La realizzazione di MANUFATTI PREFABBRICATI GEOPOLIMERICI con SEDIMENTI LACUALI

SEDIMENTI LACUALI: RISORSA ECOSOSTENIBILE PER MANUFATTI PREFABBRICATI GEOPOLIMERICI
F. Messina, C. Ferone, A. Molino, G. Roviello, F. Colangelo, B. Molino, R. Cioffi
Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Napoli “Parthenope” –Centro Direzionale isola C4 – 80143 Napoli.

MANUFATTI PREFABBRICATI GEOPOLIMERICI
Il settore delle costruzioni si trova, negli ultimi anni, ad affrontare sfide importanti soprattutto in termini di requisiti di sostenibilità ambientale. Analoga sfida, si ritrova in un ambito diverso, quello della gestione degli invasi naturali e artificiali e, nello specifico, relativamente al problema dell’interrimento negli invasi.

Si stima che in Italia, il tasso complessivo di interrimento nei grandi invasi sia compreso fra un valore minimo dello 0,1% ed un massimo dell’1% annuo.Uno studio condotto su 268 grandi dighe costruite in Italia negli ultimi 50 anni [1]. è stato dimostrato che l’1,5% risultavano interrite complessivamente; il 17,5% erano interrite del 20% ed il 4,5% avevano perso il 50% della capacità di invaso (vedi fig. 1).

L’obiettivo del presente lavoro è quello di valutare la possibilità di utilizzare i sedimenti argillosi lacuali e fanghi derivanti da impianti di potabilizzazione come precursori geopolimerici per la realizzazione di elementi prefabbricati edilizi in sostituzione al comune cemento Portland. L’idea nasce da una sempre più diffusa necessità di recuperare capacità idrica dagli invasi interriti (vedi fig.2) rendere l’operazione di sfangamento economicamente sostenibile, ed eventualmente di utilizzare tali residui, evitando il conferimento di questi in discarica [2].

L’utilizzo di sedimenti e fanghi di potabilizzazione, inoltre, comporta l’impiego di materie prime a “impatto zero” in termini di emissioni di CO2, contrariamente a quanto accade per la produzione di cemento Portland che, oltre a richiedere consumi energetici rilevanti, è anche fonte di emissione di un contributo significativo di gas serra.

La realizzazione e l’utilizzo di malte geopolimeriche è stata proposta in letteratura, per un vasto numero di applicazioni ingegneristiche, quali ad esempio:

• la produzione di calcestruzzi geopolimerici [3,4];
• la produzione di mattoni e di altri elementi prefabbricati non strutturali a partire da malte geopolimeriche [5,6];
  
• lo Stoccaggio di rifiuti tossici mediante tecniche di Stabilizzazione/Solidificazione confinando il rifiuto stesso all’interno di una matrice geopolimerica [7,8];
  
• la realizzazione di leganti geoplimerici resistenti al fuoco [9,10];
  

L’idea di trovare una soluzione comune al problema dell’utilizzo dei residui argillosi lacuali e alla realizzazione di materiali
da costruzione “green” è stata già proposta nella letteratura scientifica: Un lavoro della prof.ssa Roviello G. et al.,2015 [11], ha dimostrato che alcuni sedimenti prelevati da due bacini artificiali del sud Italia, presentano determinate potenzialità tali da poter essere considerati precursori solidi alluminosilicati atti alla produzione di malte geopolimeriche, previa calcinazione degli stessi a 650-700°C. I materiali compositi ottenuti presentavano prestazioni meccaniche interessanti, a tal punto da far pensare ad un’eventuale loro utilizzo nella realizzazione di elementi prefabbricati edilizi non strutturali.

In un lavoro del prof. Ferone C. et al.,2013 [12], mediante analisi spettroscopiche FTIR e NMR, si è rilevato che a temperature comprese tra 450 e 700°C , avviene la dissociazione del silicio e dell’alluminio dei residui lacuali, ragion per cui è stato proposto di aggiungere a tali residui della loppa d’altoforno come componente secondario, in modo da implementare le prestazioni meccaniche del prodotto finale. Un altro lavoro del prof. Ferone C. et al., 2015 [13] , più recente ha considerato la possibilità di utilizzare una soluzione alcalina alluminata per attivare sedimenti argillosi calcinati ottenendo buoni risultati meccanici.

PROPOSTA DI GESTIONE
Materie prime

Nella realizzazione dei provini di paste, malte e calcestruzzi sono stati utilizzati:

• sedimenti argillosi ottenuti dal Lago di Guardialfiera (località Campobasso, Italia);
• fanghi di potabilizzazione ottenuti dall’impianto di chiariflocculazione di Guardialfiera;
  
• soluzione di silicato di sodio, R=3.3-3.4, Prochin Italia S.r.l “SSS”;
  
• soluzione di idrossido di sodio, (14 M; residuo secco = 35%) “SHS”;
  
• acqua bidistillata in accordo con la UNI EN 1008;
  
• sabbia standard conforme alla norma CEN EN 196/1 (con diametro dei grani compreso tra 0-4 mm);
  
• aggregati per calcestruzzo di tipo tondeggiante (diametro massimo 16 mm) conformi alla UNI EN 12620;
  

Caratterizzazione quantitativa dei sedimenti argillosi e dei fanghi di potabilizzazione impiegati

I sedimenti argillosi e i fanghi di potabilizzazione sono stati prelevati, rispettivamente, dal bacino artificiale di Guardialfiera (CB, Italia) a tergo del Ponte Romano di Scipione e dall’impianto di chiariflocculazione subito a valle del bacino di Guardialfiera.

L’invaso artificiale di Guardialfiera costituisce il corpo idrico lacustre più importante, sia per estensione sia per volumi di acqua contenuta, della regione Molise.
Di seguito, in tabella 1, si riporta una stima riassuntiva dei dati volumetrici del serbatoio:

I dati rilevati da Molise Acque, in una indagine effettuata nel 2007, stima un interrimento complessivo nel lago di circa 10 milioni di m3 di cui 7milioni m3 rilevati a monte del ponte romano di Scipione. L’area fondale a monte del Ponte, nel periodo autunnale,a seguito dell’abbassamento del livello idrico dell’invaso, risulta calpestabile e potenzialmente potrebbe essere soggetta ad operazioni di rimozione con mezzi meccanici dei sedimenti ivi depositati. Quest'ultima operazione risulta molto più economica di un dragaggio classico.

Tale ragione economica, unitamente al notevole quantitativo di sedimenti ivi interriti ( circa ¾ del volume complessivamente stimato) orientano ad ipotizzare un utilizzo economicamente sostenibile di tali residui.

Preparazione dei manufatti

A seguito di una attenta caratterizzazione quantitativa, fanghi e sedimenti, dopo essere stati finemente macinati, vengono in un secondo momento calcinati in muffola a 750°C, con permanenza di 2 h alla massima temperatura, concludendo il processo con un brusco raffreddamento (in accordo coi progressi ottenuti a partire da studi scientifici sulle malte geopolimeriche ottenute a partire da sedimenti argillosi [13-15]). Per far avvenire la reazione di “geopolimerizzazione” , sedimenti e i fanghi, in qualità di precursori, vengono miscelati a una soluzione attivante di idrossido di sodio, silicato di sodio e acqua bidistillata nei rapporti indicati in tabella 1 e tali da ottenere una miscela con la consistenza adatta alla formatura per colaggio. In tabella,

La miscelazione veniva effettuata sia manualmente, (con l’ausilio di una spatola d’acciaio), sia meccanicamente, utilizzando un agitatore meccanico della ArgoLAB modello AM40-D PRO . Il consolidamento dei campioni così ottenuti è stato effettuato, a seconda dei casi, in quattro diverse modalità: a 20°C per 7 giorni, a 20°C per 28 giorni, a 60°C le prime 24 ore e i restanti giorni a 20°C per un totale di 7 giorni e a 60°C le prime 24 e i restanti giorni a 20°C per un totale di 28 giorni.

In tutti i casi, il processo di maturazione è stato eseguito all’interno di un armadio climatico CURACEM modello 65-L0013/D ad umidità controllata >95%.

CARATTERIZZAZIONE DEI MANUFATTI
Caratterizzazione chimica dei residui
Su Sedimenti e fanghi di potabilizzazione sono state condotte indagini di laboratorio di carattere chimico e meccanico, al fine di poter attestare la qualità degli stessi.
L’ Analisi chimica condotta mediante spettrofotometria di fluorescenza dei raggi X “XRF” su sedimenti e fanghi di potabilizzazione riporta i seguenti valori in tabella 1:

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