Development of reinforced alkali activated materials for cultural heritage restoration [Sviluppo di geopolimeri compositi rinforzati per il restauro di beni culturali]

This doctoral thesis was written as part of the Ph.D. in Earth and Environmental Sciences of the University of Catania and focuses on the development of reinforced Alkali Activated Materials (AAMs) for cultural heritage restoration. The research aims to explore the production of innovative and sustainable materials, made from industrial wastes and by-products, to reduce the carbon footprint of the conventional used materials in the construction and restoration industries. Granophyre and basalt sludges were used as precursors for the development of AAMs. The reason behind the selection of these materials is that they represent a waste, usually landfilled, that is largely produced during stone processing (i.e., cutting, polishing). Therefore, the valorisation of these sludges is intended through alkaline activation processes, meeting the principles of circular economy and developing efficient binders. Moreover, this study explores the incorporation of local natural and synthetic fibres to enhance the mechanical properties of the alkali activated binders. Specifically, the addition of fibres reduces the well-known brittle nature of AAMs, making them suitable for the application in seismic areas where the disastrous failure of the materials has to be avoided. The fibres were chosen according to their physical properties, availability and the environmental impact. The final part of the thesis is represented by three different case studies, with the aim of widening the potential application fields of the construction and restoration materials. The first case study investigated a Design of Experiments (DoE) approach for predictive modelling of new AAMs formulations. The second case study explored the effects of different activator concentrations and waste glass-to-volcanic ash ratios on potassium-based AAMs. The case study aims to contribute to a better understanding on the influence of these variables on the development of the microstructure and on the final physical-mechanical features. The third case study focused on the investigation of the rheological behaviour of AAMs for 3D printing applications. During this study an interdisciplinary approach was adopted, combining geosciences, chemistry and materials engineering, with the aim of widening the state of the art in the field of sustainable construction materials, opening new paths for the reuse of industrial wastes for the conservation of cultural heritage.

Questa tesi di dottorato è stata redatta nell'ambito del corso di dottorato in Scienze della Terra e dell'Ambiente dell'Università di Catania e verte sullo sviluppo di materiali rinforzati ad attivazione alcalina (MAA) per il restauro dei beni culturali. La ricerca mira a esplorare la produzione di materiali innovativi e sostenibili, realizzati con scarti industriali e sottoprodotti, al fine di ridurre le emissioni di anidride carbonica dei materiali convenzionali utilizzati nell'edilizia e nel restauro. Come precursori per lo sviluppo degli AAM sono stati utilizzati fanghi di granofiro e di basalto. La ragione alla base della scelta di questi materiali è che essi rappresentano un rifiuto, solitamente smaltito in discarica, che viene prodotto in gran parte durante la lavorazione della pietra (ad esempio taglio e lucidatura). Pertanto, si intende valorizzare questi fanghi attraverso processi di attivazione alcalina, rispettando i principi dell'economia circolare e sviluppando leganti efficienti. Inoltre, questo studio esplora l'incorporazione di fibre naturali e sintetiche locali per migliorare le proprietà meccaniche dei leganti ad attivazione alcalina. Nello specifico, l'aggiunta di fibre riduce la ben nota natura fragile degli MAA, rendendoli adatti all'applicazione in aree sismiche dove è necessario evitare il cedimento disastroso dei materiali. Le fibre sono state scelte in base alle loro proprietà fisiche, alla disponibilità e all'impatto ambientale. La parte finale della tesi è rappresentata da tre diversi casi studio, con l'obiettivo di ampliare i potenziali campi di applicazione dei materiali. Il primo caso studio ha esaminato un approccio di progettazione sperimentale (DoE) per la modellizzazione predittiva di nuove formulazioni di MAA. Il secondo caso studio ha esplorato gli effetti di diverse concentrazioni di attivatore e rapporti tra vetro di scarto e cenere vulcanica sui MAA a base di potassio. Il caso studio mira a contribuire a una migliore comprensione dell'influenza di queste variabili sullo sviluppo della microstruttura e sulle caratteristiche fisico-meccaniche finali. Il terzo caso studio si è concentrato sull'indagine del comportamento reologico di MAA per applicazioni di stampa 3D. Durante lo studio è stato adottato un approccio interdisciplinare, combinando geoscienze, chimica e ingegneria dei materiali, con l'obiettivo di ampliare lo stato dell'arte nel campo dei materiali da costruzione sostenibili, aprendo nuove strade per il riutilizzo dei rifiuti industriali per la conservazione del patrimonio culturale.