Gestione integrata dei rifiuti e sviluppo di prodotti ecologici mediante valutazione di impatto ambientale

Lo studio proposto mira a sostituire i materiali dell'industria delle costruzioni tradizionali a causa del loro elevato impatto ambientale, che si riflette essenzialmente nelle emissioni nell'aria.

Nello specifico, una tubazione idraulica in malta geopolimerica è stata progettata come prototipo. Tale approccio aiuta a ridurre il consumo di materie prime convenzionali, a ridurre l'impatto delle discariche sull'ambiente, a promuovere il riciclo dei rifiuti e a raggiungere lo spirito di sostenibilità ambientale.

Diverse miscele sono progettate per produrre malte geopolimeriche, utilizzando diversi precursori e fibre di rinforzo come fibre di basalto, vetro e canapa.

Viene condotta una valutazione comparativa dei prototipi di geopolimeri. I risultati mostrano che la produzione di malte geopolimeriche si traduce nella produzione e conseguente utilizzo di materiali da costruzione verdi e sostenibili, soddisfacendo così la volontà di integrare risorse più biodegradabili, naturali, riciclabili e rinnovabili nel settore delle costruzioni.

Verso costruzioni più sostenibili

Il cemento Portland ordinario (OPC), è un ingrediente di base del calcestruzzo, comunemente utilizzato per edifici e infrastrutture. Tuttavia, la produzione di OPC è responsabile tra il 5 e l'8% di tutte le emissioni di anidride carbonica (CO₂) causate dall'uomo in tutto il mondo (Shalini et al., 2016). Lo sviluppo di materiali da costruzione sintetici è attualmente ostacolato da problemi di salute e sicurezza umana e sta spingendo attivamente gli scienziati a cercare alternative all'OPC.

I materiali geopolimerici

Una buona soluzione può essere data dai materiali geopolimerici, un tipo di legante a basse emissioni di CO₂ che possono essere prodotti riutilizzando rifiuti industriali (Khan, et al. 2016). Tali leganti son attivati da alluminosilicati a basso contenuto di calcio, ed è conveniente non solo dal punto di vista ambientale, ma è anche economicamente vantaggioso rispetto all'uso del cemento Portland convenzionale (OPC), poiché i precursori di alluminosilicato sono spesso rifiuti industriali che vengono convertiti nei prodotti di valore più elevato (Provis et al., 2018; Colangelo et al., 2017).

I precursori sono ulteriori materiali cementizi alluminosilicati con diversa disponibilità, reattività e costi in tutto il mondo; i più comuni sono ceneri volanti di carbone, scorie di altoforno (Luukkonen et al., 2018; Roviello et al., 2016). 

I materiali geopolimerici possiedono proprietà uniche, come l'elevata resistenza iniziale, l'elevata durata, l'elevata lavorabilità, la resistenza agli attacchi acidi, la resistenza al fuoco e la capacità di immobilizzare gli atomi tossici (Singh etal., 2015).

Il geopolimero è un materiale da costruzione verde con un grande potenziale per lo sviluppo sostenibile in quanto porta molti benefici, come

• il risparmio energetico nei processi di produzione;
• la riduzione del consumo di materie prime (Weil et al., 2009);
• il riciclaggio di sottoprodotti / rifiuti da altri processi industriali (Luukkonen et al., 2018).

McLellan et al., 2011 hanno riferito che il geopolimero ha il potenziale per ridurre gli impatti del calcestruzzo sui cambiamenti climatici. L'impatto ambientale del calcestruzzo convenzionale è stato valutato e confrontato con il calcestruzzo geopolimerico realizzato con metacaolino.

Le fibre

Lo studio ha evidenziato che il calcestruzzo geopolimerico ha ottenuto una riduzione del riscaldamento globale del 61% e ha migliorato la categoria della salute umana del 9,4%. Negli ultimi anni, oltre agli innumerevoli vantaggi dei leganti geopolimerici rispetto ai materiali convenzionali, sia in termini ambientali che in termini di prestazioni meccaniche, c'è stato un crescente interesse delle le tecniche per migliorare le prestazioni strutturali attraverso lo sviluppo di sistemi di rinforzo basati su materiali innovativi con l'uso di fibre (Sukontasukkul et al., 2018). 

Le fibre sono in grado di fornire buone prestazioni meccaniche, sia in termini di rigidità che di resistenza (Al-mashhadani et al., 2018); mostrano un buon comportamento contro le alte temperature, sono ottimi isolanti termici e acustici e hanno un'elevata stabilità termica, resistenza alle vibrazioni e durata (Ranjbar et al., 2020).

Per quanto riguarda le fibre sintetiche quali acciaio, polietilene, polipropilene, basalto, carbonio e fibre di vetro, vengono utilizzate come materiali di rinforzo per migliorare le proprietà meccaniche, in particolare la resistenza alla trazione e alla flessione (Mucsi et al., 2018; Al-Majidi et al., 2018; Shaikh et al., 2018; Guo et al., 2018).

Tuttavia, le fibre naturali hanno attirato grande attenzione rispetto alle fibre sintetiche, nell'industria delle costruzioni a causa della loro bassa densità, costo, non tossicità, facilità di lavorazione. Le fibre naturali utilizzate principalmente sono canapa, sisal, iuta, palma, lino e fibre di cocco (Ye et al., 2018). Ohno et al., (2018) in uno studio comparativo tra malta geopolimerica rinforzata con fibre e malta convenzionale mostrano che la resistenza alla compressione della malta rinforzata con geopolimeri è migliorata di 43,1 MPa e presenta anche una riduzione del 55% delle emissioni equivalenti di CO₂ rispetto alla malta convenzionale.

Il presente studio si propone di valutare gli impatti ambientali del ciclo di vita associati alla produzione di leganti geopolimerici a base di ceneri volanti, scorie d’altoforno e metacaolino, rinforzati con fibre di basalto, fibre di vetro e fibre di canapa. 

Produzione di manufatti innovativi ecocompatibili per l’ingegneria idraulica

La scelta di progettare un prodotto ecosostenibile deriva dalla crescente attenzione degli ultimi anni alle tematiche ambientali. Questa maggiore sensibilità ha dato un ruolo chiave alle metodologie utilizzate per selezionare materiali a minor impatto ambientale in fase di progettazione.

Per produrre materiali sostenibili, è necessario considerare diverse questioni in fase di progettazione, come: risparmio energetico nei processi produttivi, riduzione del consumo di materie prime, utilizzo di rifiuti provenienti da altri processi produttivi. 

La miscela di riferimento per la produzione delle malte geopolimeriche, contiene i seguenti materiali:

• Precursori: ceneri volanti, scorie di altoforno e metacaolino;
• Soluzioni attivanti: silicato di sodio, idrossido di sodio;
• Aggregati: sabbia;
• Rinforzo: fibre di basalto, vetro e canapa.

Sono state prodotte dodici tipi di malte geopolimeriche (Figura 1). 

Figura 1: Malte geopolimeriche contenenti ceneri volanti (A) e scorie d'altoforno (B)

È stata progettata e prodotta un primo tipo di malta geopolimerica con ceneri volanti di carbone (FA), un secondo tipo con scorie di altoforno macinate (GGBS) e il terzo e il quarto includono la combinazione del precursore FA con coleganti (scorie di altoforno macinate e metacaolino (MK), rispettivamente).

La loro combinazione è vantaggiosa, aumenta il contenuto di materiale reattivo dei precursori e quindi la resistenza meccanica della malta geopolimerica. Una miscela di soluzione di idrossido di sodio (NaOH 10 M e NaOH 12 M) e soluzione di silicato di sodio (SS) è stata impiegata come attivatore alcalino in tutte le miscele. Diversi tipi di fibre e in particolare fibre di basalto (BF), vetro (GF) e canapa (HF) sono state aggiunte alle malte all'1% in massa. Le quantità di specie in 1 m³ di malte geopolimeriche rinforzate con fibre sono indicate nella tabella 1.

Tabella 1: Quantitativi espressi in kg di specie in 1 m3 di malte geopolimeriche rinforzate con fibre 

Il design dei tubi in geopolimero garantisce inoltre un'adeguata resistenza fisico-meccanica per rendere questa nuova classe di tubi equivalente alle tubazioni tradizionali definite in termini di classi di resistenza previste dalle attuali norme. Infatti, l'aggiunta di fibre naturali o artificiali permette di ottenere sistemi compositi con proprietà tecnologiche migliorate. 

Analisi di impatto ambientale di malte geopolimeriche

L'obiettivo finale di questo studio è valutare la sostenibilità delle malte geopolimeriche ecosostenibili realizzate con metacaolino (MK) e rifiuti provenienti da diversi processi produttivi come ceneri volanti (FA) e scorie di altoforno macinate (GGBS). 

In particolare, le malte prodotte sono state rinforzate con diverse tipologie di fibre, quali, fibre di vetro, fibre di basalto e fibre di canapa. La valutazione è stata effettuata attraverso un'analisi ambientale del processo produttivo di tubazioni idrauliche geopolimeriche.  L'analisi esamina il sistema con riferimento a 1 m³ di ogni malta geopolimerica e con i confini del sistema riferiti all'approccio cradle-to-gate. L'analisi dell'inventario include la raccolta di dati e le procedure di calcolo per quantificare gli elementi di input e output del sistema.

Nel dettaglio, i dati utilizzati in questa fase di inventario sono stati raccolti direttamente sul campo (dati primari) e dalla letteratura (dati secondari). Il processo di produzione di tutti i costituenti è stato incluso nello studio a partire dall'estrazione delle materie prime. Il metodo di valutazione dell'impatto del ciclo di vita adottato è ReCiPe 2016 midpoint (H), che si è concentrato sulla valutazione delle questioni chiave utilizzando la prospettiva gerarchica. 

Nello specifico, è stata valutata la categoria dei cambiamenti climatici. Il termine cambiamento climatico si riferisce alle variazioni del clima terrestre a diverse scale spaziali (regionale, continentale, emisferica e globale) e storico-temporali (decennale, secolare, millenario e ultra-millennial) di uno o più parametri ambientali e climatici. Alcuni esempi di cambiamenti climatici includono il riscaldamento globale, il raffreddamento globale e il cambiamento dei regimi di precipitazione.  Poiché l'anidride carbonica è una sostanza climalterante, in grado di modificare significativamente l'ecosistema, con conseguenze anche per la salute umana. La variazione del Clima è stata calcolata utilizzando il fattore di caratterizzazione kg CO₂ eq. Gli impatti delle malte sono mostrati nella Figura 2.

Figura 2: Impatto ambientale delle malte rinforzate con fibre riferite alla categoria dei cambiamenti climatici

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