Fonti di gesso alternative per l'industria del cemento

Calcium sulphate, commonly referred to as gypsum, is employed in cement production in combination with clinker, at a weight percentage usually varying between 3% and 5%, to avoid the direct reaction of tricalcium aluminate (C3A) with water that would lead to the formation of unwanted mineral phases which are detrimental for the mechanical properties of the final cementitious product. The goal of this thesis work is to verify the feasibility of usage of recycled calcium sulphate materials in cementitious mixtures, comparing their performance with a natural gypsum reference. Particularly, the focus has been put on different gypsum samples coming from chemical industry processes and from the demolition of drywall manufacts. Through an extensive experimental program, the materials case of study have been completely characterised and subsequently their performance in Portland clinker based cementitious systems has been tested, in combination with limestone as a supplementary cementitious material (SCM). Firstly, the mineralogical phases composing the specimens were identified using x-ray diffraction (XRD), the chemical composition has been investigated through an x-ray fluorescence (XRF) study and the behaviour of the materials under controlled temperature programs has been verified exploiting thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). The morphology of the materials was studied via scanning electron microscopy (SEM) and the kinetics of solubilisation in basic environment (pH=13, analogously to common cementitious systems) has been investigated making use of an anionic chromatography system, evaluating the sulphate concentration in solution at different time intervals. The eventual presence of organic contaminants has been verified through infrared (IR) spectroscopy. The materials have been employed under three different conditions: using them as they were, thermally treated at 105°C and thermally treated at 230°C with a subsequent rapid cooling step. As a matter of fact, calcium sulphate exists in three different polymorphs (gypsum, bassanite and anhydrite) that differ in their crystalline structure, water content and rheological properties such as solubility and reactivity: the three forms can be obtained, respectively, by applying the thermal treatments mentioned above. The effect of these materials in cementitious mixtures has been evaluated via an hydration study on cement paste and mortar specimens to investigate, respectively, the release of heat during the hydration reaction, through Thermal Activity Monitor analyses (TAM), and the compressive resistance in accordance with CEN-EN 196-1 standard. The experimental program described above highlighted that different calcium sulphate materials have diverse effects on the reactivity and mechanical properties of cement mixtures, also depending on the thermal treatment to which they have been subjected, leading to variations in setting times, heat of reaction developed, water request from the cementitious system and, in turn, in the mechanical properties. These effects could be, possibly, attributed, to the contaminations coming from the original industrial processes from which these calcium sulphate materials source.

Il solfato di calcio, comunemente denominato gesso, viene impiegato nella produzione del cemento in aggiunta al clinker, ad una percentuale che solitamente varia tra il 3% e il 5% in peso, per evitare la reazione diretta dell’alluminato tricalcico (C3A) con l’acqua che porta alla formazione di fasi mineralogiche indesiderate per le proprietà finali del prodotto cementizio. L’obiettivo di questo progetto di tesi è di verificare la possibilità di utilizzo di solfati di calcio riciclati all’interno di miscele cementizie, a confronto con un gesso naturale di riferimento. In particolare l’attenzione è stata focalizzata su gessi provenienti da diversi processi dell’industria chimica e dalla demolizione di manufatti in cartongesso. Attraverso un’estesa serie di prove sperimentali, i materiali oggetto di studio sono stati completamente caratterizzati e successivamente ne sono state testate le prestazioni in sistemi cementizi a base di clinker Portland in combinazione con calcare come materiale cementizio supplementare (SCM). Inizialmente sono state identificate le fasi mineralogiche presenti nei materiali mediante diffrazione a raggi-x (analisi XRD), è stata investigata la composizione chimica avvalendosi della fluorescenza indotta da raggi-x (analisi XRF) ed è stato verificato il comportamento dei materiali quando sottoposti a programmi di temperatura controllati mediante analisi termogravimetriche (TGA) e calorimetria a scansione differenziale (DSC). La morfologia dei campioni è stata studiata tramite microscopia a scansione elettronica (SEM) e la cinetica di solubilizzazione in ambiente basico (pH=13, analogo a quello dei comuni sistemi cementizi) è stata valutata avvalendosi di un sistema per cromatografia anionica, valutando la concentrazione di ioni solfato in soluzione a diversi intervalli temporali. La presenza di eventuali contaminanti organici è stata verificata tramite spettroscopia infrarossa (IR). I materiali sono stati impiegati secondo tre differenti modalità: utilizzandoli tal quali, dopo un trattamento termico a 105°C ed a seguito di un trattamento termico a 230°C con raffreddamento rapido. Infatti, il solfato di calcio esiste in tre polimorfi (gesso, bassanite ed anidrite) che differiscono nella struttura cristallina, nel quantitativo di acqua contenuto e nelle proprietà reologiche quali solubilità e reattività: le tre differenti forme possono essere ottenute rispettivamente mediante i trattamenti termici citati in precedenza. L’effetto dei materiali studiati in miscele cementizie è stato valutato con uno studio di idratazione su campioni in pasta e in malta per investigare, rispettivamente, lo sviluppo di calore durante l’idratazione dei materiali, con analisi Thermal Activity Monitor (TAM), e la resistenza a compressione in accordo con la norma CEN-EN 196-1. Le prove sperimentali eseguite hanno evidenziato che i diversi solfati di calcio studiati influenzano in maniera differente la reattività e le proprietà meccaniche delle miscele cementizie, anche in base al trattamento termico cui sono stati sottoposti, portando a modificazioni nei tempi di presa, nel calore di reazione sviluppato, nella richiesta d’acqua da parte del sistema cementizio e quindi nelle proprietà meccaniche. Questi effetti sono da attribuirsi, probabilmente, alla presenza di contaminazioni provenienti dai processi industriali d’origine dei solfati di calcio.