Canapa: materiale vantaggioso per lo sviluppo di impianti idrici sostenibili

Lo studio proposto valuta le prestazioni tecnologiche di malte geopolimeriche. Nello specifico, tubazioni idrauliche in malta geopolimerica sono state progettate come prototipi ed è stata condotta un'analisi meccanica e prestazionale dei prototipi di geopolimeri non rinforzati e rinforzati.

Ciò viene effettuato confrontando 4 miscele di malte geopolimeriche non fibro-rinforzate (geopolimero a base di ceneri volanti, geopolimero a base di loppa d’altoforno,  geopolimero a base di ceneri volanti e loppa d’altoforno,  geopolimero a base di ceneri volanti e metacaolino) con le stesse 4 miscele di malte geopolimeriche rinforzate con fibre di canapa.

I risultati della valutazione tecnologica indicano che le malte geopolimeriche rinforzate con fibre di canapa hanno prestazione meccaniche migliori rispetto alle malte geopolimeriche non fibro-rinforzate. I risultati hanno indicato che i vantaggi dei geopolimeri fibro-rinforzati con fibre di canapa li rendono una valida alternativa ai leganti tradizionali.

Sostenibilità: le eccessive emissioni di cemento hanno spinto a trovare soluzioni meno inquinanti

Nonostante il cemento sia un prodotto a basso costo, la sua produzione è responsabile del 8% delle emissioni antropiche di anidride carbonica (Spiesz et al. 2014). Da altre stime emerge che la produzione di una tonnellata di cemento Portland ordinario (OPC) rilascia in atmosfera circa una tonnellata di CO₂ (Malhotra e Mehta, 2002). Le emissioni producono un effetto serra, che rappresenta circa il 65% del riscaldamento globale (Bhikshma et al., 2012; Shalini et al., 2016). Pertanto, la riduzione delle emissioni di CO₂ associate alla produzione di cemento rappresenta una sfida importante e urgente (Karen et al., 2018). Inoltre, a causa dell'aumento della popolazione globale e dell'urbanizzazione, il crescente utilizzo del calcestruzzo è inevitabile. Ciò desta preoccupazione ed è per questo che si pensa all’uso di un nuovo OPC sostenibile per calcestruzzo (Lamond et al., 2006).

Infatti, le eccessive emissioni di anidride carbonica hanno spinto l'industria a cercare alternative più sostenibili al cemento (Han et al., 2014). Il materiale che ha suscitato un interesse crescente negli ultimi decenni è il geopolimero, grazie al suo incoraggiante potenziale di essere utilizzato come legante alternativo al normale cemento Portland (OPC) (Scrivener et al., 2008). I geopolimeri sono polimeri inorganici tipicamente sintetizzati tramite attivazione alcalina di precursori di alluminosilicatici (Hajimohammadi et al., 2017). Sono stati condotti molti studi per esplorare le proprietà fisico-chimiche e le prestazioni a lungo termine dei geopolimeri (Lee et al., 2013).

È emerso che i geopolimeri esibiscono un'elevata resistenza meccanica, un'eccellente resistenza termica e un'ottima durabilità (Khan et al., 2016; Roviello et al., 2015). I geopolimeri possono rappresentare una soluzione per il problema dello smaltimento dei materiali di scarto industriali utilizzando sottoprodotti industriali come ceneri volanti (FA), scorie di altoforno granulate macinate (GGBFS), come materiale di partenza (Thakur et al., 2009; Neupane et al., 2018). L'utilizzo dei rifiuti come materia prima per la produzione di cementi geopolimerici fornisce una soluzione con vantaggi economici e ambientali, poiché in grado di ridurre i costi di smaltimento nelle discariche, di mantenere un ambiente sano e di ridurre il consumo di risorse quali l’argilla e i relativi costi delle operazioni di estrazione (Bernal et al., 2011; Jiang et al., 2014).

Negli ultimi anni, 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). 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..

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). Il presente studio propone di valutare le prestazioni tecnologiche associate alla produzione di leganti geopolimerici non fibro-rinforzati e rinforzati con fibre di canapa. 

Canapa per applicazioni nel settore della bioedilizia

Le recenti evoluzioni nella progettazione di edifici verdi incorporano tecnologie passive e attive che mirano a migliorare l'efficienza energetica degli edifici. Tuttavia, mentre l'adattamento di tale architettura ad alta efficienza energetica è sicuramente vantaggioso, l'uso di materiali da costruzione convenzionali è dannoso per l'ambiente. Per ridurre il consumo di energia negli edifici, alcune delle strade che vengono esplorate sono materiali a di rinforzo naturali.

Su un percorso simile, scienziati e ricercatori hanno sviluppato un concetto relativamente nuovo, che comporta una manipolazione deliberata e su larga scala dell'ambiente per contrastare alcune manifestazioni del cambiamento climatico antropogenico (Sandler et al., 2017). È stato affermato che questa manipolazione dell'ambiente potrebbe essere ottenuta implementando strategie di riduzione dell'anidride carbonica. La riforestazione e l'imboschimento, sono alcune strategie di riduzione dell'anidride carbonica che hanno dimostrato il potenziale per catturare o rimuovere diversi tonnellate di anidride carbonica dall'atmosfera, per ridurre i cambiamenti climatici antropogenici (Sandler et al., 2017 ). Quindi, la coltivazione di colture / piante a crescita rapida come canapa, iuta, sisal, kenaf, lino, nocciola e così via per prodotti commerciali deve essere considerata una soluzione.

La canapa è il nome generalizzato per le varietà ad alta crescita della pianta di cannabis sativa (vedi Fig. 1), una coltura finora emarginata con moltitudini di applicazioni, che sta guadagnando popolarità tra professionisti e imprenditori. La canapa è stata coltivata dall’uomo fin dall'8000 aC (Allegret et al., 2013) per una varietà di scopi, esclusi quelli ricreativi. Con un'eccellente resa in sostanza secca di 7-34 tonnellate metriche per ettaro all'anno (Schluttenhofer e Yuan, 2017), facilità di crescita e un elevato margine operativo, la coltivazione di questa coltura crea un eccellente valore economico per gli agricoltori e un approvvigionamento costante e sostenibile di materie prime per vari settori, tra cui l'edilizia.

 Figura 1: Piante di canapa (cannabis sativa) coltivate allo stato selvatico (a sinistra); primo piano delle foglie delle stesse piante di canapa (a destra) (Jami et al., 2019).

Gli scienziati avevano iniziato a sperimentare i prodotti della biomassa come potenziali materiali da costruzione. Il calcestruzzo di canapa rientra in una categoria ampia di materiali da costruzione, esso si comporta in modo diverso dai materiali da costruzione convenzionali come blocchi di cemento, mattoni rossi, calcestruzzi cellulari e così via. Alcune delle caratteristiche distintive del calcestruzzo di canapa sono che è negativo al carbonio, leggero, ha una bassa densità, un'eccellente capacità di tampone di umidità, una bassa conduttività termica e isolamento acustico.

Con il calcestruzzo di canapa, poiché la composizione del materiale e il processo di produzione cambiano, cambia anche la sua densità. Pertanto, i compositi di canapa ad alta resistenza hanno una densità più elevata in virtù del grado di compattazione. Le variazioni di densità possono influire in gran parte sulle prestazioni termiche e quindi costituiscono una variabile importante. Per quanto riguarda le proprietà tecnologiche, la resistenza alla compressione è una delle proprietà più importanti dei materiali da costruzione.

Il termine corrisponde alla resistenza offerta da un materiale, senza cambiare forma, quando vengono applicati carichi di compressione. Tronet et al. (2014) hanno studiato il comportamento compressivo del calcestruzzo di canapa, in cui sono stati utilizzati campioni cilindrici (diametro 100 mm e altezza 200 mm) da diverse miscele.

È stato osservato che l'applicazione di un'elevata pressione di compressione e la limitazione delle proporzioni del legante (che è il principale componente di impatto ambientale del calcestruzzo di canapa) migliora le proprietà meccaniche dei blocchi di canapa. Jami et al. (2016) postulano che la forza del calcestruzzo di canapa indurito è principalmente il risultato delle proprietà e della proporzione di miscela del legante scelto per la sua formulazione.

La ricerca condotta da Cigasova et al. (2014) mostra che la resistenza alla compressione di miscele indurite con canapa, legante cementizio a base di MgO e acqua varia da 1,86 MPa a 6,94 MPa (Kremensas et al., 2017). È stato dimostrato da diversi ricercatori che il calcestruzzo di canapa ha le caratteristiche dei materiali a cambiamento di fase come bassa conduttività termica. Il calcestruzzo di canapa mostra anche buone proprietà acustiche e resistenza al fuoco. Ma pochissimi ricercatori avevano studiato queste proprietà. Mentre il calcestruzzo di canapa non può competere direttamente con altri materiali di isolamento acustico, può, tuttavia, aiutare le prestazioni degli isolanti acustici, riducendo la quantità di isolamento richiesto. Inoltre, anche se la canapa, individualmente, è infiammabile, è stato riscontrato che il calcestruzzo di canapa soddisfa i requisiti europei dei test antincendio. 

La linea di fondo dalla revisione della letteratura si basa sul fatto che il calcestruzzo di canapa è un materiale da costruzione verde versatile che può essere adattato per una varietà di applicazioni. Per questo motivo, nel presente studio si mira a dimostrare i vantaggi derivanti dall’utilizzo di fibre di canapa nei materiali da costruzione. Nello specifico, la stessa metodologia utilizzata per i calcestruzzi rinforzati con canapa può essere applicata con successo a malte geopolimeriche.

Materiali e metodi

Materiali

La combinazione dei tre diversi precursori, ovvero fly ash (FA), scorie di altoforno granulate macinate (GGBFS) e metacaolino (MK), permette di ottenere 4 differenti miscele geopolimeriche. La combinazione dei precursori e soluzione attivante permette di ottenere la malta geopolimerica non fibro-rinforzata. Sono stati preparati campioni non rinforzati e rinforzati per migliorare il comportamento meccanico del materiale.

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