Malte ecosostenibili con proprietà funzionali avanzate per l'efficienza energetica

ENVIRONMENTAL SUSTAINABLE MORTARS WITH INNOVATIVE FUNCTIONAL PROPRIETIES FOR ENERGY EFFICIENCY Introduction: The reduction of energy consumption in construction, the production of thermally insulating materials, as well as the solution of environmental problems by recycling municipal waste are key challenges for the next future. For this reason, several plasters have been studied, in which virgin raw materials such as natural sand and limestone filler were replaced by lightweight expanded silica filler, pumice, recycled expanded glass. Materials and Methods: Mixtures of white cement Portland type CEM II/B-LL 32,5 R and lime type CL 80 S-01 were used as binder to realize six different lightweight plasters. The ratios between cement Portland and lime were changed, more or less significantly, for each mixtures in order to improve plasters. To increase the plasters’ workability, lightweight silica filler was added to the six mixtures and the behavior of different ratios used was observed. The rheology of the plasters was modified from the lightweight silica, which was blended to achieve the right fresh mortar density. The particle size distribution was evaluated with laser method with value of 0 ÷ 150 μm. The lightweight silica was employed to bring good thermal property to the plasters, its thermal conductivity is 0.054 W/mK, and to give lightness to the binder because its bulk density is 150 kg/mc. Major ratio of lightweight silica filler to improve thermal insulation property was demonstrated and was widely employed into commercial insulating materials. Furthermore sustainable construction building was focused on the choice of natural raw materials and recyclable materials, as lightweight silica, to promote environmental responsibility. It was mainly composed by 74% - 78% SiO2 and 11% - 14% Al2O3. The workability and the correct particle size distribution were achieved to use the limestone powder with fine grain 1.8 ÷ 3.3 μm: particle size distribution was measured using the sedimentation method (Micromeritics Sedigraph III Plus). The tamped bulk density was evaluated according to ISO 787-2 with a value of 0.80 ÷1.0 g/cm3. Its chemical composition was 95% - 97% CaO3. Alternatively to highly pulverized powder as limestone, calcined kaolin was used. The ultra fine particle size grain of calcined kaolin was chosen to give more cohesiveness to the hardened mortar. The tamped bulk density is 0.290 g/cm3, which gave more lightness to improve the thermal property. The chemical structure, as expanded grain, should develop better values of thermal insulation. The natural mineral aggregate quartz sand, was replaced with natural lightweight aggregates, which were used to obtain a good thermal values in plasters. Two type of lightweight expanded silica were used to produce a thermal insulating plaster. The LES type 1 and the LES type 2 had a particle size of 0.1 – 0.3 mm and 2 – 5 mm respectively, however the highest value of thermal conductivity was obtained to LES type 1 which also has a bulk density of 0.060 g/cm3. The chemical composition showed a higher content of SiO2 and Na2O in LES type 1 while a higher content of AL2O3 was in LES type 2. The analysis with the electron microscope has disclosed a diffused internal porosity from which depended the technical properties in energy field of plaster coatings. Different mixtures with LES type 1 and type 2 were made to study the relationship between the two materials, the different ratios, the plaster weight and the thermal conductivity. In this research were investigated another natural lightweight aggregates, three type of pumice which were used to realize five out of six mixtures. The bulk density of pumice type 1 and type 2 is better than pumice type 3: 0.300 to 0.390 g/cm3 and 0.550 to 900 g/cm3 respectively. The density has an important effect on thermal properties and the connection between density and thermal conductivity was demonstrated. Furthermore, the chemical composition of pumice is different according to the type. Pumice type 1 and type 2 has a major content of SiO2 (71.7%) and a good percentage of Na2O (13.3%) and CaO (8.9%), instead pumice type 3 has a lower content of SiO2 (62,5%) and a good percentage of Al2O3 (17.5%) and K2O (9.5%). The use of pumice was evaluated in relationship with the compressive strength at 28 day of the various mixtures, which studied the effects of the different type of pumice and the particle size distribution also. Furthermore, a post consumer glass was used into the mixtures as recycled lightweight aggregates and the effects on compressive strength, thermal conductivity and porosity were studied. The recycled expanded glass has a particle size of 2 – 4 mm and it was mixed together pumice type 2 to obtain the particle size distribution and to achieve a good mechanical resistance. The recycled expanded glass has showed an optimum ratio between bulk density and crushing resistance, 190 g/cm3 and 1.4 N/mm2 respectively. These aggregates produced by post consumer glass have a chemical composition as follows: SiO2 (56%), Al2O3 (22%) and K2O+Na2O (5% - 7%). The recycled expanded glass is an alkali-resistant raw material and therefore suitable for working with lime and cement solvent-free. In order to improve workability and cohesiveness of the fresh mortars, rheological additives, as cellulose, and resin in powder dispersion and vinyl acetate were added. A shrinkage reduction agent, a combination of aliphatic alcohols, was added to the mixtures which had the highest water/cement. In each mixture were also added air entraining admixtures with different ratio, to evaluate the relationship between additive and thermal properties. Finally, polypropylene fiber was used to reduce the shrinkage action. After optimization of mortar mixture proportions, 16 selected mixtures were characterized at fresh state by means of fresh consistency evaluation, as well as bulk density of fresh mortar measurements, then at the hardened state by means of compression and bending tests as well as thermal conductivity measurements by means of heat flow meter apparatus according to EN 12667. The selected plasters were also characterized by means of Porosimetry, used to determine various quantifiable aspects of a material's porous nature, such as pore diameter, total pore volume, surface area, and bulk and absolute densities. Finally, a relationship with this main functional characteristics was found to forecast acoustic behavior of lightweight plasters. Results: Fresh consistency was always in the range 12.5-13.5% (target value for plasters), bulk density values of fresh mortars were in the range 350-1020 kg/m3, with the minimum value obtained by adding the maximum dosage of lightweight expanded silica, silica filler and cork (see mixtures PM 10, PM 14 and MIX 5). Concerning 28-day compressive strength the values achieved were in the range 0.3-5.0 MPa (in general the minimum accepted value for a plaster is at least 1.5-2.0 MPa). Concerning 28-day flexural strength the values achieved during the first step of this research were in the range 0.1 – 0.80 MPa. In the optimization stage, the mechanical resistances were increased up to reach values in the range 1.5 – 4.5 MPa. Finally, thermal conductivity measurements showed extremely low values for a plaster ranging from 0.05 to 0.09 Wm-1K-1. Discussion: On the basis of the obtained results, the use of volcanic raw materials, such as lightweight expanded silica and pumice, as well as of expanded glass obtained by recycling municipal waste, proved to be extremely promising in order to produce lightweight and thermal insulating plasters, suitable for energy efficiency improvement in building. Moreover, satisfactory plaster mechanical performances were obtained in most cases.

MALTE SOSTENIBILI CON PROPRIETA’ FUNZIONALI AVANZATE PER L’EFFICIENZA ENERGETICA Introduzione: La riduzione del consumo energetico in campo edilizio, la produzione di materiali isolanti termici e la soluzione di problemi ambientali attraverso il riciclaggio dei rifiuti urbani sono le sfide principali del futuro. A questo scopo, sono state studiate diverse tipologie di intonaci, in cui materie prime, come ad esempio sabbia naturale e calcare riempitivo, sono state rimpiazzate da silice espansa riempitiva alleggerita, pietra pomice e vetro riciclato espanso. Materiali e Metodi: Miscela di Cemento Portland bianco di tipo CEM II/B-LL 32,5 R e calce di tipo CL 80 S-01 sono stati utilizzati come leganti per realizzare sei diversi tipi di intonaci alleggeriti. Per ogni miscela, le proporzioni cemento Portland-calce sono state cambiate, in maniera più o meno significativa, per poter migliorare gli intonaci. Al fine di aumentare la lavorabilità degli intonaci, è stato aggiunto filler di perlite espansa alle sei miscele ed è stato osservato il comportamento delle differenti proporzioni. La reologia degli intonaci è stata modificata dalla perlite espansa, la quale è stata miscelata per raggiungere la corretta densità per la malta fresca. La curva granulometrica è stata valutata tramite laser, con valori di 0 ÷ 150 μm. La perlite espansa è stata utilizzata per apportare buone proprietà termiche agli intonaci, poiché la sua conduttività termica è di 0,054 W/mK, e per dare leggerezza al legante, dato che la sua massa volumica in mucchio è di 150 kg/mc. Una maggiore percentuale di filler di perlite espansa consente un miglioramento della proprietà di isolamento termico ed è stata anche ampiamente utilizzata nei materiali isolanti in commercio. Inoltre, la costruzione di edifici ecosostenibili si è concentrata nella scelta di materie prime naturali e materiali riciclabili, come la perlite espansa, per promuovere la responsabilità nei confronti dell’ambiente. Principalmente era composta da 74% - 78% SiO2 e 11% - 14% Al2O3. La lavorabilità e la corretta curva granulometrica sono state raggiunte con l'utilizzo del filler calcareo con granulometria fina 1,8 ÷3,3 μm: la curva granulometrica è stata misurata attraverso il metodo di sedimentazione (Micromeritics Sedigraph III Plus). La densità compattata è stata valutata secondo la ISO 787-2 con un valore di 0,80 ÷ 1,0 g/cm3. La sua composizione chimica è stata di 95% - 97% CaO3. In alternativa al filler calcareo, è stato utilizzato il caolino calcinato. La granulometria ultrafine del caolino calcinato è stata scelta per conferire maggiore coesione alla malta indurita. La densità compattata era di 0,290 g/cm3, la quale ha conferito maggiore leggerezza per migliorare la proprietà termica. La struttura chimica, come la grana espansa, dovrebbe sviluppare valori migliori di isolamento termico. L’aggregato minerale naturale sabbia di quarzo, è stato rimpiazzato con aggregati naturali alleggeriti, i quali sono stati utilizzati per ottenere un buon valore termico negli intonaci. Due tipi di perlite espansa sono stati utilizzati per la produzione di intonaci per l’isolamento termico. Il tipo 1 e il tipo 2 hanno rispettivamente una granulometria di 0,1 – 0,3 mm e di 2 – 5 mm, tuttavia, il valore più alto di conduttività termica è stato ottenuto dal tipo 1, il quale ha una densità apparente di 0,060 g/cm3. La composizione chimica ha mostrato un contenuto maggiore di SiO2 eNa2O nel tipo 1, mentre è stato riscontrato un contenuto maggiore di AL2O3 nel tipo 2. L’analisi con il microscopio elettronico ha rivelato una porosità interna da cui dipendono le proprietà tecniche in ambito energetico di rivestimenti fatti con intonaci. Sono state realizzate miscele differenti con la perlite espansa di tipo 1 e di tipo 2 per studiare la relazione tra i due materiali, le diverse proporzioni, il peso dell’intonaco e la conduttività termica. Altri tipi di aggregati alleggeriti naturali sono stati inclusi in questa ricerca, tre tipi di pietra pomice, i quali sono stati utilizzati per la realizzazione di cinque miscele su sei. La densità apparente della pietra pomice di tipo 1 e tipo 2 è migliore rispetto a quella del tipo 3: rispettivamente 0,300 contro 0,390 g/cm3 e 0,550 contro 900 g/cm3. La densità ha un effetto importante sulle proprietà termiche e la connessione tra la densità e la conduttività termica è stata dimostrata. Inoltre, la composizione chimica della pietra pomice è diversa a secondo il tipo di pomice. La pietra pomice di tipo 1 e di tipo 2 hanno un maggiore contenuto di (71,7%) e una buona percentuale di Na2O (13,3%) e CaO (8,9%), mentre la pietra pomice di tipo 3 ha un minore contenuto di SiO2 (62,5%) e una buona percentuale di Al2O3 (17,5%) e K2O (9,5%). L’uso della pomice è stato valutato in relazione alla resistenza alla compressione a 28 giorni delle diverse miscele. Inoltre, vetro riciclato post consumo è stato utilizzato nelle miscele come aggregato riciclato alleggerito e sono stati studiati gli effetti sulla resistenza a compressione, conduttività termica e sulla porosità. Il vetro riciclato espanso ha una granulometria di 2 – 4 mm ed è stato miscelato insieme alla pomice di tipo 2 per ottenere la curva granulometrica e una buona resistenza meccanica. Il vetro riciclato espanso ha mostrato un’ottima proporzione tra densità apparente e resistenza alla compressione, rispettivamente 190 g/cm3 e 1,4 N/mm2. Questi aggregati derivanti da vetro post-consumo possiedono la seguente composizione chimica: SiO2 (56%), Al2O3 (22%) e K2O+Na2O (5% - 7%). Il vetro riciclato espanso è una materia prima resistente agli alcali e pertanto idonea alla lavorazione con la calce e cemento senza solventi. Al fine di migliorare la lavorabilità e la coesione delle malte fresche, sono stati aggiunti additivi reologici, come ad esempio cellulosa, e resine disperse in polvere. Un additivo antiritiro, è stato aggiunto alle miscele che avevano la più alta proporzione di acqua/cemento. In ogni miscela è stata anche aggiunta una miscela di aerante in differenti proporzioni per valutare la relazione tra additivo e proprietà termiche. Infine, fibre di propilene sono state utilizzate per ridurre l’azione di ritiro. Dopo l’ottimizzazione dei dosaggi della malta, 16 miscele selezionate sono state descritte, allo stato fresco, mediante la valutazione della consistenza fresca e la misurazione della densità apparente della malta fresca. Allo stato solido, mediante compressione e prove di flessione, così come misure di conduttività termica attraverso heat flow meter secondo lo standard EN 12667. Gli intonaci selezionati sono stati descritti anche tramite il porosi metro al mercurio, utilizzato per determinare diversi aspetti quantificabili della natura porosa di un materiale, come ad esempio il diametro dei pori, la porosità, la superficie, la densità apparente e assoluta. Infine, è stata trovata una relazione con queste caratteristiche funzionali principali per prevedere il comportamento acustico di intonaci alleggeriti. Risultati: La consistenza fresca è sempre stata compresa nell’intervallo 12,5-13,5% (valore obiettivo per intonaci), i valori di massa volumica della malta fresca compresi tra 350-1020 kg/m3, con il valore minimo ottenuto aggiungendo il massimo dosaggio di silice espansa alleggerita, silice riempitiva e sughero (cfr. miscele PM 10, PM 14 e MIX 5). Riguardo la resistenza alla compressione a 28 giorni, i valori ottenuti sono stati di 0,3-5,0 MPa (in generale, il valore minimo accettato per un intonaco è di almeno 1,5-2,0 MPa). Per quanto riguarda invece la resistenza a flessione a 28 giorni, i valori ottenuti nella prima parte di questa ricerca erano compresi tra 0,1 – 0,80 MPa. Nella fase di ottimizzazione, le resistenze meccaniche sono aumentate fino a raggiungere valori nell’intervallo di 1,5 – 4,5 MPa. Infine, I calcoli di conduttività termica hanno evidenziato valori estremamente bassi per un intonaco, che variano da 0.05 a 0.09 Wm-1K-1. Discussione: Sulla base dei risultati ottenuti, l’uso di materie prime di origine vulcanica, come ad esempio la perlite espansa e pietra pomice, nonché vetro espanso ottenuto dal riciclaggio dei rifiuti urbani, si è dimostrato essere estremamente promettente per la produzione di intonaci alleggeriti o per l’isolamento termico, idonei al miglioramento del rendimento energetico in campo edilizio. Inoltre, nella maggior parte dei casi, l’intonaco ha mostrato performance meccaniche soddisfacenti.