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 mineralogica ‐ XRDFasi cristalline presenti:

•Quarzo•Caolinite•Illite/Smectite•Calcite

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

Sedimenti

Materiali utilizzati

Sedimenti macinati e calcinati

Materiali utilizzati

Loppa d’altoforno

Materiali utilizzati: silicato di sodio

Soluzione di silicato di sodio (fornita da PROCHIN Italia srl)costo orientativo 0,20 €/kg

Lavorabilità impasto

Mix design

Foglio di calcolo

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

Produzione

Fasi di miscelazione

Aggiunta della soluzioneattivante alcalina ai materialiprecursori

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

Preparazione aggregati artificiali: granulazione

Dipartimento per le Tecnologie UniParthenope

Granuli prodotti

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

Grazie della cortese attenzione

claudio.ferone@uniparthenope.it