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Consumo energetico degli edifici: laterizi additivati con aerogel

Proprietà termiche, acustiche e meccaniche di laterizi additivati con aerogel: risultati preliminari

L'integrazione di materiale isolante all'interno di elementi in laterizio consente di ridurre il consumo energetico degli edifici e l'impiego di grandi quantità di argilla, coerentemente con il concetto di sviluppo sostenibile del settore edilizio. In tale contesto, sono state studiate delle miscele di argilla e aerogel granulare, le cui prestazioni termiche, acustiche e meccaniche di campioni con il 5% in peso di aerogel sono state confrontate con quelle dei campioni di sola argilla.

L'industria dei materiali da costruzione è uno dei settori trainanti dell'economia di ogni paese. Nell'edilizia, due tipologie di mattoni sono stati ampiamente utilizzati in tutto il mondo: quelli a base di cemento e quelli a base di argilla. Questi ultimi sono più economici, hanno una maggiore resistenza al fuoco e agli agenti atmosferici, una lunga durata e facilità di produzione.

Nel 2016, il settore edilizio è stato responsabile del consumo di circa il 30% dell'energia finale totale e ha contribuito al 28% alle emissioni globali di CO2 ad esso legate.

Le prestazioni termiche dell'involucro edilizio influiscono sull'energia necessaria a garantire il comfort termico degli ambienti interni, pertanto l'uso dei materiali isolanti è di fondamentale importanza; inoltre, molti paesi intendono limitare l'uso dell'argilla ottenuta da risorse naturali, per mitigare la riduzione del consumo di materie prime.

Oltre alle prestazioni termiche di un materiale isolante, è importante valutare anche quelle acustiche in quanto il rumore è una sorgente di inquinamento capace di generare discomfort o, nei casi più gravi, danni alla salute. Tuttavia, a volte, il miglioramento delle proprietà termiche e acustiche di un materiale può comprometterne le prestazioni meccaniche.

Di conseguenza è importante eseguire test per indagare anche tali proprietà, per avere una valutazione complessiva delle prestazioni di questi materiali. Negli ultimi anni l'aerogel è stato proposto in varie forme come isolante per l'involucro edilizio; si tratta di un nanomateriale prodotto per disidratazione di un gel composto da silice colloidale, in condizioni di pressione e temperatura supercritiche.

Ne risulta un materiale costituito per circa il 96% da aria e per il 4% da una struttura a pori aperti di silice. L'aerogel presenta caratteristiche fisiche eccellenti e uniche: è altamente poroso (la densità è compresa tra 50 e 200 kg/m3) e ha notevoli prestazioni isolanti (ha una conducibilità termica di 0.012- 0.021 W/mK alla temperatura ambiente, inferiore a quella dell'aria), che lo rende particolarmente indicato per il risparmio energetico negli edifici.

Nel presente lavoro sono state studiate le prestazioni termiche, acustiche e meccaniche di campioni di argilla additivati con il 5% in peso di aerogel granulare. Le proprietà termiche, acustiche e meccaniche sono state valutate con le metodologie convenzionali: la Small Hot Box per la misura della conducibilità termica (?), il tubo di impedenza per determinare il coefficiente di assorbimento (?) e la Transmission Loss (TL) e un apparato per la valutazione delle prestazioni meccaniche dei campioni sottoposti a prova.

Realizzazione dei campioni

L'argilla utilizzata per produrre i campioni proviene della ditta F.B.M. - Fornaci Briziarelli Marsciano S.p.A., mentre i granuli di aerogel sono stati forniti da Cabot Corporation, USA.

La miscela per il campione con il 5% in peso di aerogel è stata realizzata aggiungendo manualmente all'argilla i granuli e l'acqua all'interno di un frullatore a lame rotanti. I granuli, della tipologia LUMIRA LA1000, sono caratterizzati da un diametro medio di 0.7-4.0 mm, una forma irregolare e schiacciata e una densità apparente stimata compresa nell'intervallo di 65-70 kg/m3.

La fase di miscelazione è stata lenta e accurata, per garantire una mistura omogenea, evitando la formazione di polveri. Anche la miscela di pura argilla è stata preparata con la stessa metodologia. Una volta pronto, l'impasto è stato posto in casseforme in legno quadrate (25 x 25 cm2, dimensioni necessarie per eseguire le prove termiche) rivestite con carta impermeabile per facilitarne la scasseratura.

La prima essiccazione è stata effettuata a temperatura ambiente (24.4°C) e 35% di umidità relativa, per 24 ore. È seguita un'ulteriore fase di essiccazione in forno termostatico a 110°C ± 2°C per altre 24 ore. Infine, la cottura è avvenuta ad una temperatura massima di 1005°C in un forno a tunnel.

Eseguite le prove termiche sui campioni 25x25 cm2, dagli stessi sono stati ritagliati dei listelli di larghezza pari a 3 cm, necessari per la caratterizzazione meccanica, e mediante una sega a tazza, dei provini cilindrici di diametro 100 mm (TG 1 e TG 2) e 29 mm (TP 1) per le prove acustiche.

Lo spessore di ogni campione è stato misurato su più punti, data la loro poca uniformità, e si è considerato un valore medio. Le caratteristiche geometriche e la densità di tutti i campioni sono riportate in Tab. 1.

L'articolo prosegue con:

- prestazioni termiche
- prestazioni acustiche
- prestazioni meccaniche

È di estrema importanza conoscere le caratteristiche dei materiali che vengono impiegati nelle costruzioni ed assicurarsi che garantiscano buone prestazioni termiche, affinché migliorino l'efficienza energetica degli edifici stessi, mantenendo anche ottime proprietà acustiche e meccaniche.

L'aerogel è uno dei materiali termoisolanti più promettenti e in questo studio è stata analizzata l'influenza sulle prestazioni termiche, acustiche e meccaniche del 5% in peso di granuli inseriti nell'impasto per la produzione dei laterizi.

L'aggiunta dei granuli comporta un significativo miglioramento delle proprietà termiche: è stata misurata una conducibilità termica pari a 0.212 W/mK, rispetto a 0.310 W/mK del campione di argilla pura, con una riduzione di circa il 32%. Dal punto di vista dell'assorbimento acustico, i granuli conferiscono una maggiore qualità, con un incremento del Noise Reduction Coefficient
di 0.05.

Anche i valori di Transmission Loss sono buoni (24-34 dB a seconda della frequenza), seppur inferiori rispetto a quelli raggiunti per il campione in argilla pura, oltretutto di spessore minore. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, si ottiene un leggero peggioramento in termini di resistenza a flessione (riduzione di circa il 13%) e di resistenza alla compressione (riduzione di circa il 10%).

Tuttavia, tali prestazioni rimangono comunque buone e adeguate nel caso di blocchi da tamponamento. Studi futuri prevedono l'ottimizzazione della percentuale di aerogel nella miscela, in modo da ottenere il giusto compromesso tra proprietà meccaniche e proprietà termo-acustiche, e la valutazione della conducibilità equivalente di blocchi in laterizio realizzati con l'impasto proposto.

In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo.

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Fonte: La Termotecnica dicembre 2022
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