiculite. Questi risultati sono fondamentali per determinare l'idoneità delle miscele per diverse applicazioni. M1 e M2, con densità inferiori, sono ideali per applicazioni leggere, come pannelli non strutturali o strati isolanti in cui la riduzione del carico morto è una priorità49. Al contrario, M4 e M5, con le loro densità più elevate, sono più adatti per applicazioni strutturali o aree che richiedono una maggiore resistenza meccanica, poiché la maggiore densità è correlata a una migliore capacità di carico48.

Densità a secco e assorbimento d'acqua.

Le caratteristiche di assorbimento d'acqua delle miscele dimostrano una dipendenza significativa dalla composizione del materiale, in particolare dall'equilibrio tra vermiculite e sabbia da fonderia. Al diminuire della percentuale di vermiculite e all'aumentare del contenuto di sabbia da fonderia, l'assorbimento d'acqua si riduce notevolmente. Il campione M1, con il contenuto massimo di vermiculite (40%), mostra il tasso di assorbimento d'acqua più elevato, pari al 23%. La natura altamente porosa della vermiculite consente al composito di trattenere l'acqua. Inoltre, la natura idrofila della vermiculite determina anche un'elevata capacità di assorbimento d'acqua, rendendo le miscele con una maggiore percentuale di questo materiale più inclini alla ritenzione di umidità. Riducendo gradualmente il contenuto di vermiculite in M2 (35%) e M3 (30%) e aumentando il contenuto di sabbia da fonderia rispettivamente al 10% e al 15%, l'assorbimento d'acqua diminuisce al 22% e al 19%. Questa tendenza riflette la ridotta porosità e la maggiore compattezza delle miscele, poiché la sabbia da fonderia, essendo meno porosa, limita la capacità complessiva di ritenzione idrica. I valori di assorbimento d'acqua più bassi si osservano in M4 (12%) e M5 (9%), che contengono il contenuto di vermiculite più basso (25% e 20%) e il contenuto di sabbia da fonderia più alto (20% e 25%). La struttura densa della sabbia da fonderia e le sue minime caratteristiche di ritenzione idrica contribuiscono in modo significativo alla riduzione dell'assorbimento d'acqua in queste miscele50. Inoltre, la maggiore compattazione e la riduzione degli spazi vuoti in queste miscele ne migliorano ulteriormente la resistenza all'ingresso di acqua. Questi risultati hanno implicazioni pratiche per l'applicazione delle miscele in edilizia. Le miscele con un maggiore assorbimento d'acqua, come M1 e M2, possono essere adatte per applicazioni in cui l'interazione con l'umidità è meno critica o in cui è possibile applicare rivestimenti aggiuntivi per mitigare l'ingresso di acqua. Al contrario, le miscele con un minore assorbimento d'acqua, come M4 e M5, sono più adatte per ambienti in cui la resistenza all'umidità è essenziale, come in strutture esterne o esposte all'acqua28,49. È evidente una forte relazione inversa tra i valori di densità e assorbimento d'acqua in tutte le miscele. L'aumento del contenuto di WFS nelle miscele ha portato a una maggiore densità, grazie al peso specifico relativamente elevato di WFS rispetto alla vermiculite. Contemporaneamente, il fabbisogno idrico è diminuito, poiché le particelle di WFS hanno ridotto gli spazi vuoti e migliorato la densità di riempimento. Questo comportamento evidenzia la capacità di WFS di migliorare la compattezza della matrice geopolimerica, ottimizzando al contempo l'utilizzo dell'acqua. All'aumentare della densità, il corrispondente assorbimento d'acqua diminuisce, riflettendo la densificazione e la ridotta porosità della matrice geopolimerica. Questa relazione sottolinea il ruolo della selezione degli aggregati e del dosaggio della miscela nel raggiungimento delle caratteristiche prestazionali desiderate nei compositi geopolimerici.

I risultati della resistenza a compressione per le miscele mostrate in Fig. 5 rivelano una chiara progressione man mano che le proporzioni di vermiculite e WFS vengono modificate, con un aumento significativo della resistenza al diminuire del contenuto di vermiculite e all'aumentare del contenuto di WFS. Ciò evidenzia l'influenza della composizione del materiale sulle prestazioni strutturali delle miscele. M1 e M2, con il più alto contenuto di vermiculite (rispettivamente 40% e 35%), mostrano le resistenze a compressione più basse, rispettivamente a 6,52 MPa e 6,6 MPa. La vermiculite leggera e porosa comporta una minore densità della miscela e, di conseguenza, una minore resistenza. Sebbene questi valori possano limitarne l'applicazione in elementi strutturali, tali miscele potrebbero comunque essere utili in applicazioni non portanti, come pannelli isolanti termici o pareti divisorie leggere28,49. Al diminuire del contenuto di vermiculite e all'aumentare del contenuto di WFS in M3 (30% vermiculite, 15% sabbia di fonderia), la resistenza a compressione aumenta significativamente fino a 9 MPa. Questo miglioramento riflette la maggiore densificazione della miscela, poiché WFS contribuisce a creare una matrice più compatta e resistente, in grado di sopportare carichi più elevati.

Resistenza alla compressione.

La tendenza diventa più pronunciata in M4 e M5, dove il contenuto di vermiculite è ridotto al 25% e al 20%, e il contenuto di WFS è aumentato rispettivamente al 20% e al 25%. Queste miscele raggiungono le più elevate resistenze a compressione, con M4 che raggiunge 19,2 MPa e M5 che raggiunge 20 MPa. Il sostanziale miglioramento della resistenza è dovuto alla maggiore densità e alla ridotta porosità delle miscele, nonché al migliore compattamento e legame delle particelle fornito dal maggiore contenuto di sabbia di fonderia. I risultati indicano che M4 e M5 sono altamente adatti per applicazioni strutturali in cui la resistenza è un requisito critico, come nelle pareti portanti o nei sistemi di pavimentazione. Al contrario, M1 e M2, sebbene più deboli in termini di resistenza a compressione, potrebbero essere vantaggiose per applicazioni di isolamento termico e leggero in cui la resistenza è meno critica28,49. In conclusione, i dati sulla resistenza a compressione sottolineano i compromessi tra resistenza e proprietà di leggerezza nella progettazione di miscele con proporzioni variabili di vermiculite e sabbia di fonderia. La resistenza alla compressione delle miscele è aumentata con un rapporto GGBS-WFS più elevato, grazie alla migliore geopolimerizzazione. Tuttavia, le miscele con un contenuto di vermiculite più elevato hanno mostrato una maggiore perdita di peso durante i test termici, a causa della loro struttura stratificata e delle proprietà di ritenzione dell'umidità. Questo compromesso tra resistenza e stabilità termica dimostra la necessità di un equilibrio nella progettazione dei materiali. Questi risultati consentono l'ottimizzazione dei materiali in base a specifici criteri prestazionali, consentendo la selezione di miscele su misura per diverse esigenze costruttive.

I risultati della resistenza alla flessione indicano un miglioramento costante nella capacità del materiale di resistere alle sollecitazioni di flessione man mano che la composizione della miscela passa da un contenuto più elevato di vermiculite a un contenuto più elevato di WFS, come illustrato nella Figura 6. La tendenza rispecchia i risultati della resistenza alla compressione, rafforzando il ruolo della composizione del materiale nel determinare le prestazioni meccaniche.

M1, con il più alto contenuto di vermiculite (40%), presenta la resistenza a flessione più bassa, pari a 2,9 MPa. La struttura leggera e porosa della vermiculite riduce la densità complessiva della matrice e ne limita la capacità di resistere alle forze di trazione durante la flessione. Sebbene le sue prestazioni a flessione siano inferiori, questa miscela potrebbe comunque essere appropriata per applicazioni in cui flessibilità e leggerezza sono prioritarie rispetto alla resistenza. In M2, dove il contenuto di vermiculite è leggermente ridotto al 35% e la sabbia da fonderia è aumentata al 10%, la resistenza a flessione migliora fino a 3,3 MPa. Questo aumento evidenzia la densificazione iniziale della miscela, poiché la sabbia da fonderia inizia a contribuire a un migliore impaccamento delle particelle e alla distribuzione del carico all'interno della matrice. M3, con il 30% di vermiculite e il 15% di sabbia da fonderia, mostra un ulteriore aumento della resistenza a flessione fino a 4,1 MPa. La graduale sostituzione della vermiculite con sabbia da fonderia migliora l'integrità strutturale della matrice, consentendole di resistere a maggiori forze di flessione. I miglioramenti più significativi si osservano in M4 e M5, con resistenze a flessione rispettivamente di 5,2 MPa e 7,0 MPa48. Queste miscele contengono il contenuto più basso di vermiculite (25% e 20%) e il contenuto più alto di sabbia da fonderia (20% e 25%). La sabbia da fonderia, essendo più densa e meno porosa, migliora significativamente l'adesione all'interno della matrice, contribuendo a una maggiore resistenza alle sollecitazioni di flessione51,52. Inoltre, l'additivo in fibra di cocco (5% in tutte le miscele) fornisce probabilmente rinforzo, colmando le crepe e migliorando la resistenza a trazione delle miscele, con un effetto più pronunciato nelle matrici più dense.

Resistenza alla flessione.

I risultati suggeriscono che M4 e M5 sono adatti per applicazioni in cui sia la resistenza a compressione che quella a flessione sono fondamentali, come in pavimentazioni, coperture o pannelli strutturali. D'altro canto, M1, M2 e M3 possono trovare impiego in applicazioni strutturali meno impegnative o in cui si privilegiano proprietà di leggerezza e facilità di movimentazione. In sintesi, l'analisi della resistenza a flessione sottolinea l'importanza di ottimizzare l'equilibrio tra vermiculite e sabbia di fonderia per ottenere le proprietà meccaniche desiderate. Inoltre, l'energia flessionale dei campioni è aumentata proporzionalmente alla densità, poiché le matrici più dense hanno mostrato una maggiore resistenza alla fessurazione. Le miscele con un contenuto di WFS più elevato hanno mostrato un'energia flessionale migliorata grazie a un migliore impaccamento delle particelle, che ha limitato la propagazione delle cricche sotto carichi flessionali. Inoltre, il ruolo della fibra di cocco nel migliorare il comportamento a trazione sottolinea anche il potenziale delle fibre naturali nel migliorare le prestazioni a flessione di materiali da costruzione leggeri e sostenibili.

I risultati del test di assorbimento acustico rivelano che tutte le miscele presentano prestazioni eccellenti in un'ampia gamma di frequenze, come mostrato in Fig. 7. Alla frequenza più bassa di 125 Hz, tutte le miscele mostrano un assorbimento uniforme (0,0), a indicare che la composizione del materiale non influisce in modo significativo sulle prestazioni a frequenze molto basse. A 250 Hz emergono lievi variazioni, con M2 che raggiunge il coefficiente più elevato (0,06), suggerendo che l'aumento del contenuto di sabbia di fonderia migliora leggermente l'assorbimento in questo intervallo. Alle frequenze medie (da 500 Hz a 1000 Hz), M1 dimostra le prestazioni migliori, raggiungendo il picco a 1000 Hz con un coefficiente di 0,41. Questo risultato indica che un maggiore contenuto di vermiculite migliora l'assorbimento in questo intervallo critico53,54,55. Tuttavia, al diminuire del contenuto di vermiculite (da M3 a M5), si osserva una leggera riduzione dell'assorbimento, con M5 che mostra il coefficiente più basso (0,22) a 1000 Hz. Questi risultati evidenziano l'importanza della struttura porosa della vermiculite nell'assorbimento del suono a media frequenza.

Prestazioni acustiche.

A frequenze più elevate (da 2000 Hz a 6300 Hz), i coefficienti di assorbimento rimangono relativamente costanti in tutte le miscele. M1 e M2, con un contenuto di vermiculite più elevato, mostrano prestazioni leggermente migliori a frequenze come 4000 Hz e 5000 Hz, raggiungendo coefficienti rispettivamente di 0,16 e 0,11. Questo miglioramento è probabilmente dovuto alla maggiore densità e rigidità conferite dalla sabbia di fonderia, che migliora l'assorbimento acustico ad alta frequenza. La progettazione della miscela dimostra che la vermiculite svolge un ruolo dominante nell'assorbimento acustico a media frequenza, mentre la sabbia di fonderia contribuisce in modo più significativo alle prestazioni ad alta frequenza. M2 raggiunge un equilibrio ottimale, mostrando un assorbimento costantemente elevato a tutte le frequenze. Per applicazioni che richiedono un migliore controllo del rumore a media frequenza, M1 e M2 sono preferibili, mentre M4 e M5 sono più adatti ad ambienti con problemi di rumore ad alta frequenza, come gli ambienti industriali54,55. Da questo studio, i coefficienti di assorbimento acustico sono aumentati con un maggiore contenuto di vermiculite, grazie alla sua struttura porosa, che intrappola efficacemente le onde sonore. Al contrario, un maggiore contenuto di WFS ha ridotto l'assorbimento acustico, poiché la struttura più densa di WFS rifletteva le onde sonore anziché assorbirle. Questi risultati forniscono preziose informazioni per adattare le composizioni dei materiali a specifici requisiti di prestazioni acustiche.

I valori NRC per le miscele geopolimeriche dimostrano le prestazioni acustiche dei materiali nell'assorbimento del suono in diverse composizioni, come illustrato in Fig. 8. I valori diminuiscono gradualmente da 0,23 (M1) a 0,10 (M5), sottolineando l'impatto del mix design sulle proprietà di assorbimento acustico. I valori NRC per le miscele M1 (0,23) e M2 (0,22) dimostrano le più elevate proprietà di assorbimento acustico. Ciò determina il loro maggiore contenuto di vermiculite (40% e 35%), offrendo una struttura porosa che favorisce l'assorbimento acustico18,56. Essendo la vermiculite leggera e altamente porosa, migliora potenzialmente la dissipazione dell'energia sonora.

Coefficiente di riduzione del rumore.

Le miscele M3 (0,17) e M4 (0,14) mostrano valori di NRC leggermente inferiori rispetto a M1 e M2. Al diminuire del contenuto di vermiculite e all'aumentare del contenuto di WFS, la struttura porosa del materiale diventa più densa, riducendone la capacità di assorbimento acustico. Pur rimanendo efficaci, queste miscele dimostrano un compromesso tra resistenza meccanica e prestazioni acustiche. M5 presenta il valore di NRC più basso, pari a 0,10. Questo risultato è in linea con la sua composizione, dove il contenuto di vermiculite è minimo (20%) e la sabbia di fonderia è massima (25%). La densificazione della miscela migliora la resistenza, ma compromette la struttura porosa aperta necessaria per un elevato assorbimento acustico. I valori di NRC in tutte le miscele indicano che un maggiore contenuto di vermiculite contribuisce a una maggiore riduzione del rumore, mentre l'aumento della percentuale di sabbia di fonderia si traduce in un materiale più compatto con una ridotta capacità di assorbimento acustico27,57. Questi risultati suggeriscono che miscele come M1 e M2 sono ideali per applicazioni che richiedono un'elevata riduzione del rumore, come pannelli acustici o barriere fonoisolanti. Al contrario, M4 e M5 sono più adatti per ambienti in cui resistenza e durata sono prioritarie rispetto alle prestazioni acustiche. Lo studio evidenzia la versatilità di questi materiali geopolimerici, che possono essere personalizzati per applicazioni specifiche modificando le proporzioni delle miscele.

Le prestazioni termiche dei compositi vengono analizzate in base alla loro conduttività termica e resistenza termica, facilitando la comprensione del loro potenziale di trasferimento di calore e delle capacità isolanti, come illustrato nella Figura 9. I risultati dei test evidenziano una chiara relazione tra la composizione del materiale delle miscele e le loro prestazioni termiche. La conduttività termica aumenta da 0,1222 W/m·K (M1) a 0,1652 W/m·K (M2), evidenziando che l'aggiunta graduale di vermiculite alla sabbia di fonderia porta a velocità di trasferimento di calore più elevate58. La vermiculite, noto materiale poroso e a bassa conduttività termica, svolge un ruolo fondamentale nella riduzione del trasferimento di calore. Al diminuire del contenuto di vermiculite e all'aumentare del contenuto di sabbia di fonderia più densa, la conduttività termica aumenta a causa della maggiore densità e della minore porosità delle miscele. La resistenza termica, l'inverso della conduttività termica, esplora un andamento decrescente da 0,2758 m²·K/W (M1) a 0,1512 m²·K/W (M5). Questa proprietà è in linea con le variazioni di conduttività termica, poiché una conduttività più elevata si traduce in una minore resistenza59,60. M1, con il più alto contenuto di vermiculite (40%), mostra la maggiore resistenza termica, rendendolo l'isolante più efficace tra le miscele. D'altra parte, M5, con il più basso contenuto di vermiculite (20%) e il più alto contenuto di sabbia di fonderia (25%), mostra la minore resistenza termica, indicando una ridotta capacità isolante.

Conduttività termica vs resistenza termica.

I risultati evidenziano i compromessi tra conduttività termica e resistenza nella progettazione della miscela. Le miscele con un contenuto di vermiculite più elevato, come M1 e M2, sono più adatte per applicazioni che richiedono un isolamento termico superiore, come pannelli murali a risparmio energetico o strati isolanti nell'edilizia. Al contrario, le miscele con un contenuto di sabbia di fonderia più elevato, come M4 e M5, sono più adatte per applicazioni in cui è richiesta una maggiore conduttività termica, come strati di dissipazione del calore in ambienti industriali o ad alta temperatura60,61. In sintesi, le caratteristiche termiche delle miscele evidenziano il ruolo fondamentale della vermiculite nel migliorare le prestazioni di isolamento, mentre la sabbia di fonderia aumenta la velocità di trasferimento del calore. I valori di conduttività termica diminuivano con l'aumento del contenuto di vermiculite, poiché la sua bassa conduttività termica fungeva da isolante. Al contrario, un contenuto di WFS più elevato determinava una maggiore conduttività termica grazie alla sua struttura densa e solida, che facilitava il trasferimento del calore.

Le prestazioni termiche dei compositi geopolimerici sono attribuite alla bassa conduttività termica della vermiculite e alla struttura porosa all'interno della matrice. I meccanismi alla base del trasferimento di calore in queste miscele geopolimeriche possono essere spiegati considerando i contributi di conduzione, convezione e irraggiamento. La struttura stratificata e la bassa densità della vermiculite impediscono la conduzione del calore, mentre le sacche d'aria all'interno della matrice interrompono ulteriormente i percorsi termici, riducendo la conduttività termica complessiva. I risultati di Berkouche, Amirouche et al.62 rivelano che l'introduzione di riempitivi leggeri e strutture porose riduce efficacemente il trasferimento di calore riducendo la conduzione in fase solida e migliorando la resistenza termica del composito. Analogamente al ruolo delle fibre di lino nello studio citato, la vermiculite nelle nostre miscele fornisce un'ulteriore barriera al flusso di calore rinforzando la matrice e mantenendone al contempo le proprietà isolanti. Questi risultati consentono una selezione mirata dei materiali in base a specifici requisiti di prestazione termica nelle applicazioni edilizie e industriali.

La microstruttura del campione M1 è caratterizzata da una matrice composita altamente porosa, principalmente a causa dell'elevato contenuto di vermiculite. Essendo un materiale leggero e poroso, presenta vuoti e discontinuità sostanziali all'interno della matrice. La Figura 10 illustra la microstruttura dei campioni da M1 a M5. Inoltre, le immagini SEM mostrano un debole legame tra le particelle di GGBS e vermiculite, con prodotti di idratazione minimamente densificati. Le fibre di cocco sembrano essere incorporate e circondate da microvuoti, riducendone la capacità di carico. Questa struttura porosa porta a una riduzione della resistenza a compressione e flessione registrata nelle prove meccaniche. Con la riduzione del contenuto di vermiculite e l'aumento del contenuto di WFS, il campione M2 mostra un migliore impaccamento delle particelle con una porosità minima rispetto a M1. Le immagini SEM mostrano probabilmente un migliore legame e le fibre di cocco sono probabilmente maggiormente incorporate nella matrice, ma il contenuto di vermiculite residuo porta comunque ad alcune discontinuità e a un'idratazione impropria63. Questa microstruttura di transizione è in linea con il leggero miglioramento della resistenza e della densità rispetto a M1.

Un'ulteriore riduzione della porosità è stata osservata per il campione M3, come mostrato nelle immagini SEM, con una maggiore compattezza della matrice. Le particelle di sabbia di fonderia sono distribuite uniformemente e poco riempite con particelle di GGBS, riducendo i vuoti. Tuttavia, il contenuto residuo di vermiculite porta alla formazione di alcuni microvuoti, che si osservano come raggruppati in regioni specifiche. L'interazione tra i prodotti di idratazione del GGBS e le fibre di cocco è più pronunciata, con conseguente miglioramento della capacità di carico. Questi risultati sono in concomitanza con i risultati delle prove meccaniche, in quanto è stata registrata una maggiore resistenza a flessione e compressione64,65,66.

Analisi microscopica (FeSEM) (a) Campione M1, (b) Campione M2, (c) Campione M3,.

d) Sample M4, e) Sample M5.

Le immagini SEM per M4 mostrano una potenziale riduzione della porosità, con un composito ben compattato. La presenza di particelle WFS prevale sulla microstruttura e i prodotti di idratazione formano un legame continuo con la matrice, con vuoti minimi. L'influenza della vermiculite sulla porosità è ridotta al minimo, con conseguente microstruttura più coesa e densa. Le fibre di cocco appaiono saldamente ancorate alla matrice, con meno microvuoti attorno a esse, migliorando la resistenza a trazione. Queste osservazioni sono coerenti con i notevoli miglioramenti della miscela sia in termini di resistenza a compressione che a flessione. L'analisi SEM di M5 rivela la matrice più densificata tra le miscele. Il maggiore contenuto di sabbia di fonderia garantisce vuoti minimi e l'interazione tra i prodotti di idratazione GGBS e i materiali di riempimento è altamente efficiente. Al contrario, le miscele con più vermiculite presentavano strutture porose, che contribuivano a migliorare l'isolamento termico e acustico, ma riducevano la resistenza a compressione. La distribuzione dei prodotti di idratazione, come l'idrato di silicato di calcio (CSH), è risultata più uniforme nelle miscele con un contenuto più elevato di GGBS. Inoltre, nelle miscele con un contenuto maggiore di sabbia di fonderia, la formazione di prodotti di idratazione è stata osservata più localizzata attorno alle particelle di WFS. Ciò ha portato allo sviluppo di una matrice geopolimerica compatta. Tuttavia, un contenuto eccessivo di WFS ha ridotto la disponibilità di GGBS reattivo, ostacolando leggermente il processo di geopolimerizzazione complessivo. Rapporti WFS ottimali hanno promosso un'idratazione bilanciata, contribuendo a migliorare le prestazioni meccaniche. Tuttavia, il contributo della vermiculite alla porosità è trascurabile a questo basso contenuto, con conseguente struttura compatta e omogenea64,66. Le fibre di cocco sono ben integrate nella matrice, con vuoti o crepe da estrazione minimi, contribuendo alle prestazioni meccaniche superiori osservate. Le micrografie SEM mostrano probabilmente una struttura continua e densa, il che spiega le più elevate resistenze a compressione e flessione e il più basso assorbimento d'acqua in questa miscela.

Tabella 4, in cui si evidenzia il confronto tra densità apparente, resistenza alla compressione, conduttività termica e prestazioni acustiche di vari materiali da costruzione, oltre al presente studio, geopolimero a base di GGBS, e altri materiali derivati da ceneri volanti, cemento Portland, gesso e compositi a base di biomassa. Il presente studio esplora un intervallo di densità apparente compreso tra 1302 e 2032 kg/m³, collocandolo in una fascia intermedia tra materiali leggeri come segatura/geopolimero (334 kg/m³)37 e pannelli di cemento Portland convenzionali (2150-2550 kg/m³)67,68. Ciò ne promuove l'applicabilità come materiale di peso medio, preservando al contempo l'integrità strutturale. L'aumento della densità apparente rispetto ai geopolimeri a base di ceneri volanti (410-750 kg/m³)67,68 e ai compositi a base di biomassa suggerisce una maggiore densità di riempimento e una minore porosità.

La resistenza a compressione di questo studio aumenta da 6,52 a 20 MPa, potenzialmente eccezionale per compositi leggeri come paglia di grano/geopolimero37 (0,77 MPa) e segatura/geopolimero (1,25 MPa). La resistenza è paragonabile a quella dei pannelli in gesso (4,34-5,36 MPa), del cemento di lolla di riso (9,34 MPa) e dei pannelli in cemento Portland (17 MPa), mentre il geopolimero possiede una resistenza a compressione relativamente elevata, in linea con la sua minore densità apparente, che lo rende un sostituto competitivo per applicazioni leggere e con carichi medi55,69,70,71.

Confrontando la conduttività termica di questo studio (0,1222–0,1652 W/m·K), in alcuni casi risulta inferiore a quella di altri materiali come il cartongesso (0,17–0,19 W/m·K) e il cemento di lolla di riso (0,3554 W/m·K)67,68. Questo sottolinea l'attuale efficienza termica del materiale. Ne risultano eccezionali proprietà isolanti rispetto ai pannelli in cemento Portland (1,05 W/m·K), rendendolo idoneo per l'edilizia a basso consumo energetico. Inoltre, le sue proprietà termiche sono paragonabili a quelle di materiali a base di biomassa come miscanto/cemento (0,0998 W/m·K) e lolla di riso/geopolimero (0,107 W/m·K)37,69.

Le prestazioni acustiche dello studio attuale, con un coefficiente di assorbimento acustico di 0,41, superano quelle di molti materiali convenzionali e alternativi, come i geopolimeri a base di cenere volante (0,23) e i pannelli in gesso (0,2)55,69. Tuttavia, materiali come segatura/geopolimero e lolla di riso/geopolimero esplorano un assorbimento acustico più elevato (0,56-0,71 in intervalli di frequenza specifici)37,71; lo studio attuale facilita una combinazione ottimale di prestazioni acustiche e strutturali, rendendolo praticabile per applicazioni multifunzionali.

I risultati dimostrano un'interazione equilibrata tra resistenza termica e prestazioni meccaniche, regolata dalle proporzioni di vermiculite e sabbia bianca da fonderia (WFS) nella miscela. Un contenuto più elevato di vermiculite aumenta la resistenza termica grazie alle sue eccellenti proprietà isolanti, ma riduce la resistenza meccanica a causa della sua struttura porosa. Al contrario, le miscele con un contenuto più elevato di WFS presentano una resistenza a compressione e flessione superiore, ma una minore resistenza termica. Tra i progetti testati, un rapporto vermiculite/WFS di 30:15 (Mix M3) è emerso come ottimale, offrendo una combinazione ben bilanciata di queste proprietà critiche per applicazioni multifunzionali. Questo equilibrio evidenzia la versatilità delle miscele proposte in una vasta gamma di scenari costruttivi. Le miscele con un contenuto più elevato di WFS, caratterizzate da una maggiore resistenza meccanica, sono adatte per componenti strutturali come pareti divisorie ed elementi portanti leggeri. Al contempo, le miscele con un contenuto più elevato di vermiculite, offrendo un eccellente isolamento termico e acustico, sono ideali per applicazioni non strutturali, tra cui pannelli isolanti per pareti e materiali fonoassorbenti. Il design a duplice scopo amplia significativamente l'utilizzo del materiale, consentendogli di soddisfare diverse esigenze costruttive. Il design migliorato della miscela sottolinea l'importanza di adattare la composizione del materiale a specifiche esigenze prestazionali. Regolando attentamente le proporzioni di vermiculite e WFS, le miscele raggiungono una combinazione ottimale di proprietà termiche, acustiche e meccaniche, rendendole adatte a pratiche di costruzione sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico. Inoltre, l'utilizzo di sottoprodotti industriali nella progettazione migliora l'economicità e supporta un'economia circolare, contribuendo sia alla sostenibilità ambientale che alle moderne esigenze costruttive.

La ricerca futura potrebbe concentrarsi sul miglioramento della stabilità termica delle miscele proposte incorporando nanomateriali avanzati, come aerogel o nanoparticelle di silice, per migliorare le proprietà isolanti senza comprometterne la resistenza meccanica. Inoltre, studiare la durabilità a lungo termine di queste miscele in condizioni estreme, inclusi cicli di gelo-disgelo, elevata umidità e fluttuazioni di temperatura, è essenziale per valutarne le prestazioni in ambienti difficili. Ottimizzare l'attivazione alcalina esplorando attivatori e metodi di attivazione alternativi potrebbe perfezionare ulteriormente il processo di geopolimerizzazione, adattando le proprietà del materiale a specifiche applicazioni. L'incorporazione di fibre naturali o sintetiche offre il potenziale per migliorare la tenacità, la resistenza alle crepe e la duttilità, mantenendo al contempo la resistenza termica. Infine, condurre valutazioni complete del ciclo di vita contribuirebbe a quantificare i benefici ambientali delle miscele proposte, dimostrandone la sostenibilità rispetto ai materiali da costruzione convenzionali72,73.

Lo studio attuale esplora una nuova combinazione per bilanciare proprietà meccaniche, termiche e acustiche. Inoltre, la resistenza alla compressione e le prestazioni termiche di questo studio sono eccezionali con molti compositi a base di biomassa, mentre le sue proprietà acustiche sono eccellenti rispetto a materiali convenzionali come gesso e pannelli di cemento. Rispetto ai geopolimeri a base di ceneri volanti, i compositi in studio promuovono resistenza e densità, rendendoli un materiale più esigente per un'ampia gamma di applicazioni edilizie.

I compositi geopolimerici analizzati in questo studio mostrano potenziale per applicazioni multifunzionali sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico nel settore edile. I risultati dei test dimostrano che modificando la combinazione di vermiculite e WFS, il composito può raggiungere un equilibrio tra prestazioni meccaniche, termiche e acustiche. I principali risultati tecnici di questo studio sono riassunti di seguito:

La resistenza a compressione varia da 6,52 MPa a 20,0 MPa, dove il miglioramento della resistenza, correlato all'incremento di WFS, ha favorito un migliore impaccamento delle particelle e una migliore densificazione del composito. La resistenza a flessione aumenta da 2,9 MPa a 7,0 MPa con l'incremento del contenuto di WFS, sottolineando il suo ruolo nel promuovere tenacità e resistenza alle fessurazioni. Questi risultati dei test concordano con le teorie di densificazione della geopolimerizzazione.

La conduttività termica varia da 0,1222 W/m·K a 0,1652 W/m·K e la resistenza termica da 0,1512 m²·K/W a 0,2758 m²·K/W, dimostrando un eccezionale potenziale isolante, in particolare nei compositi ricchi di vermiculite. La struttura porosa della vermiculite cattura efficacemente l'aria, riducendo lo scambio termico. Il coefficiente di assorbimento acustico, massimo a 0,41 a 1000 Hz, garantisce prestazioni acustiche significative, rendendo queste miscele adatte all'isolamento acustico in applicazioni di edilizia leggera.

Il passaggio da materiali leggeri (1302 kg/m³) a materiali mediamente densi (2032 kg/m³) si ottiene variando le combinazioni di miscele, favorendo la flessibilità di progettazione dei materiali per applicazioni specifiche. L'ulteriore assorbimento d'acqua si riduce dal 23 al 9% con una minore porosità nel composito di sabbia di fonderia e riso, migliorando la durabilità e la resistenza al deterioramento dovuto all'umidità.

Da questo studio sono emersi compositi ricchi di vermiculite con elevato isolamento termico e assorbimento acustico, che li rendono particolarmente adatti per applicazioni edilizie a risparmio energetico e riduzione del rumore. Queste proprietà sono dovute alla bassa conduttività termica della vermiculite e alla sua capacità di trattenere aria all'interno della sua struttura porosa, come dimostrato da diversi studi nel settore. Inoltre, le miscele ricche di sabbia da fonderia offrono prestazioni meccaniche migliorate, il che ne facilita l'impiego in applicazioni strutturali. Il miglioramento della resistenza a compressione e flessione, associato al ridotto assorbimento d'acqua, ne favorisce l'utilizzo in ambienti in cui la durabilità del materiale e la resistenza al degrado sono caratteristiche predominanti.

Sebbene lo studio dimostri progressi significativi nello sviluppo di compositi geopolimerici che incorporano GGBS, WFS e vermiculite per prestazioni termiche e meccaniche migliorate, è necessario riconoscere alcune limitazioni. In primo luogo, la durabilità a lungo termine di questi compositi in condizioni ambientali estreme, come cicli di gelo-disgelo ed elevata umidità, non è stata studiata. In secondo luogo, l'uso di specifici sottoprodotti industriali può introdurre variabilità nelle proprietà dei materiali a causa di potenziali differenze nelle loro composizioni chimiche a seconda delle diverse fonti. In terzo luogo, sebbene siano state valutate le proprietà di isolamento termico e acustico, le prestazioni pratiche di questi compositi in applicazioni reali, come i pannelli murali geopolimerici, richiedono un'ulteriore convalida. La ricerca futura dovrebbe affrontare queste limitazioni per perfezionare ulteriormente l'applicabilità e la scalabilità dei compositi geopolimerici nel settore edile.

I set di dati utilizzati e/o analizzati durante lo studio attuale sono disponibili presso l'autore corrispondente su richiesta ragionevole.

Sen, B., Tam, N., Maharjan, R., Maharjan, AK e Talukdar, G. Il passaggio all'edilizia verde: una revisione delle strategie di gestione ambientale e dei materiali sostenibili nei paesi sviluppati. Trop. Environ. Biol. Technol. 2, 80–92 (2024).

Google Scholar

Miller, SA, Juenger, M., Kurtis, KE e Weiss, J. Cemento e alternative nell'antropocene. Annu. Rev. Environ. Resour. 49(1), 309–335 (2024).

Sbahieh, S., Serdar, MZ e Al-Ghamdi, SG Strategie di decarbonizzazione dei materiali da costruzione utilizzati nel settore delle costruzioni, Mater. Today Proc. (2023).

Nanthini, M., Ganesan, R. e Jaganathan, V. Studi sull'attivatore alcalino, metodi di produzione e proprietà meccaniche del calcestruzzo geopolimerico-AJ Environ. Nanotechnol. 13, 52–72 (2024).

CAS Google Scholar

Kalinowska-Wichrowska, K. et al. Compositi geopolimerici con leganti riciclati, in: Int. Congr. Polym. Concr., Springer, : pp. 212–219. (2023).

Zhang, Z. et al. L'influenza delle ceneri volanti e delle scorie sulle proprietà meccaniche del calcestruzzo geopolimerico. Buildings 14, 2720 (2024).

Google Scholar

Liew, KM, Sojobi, AO e Zhang, LW Calcestruzzo verde: prospettive e sfide. Costruzione. Mater. 156, 1063–1095 (2017).

Google Scholar

Almutairi, AL, Tayeh, BA, Adesina, A., Isleem, HF e Zeyad, AM Potenziali applicazioni del calcestruzzo geopolimerico nell'edilizia: una revisione, caso studio. Constr. Mater. 15, e00733 (2021).

Google Scholar

Shilar, FA, Ganachari, SV e Patil, VB. Studio dell'effetto della polvere di scarto di granito come legante per diverse molarità di calcestruzzo geopolimerico sulle proprietà meccaniche e allo stato fresco. Mater. Lett. 309, 131302 (2022).

CAS Google Scholar

Shilar, FA et al. Valutazione dell'effetto della polvere di scarto di granito variando la molarità dell'attivatore sulle proprietà meccaniche del calcestruzzo geopolimerico a base di scorie d'altoforno granulate macinate. Polym. (Basilea). 14, 306 (2022).

CAS Google Scholar

Shilar, FA et al. Valutazione dell'analisi distruttiva e non distruttiva per calcestruzzo geopolimerico a base di GGBS e relativa analisi statistica. Polym. (Basilea). 14, 3132 (2022).

CAS Google Scholar

Van Lam, T. e Nguyen, MH Incorporazione di sottoprodotti industriali nella malta geopolimerica: effetti su resistenza e durabilità. Mater. (Basilea). 16, 4406 (2023).

ADS Google Scholar

Adhitya, BB, Saggaff, A., Saloma, S. e Hanafiah, H. Una revisione della tecnologia degli aggregati artificiali basati su geopolimeri sviluppata utilizzando materiali di scarto. Civ. Eng. Archit. 12, 1338–1349 (2024).

Thapa, S., Debnath, S., Kulkarni, S., Solanki, H. e Nath, S. Proprietà meccaniche del calcestruzzo geopolimerico che incorpora materiali cementizi supplementari come leganti. Discov Civ. Eng. 1, 62 (2024).

Google Scholar

Nguyen, QD e Castel, A. Sviluppo di calcestruzzo geopolimerico utilizzando scorie di ferro-nichel e scorie d'altoforno granulate e macinate. Ceramics 6, 1861–1878 (2023).

CAS Google Scholar

Moujoud, Z. et al. Compositi geopolimerici rinforzati con fibre naturali: una revisione dei recenti progressi nella lavorazione e nelle proprietà. Constr. Build. Mater. 388, 131666 (2023).

CAS Google Scholar

Villaquirán-Caicedo, MA, Perea, VN, Ruiz, JE e de Gutiérrez, RM Proprietà meccaniche, fisiche e termoacustiche di geopolimeri compositi leggeri. Ing. Y Compet. 24, 1 (2022).

Aly, NM, Seddeq, HS, Elnagar, K. e Hamouda, T. Prestazioni acustiche e termiche di pannelli compositi termoplastici rinforzati con fibre sostenibili per l'isolamento degli edifici. J. Build. Eng. 40, 102747 (2021).

Google Scholar

Sambucci, M., Sibai, A. e Valente, M. Recenti progressi nella tecnologia dei geopolimeri. Una potenziale soluzione ecocompatibile nel settore dei materiali da costruzione: una revisione. J. Compos. Sci. 5, 109 (2021).

CAS Google Scholar

Chen, YX, Klima, KM, Brouwers, HJH e Yu, Q. Effetto dell'aerogel di silice sull'isolamento termico e sull'assorbimento acustico dei compositi di schiuma geopolimerica: il ruolo della dimensione delle particelle di aerogel. Compos. Parte B Ing. 242, 110048 (2022).

CAS Google Scholar

Zhang, Z., Provis, JL, Reid, A. e Wang, H. Proprietà meccaniche, di isolamento termico, resistenza termica e assorbimento acustico del calcestruzzo espanso geopolimerico. Cem. Concr Compos. 62, 97–105 (2015).

CAS Google Scholar

Lawanwadeekul, S., Jun-On, N., Kongthavorn, P., Sangkas, T. e Daothong, S. Pannelli termoacustici privi di sostanze chimiche ricavati da scarti agricoli per materiali da costruzione sostenibili. Clean. Mater. 12, 100245 (2024).

Google Scholar

Ahmad, J. et al. Una revisione completa sulla loppa d'altoforno granulata macinata (GGBS) nella produzione di calcestruzzo. Sustainability 14, 8783 (2022).

CAS Google Scholar

Gencel, O., Gholampour, A., Tokay, H. e Ozbakkaloglu, T. Sostituzione della sabbia naturale con vermiculite espansa nelle malte geopolimeriche a base di cenere volante. Appl. Sci. 11, 1917 (2021).

CAS Google Scholar

Kanagaraj, B., Anand, N., Alengaram, UJ, Raj, RS e Kiran, T. Esemplificazione di sedimenti di scarto di silicato di sodio sostenibili come aggregati grossolani nella valutazione delle prestazioni del calcestruzzo geopolimerico. Constr. Build. Mater. 330, 127135 (2022).

CAS Google Scholar

Kumar, VV, Bhikshma, V. e Prasad, BV. Indagine sul calcestruzzo geopolimerico ad alta resistenza con UFGGBS e aggregati grossolani riciclati. Libr. Prog Int. 44, 695–706 (2024).

Google Scholar

Narattha, C., Wattanasiriwech, S. e Wattanasiriwech, D. Composito geopolimerico sostenibile e multifunzionale di cenere volante con aggregati di lolla di riso per migliori prestazioni acustiche, igieniche e termiche. Costruzione. Mater. 445, 137743 (2024).

Google Scholar

Ganasen, N., Bahrami, A. e Loganathan, K. Indagine sperimentale e ottimizzazione di mattoni in calcestruzzo leggero sviluppati utilizzando vermiculite. Frontespizio. Mater. 10, 1117138 (2023).

ADS Google Scholar

Lopez, A., Bazaez, R., Leiva, G., Loyola, R. e Gómez, M. Studio sperimentale del comportamento flessionale nel piano di pareti rettangolari e a T in calcestruzzo isolato con griglia a schermo. Eng. Struct. 247, 113128 (2021).

Google Scholar

Kanagaraj, B., Kiran, T., N, A. e Al Jabri, K. Sviluppo e valutazione della resistenza del calcestruzzo geopolimerico ecocompatibile realizzato con aggregati naturali e riciclati. Constr. Innov. 23, 524–545 (2023).

Google Scholar

Sunarsih, ES, As' ad, S., Mohd, AR, Sam, S. e Kristiawan L'effetto del rapporto tra attivatore alcalino e legante sulla lavorabilità, densità e resistenza alla compressione della malta geopolimerica a base di scorie e ceneri volanti. Nano Hybrids Compos. 45, 121–127 (2024).

Google Scholar

Yao, Z., Luo, L., Qin, Y., Cheng, J. e Qu, C. Ricerca sulla progettazione della miscela e sulle prestazioni meccaniche di paste geopolimeriche a base di MK-GGBFS utilizzando il metodo di progettazione composita centrale. Sci. Rep. 14, 9101 (2024).

ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Buczkowska, KE et al. Massimizzazione delle prestazioni della malta geopolimerica: ottimizzazione della composizione del contenuto di basalto e fibre di carbonio. J. Nat. Fibre. 21, 2293047 (2024).

Google Scholar

Amaludin, AE, Asrah, H., Mohamad, HM, Amaludin, NA e Amaludin, HZ Proprietà fresche e indurite di paste POFA-GGBFS attivate con alcali e polimerizzate a temperatura ambiente: un mix design iniziale. J. Adv. Res. Appl. Mech. 125, 103–115 (2024).

Google Scholar

Wang, Z. et al. Indagine e utilizzo di materiali di iniezione attivati da alcali che incorporano scarti di ingegneria e ceneri volanti/scorie. Appl. Sci. 14, 4915 (2024).

CAS Google Scholar

Faruqui, AN, Akter, MT, Biswas, R. e Sheikh, MRK Compositi in resina epossidica rinforzati con polvere di cocco: fabbricazione e analisi delle caratteristiche. J. Polym. Sci. Eng. 7, 7394 (2024).

Google Scholar

Wang, S. et al. Studio sperimentale sulla durabilità e sulle prestazioni di assorbimento acustico di materiali isolanti a base di geopolimeri di biomassa. Constr. Build. Mater. 361, 129575 (2022).

CAS Google Scholar

Liu, L. et al. Proprietà fisiche sperimentali di un materiale bioisolante ecologico a base di paglia di grano per edifici. Energy Build. 201, 19–36 (2019).

Google Scholar

Wang, S., Li, H., Zou, S. e Zhang, G. Ricerca sperimentale su un materiale isolante per edifici in schiuma geopolimerica/lolla di riso. Energy Build. 226, 110358 (2020).

Google Scholar

Zou, S. et al. Ricerca sperimentale su un innovativo materiale isolante a base di biomassa di segatura per edifici. J. Clean. Prod. 260, 121029 (2020).

CAS Google Scholar

Feng, X., Liu, N. e Lu, X. Indagine sulla ganga di carbone non calcinato insieme a scorie d'altoforno granulate e ceneri volanti per la produzione di geopolimero ad alta resistenza a polimerizzazione ambiente. J. Mater. Res. Technol. 25, 3985–3997 (2023).

CAS Google Scholar

Standard, A. Metodo di prova standard per l'assorbimento acustico e i coefficienti di assorbimento acustico mediante il metodo della camera riverberante, C423-90a (1990).

Abdalla, JA et al. Una revisione completa sull'uso di fibre naturali nel calcestruzzo cementizio/geopolimerico: un passo verso la sostenibilità, caso di studio. Constr. Mater. 19, e02244 (2023).

Google Scholar

AS & per, T. e MCC-1 su cemento, metodo di prova standard per la resistenza alla compressione di malte cementizie idrauliche (utilizzando campioni cubici da 2 pollici o [50 mm]) (ASTM International, 2013).

Salim, SGR Misure di conduttività termica mediante il metodo del filo caldo transitorio: una revisione. Meas. Sci. Technol. 33, 125022 (2022).

ADS CAS Google Scholar

Xu, L., Ding, Y. e Du, C. Valutazione delle prestazioni termiche delle pareti esterne degli edifici sottoposte a funzionamento intermittente dell'aria condizionata nella zona calda estiva e fredda invernale della Cina. J. Build. Eng. 95, 110204 (2024).

Google Scholar

ISO 10534-2, Acustica - Determinazione del coefficiente di assorbimento acustico e dell'impedenza nei tubi di impedenza - Parte 2: Metodo della funzione di trasferimento (1998).

Siddique, R. e Singh, G. Utilizzo della sabbia di fonderia di scarto (WFS) nella produzione di calcestruzzo. Resour. Conserv. Recycl. 55, 885–892 (2011).

Google Scholar

Jssem, M. & Fawzi, NM Effetto dell'aggregato di perlite espansa e del fumo di silice su alcune proprietà del calcestruzzo leggero. J. Eng. 30, 172–185 (2024).

Google Scholar

Paul, A., Dey, P., Das, A. e Debnath, A. Produzione di mattoni in calcestruzzo cellulare a base di sabbia con rinforzo in fibre: uno studio sperimentale. Educ. Adm. Theory Pract. 30, 3440–3455 (2024).

Google Scholar

Zheng, R. et al. Fattibilità della sabbia di fonderia di scarto nel calcestruzzo autocompattante ad alta resistenza e gli effetti delle temperature elevate. Constr. Build. Mater. 402, 133075 (2023).

Google Scholar

Kumar, RS, Devarajan, P., Kumar, AS, Kadavan, AS e Rajesh, R. Valutazione delle prestazioni e comportamento ingegneristico del calcestruzzo cementizio con sabbia di fonderia parzialmente sostituita come aggregato fine, in: IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., IOP Publishing, : p. 12007. (2023).

Ganesh, AC, Muthukannan, M., Aakassh, S. e Subramanaian, B. Produzione efficiente dal punto di vista energetico di mattoni geopolimerici utilizzando rifiuti industriali, in: IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., IOP Publishing, : p. 12154. (2020).

Liu, C. et al. Valutazione della riqualificazione energetica degli involucri edilizi pubblici nella regione cinese con clima caldo estivo e freddo invernale. Buildings 12, 1866 (2022).

CAS Google Scholar

Pedreño-Rojas, MA, Morales-Conde, MJ, Pérez-Gálvez, F. & Rodríguez-Liñán, C. Condizionamento acustico e termico eco-efficiente mediante pannelli per controsoffitti realizzati con gesso e scarti di legno. J. Clean. Prod. 166, 690–705 (2017).

Google Scholar

Belakroum, R. et al. Tampone igrometrico e assorbimento acustico di nuovi materiali isolanti per edifici a base di fibre di palma da dattero. J. Build. Eng. 12, 132–139 (2017).

Google Scholar

Moussa, T. et al. Fondi di caffè esausti come materiale da costruzione per strutture non portanti. Mater. (Basilea). 15, 1689 (2022).

ADS CAS Google Scholar

Peng, X., Li, H. e Hu, Y. Preparazione di matrici geopolimeriche a base di metacaolino e cenere volante per la protezione passiva dal fuoco. J. Mater. Res. Technol. 23, 604–610 (2023).

CAS Google Scholar

Bourzik, O. et al. Valutazione del ciclo di vita e proprietà termofisiche di un geopolimero a base di ceneri volanti contenente fanghi di trattamento dell'acqua potabile. Environ. Sci. Pollut Res. 30, 118989–119000 (2023).

CAS Google Scholar

Mahapatra, D., Madav, V. e Setty, ABTP Valutazione delle prestazioni termiche meccaniche e dinamiche dell'intonaco cementizio miscelato con lolla di riso quando utilizzato con mattoni diversi. J. Build. Eng. 82, 108120 (2024).

Google Scholar

Chabannes, M., Bénézet, JC, Clerc, L. e Garcia-Diaz, E. Utilizzo della lolla di riso grezza come aggregato naturale in un calcestruzzo isolante leggero: un'applicazione innovativa. Constr. Build. Mater. 70, 428–438 (2014).

Google Scholar

Berkouche, A. et al. Ottimizzazione sperimentale di geopolimeri di schiuma cellulare a basso tenore di carbonio che incorporano sabbia di pietra frantumata e fibra di lino utilizzando un design composito centrale. Iran. J. Sci. Technol. Trans. Civ. Eng. 48, 1–21 (2024).

Chabannes, M., Garcia-Diaz, E., Clerc, L., Bénézet, JC e Becquart, F. Calcestruzzi a base di calce, canapa e lolla di riso per involucri edilizi (Springer, 2018).

Tajunnisa, Y. et al. Effetto di GGBFS e microsilice sulle proprietà meccaniche, sul ritiro e sulla microstruttura della malta di cenere volante attivata con alcali. GEOMATE J. 13, 87–94 (2017).

Google Scholar

de Matos, PR et al. Malte autocompattanti prodotte con frazione fine di sabbia di fonderia calcinata (WFS) come riempitivo alternativo: proprietà allo stato fresco, di idratazione e indurito. J. Clean. Prod. 252, 119871 (2020).

Google Scholar

Zhang, HY e He, HH Caratterizzazione della microstruttura del mattone ceramico FA mediante SEM. Adv. Mater. Res. 849, 283–286 (2014).

ADS Google Scholar

Jayajothi, P., Kumutha, R. e Vijai, K. Proprietà del legante geopolimerico a base di cenere volante e GGBS. Chem. Sci. Rev. Lett. 2, 470–479 (2014).

Google Scholar

Liu, X., Hu, C. e Chu, L. Microstruttura, resistenza alla compressione e proprietà di isolamento acustico di schiume geopolimeriche a base di cenere volante con fumi di silice come agente schiumogeno. Mater. (Basilea). 13, 3215 (2020).

ADS CAS Google Scholar

Gao, H. et al. Un geopolimero caolinitico poroso gerarchico bifunzionale con buone prestazioni di isolamento termico e acustico. Constr. Build. Mater. 251, 118888 (2020).

CAS Google Scholar

Marques, B. et al. Compositi a base di cemento di lolla di riso per barriere acustiche e strati isolanti termici. J. Build. Eng. 39, 102297 (2021).

Google Scholar

Pachla, EC, Silva, DB, Stein, KJ, Marangon, E. & Chong, W. Applicazione sostenibile di lolla e paglia di riso nei compositi di calcestruzzo cellulare. Costruzione, Mater. 283, 122770 (2021).

Google Scholar

Khater, HM e Gharieb, M. Miglioramento delle proprietà fisico-meccaniche e della stabilità termica dei compositi geopolimerici mediante l'incorporazione di nanomateriali. Discov Appl. Sci. 6, 206 (2024).

Google Scholar

Xu, Z. et al. Aerogel ceramici per isolamento termico ad alta temperatura realizzati con nanofibre di ZrC saldate con nanoparticelle di carbonio, ACS appl. Nano Mater. 7, 10046–10055 (2024).

CAS Google Scholar

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Questa ricerca non ha ricevuto alcuna sovvenzione o finanziamento specifico da agenzie del settore pubblico, commerciale o no-profit.

Laboratorio di materiali ingegneristici, Dipartimento di ingegneria civile, PSG Institute of Technology and Applied Research, Neelambur, Coimbatore, 641 062, India

Nidhya Rathinavel, Abdul Aleem e Mohamed Ismail

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Corrispondenza con Nidhya Rathinavel.

Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.

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Ristampe e permessi

Rathinavel, N., Aleem, A. e Ismail, M. Pannelli murali geopolimerici a risparmio energetico: ottimizzazione delle proprietà meccaniche, termiche e acustiche per un'edilizia sostenibile. Sci Rep 15, 25851 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-11783-4

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Ricevuto: 19 giugno 2025

Accettato: 14 luglio 2025

Pubblicato: 16 luglio 2025

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-11783-4

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