Tesi Vincenzo Marino

CONNECTOR

MONO-THREAD Tabella 4: Caratteristiche di alcune fibre di basalto;

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Ottimizzazione di pannelli in gesso con fibra di basalto e lana di pecora utilizzate come

rinforzo

La fibra di basalto ha acquisito sempre maggiore attenzione come un materiale di rinforzo

soprattutto se confrontato alle fibre di vetro tradizionali. Il costo base delle fibre di basalto

dipende dalla qualità e dalla composizione chimica del materiale grezzo e questo porta ad

avere diversi tipi di fibre con differenti proprietà.

Figura 19: Diversi formati di fibre di basalto;

2.8.3 Composizione della fibra di basalto

La composizione chimica della fibra di basalto dipende dal produttore e dalle percentuali in

cui le diverse rocce basaltiche sono sciolte in un unico fuso. Una tipica composizione della

fibra di basalto è la seguente:

 SiO : 52%

2

 Al O : 17%

2 3

 CaO: 9%

 MgO: 5%

 Na O: 3%

2

 TiO : 1,5 %

2

 K O: 1,5%

2

 Altri componenti;

Si riporta una tabella in cui si è voluto confrontare le caratteristiche fisiche delle fibre di

basalto con le fibre di vetro. 56

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rinforzo 57

Ottimizzazione di pannelli in gesso con fibra di basalto e lana di pecora utilizzate come

rinforzo Proprietà Fibre di vetro Fibre di basalto

3 2,56 2,8

Densità (g\cm ) 76 89

Modulo Elastico (GPa) 1,4-2,5 2,8

Resistenza a taglio (GPa) 1,8-3,2 3,15

Elongazione a frattura (%)

Tabella 5: Confronto tra le caratteristiche fisiche delle fibre di basalto e le fibre di vetro.

2.8.4 Produzione della fibra di basalto

Per produrre la fibra di basalto è necessario portare la roccia oltre la temperatura di fusione

pari a 1400 °C in modo da garantire una viscosità adeguata per la filatura. Tale procedura

avviene in una fornace di materiale refrattario. Il processo tecnologico per la produzione della

fibra di basalto è basato su quattro passaggi fondamentali:

- Un primo pretrattamento della roccia basaltica;

- Un processo di fusione in fornace per l’ottenimento delle fibre continue;

- Un trattamento di "filatura" in continuo;

- Lavorazioni di "tessitura" o altre, più particolari, per l'ottenimento di altre forme finali

per applicazioni specifiche.

Il fuso di basalto viene estruso per produrre fili continui di basalto. Tali fili sono avvolti su

una bobina, operazione che ha anche il compito di stirare le fibre in modo da ridurne il

diametro ed aumentarne le proprietà meccaniche. Il basalto, essendo di colore nero, assorbe

l'energia nell'infrarosso, riscaldandosi solo superficialmente. Questo determina disomogeneità

di temperatura nel bagno ed implica la necessità di scaldare il bagno per molte ore per

raggiungere condizioni di equilibrio termico. I livelli di minerali presenti nella roccia di

basalto e la sua composizione chimica possono differire in modo significativo a seconda

dell’ubicazione dei giacimenti, mentre la velocità di raffreddamento del magma fuso ha

influenza sulla struttura cristallina. Tali aspetti incidono inevitabilmente sulle proprietà

meccaniche della fibra di basalto.

2.8.5 Storia della fibra di basalto

Il basalto è sempre stato usato fin dall’antichità, grazie alla sua durezza, per lastricare le strade

e, come riempimento, nelle costruzioni. Le fibre di basalto furono prodotte inizialmente negli

Stati Uniti d’America. Dopo la seconda guerra mondiale, si fecero anche diversi studi in

Europa e in Unione Sovietica; questi studi riguardavano applicazioni nel settore militare e

aerospaziale. 58

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rinforzo

Il parigino Paul Dhé nel 1923 per primo ottenne un brevetto per la produzione di filamenti di

basalto. Solo negli anni '50/60 a Mosca e Praga si ottennero risultati significativi grazie ai

grandi giacimenti esistenti. Tali tecnologie sono rimaste segrete per molto tempo.

Solamente nel 1990 gli studi vennero resi noti e il materiale cominciò ad essere utilizzato per

usi civili. Attualmente le fibre di basalto sono prodotte soprattutto in Russia e Ucraina ed

anche in Cina. Le fibre di basalto vengono principalmente utilizzate da aziende giapponesi nel

settore automobilistico, nautico e aereonautico, ma anche in edilizia per sostituire l’acciaio nel

rinforzo del calcestruzzo armato, contribuendo alla sicurezza e al risparmio energetico nel

rispetto dell’ambiente. Oggi grazie ai loro numerosi campi di applicazione, anche in Europa le

fibre di basalto consentono un equilibrio perfetto tra attività dell’uomo e ambiente naturale.

Origine naturale, ciclo di produzione a basso impatto energetico, elevata inerzia chimica,

bassa conducibilità termica, buon isolamento acustico, buone proprietà meccaniche, alta

resistenza al fuoco e costo competitivo sono le proprietà che hanno suscitato grande interesse

e curiosità.

In Italia ENEA è impegnata nel campo della ricerca sui nuovi materiali per lo sviluppo e

realizzazione di nuove componenti ed applicazioni in un’ottica di risparmio energetico e di

sviluppo economico sostenibile. La fibra di basalto, per le sue molteplici caratteristiche fisico

– chimiche, per il suo elevato grado di biocompatibilità, rientra pienamente in questo filone di

ricerca. Nel marzo 2010 ENEA ed HG GBF, leader mondiale nella produzione di fibra di

basalto, hanno sottoscritto un accordo per lo studio delle potenzialità della fibra di basalto e

delle sue numerose applicazioni. Considerato l’elevato numero di settori in cui i prodotti in

fibra di basalto possono trovare applicazione, ENEA, in questi anni ha focalizzato la propria

attività al campo dell’edilizia, dell’automotive, della nautica. Il laboratorio Materiali del

centro Enea di Trisaia ha coordinato la rete di laboratori in cui sono stati eseguiti test sulla

conducibilità termica, sulla resistenza alle sollecitazioni meccaniche e sulla durabilità. I

Laboratori ENEA di Trisaia e Brindisi, l’Università di Cosenza e l’Università di Palermo

conducono annualmente test sperimentali per la caratterizzazione della fibra e dei prodotti

derivati (tessuti, barre, reti, chopped).

2.8.6 Stato dell’arte

Tra le fibre naturali (animali, vegetali o minerali) che possono essere usate come rinforzo,

quelle di basalto rappresentano le più interessanti per le loro proprietà. Essendo un materiale

naturalmente resistente al fuoco, le fibre continue estruse di basalto negli ultimi anni hanno

attirato l’attenzione come naturale alternativa alle fibre di amianto.

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rinforzo

Inoltre molte industrie sono concordi nel sostenere che, per alcune applicazioni, la fibra di

basalto possa costituire un’alternativa alla fibra di carbonio o di vetro, garantendo in questo

caso un risparmio in termini di costi. Le fibre di basalto hanno un diametro compreso tra 9 e

13 µm; molto superiore al limite di respirabilità (circa 5 µm).

A differenza delle fibre di carbonio e di quelle aramidiche che presentano una struttura

cristallina, le fibre di basalto sono amorfe. Le elevate proprietà meccaniche della fibra di

basalto, in confronto a quelle della roccia di basalto, derivano solo dalla loro dimensione

micrometrica.

Il costo base di fibre di basalto varia in funzione della qualità e del tipo di materia prima, del

processo di produzione e delle caratteristiche del prodotto finale. Le differenze in termini di

composizione e la concentrazione forniscono elementi di differente stabilità termica e chimica

e buone proprietà meccaniche e fisiche.

L’applicazione crescente della fibra di basalto ha sollevato la questione se la fibra di basalto è

dannosa per la salute. Anche se le fibre di amianto e di basalto presentano composizione

simile, il basalto sembra essere sicuro, a causa delle diverse caratteristiche di morfologia e di

superficie che evitano eventuali effetti cancerogeni o di tossicità, che sono presentati invece

14 hanno fatto inalare ai ratti aria contenente fibre di

dall'amianto. In particolare, Kogan et al.

amianto e di basalto per 6 mesi. Nel caso di fibre di amianto alla dose di 1,7 g/ kg (riferito al

peso corporeo del ratto), un terzo degli animali sono morti, mentre una dose di 2,7 g/kg ha

ucciso tutti i topi. Nel caso della fibra di basalto, tutti gli animali sono sopravvissuti anche

-1

quando la dose raggiunge la concentrazione di 10 g kg . In maniera analoga McConnell et

15 hanno anche concluso che le fibre di basalto non comportano rischi per gli esseri umani.

al.

Si sa che i frammenti fibrosi con diametro (d) di 1,5 micron o inferiore e la lunghezza (l) di 8

micron o superiore devono essere trattati e smaltiti utilizzando le procedure ampiamente

accettate per l'amianto.

14 Kogan F.M, Nikitina O.V. “Solubility of chrysotile asbestos and basalt fibres in relation to their fibrogenic and

carcinogenic action”, Environ Health Perspect 1994, 102(5):205-6.

15 McConnell E, Kamstrup O, Musselman R, Hesterberg T.W, Chevalier J, Miller W.C, Thevenaz P. “Chronic

inhalation study of size-separated rock and slag wool insulation fibers in Fischer 344/N rats”, Inhalation

Toxicology 1994, 6(6):571-614. 60

Ottimizzazione di pannelli in gesso con fibra di basalto e lana di pecora utilizzate come

rinforzo 61

Ottimizzazione di pannelli in gesso con fibra di basalto e lana di pecora utilizzate come

rinforzo

Per quanto riguarda le fibre vi sono i seguenti tre criteri di preoccupazione:

- Fibre con diametro inferiore a 1,5 µm rimangono in volo e sono respirabili;

- Fibre con rapporto l/d superiore a 3 non sembrano causare gravi problemi connessi

con l'amianto;

- Fibre durevoli nei polmoni non causano problemi se vengono decomposti nei

polmoni.

I risultati sperimentali hanno mostrato che, poiché il valore medio del diametro del frammento

della fibra è uguale diametro delle fibre, non si verifica nessuna divisione di fibre durante la

frattura. Il rapporto l/d=20.8 di frammenti di fibre di basalto è superiore al valore critico.

Inoltre, le fibre di basalto possono essere usate a temperature molto basse (cioè circa -200 °

C) fino a temperature elevate (cioè nell'intervallo 600-800 °C). La stabilità termica, che

dipende dalla composizione della materia prima e la presenza di una grande quantità di

micropori che impediscono la convezione e la radiazione termica dell'aria sono caratteristiche

che possono far sì di pensare di utilizzare le fibre di basalto per tessuti in applicazioni di

16

isolamento termico e per antincendio. L'analisi termo-gravimet