Classical and alternative cement binders: new approaches to investigate the reaction kinetics

Reactions of cementitious phases in aqueous solutions of different pH involve interfacial mechanisms that control the binders’ properties from the plastic state to after setting. Portland cement is a classical binder in concretes. The dissolution of the main phases of the Portland cement clinker such as tricalcium silicate C3S and tricalcium aluminate C3A was investigated. A protocol based on a holographic interferometry study was proposed to determine the dissolution rate constant of C3S. The study of classical cement systems has formed a solid base to pursue the investigation of alternative binders complying with the alkaline activation technology. Clays are abundant aluminosilicate sources, whose calcination confers reactivity in alkaline solution. Soils formed by kaolinite clay are promising for the production of alkali-activated materials. Clay soils with different compositions and blends formed by waste marble powder were tested. Reaction kinetics of alkali-activated binders were studied on diluted suspensions and fresh pastes by using in-situ techniques. Experimental data obtained by NMR spectroscopy were used to model the alkaline dissolution of metakaolin through a population balance approach. Describing dissolution-precipitation reactions and monitoring the properties of the materials was the basis to investigate systems composed of chemical admixtures and paves the way for the future development of durable and competitive alkali-activated materials.

Reazioni di fasi cementizie in soluzioni acquose a diverso pH comportano meccanismi interfacciali che controllano le proprietà dei leganti dallo stato plastico fino a dopo la presa. Il cemento Portland è un legante classico nei calcestruzzi. L’idratazione delle principali fasi del clinker di cemento Portland quali silicato tricalcico C3S e alluminato tricalcico C3A sono state studiate. È stato proposto un protocollo basato su uno studio di interferometria olografica per determinare la costante di dissoluzione della fase C3S. Lo studio di sistemi cementizi classici ha costituito una solida base per proseguire la ricerca su nuovi leganti conformi alla tecnologia di attivazione alcalina. Le argille sono abbondanti fonti di alluminosilicato, la cui calcinazione conferisce reattività in soluzione alcalina. Suoli formati da argilla kaolinitica sono promettenti per la produzione di materiali ad attivazione alcalina. Sono stati testati suoli argillosi con diverse composizioni e miscele formate da polvere di marmo di scarto. La cinetica di reazione di questi sistemi cementizi alternativi è stata studiata su sospensioni diluite e paste fresche utilizzando tecniche in-situ. Dati sperimentali ottenuti mediante spettroscopia NMR sono stati usati per modellare la dissoluzione alcalina del metacaolino attraverso un approccio basato su una legge di bilancio di popolazione. La descrizione delle reazioni di dissoluzione-precipitazione e il monitoraggio delle proprietà dei materiali sono stati la base per studiare sistemi composti da additivi chimici e punto di partenza per il futuro sviluppo di materiali ad attivazione alcalina durevoli e competitivi.