domenica, Ottobre 17, 2021

Riciclo eco-efficiente dei rifiuti industriali

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Il riciclo eco-efficiente dei rifiuti industriali attraverso lo sviluppo di malte geopolimeriche rinforzate con fibre.

Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Napoli “Parthenope”, Materials Science and Engineering Research group – MASERG, Centro Direzionale, Is. C4, 80143, Napoli, Italia 

bConsorzio ASI Napoli, Via Domenico Morelli 75, 80121 Napoli, Italia  

cRegione Campania UOD 501708, Centro Direzionale, Is. C5, 80143 Napoli, Italia   

dARPAC Dipartimento di Napoli, Via Don Bosco, 4/F, 80141 Napoli, Italia 

email:ilenia.farina@uniparthenope.it;  marta.travaglioni@uniparthenope.it;  cinzia.salzano@uniparthenope.it; salvatorepuca@libero.it; antonio.ramondo@regione.campania.it ; r.olivares@arpacampania.it; l.cossentino@arpacampania.it; raffaele.cioffi@uniparthenope.itantonella.petrillo@uniparthenope.it

Abstract

Nel presente studio è stata valutata la possibilità di utilizzare un legante geopolimerico ecosostenibile, attraverso lo sviluppo di tecnologie innovative in grado di offrire strumenti per la gestione dei sistemi idrici, per la valorizzazione e la tutela delle risorse ambientali. Nello specifico, una tubazione idraulica in malta geopolimera è stata progettata come prototipo ed è stata condotta un’analisi delle prestazioni tecnologiche dei prototipi di geopolimeri non rinforzati e rinforzati. È stato, inoltre, effettuato un confronto delle proprietà meccaniche di 16 miscele di malte geopolimeriche, cioè: geopolimero a base di ceneri volanti; geopolimero a base di scorie d’altoforno macinate; geopolimero a base di ceneri leggere e scorie d’altoforno granulate e geopolimero a base di metacaolino, rinforzate con fibre di basalto, vetro e canapa. Lo studio è stato condotto per determinare le prestazioni tecnologiche delle diverse miscele progettate. I risultati hanno indicato che i vantaggi dei geopolimeri li rendono una valida alternativa ai leganti tradizionali in molte applicazioni industriali e in questo caso anche nella realizzazione di manufatti per l’ingegneria idraulica.

1 Introduzione

Nonostante il cemento sia un prodotto a basso costo, la sua produzione è responsabile del 8% delle emissioni antropiche di anidride carbonica (Spiesz et al. 2014). Le emissioni producono un effetto serra, che rappresenta circa il 65% del riscaldamento globale (Shalini et al., 2016). Pertanto, la riduzione delle emissioni di CO2 associate alla produzione di cemento rappresenta una sfida importante e urgente (Abbas et al., 2020). Infatti, le eccessive emissioni di anidride carbonica hanno spinto l’industria a cercare alternative più sostenibili al cemento (Alanazi, 2017). Sono stati condotti molti studi per esplorare le proprietà fisico-chimiche e le prestazioni a lungo termine dei geopolimeri (Lee et al., 2013). È emerso che i geopolimeri esibiscono un’elevata resistenza meccanica, un’eccellente resistenza termica e un’ottima durabilità (Roviello et al., 2015).

I geopolimeri possono rappresentare una soluzione per il problema dello smaltimento dei materiali di scarto industriali utilizzando sottoprodotti industriali come ceneri volanti (FA), scorie di altoforno granulate (GGBS), come materiale di partenza (Neupane et al., 2016). I calcestruzzi geopolimerici a base di ceneri volanti possono raggiungere una maggiore resistenza alla compressione oltre i 60 MPa (Noushini, et al., 2016), resistenza agli acidi (Junaid et al., 2017; Jindal et al., 2017), resistenza agli attacchi dei solfati (Aiken et al., 2018) e resistenza a temperature elevate (Zhang et al., 2018; Amran, et al., 2020). Sono disponibili anche diversi studi che riguardano l’utilizzo del metacaolino in aggiunta o in sostituzione alle fly ash (Alanazi et al., 2017). In particolare, l’aggiunta o la sostituzione di materiale legante con metacaolino porta ad un aumento della resistenza meccanica dal 5% al 20% (Zahid et al., 2017). Ulteriore materiale altamente performante, utilizzato in aggiunta o sostituzione di fly ash o metacaolino, sono le scorie di altoforno granulate (GGBS), che comportano un elevato sviluppo della resistenza meccanica del calcestruzzo geopolimerico indurito a temperatura ambiente (Fang et al., 2018). In particolare, si osserva un aumento significativo della resistenza a compressione di 28 giorni di 10 MPa per ogni aumento del 10% del contenuto di GGBS (Nath et al.,2014).

Nel caso delle malte geopolimeriche, l’incremento della resistenza è stato addirittura superiore a quello dei provini in calcestruzzo (Nath et al.,2014). Il calcestruzzo geopolimerico ha raggiunto una resistenza alla compressione fino a 55 MPa e la malta geopolimerica fino a 63 MPa a 28 giorni con l’aggiunta del 30% di GGBS (Nath et al.,2014). La resistenza alla compressione è anche influenzata dal rapporto tra silicio e alluminio nella miscela. Maggiore è il rapporto Si/Al e maggiore sarà la resistenza alla compressione (Hu et al., 2008). In questo contesto si inserisce il seguente studio, che riguarda la progettazione e produzione di malte geopolimeriche non-rinforzate e fibro-rinforzate, seguito dalla valutazione delle proprietà meccaniche, nello specifico della resistenza a compressione.

2 Materiali e metodi

La combinazione di tre diversi precursori, ovvero ceneri volanti (FA), scorie di altoforno granulate (GGBS) e metacaolino (MK), permette di ottenere quattro diverse miscele di geopolimeri:

  • Ceneri volanti (FA)
  • Scorie di altoforno granulate (GGBS)
  • Ceneri volanti + Metacaolino (FA+MK)
  • Ceneri volanti + Scorie di altoforno granulate (FA+GGBS)

Per ogni miscela sono stati preparati campioni non rinforzati e rinforzati per migliorare il comportamento meccanico del materiale. Le fibre testate sono fibre inorganiche come il basalto (BF), ovvero fibre minerali ottenute per fusione e successiva filatura di rocce vulcaniche; fibra di vetro (GF), che hanno il vantaggio di un costo inferiore, e quindi sono spesso utilizzati per ottenere proprietà intermedie a basso costo. Particolarmente interessante, infine, anche la sperimentazione di fibre naturali come la canapa (HF), per gli aspetti di ecosostenibilità dei prodotti ottenuti. Diverse miscele sono state progettate per produrre malte geopolimeriche, utilizzando diversi precursori, modificando le soluzioni attivanti e utilizzando diversi tipi di fibre di rinforzo. La tabella 1 mostra le quantità espresse in kg di specie per ciascun sottosistema.

Tabella 1: Quantitativi espressi in kg di specie in 1 m3 di malte geopolimeriche con densità media pari a 2100 kg/m3

Malte geopolimerici [kg]FASabbiaNaOH 12 MSSFibra
1FA86186184294 
2FA + GF8618408429421
3FA + BF8618408429421
4FA + HF8618408429421
  GGBSSabbiaNaOH 10 MSSFibra
5GGBS756441609294 
6GGBS + GF75642060929421
7GGBS + BF75642060929421
8GGBS + HF75642060929421
  FA + GGBSSabbiaNaOH 10 MSSFibra
9FA + GGBS735 + 378420399168 
10FA + GGBS + GF735 + 37839939916821
11FA + GGBS + BF735 + 37839939916821
12FA + GGBS + HF735 + 37839939916821
  FA + MKSabbiaNaOH 10 MSSFibra
13FA + MK651 + 462273189525 
14FA + MK + GF651 + 46225218952521
15FA + MK + BF651 + 46225218952521
16FA + MK + HF651 + 46225218952521

Per la preparazione dei campioni, sono stati pesati i diversi componenti delle miscele progettate, in particolare la polvere reattiva, la sabbia e le fibre di rinforzo. Il precursore reattivo è stato miscelato con la soluzione attivante NaOH 10 M e il silicato di sodio per tutte le miscele, ad eccezione della miscela preparata utilizzando ceneri volanti che richiedevano l’uso di una soluzione attivante NaOH 12 M e silicato di sodio.  Il sistema è stato miscelato, a temperatura ambiente, per 5 minuti ad una velocità massima di 700 rpm. La sabbia e il rinforzo sono stati aggiunti e la miscela è stata versata in stampi cilindrici aventi un diametro di 5 cm, un’altezza di 10 cm e uno spessore di 1 cm. Sono stati preparati tre campioni per ogni miscela e i campioni ottenuti sono stati sottoposti a un trattamento di stagionatura in forno a 40°C per una settimana (Figura 1).

(clicca qui per vedere il powerpoint)

3 Risultati

In questa sezione vengono riportati i risultati della caratterizzazione meccanica dei campioni sintetizzati secondo le modalità discusse nel paragrafo precedente. Le prove a compressione sono state eseguite utilizzando un telaio della CONTROLS Model-50 che permette di valutare la resistenza a compressione. Secondo lo standard UNI-EN 12390-3, la velocità di applicazione del carico è stata imposta a 2400 N/s. Riguardo l’aggiunta di rinforzo nelle miscele, si possono identificare delle differenze significative di comportamento dovute all’aggiunta di fibre di morfologie diverse, quali, fibre di vetro, basalto e canapa. Si noti che le malte rinforzate con fibre di basalto risultano avere una resistenza meccanica maggiore, seguite dalle malte rinforzate con fibre di vetro ed infine con fibre di canapa. Oltre alla resistenza meccanica, è stata valutata anche la densità delle malte. Per ogni miscela analizzata i valori di densità della malta fibro-rinforzata non differiscono significativamente dal valore della malta non rinforzata. Ciò può essere attribuito al fatto che la quantità di fibra (1%) è insignificante rispetto alla massa totale del campione e quindi non produce un aumento apprezzabile della densità. Nella tabella 2 sono riportati i valori delle resistenze a compressione e i valori di densità delle malte geopolimeriche.

Tabella 2: Resistenza meccanica e densità delle malte geopolimeriche

 Resistenza a compressione (MPa)Densità [g/cm3]
FA41.22.01
FA+GF43.2 
FA+BF43.4 
FA+HF42.9 
GGBS40.12.24
GGBS+GF41.2 
GGBS+BF42.3 
GGBS+HF40.6 
FA+GGBS42.42.13
FA+GGBS+GF46.2 
FA+GGBS+BF47 
FA+GGBS+HF43.7 
FA+MK43.12.08
FA+MK+GF44 
FA+MK+BF44.2 
FA+MK+HF43.6 

Dai risultati si evince che i sistemi fibro-rinforzati sintetizzati a partire da due precursori solidi (FA+GGBS) e (FA+MK) mostrano resistenze a compressione più elevate rispetto ai sistemi con un solo precursore solido. In generale per tutti i sistemi analizzati, i valori possono ritenersi soddisfacenti.

4 Conclusioni

In conclusione, l’utilizzo di materie prime alternative ed il riciclo di sottoprodotti industriali conducono ad una riduzione del consumo di risorse naturali, con conseguente diminuizione delle emissioni di CO2 che si traduce nel raggiungimento della sostenibilità ambientale ed economica. Dunque, sono molti i vantaggi in termini di prestazione ambientale del calcestruzzo geopolimerico rispetto al calcestruzzo convenzionale quando utilizzato come materiale cementizio alternativo. Inoltre, i vantaggi delle malte geopolimeriche sono numerosi anche in termini di leggerezza, resistenza alle sollecitazioni meccaniche, resistenza al fuoco, resistenza agli attacchi acidi, rispetto al calcestruzzo ordinario. I risultati del presente studio, infatti, dimostrano che il valore massimo della resistenza a compressione si ottiene dalla produzione delle malte (FA+MK+F) e (FA+GGBS+F).

5 Ringraziamenti

Gli autori riconoscono il sostegno finanziario della Regione Campania. Il lavoro è il risultato del progetto italiano Idrica “Laboratorio integrato per il monitoraggio, controllo e gestione ottimale delle risorse idriche e ambientali” POR CampaniaFESR 2014/2020, Asse 1. O.S. 1.2, Az. 1.2.2. COPPA B63D18000310007.

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