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UTILIZZO DI SEDIMENTI LACUALI PER LA PRODUZIONE DI MATERIALI DA COSTRUZIONE ECO-SOSTENIBILI
Claudio Ferone, Raffaele Cioffi, Francesco Colangelo, Università Parthenope Napoli
Bruno MolinoUniversità del Molise
Venezia, 31 maggio 2012
Sedimenti oggetto dello studio
• Lago artificiale di Occhito (FG)Diga realizzata per diversi usi: irriguo,potabile, industriale, ecc. Gli impianti sonogestiti dal Consorzio per la Bonifica dellaCapitanata.
• Lago artificiale Sabetta (SA)Diga ad uso idroelettrico, gestita da EdipowerS.p.A.
Sedimenti di natura argillosa:Rifiuti o Risorsa?
Evoluzione normativa: se il riutilizzo è già previsto in fase di progetto, il rifiuto diventa sottoprodotto;Difficoltà nel riutilizzo di sedimenti di natura argillosa;Disponibilità elevata: bacini del centro‐sud, ma anche al centro‐nord;Esperienza pregressa: produzione di clinker di cemento;
Geopolimeri
Materiali a base allumino‐silicatica, formati perpolimerizzazione di condensazione, o “geopolimerizzazione”.
La materia prima, costituita principalmente da silice edallumina amorfe, viene miscelata con una soluzione alcalinacontenente NaOH oppure NaOH e silicato di sodio.
Attraverso un meccanismo di dissoluzione e precipitazioneavvengono la presa e l’indurimento dell’impasto, conformazione di una struttura solida reticolata.
Il processo di indurimento, “curing”, viene condotto atemperature comprese fra la temperatura ambiente e 60°C.
Perchè studiare i geopolimeri ?
Risposte convincenti per l’industria
Riduzione emissione gas serra
1 ton cemento ~ 1 ton CO2,
1 ton geopolimero ~ 170 kg di CO2
Sviluppo di politiche di mercato eco‐sostenibili
Materiali da costruzione ad alte prestazioni
Riduzione dei costi di produzione e certificazione
Pre‐trattamento e caratterizzazione dei sedimenti
• Frantumazione/macinazione• Calcinazione
• Analisi mineralogica – XRD• Analisi termica – TG‐DTA• Analisi chimica – XRF• Analisi spettroscopica – FTIR• Contenuto di metalli pesanti• Rilascio di metalli pesanti
Analisi termica – TG/DTG
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
DTG
Mas
sa (%
)
temperatura (°C)
Analisi termica sedimento Sabetta
Perditaacqua
Decomposizioneorganici e argilla
Decomposizionecarbonati
Analisi termica – TG/DTG
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
0 200 400 600 800 1000
DTG
Mas
sa (%
)
Temperatura (°C)
Analisi termica sedimento Occhito
Perditaacqua
Decomposizioneorganici e argilla
Decomposizionecarbonati
Analisi chimica ‐ XRF
Il rapporto silice/allumina costituisce un importanteparametro per la fase di mix design.
La presenza di altri ossidi, in particolare ossido di calcio,influisce sulla microstruttura e sulle proprietà delmanufatto.
Campione SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O LOI
Sabetta 48.56 13.45 9.46 5.35 0.3 19.11
Occhito 46.31 15.17 6.58 9.50 0.3 16.37
Trattamenti di calcinazione
TemperatureTempi
400 °C - 2 h
550 °C 1 h 2 h
650 °C 1 h 2 h
750 °C 1 h 2 h
Analisi FT‐IR
Sedimento tal quale
Sedimento calcinato 750 °C
Scomparsa dei picchi caratteristici della caolinite (3697 cm-1 e 917 cm-1) e dei picchi relativi al carbonato di calcio (1430 cm-1 e 875 cm-1)
Materiali silico/alluminatici:•Metacaolino•Scorie•Ceneri volanti•Residui argillosi (SEDIMENTI)•…
Attivatori alcalini:•NaOH/KOH•Soluzione di silicato di sodio•Soluzione di silicato di potassio•… + acqua
Miscelazione
Legante
Curing
Geopolimero
Schema produzione geopolimeri
E
Come dobbiamo classificare i geopolimeri, nuovi materiali o nuovi leganti?I geopolimeri possono essere sia:
Nuovi materiali per:• Rivestimenti• Ceramici• Adesivi
Nuovi leganti per:• Calcestruzzo• Incapsulamento rifiuti• Malte• Compositi fibro‐rinforzati
Miscele prodotte
Campioni cilindrici
NaOH Silicato di sodio
Sedimenti Loppa Si/Al Na/Al Acqua/solidi
Soluzione/solidi
1 100 % [5 M]
0 % 100 % 0 % 2.7 0.76 0.45 0.60
2 33 % [10 M]
66 % 100 % 0 % 3.0 0.89 0.37 0.64
3 100 % [5 M]
0 % 70% 30 % 2,7 0.84 0,45 0.60
4 33 % [10 M]
66 % 70% 30% 3.2 0.84 0.33 0.60
Nota: i campioni sono stati stagionati per 3 giorni a 60 °C
Materiali utilizzati: silicato di sodio
Soluzione di silicato di sodio (fornita da PROCHIN Italia srl)costo orientativo 0,20 €/kg
Lavorabilità impasto
Diagramma ternarioComposizione materie prime
SF
SiO2
Al2O3+ Fe2O3
CaO+MgO
BFS
Fly ash
(Class C)
LS Dent-Glasser and JA Duffy, J Chem Soc, Dalton Trans, 10, 2323, (1987)
Metacaolino
Ceneri di pula di riso
Sedimenti calcinati
Loppa d’altoforno
• pH
• rapporto molare Si/Al
• rapporto molare Na/Al
• rapporto in peso acqua/solidi
totali
• rapporto in peso
soluzione/materiali precursori
• temperatura di curing
• tempo di curing
Parametri fondamentali
dissoluzione precursori
struttura geopolimero (valori ottimali 1‐ 3)
bilanciamento cariche (valore ideale 1)
lavorabilità, proprietà meccaniche
proprietà meccaniche
Mix design
• pH
• rapporto molare Si/Al
• rapporto molare Na/Al
• rapporto in peso acqua/solidi
totali
• rapporto in peso
soluzione/materiali precursori
• temperatura di curing
• tempo di curing
• concentrazione soluzione
idrossido
• composizione soluzioni e
precursori solidi
• quantità soluzioni e precursori
solidi
Mix design
Parametri fondamentali
Variabili operative
Schema di processo
Idrossido di sodio
Soluzione di silicato di sodioAcqua
Sedimenti
Stampo
Curing
Calcinazione
Campioni prodotti
Campioni cilindrici (h = 5 cm) prodotti con sedimenti calcinati e soluzione NaOH 5M
Campioni prodotti
Campioni cilindrici (h = 5 cm) prodotti con sedimenti calcinati e miscela alcalina NaOH 10M + silicato di sodio
Campioni prodotti
Campioni cilindrici (h = 5 cm) prodotti con sedimenti calcinati e loppa con soluzione NaOH 5M
Campioni prodottiCampioni cilindrici (h = 5 cm) prodotti con sedimenti calcinati e loppa con miscela alcalina NaOH 5M + silicato di sodio
RISULTATI PROVE A COMPRESSIONE
I risultati riportatisono la media ditre misure perciascun provinocilindrico
Tutti i campionitestati sono statisottoposti a“curing” a 60°C per3 giorni
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
NaOH +sedimenti +ceneri (50%)
NaOH +sedimenti
NaOH + sodiosilicato +sedimenti
NaOH +sedimenti +
loppa
NaOH + sodiosilicato +
sedimenti +loppa
R (M
pa)
Granulazione: schema di processo
Idrossido di sodio
Soluzione di silicato di sodioAcqua
Sedimenti
Curing 60° C
Calcinazione
Loppa
Granuli
CONCLUSIONI
Il riutilizzo dei sedimenti lacuali recuperati comeprecursori di materiali geopolimerici permetterebbe diraggiungere molteplici scopi quali:- Il recupero di capacità idrica;- La destinazione dei sedimenti lacuali a utilizziproduttivi ed economici;
- L’ammortizzamento dei costi di recupero deisedimenti.
SVILUPPI FUTURI
Allargamento del campo d’analisi a più bacini dell’Italia Meridionale (Campania, Puglia e Basilicata)
Ottimizzazione:• rapporti molari • rapporti liquido/solidi totali• parametri granulazione: velocità, inclinazione piatto• temperatura e tempo di curing
Selezione:• scorie e ceneri allumino‐silicatiche• materiali precursori della policondensazione
SVILUPPI FUTURIIndagini merceologiche:
• Aggregati artificiali• Manufatti non strutturali: arredi urbani
Ecosostenibilità:• valutazione del ciclo di vita (LCA‐Life Cycle
Assessment)• marcatura e certificazione
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