Rocce vulcano-sedimentarie per la transizione verde: valorizzazione e recupero per la progettazione di materiali sostenibili

Italy has limited natural resources, but its volcanic regions are rich in volcanic-sedimentary rocks like pumice, lapillus, and zeolitized tuffs, which are commonly used, for example, in floriculture, landscaping, and construction. However, the mining and processing of these raw materials produce scraps with little commercial value, especially pumice and lapillus with grain size smaller than 3 mm. If unsold or not used for quarry rehabilitation, these scraps lead to additional operating costs due transportation and storage in authorized quarry areas, which also requires the payment of regional fees. Currently, over 350,000 m³ of unsold scraps are accumulating, with management costs exceeding €2.50 per cubic meter. The volcano-sedimentary rocks mentioned above, being natural aluminosilicate raw materials, offer interesting opportunities for valorization in a circular economy perspective. This approach was carried out through a set of study (including bibliographic) and laboratory activities aimed at defining the formulation of mixtures and the characterization of prototype tiles, cement mortars and fertilizers enriched with micronutrients, of which, a brief description follows. Pumice and volcanic lapillus have been used in different percentages to replace foreign feldspars in the production of porcelain stoneware bodies, with the aim of obtaining naturally colored supports, reducing the use of artificial dyes and maintaining the same technical characteristics of the product. The pieces were produced on a laboratory scale, glazed and fired within the industrial production cycle (48 minutes at 1210°C). The subsequent characterisation allowed the prototypes to be classified as porcelain stoneware belonging to the BIa group (WA 0.5%, B.S.>35 MPa) in accordance with UNI EN 14411 ISO 13006. In addition, a comparative life cycle analysis was carried out between commercially available glazed porcelain stoneware and those containing pumice and volcanic lapillus scraps. The results showed environmental benefits, with a reduction in impact ranging from 8% (freshwater aquatic ecotoxicity category) to 48% (acidification category). Cementitious mortars have been designed with the aim of reducing the CO2 emissions associated with the production of the main cement component, clinker, in which the carbonate fraction thermally decomposes at high temperature. Volcanic lapillus was used both as a supplementary cementitious material (SCM) and as a fine aggregate in the production of mortars, with 5, 10, 15 and 20% replacements. The samples obtained were characterized to evaluate their mechanical, physico-chemical and microstructural properties, showing promising results compared to traditional cementitious mortars in the case of substitution as SCM. Controlled-release Zn fertilizer formulations were also developed and subsequently characterized and tested as foliar fertilizers on Vitis vinifera. The formulation composed of 70% zeolitized tuff and 30% pumice scraps showed greater resistance to leaching, under simulated rainfall, than the reference commercial fertilizer. In addition, the potential of pumice waste as Mn2+ carriers for foliar fertilization was examined and compared with that of zeolitized tuff. Pumice showed better stability in enrichment and release, making it a promising material for Mn2+ delivery to crops.

L’Italia è un Paese relativamente povero di materie prime, ma grazie alla natura vulcanica di alcune sue regioni ospita giacimenti di rocce vulcano-sedimentarie come pomici, lapilli e tufi zeolitizzati, utilizzate nei settori della floricoltura, del verde tecnico e dell'edilizia. Tuttavia, le attività di estrazione e lavorazione di queste materie prime, in particolare per pomice e lapillo, producono sfridi di scarso o nullo valore commerciale. Questi residui, se invenduti o non reimpiegati per il ripristino delle cave, generano costi di gestione legati sia al loro trasporto sia all’accatastamento anche in termini di tasse. Attualmente, la quantità di sfridi invenduti supera i 350.000 m³, con costi di gestione di oltre 2.50 €/m³. Le rocce vulcano-sedimentarie citate, essendo materie prime naturali alluminosilicatiche, offrono interessanti opportunità di valorizzazione in un'ottica di economia circolare. Questo approccio è stato sviluppato attraverso un insieme di attività di studio (anche bibliografico) e di laboratorio atte a definire la formulazione di miscele e la caratterizzazione di prototipi di piastrelle, malte cementizie e fertilizzanti arricchiti con micronutrienti, dei quali, a seguire, una breve descrizione. Pomice e lapillo vulcanico sono stati impiegati, in diverse percentuali, come alternative ai feldspati esteri nella produzione di impasti per gres porcellanato, per ottenere supporti naturalmente colorati, riducendo l'uso di coloranti artificiali e mantenendo invariate le proprietà tecniche del prodotto. I manufatti sono stati prodotti su scala di laboratorio, smaltati e cotti all'interno del ciclo di produzione industriale (48 minuti a 1210 °C). La successiva caratterizzazione ha permesso di classificare i prototipi come gres porcellanato, appartenenti al gruppo BIa (WA 0,5%, B.S.>35 MPa), in conformità alla norma UNI EN 14411 ISO 13006. Inoltre, è stata condotta un'analisi comparativa del ciclo di vita tra gres porcellanato smaltato commerciale e quelli contenenti rispettivamente sfridi di pomice e di lapillo. I risultati hanno evidenziato benefici ambientali, con una riduzione degli impatti che varia dall'8% (categoria Ecotossicità acquatica in acqua dolce) fino al 48% (categoria Acidificazione). Le malte cementizie sono state studiate con l'obiettivo di ridurre le emissioni di CO2 associate alla produzione del principale componente del cemento, il clinker, in cui all’alta temperatura applicata la frazione carbonatica si decompone termicamente. Il lapillo vulcanico è stato utilizzato sia come materiale cementizio supplementare (SCM) sia come aggregato fine nella produzione delle malte, con sostituzioni del 5, 10, 15 e 20%. I campioni ottenuti sono stati caratterizzati per valutarne le proprietà meccaniche, chimico-fisiche e microstrutturali, mostrando risultati promettenti se paragonati alle malte cementizie tradizionali nel caso di sostituzione come SCM. Sono state inoltre sviluppate formulazioni di fertilizzanti a rilascio controllato di Zn, successivamente caratterizzate e testate come fertilizzanti fogliari su Vitis vinifera. La formulazione composta dal 70% di tufo zeolitizzato e 30% di sfridi di pomice ha mostrato una maggiore resistenza alla lisciviazione, sotto pioggia simulata, rispetto al fertilizzante commerciale di riferimento. Inoltre, è stato esaminato il potenziale degli scarti di pomice come vettori di Mn2+ per la fertilizzazione fogliare, confrontandolo con quello del tufo zeolitizzato. La pomice ha evidenziato una migliore stabilità nell'arricchimento e nel rilascio, risultando un materiale promettente per la distribuzione di Mn2+ alle colture.