Development of inorganic polymers for near-zero energy dwellings

I leganti ad attivazione alcalina (nella formulazione originale inglese “alkali-activated materials”) stanno sempre più affermandosi come soluzione tecnologica sostenibile ed innovativa nella produzione di materiali da costruzione. Molti lavori esistono al riguardo, ma il livello di comprensione scientifica e di implementazione industriale di questi materiali, varia a seconda dei diversi tipi di leganti ad attivazione alcalina a cui si fa riferimento. I materiali ad attivazione alcalina più studiati sono i geopolimeri. I meccanismi e le reazioni coinvolte nella formazione di questi materiali sono ormai noti e consolidati da tempo nella comunità scientifica, così come la loro implementazione sul mercato. Un diverso sottogruppo dei materiali ad attivazione alcalina sono i polimeri inorganici (“inorganic polymers”). La loro chimica differisce dai geopolimeri in quanto non ottenuti dall’esclusiva attivazione alcalina di materiali allumino-silicatici. Gli polimeri inorganici derivano da sistemi chimicamente complessi ma sono allo stesso tempo versatili. Contrariamente ai geopolimeri infatti, i polimeri inorganici possono essere prodotti utilizzando una vasta gamma di precursori, offrendo quindi l’opportunità di valorizzare materie prime di basso costo che includono anche numerosi rifiuti e sottoprodotti industriali. Tuttavia, l’ampia varietà di questi materiali fa sì che studi ad hoc siano necessari per ogni potenziale precursore in funzione della sua composizione chimica e dell’applicazione finale prevista. La presente tesi di dottorato è finalizzata allo sviluppo di materiali da costruzione funzionalizzati e sostenibili, utili alla realizzazione di edifici ad un consumo di energia quasi zero (“near Zero Energy Building, nZEB”) e messi a punto attraverso lo studio di polimeri inorganici prodotti da rifiuti non altrimenti valorizzabili: le scorie vetrose ottenute dalla conversione termochimica di combustibili derivato da rifiuti (CDR). Caratterizzati da alti contenuti di Ca e Fe, questi residui possono essere considerati rappresentativi di un più ampio gruppo di rifiuti e sottoprodotti attualmente scarsamente utilizzabili e spesso destinati al conferimento in discarica. Obiettivo principale del presente lavoro era quello di comprendere i meccanismi delle reazione coinvolte nella formazione di polimeri inorganici ottenuti dall’attivazione alcalina di queste scorie, e di determinarne le correlazioni con le proprietà chimiche e fisico-meccaniche del prodotto finale. Attraverso l’uso di modelli statistici predittivi, sono stati sviluppati, ottimizzati ed ingegnerizzati un’ampia gamma di polimeri inorganici. I risultati sperimentali riportati nel presente lavoro riguardano innanzitutto lo sviluppo e l’ottimizzazione di mix design, in grado di massimizzare il contenuto di scoria come precursore. Altro aspetto molto importante di studio ha riguardato la riduzione dei ritiri per una migliore stabilità volumetrica di leganti e malte prodotti a partire dagli polimeri inorganici ottimizzati. Eccellenti proprietà meccaniche e buone prestazioni residue dopo l’esposizione alle alte temperature, sono fra le principali proprietà analizzate che caratterizzano le formulazioni sviluppate. Con lo scopo di ottenere un prodotto in grado di incrementare l’efficienza energetica degli edifici, un importante parte del lavoro ha riguardato la funzionalizzate del materiale sviluppato. L’ingegnerizzazione della microstruttura, per ottenere un materiale leggero e termicamente isolante, e l’aggiunta di materiali a cambiamento di fase (“Phase Change Materials, PCMs”), capaci di ridurre le fluttuazioni termiche, sono le due principali tematiche tecnologiche investigate. Tale studio ha portato alla realizzazione di panelli multistrato in grado di offrire entrambe le proprietà termiche desiderate. Attraverso l’ottimizzazione dei parametri di produzione, compatibili con i requisiti di scalaggio industriale, sono stati realizzati in laboratorio prototipi in scala naturale, che dimostrando la piena fattibilità tecnica delle soluzioni proposte. Il tema proposto e gli approfondimenti forniti in questa tesi di dottorato sono di particolare interesse per il settore delle costruzioni, sempre più attento a soluzioni innovative capaci di ridurre l’impatto sull’ambiente. La valorizzazione di scorie ricche in calcio e ferro, così come proposta nel presente lavoro, rappresenta una plausibile via di riciclo su larga scala in grado di assorbire significativi volumi di scarti. Valorizzare questi rifiuti convertendoli in materiali da costruzione che, nella loro vita utile, consentono di ridurre l’impatto energetico degli edifici, ha quindi un elevato beneficio che è sia economico che ambientale.