Hydration modeling of a Ferric Cement-SSA system as a candidate binder for radioactive waste immobilization

This work develops a thermodynamic–kinetic modeling approach to describe the hydration process and the mechanical strength gain of a ferric cement partially replaced with sewage sludge ash (SSA). The chemical composition of ferric cement, characterized by low aluminate content and high ferrite, makes this binder promising candidate for durable matrices in aggressive environments. However, despite this potential, the combined use of ferric cement and SSA is still poorly characterized: in particular, no dedicated thermodynamic-kinetic model have been studied to predict the evolution of hydration and strength in these systems. To address this gap, a coupled modeling strategy is implemented in CemGEMS to simulate the formation of hydrate phases through which the evolution of the gel–space ratio is computed. This is subsequently correlated with compressive strength through the Powers–Brownyard relationship. The kinetic parameters of the mP&K model were calibrated on the pure ferric cement paste and subsequently applied to mixtures containing 10, 20 and 30 wt.% SSA. The framework provides a consistent interpretation of the experimental trends and offers insights into the mechanisms governing SSA-blended mixtures, highlighting both the capabilities and the limitations of the proposed approach.

Questo lavoro sviluppa un modello termo-cinetico per descrivere l’idratazione e l’evoluzione della resistenza meccanica di un cemento ferrico parzialmente sostituito con ceneri da fanghi di depurazione (SSA). La particolare composizione chimica del cemento ferrico, caratterizzato da un contenuto molto ridotto di alluminati e da elevate quantità di fasi ferriche, lo rende un legante potenzialmente adatto ad ambienti aggressivi. Tuttavia, nonostante questo potenziale, la combinazione cemento ferrico–SSA rimane poco studiata e manca un modello termodinamico - cinetico dedicato in grado di prevederne l’evoluzione delle fasi idrate e della resistenza. Per colmare questo limite, si sviluppa un approccio di modellazione accoppiata in CemGEMS per simulare la formazione dei prodotti di idratazione con cui poi calcolare il rapporto gel–spazio, successivamente correlato alla resistenza meccanica tramite la relazione di Powers–Brownyard. I parametri cinetici del modello mP&K sono stati calibrati sulla pasta di cemento ferrico pura e successivamente applicati a miscele contenenti il 10, 20 e 30% in peso di SSA. Il modello fornisce un’interpretazione coerente dei trend sperimentali e offre nuovi spunti sui meccanismi che governano i sistemi con SSA, mettendo in evidenza sia le potenzialità sia i limiti dell’approccio proposto.