BRICKTECH: Assessment for the use of waste in the brick production. Petrophysical characterization of new mix designs and optimization of the firing conditions

BRICKTECH: Valutazione dell’utilizzo dei materiali di scarto nella produzione di laterizi. Caratterizzazione petrofisica di nuovi mix design e ottimizzazione delle condizioni di cottura. RIASSUNTO Il laterizio é un materiale della tradizione costruttiva dalle antiche origini, ma che può rispondere alle importanti sfide verso cui la ricerca in ambito industriale è attualmente rivolta, ossia il risparmio energetico, l’abbassamento di costi nella produzione e il miglioramento delle qualità del prodotto finito. Inoltre, la crescente domanda di una produzione sostenibile ha indirizzato la ricerca verso nuovi materiali che tengano conto della salvaguardia dell’ambiente e del benessere della società. Una delle strade percorribili per il raggiungimenti di tali traguardi e che congiunge questi diversi aspetti è l’ottimizzazione di nuovi mix design, utilizzando materiali di scarto, risultato di attività industriali, urbane e di escavazione. In questo modo il consolidamento di produzioni di tipo sostenibile ha un duplice valore in quanto non solo determina la diminuzione dell’utilizzo di nuove geo-risorse, ma si risolve anche il problema dell’accumulo e della gestione dei rifiuti, rivalutandoli come fonte secondaria di interesse per la realizzazione di nuovi materiali nel rispetto della tutela dell’ambiente. Nonostante negli ultimi decenni siano stati numerosi gli studi effettuati per la realizzazione di mattoni con materiali di riuso come risorse alternative e questi abbiano dimostrato una vasta applicabilità nel settore del laterizio, l’implementazione in ambito industriale è ancora oggi molto limitata, a causa della mancanza della compartecipazione tra ricerca accademica e le reali necessità industriali, della scarsità di standard specifici di valutazione dei processi di lavorazione e dei prodotti finiti e della limitata educazione pubblica rispetto alle possibili frontiere sostenibili. Un altro aspetto importante che deve essere considerato nella produzione di nuovi materiali è quello del mantenimento delle caratteristiche estetiche del materiale tradizionale. Il mattone, infatti, essendo un materiale da costruzione, deve rispondere a parametri di “compatibilità culturale”, intesa come riconoscimento della identità territoriale di una comunità. Questo aspetto ovviamente ha un valore ancor maggiore nel caso di materiali impiegati con funzione di integrazione o sostituzione per il ripristino e/o restauro di edifici storici danneggiati. Questo lavoro è, pertanto, rivolto a colmare la lacuna di uno scarso dialogo tra ricerca accademica e sviluppo industriale, attraverso la stretta collaborazione tra università e industria e il raggiungimento di obiettivi condivisi. Questo è stato possibile grazie all’affiancamento di una ditta leader nel settore della produzione di laterizi tradizionali, la SanMarco-Terreal srl (Noale, Italia), che ha apportato il suo contributo mettendo a servizio strumentazioni, materie prime e la gran esperienza maturata in quest’ambito lavorativo. I prodotti sono stati sviluppati in linea con gli obiettivi di Horizon 2020 (https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/), soprattutto in termini di sfruttamento sostenibile delle risorse naturali, di miglioramento dei processi di trasformazione delle materie prime, di riciclaggio e della ottimizzazione delle condizioni di cottura, al fine di soddisfare i punti relativi all’eccellenza scientifica, alle sfide per la società e alla leadership industriale. Pertanto, lo studio è stato rivolto a: 1) mettere in relazione le caratteristiche mineralogiche e chimiche con le proprietà meccaniche e la durabilità in diverse condizioni di stress di materiali già in commercio, ottenuti da differenti argille e cotti a diverse temperature (600, 950, 980, 1050°C); 2) analizzare il sistema poroso di materiali industriali al fine di ottenerne una conoscenza affidabile e completa come punto di partenza per definire un protocollo per la quantificazione e la parametrizzazione delle caratteristiche morfologiche dei pori attraverso l'uso combinato di metodi tradizionali e tecniche di elaborazione di immagine a seconda del tipo di materia prima utilizzata e le temperature di cottura raggiunte (600, 950, 1050°C); 3) sperimentare nuovi mix design ottenuti dall'aggiunta di rifiuti provenienti da attività di estrazione di materiale lapideo e industriali per la produzione di nuovi mattoni basata sui concetti di riciclo e di uso sostenibile delle risorse. Il tipo di materiali di ri-uso adottati nello specifico sono stati: i) lo scarto di escavazione di trachite della cava di Rovolon, Colli Euganei, Vicenza (Italia); ii) un fango refluo derivante dall’industria ceramica. Lo studio dei mattoni commerciali ha confermato come le proprietà chimico-mineralogiche, fisico-petrografiche, di porosità e di durabilità dei prodotti finiti siano strettamente dipendenti dalla composizione delle materie prime e dalle temperature di cottura raggiunte durante il processo di produzione. I risultati conseguiti dalle analisi dei mix design sperimentali hanno dimostrato la possibilità di ottenere nuovi laterizi utilizzando materiale di scarto e di implementare strategie industriali con soluzioni sostenibili e compatibili. Più in dettaglio, i mattoni commerciali (1) cotti a temperature superiori a 1050°C hanno mostrato una maggiore evoluzione mineralogica, con la crescita di nuove fasi, e fusione della matrice, con un conseguente miglioramento delle proprietà meccaniche. Al contrario il mattone cotto a 600°C si è distinto per un buon comportamento idrico, rilevandosi però il più debole durante i cicli di invecchiamento accelerato, a causa della bassa compattezza, a questa dovuta all’assenza di vetrificazione nella matrice e alla bassa evoluzione di nuove fasi a tale temperatura. Inoltre, è stato osservato come l’hausmannite (Mn3O4) utilizzata come colorante, comporti cambiamenti non solo sull’aspetto estetico del prodotto finito (determinando un colore grigio scuro), ma agisca anche nelle sue proprietà meccaniche e nel sistema poroso promuovendo il processo di fusione. Lo studio dettagliato della porosità (2) conseguito attraverso l’uso di differenti metodologie di studio ha permesso da un lato di comprendere in maniera più approfondita i limiti di ogni tecnica, dall’altro di conoscere il sistema poroso di ogni campione nella sua complessità. I mattoni prodotti con argilla carbonatica han mostrato una maggiore porosità e interconnessione dei pori, che derivano dalla decomposizione del carbonato durante il processo di cottura. Nei mattoni cotti a temperature più alte (1050°C) è stato riscontrato lo sviluppo della morfologia dei pori, che diventano più grandi e rotondi. Al contrario nel mattone ottenuto con l’uso di una argilla meno carbonatica e cotto a 600°C, la porosità è molto diversa, i pori sono meno omogenei e più piccoli. Nella valutazione dell’influenza dell’utilizzo di materiale di scarto (3) per la produzione di nuovi laterizi, in entrambi i casi di studio i) l’aggiunta di trachite di escavazione (5, 10, 15% in peso) e ii) l’aggiunta del fango ceramico (10% in peso) come inerte, i risultati sono stati soddisfacenti al fine di identificare possibili “alternative sostenibili” ai mattoni attualmente in commercio. i) Si è visto come la presenza di feldspati alcalini nella trachite agiscono come agenti fondenti e diminuiscono il punto di fusione. Questo effetto è stato osservato sotto differenti punti di vista, dall’aumento della connessione tra i minerali, dalla crescente compattezza, dalla maggiore evoluzione della tessitura e del sistema dei pori, tutte caratteristiche che si sviluppano, non sono in corrispondenza dell’aumento della temperatura, ma anche dell’aumento del contenuto di trachite. Inoltre, lo studio delle proprietà termiche, condotto attraverso l’analisi di immagini infrarosse, ha evidenziato come il crescente contenuto di trachite riduca la capacità di trasmissione di calore. Solo nel caso del mattone con 15% di trachite e cotto alla temperatura di 1050°C è stata osservata una trasmissione di calore più rapida, per l’alto livello di sinterizzazione raggiunto. In generale la buona risposta alle condizioni di stress (gelo-disgelo e cristallizzazione di sali) e l’assenza di una forte differenza tra i campioni hanno dimostrato che la trachite può essere considerata un inerte alternativo a quello normalmente utilizzato che inoltre può recare vantaggi nella produzione, con risparmio di energia e di costi, dal momento che agisce come agente fondente. Il suo impiego permette, infatti, di ottenere mattoni cotti a 900°C (temperatura inferiore a quella attualmente utilizzata dalla ditta) e che contengano più del 10% di inerte, limitando lo sfruttamento e l’uso di nuove geo-risorse. ii) Anche la miscela con l’aggiunta del fango di scarto dell’industria ceramica ha ottenuto risultati soddisfacenti. Le prove di colorimetria han dimostrato che il prodotto finito mantiene un aspetto molto simile ad un mattone di colore giallo già in commercio (ottenuto con la stessa argilla, ma con l’inerte standard) suggerendone la possibile sostituzione dal punto di vista estetico. Le prove di compressione uniassiale e l’analisi ad ultrasuoni hanno, inoltre, rilevato anche un comportamento meccanico molto simile a quello del mattone commerciale giallo, indice della sua compatibilità anche nella riposta al carico. Solo dal punto di vista della durabilità il mattone ottenuto con l’aggiunta del fango ha mostrato una risposta più debole. Mentre durante la cristallizzazione dei sali il suo aspetto originario è rimasto quasi intatti, a condizioni forzate di gelo e disgelo si è riscontrato il progressivo deterioramento dei campioni fino alla loro totale disgregazione alla fine della prova. Alla luce di quanto evidenziato questo nuovo mix design può essere a tutti gli effetti considerato un’alternativa sostenibile del mattone commerciale, in particolare per il mantenimento delle proprietà fisico-meccaniche e delle qualità estetiche, ma non può essere messo in opera in edifici situati in situazioni ambientali dove sono possibili cicli di gelo e disgelo. Questa tesi di Dottorato rappresenta un punto di partenza fondamentale per affrontare la riqualificazione di mattoni tradizionali in chiave sostenibile e permettere la valutazione in termini di qualità e durabilità dei mix sperimentali ottenuti con materiali di riciclo, nel caso specifico consistenti in trachite di cava e in un fango ceramico. Entrambi i casi di studio hanno dimostrato di rappresentare una valida alternativa al fine di ottenere nuovi mattoni di interesse per il miglioramento del settore industriale del laterizio, in termini di risparmio di sfruttamento di geo-risorse, energia e costi. Comprendere le relazioni intrinseche tra composizione mineralogica, caratteristiche tessiturali, la microstruttura e le proprietà fisiche del laterizio è la base di una consapevole conoscenza del materiale per lo sviluppo di nuovi mix design.