Materiali compositi con inerte riciclato per l'economia circolare
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Andrea Nobili - Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
DALLA SCUOLA ESTIVA MATERIALI COMPOSITI / FROM THE COMPOSITE MATERIALS SUMMER SCHOOL
Materiali compositi
con inerte riciclato
per l’economia circolare
Nuova vita per la plastica di recupero destinata all’incenerimento o alla discarica
L
a Società Moderna si caratterizza
per la vertiginosa crescita del con-
sumo di materia plastica: la produ-
zione mondiale annua di plastica
è passata dai 15 milioni di tonnellate del
1964 agli oltre 310 milioni attuali. Dagli
anni Cinquanta del secolo scorso ad oggi
sono state prodotte 8,3 miliardi di tonnel-
late di plastica, delle quali circa 6,3 miliardi
sono giunte a fine vita: il 79% di questa
plastica è raccolta nelle discariche e negli
ambienti naturali, il 12% è stato incenerito
e solo il 9% riciclato. Se questo trend do-
vesse proseguire, nel 2050 si raggiunge-
rebbero 34 miliardi di tonnellate di plastica
prodotta, delle quali almeno 12 miliardi di
tonnellate costituirebbero rifiuto disperso
in tutti gli ambienti. Già oggi, la plastica
rappresenta l’85% dei rifiuti marini e si
stima che ognuno di noi, ogni anno, inge- Fig. 1: Fibre sintetiche riciclate per calcestruzzi fibrorinforzati
risca mediamente 70.000 particelle micro-
plastiche [1]. Ogni anno almeno 8 milioni di degli imballaggi in plastica, colloca la per- plastica derivante da riciclo e non diversa-
tonnellate di plastica finiscono negli oceani centuale del riciclo dei rifiuti plastici in Italia mente riutilizzabile a parziale sostituzione
del mondo nei quali, ad oggi, si stima risie- al 43% [2]. Tuttavia, di questi, solo il 41% degli inerti vergini, ovvero come rinforzo in
dano più di 150 milioni di tonnellate di rifiu- è effettivamente destinato a nuovo utilizzo materiali compositi.
ti di plastica. La plastica costituisce il terzo in una strategia circolare, mentre il restan- Il grande successo dei materiali composi-
materiale umano più diffuso sulla Terra, te è indirizzato alla valorizzazione energeti- ti a matrice organica è testimoniato dalla
dopo l’acciaio ed il cemento, ma mentre ca. Si pone infatti il complesso problema loro diffusione in innumerevoli campi di
questi sono impiegati per realizzare ma- dell’impiego del materiale da riciclo recu- applicazione che attraversano l’ingegne-
nufatti la cui durata si misura in decenni, perato, le cui caratteristiche tecnologiche, ria navale, meccanica ed aerospaziale e
l’utilizzo medio del manufatto plastico non assai inferiori rispetto al materiale vergine, le strutture civili. Paradossalmente, il loro
si estende oltre qualche minuto, a spesso rendono impossibile il riutilizzo nella stessa stesso successo è alla radice della forte
pochi secondi. Questa enorme diffusione forma dei manufatti originali, come invece spinta all’innovazione che caratterizza que-
della plastica comporta evidenti problemi accade per il vetro e, in gran parte, per la sto Settore, con la ricerca di nuove solu-
di natura ambientale, connessi al recupero carta. Nel 2017, Corepla ha dato il via ad zioni che possano adattarsi alle situazioni
del materiale a fine vita ed al successivo una serie di progetti pilota per scoprire in cui la matrice organica è svantaggiosa.
trattamento per la re-immissione nel ciclo come “riciclare ciò che ora non si riesce L’adozione di matrici organiche, infatti, è
produttivo. L’UE si è prefissa l’obiettivo di ancora a riciclare” [3]. particolarmente problematica in presenza
riciclare almeno il 50% dei rifiuti di plastica L’osservazione che il calcestruzzo è il se- di elevate temperature, ambienti aggressi-
entro il 2030 e Corepla, il consorzio nazio- condo materiale più usato al mondo sug- vi e luce ultravioletta, umidità e cicli di fa-
nale per la raccolta, il riciclo ed il recupero gerisce di impiegare la grande quantità di tica. Nel settore civile, inoltre, si pongono
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nano situazioni assai eterogenee, il cui pro-
dotto ha valore industriale molto diverso.
I materiali compositi a matrice inorganica,
dei quali il calcestruzzo è un esempio clas-
sico, ben si prestano alla incorporazione di
materiali eterogenei per raggiungere fina-
lità di leggerezza ed isolamento superiori.
Anche l’aspetto normativo costituisce un
forte incentivo alla incorporazione di mate-
riali riciclati all’interno di manufatti per l’in-
dustria delle costruzioni. A tal proposito,
è assai rilevante l’art. 34 recante “Criteri
di sostenibilità energetica e ambientale”
del D.lgs. 50/2016 “Codice degli appalti”
(modificato dal D.lgs 56/2017), che impo-
ne Criteri Ambientali Minimi (CAM) nei
processi di acquisto della PA. Si tratta di
“requisiti ambientali definiti per le varie
fasi del processo di acquisto, volti a indivi-
Fig. 2: Superficie di una fibra sintetica riciclata trattata per migliorarne l’adesione con la matrice cementizia duare la soluzione progettuale, il prodotto
o il servizio migliore sotto il profilo ambien-
importanti questioni di compatibilità con i inerti alternativi derivanti dalla pirolisi della tale lungo il ciclo di vita, tenuto conto della
supporti, di applicabilità e reversibilità, sa- biomassa vegetale (bio-char) e nel cam- disponibilità di mercato. La loro applicazio-
lubrità degli ambienti e traspirabilità. po della protezione passiva delle armatu- ne sistematica ed omogenea consente di
I compositi a matrice inorganica, al con- re metalliche. Il Progetto sviluppa nuovi diffondere le tecnologie ambientali e i pro-
trario, presentano interessanti proprietà materiali compositi a matrice inorganica dotti ambientalmente preferibili e produce
di resistenza alle alte temperature, al fuo- con elevato contenuto di materia plastica un effetto leva sul mercato, inducendo gli
co ed agli ambienti aggressivi, nonché di proveniente da riciclo, con particolare rife- operatori economici meno virtuosi ad ade-
traspirabilità e reversibilità, che li rendono rimento alla frazione tecnologicamente più guarsi alle nuove richieste della pubblica
candidati ideali per interventi di ripristino povera, il cui reimpiego in manufatti plastici amministrazione” [5]. È dunque evidente
e adeguamento. Inoltre, i materiali con risulta difficoltoso e anti-economico. Oggi, la volontà del legislatore di agevolare ed
legante di calce e/o cemento risultano tale frazione è destinata, nella migliore del- anticipare una tendenza oramai ineludibile
sensibilmente più affini al substrato og- le ipotesi, alla valorizzazione termica, con verso l’economia circolare, il recupero ed il
getto di consolidamento, specialmente in sviluppo di gas tossici (come le diossine) riutilizzo delle risorse. Essa si traduce nella
termini di rigidezza. Tali vantaggi, tuttavia, e perdita di risorse non rinnovabili, oppure necessità di prevedere immediatamen-
intervengono al prezzo di una notevole allo stoccaggio in discarica, con il concreto te, in fase di progettazione, il fine vita del
vulnerabilità alla delaminazione ed allo sfi- rischio di cessione e disgregazione di mi- prodotto e garantire requisiti minimi per il
lamento, in considerazione della scarsa af- croplastiche. Complessivamente, in Italia, suo reimpiego. Il Progetto IMPReSA vuole
finità tra la matrice ed il rinforzo. Il Progetto la quota di materiale plastico indirizzata anticipare queste direttive elaborando so-
IMPReSA [4], finanziato a valere su fondi a questo tipo di fine vita si colloca oltre il luzioni tecniche affidabili, economiche e
POR FESR 2014-2020, Progetti di ricerca 50% della plastica riciclata. La principale preformanti per nuovi prodotti nel campo
industriale strategica rivolti agli ambiti pri- ragione per l’impossibilità di indirizzare al dell’edilizia sostenibile. A tal fine è neces-
oritari S3 della Regione Emilia-Romagna riutilizzo la plastica riciclata è legata alla no- sario sviluppare tecnologie che rendano
(CUP E81F18000310009), mira a sviluppa- tevole varietà di polimeri oggi in commer- “affini” le matrici e gli aggregati plastici,
re nuovi materiali compositi per l’involucro cio, la cui miscela, negli impianti di tratta- compensando l’inevitabile variabilità di
edilizio, rispondenti ai requisiti dell’econo- mento, produce un prodotto con proprietà composizione che accompagna il rifiuto.
mia circolare, realizzati mediante processi tecnologiche molto scadenti e incostanti. Gli interventi adottati, mediante trattamen-
produttivi a ridotto impatto ambientale e Al contrario, il riciclo selettivo degli scarti ti specifici, testimoniano la fervente attività
con uso sostenibile delle risorse. Il Pro- industriali, a valle dei processi, è molto più di ricerca che sostiene lo sviluppo di ma-
getto IMPReSA vede la partecipazione di efficace, in quanto affronta una ben speci- teriali compositi innovativi ed il ruolo che
4 centri di ricerca interuniversitari appar- fica classe di polimeri, che spesso si pos- questi possono svolgere nella soluzione di
tenenti alla Rete Alta Tecnologia della Re- sono reimmettere nel circuito produttivo. un problema drammatico per il futuro della
gione e 4 aziende leader nei settori della Dunque, con il termine riciclo si accomu- nostra società.
produzione di macchine per il trattamento
della plastica, nella produzione di filati pla-
stici, nella produzione e commercializza-
zione di malte e prodotti per edilizia e nella
produzione di inerti, anche da riciclo.
Esso si avvale di competenze innovative
tese al miglioramento del comportamento
adesivo della matrice inorganica, pur pre-
servando le congeniali caratteristiche in
essa insite. Inoltre, il Progetto si avvantag-
gia di competenze nell’utilizzo di materiali
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Andrea Nobili - Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
DALLA SCUOLA ESTIVA MATERIALI COMPOSITI / FROM THE COMPOSITE MATERIALS SUMMER SCHOOL
Composite materials with recycled
aggregates for a
circular economy scenario
New life for recycled plastic destined to incineration or landfill
T
he dizzying speed by which introduction into the manufacturing to situations where the organic ma-
the use of plastic materials cycle. trix is disadvantageous.
has been growing is a distinc- EU has set the goal of recycling no Indeed, the implementation of organ-
tive feature of the modern so- less than 50% of plastic waste with- ic matrices is especially troublesome
ciety: The annual plastic pro- in 2030 and Corepla, the national in the case of high temperatures,
duction worldwide has grown from consortium for the collection and aggressive environments, ultraviolet
15 million tonnes in 1963 to more recycling of plastic packages, has light, moisture and fatigue cycles. In
than 310 million tonnes today. assessed the percentage of plastic the field of civil constructions there
Since the 50s of the last century waste recycling in Italy at 43% [2]. are further issue of compatibility with
8.3 billion tonnes of plastic have However only 41% of this amount the substrates, applicability and re-
been produced, 6.3 billion of which actually ends up in a circular-strate- versibility, healthiness and breathabil-
have reached their end of life: 79% gy re-use, while the remaining part is ity of the environment.
of these plastics are found in waste destined to waste-to-energy plants. Inorganic matrix composites, on the
dumps and in the natural environ- Indeed an inherent issue exists in the contrary, display interesting features
ment, 12% has been incinerated and recycling of the reclaimed material, in terms of resistance to high tem-
just 9% of all has been recycled. whose technological properties are peratures, fire and aggressive envi-
If this trend were to continue as it much inferior to those featured by the ronments as well as permeability and
does now, in 2050 we would reach 34 virgin material, thus making it impos- reversibility, which make them the
billion tonnes of plastic manufacture, sible to use it in the same form as the ideal candidates for restoration and
and at least 12 billion of those would original objects, in contrast to glass adaptation operations. Furthermore,
be waste spread in the environment. and also largely to paper. materials using lime and cement as
To date, plastic makes up for 85% of In 2017 Corepla started a series of binder are significantly more similar
marine waste and each person is es- pilot projects to discover how to ‘re- in nature to the substrate they are
timated to ingest 70000 microplastic cycle what we cannot recycle yet’ [3]. meant to consolidate, especially in
particles per year on average [1]. Concrete is the second most used terms of rigidity. However, these ad-
Every year at least 8 million tonnes of material worldwide, and this sug- vantages are obtained at the expense
plastic end up in the oceans, where gests that the great amount of recy- of a higher vulnerability to delamina-
it is estimated that more than 150 cled plastics without a chance for a tion and disengagement, due to the
million tonnes of plastic waste are different re-use could be exploited as scarce material affinity between ma-
scattered so far. Plastic represents a partial replacement of virgin aggre- trix and reinforcement.
the third most widespread man-made gates, that is to say, as reinforcement The Project IMPReSA [4], funded
material on Earth, after steel and con- in composite materials. by the initiative POR FESR 2014-
crete, but while these are used to The great success of organic matrix 2020, Strategic industrial research
manufacture objects whose lifespan composite materials is attested by projects aimed at priority fields S3
is of the order of decades, the aver- the widespread use of these materi- of the Emilia-Romagna Region (CUP
age duration of use of a plastic object als in countless fields of applications, E81F18000310009), aims at the de-
does not go beyond a few minutes, ranging from naval, mechanical and velopment of new composite ma-
and often few seconds. aerospace engineering to civil con- terials suitable to building shells
Such a widespread use of plastic re- structions. Oddly enough, the very compliant with circular economy re-
sults in apparent environmental is- success of these materials is the ba- quirements, produced by means of
sues related to the recovery of the sis for the strong innovation drive that manufacturing processes featuring a
end-of-life materials and to the sub- characterizes this sector, spurred to low environmental impact and a sus-
sequent treatment aimed at their re- find new solutions that may be suited tainable use of resources.
43The Project IMPReSA sports the treatment plant leads to a product It is hence clear how regulations in-
participation of 4 inter-university re- with very poor and inconsistent tech- tend to facilitate and anticipate an un-
search centers that are part of the nological properties. On the contrary, avoidable trend towards the circular
High Technology Network of the selective recycling of industrial waste economy, the recovery and the re-use
Region and 4 leading companies in immediately after the manufacturing of resources.
the fields of: Construction of plastic processes is much more efficient, In turn, it becomes necessary to plan,
treatment machines; Manufacturing since it deals with a specific class of since the beginning of the design
of plastic yarns; Production and re- polymers, which can often be rein- stage, the end of life of the product
tail of mortars and products for the troduced in the manufacturing cycle. and to guarantee the minimum re-
construction industry; Production of Therefore a range of disparate con- quirements for its re-use.
aggregates, including those from re- texts – yielding products with widely The Project IMPReSA intends to an-
cycled sources. varying industrial value – is brought ticipate these directions by concoct-
The project makes use of innovative under the umbrella term of ‘recy- ing reliable, economically efficient
expertise concerning the improve- cling’. and performing technical solutions
ment of the adhesive properties of Inorganic matrix composites, with for new products in the field of sus-
the inorganic matrix, while preserving concrete being one of the classic tainable building. In order to achieve
the favourable features of the matrix examples, are well-suited to the in- this goal, new technologies must be
itself. corporation of heterogeneous ma- developed to make matrices and plas-
Furthermore, the project makes use terials in order to achieve superior tic aggregated more ‘alike’, compen-
of an expertise in the use of alterna- lightweight and insulation properties. sating the inevitable variability in the
tive aggregates obtained by the pyrol- Regulations also represent a deci- composition of waste.
ysis of plant biomass (bio-char) and sive stimulation to the incorporation The actions taken so far by means of
in the field of passive protection of of recycled materials within products specific treatments demonstrate the
metal rebars. aimed at the construction industry. In intense research activity supporting
The project develops new inorganic this regard, the regulation ‘Criteria for the development of innovative com-
matrix composite materials with a energetic and environmental sustain- posite materials and the role that the
high content of recycled plastic ma- ability’ within the procurement code latter can play in the solution of a
terials, and especially the fraction D.lgs. 50/2016 “Codice degli appalti” dramatic issue for the future of our
with the lowest technological con- (later updated by D.lgs 56/2017) sets society.
tent, whose re-use in new plastic Minimum Environmental Criteria in
products is difficult and economical- the purchase processes of the pub- BIBLIOGRAPHY
ly inefficient. Today this fraction is lic administration bodies. These are [1] Plastics Europe https://www.plas-
sent, in the best-case scenario, to ‘environmental requirements defined ticseurope.org/it
[2] Corepla https://www.corepla.it/
waste-to-energy plants, leading to for the various stages of the purchase
[3] https://www.wired.it/attualita/ambi-
the release of toxic gases (such as di- process, aimed at the identification of ente/2017/11/10/plastica-riciclo-italia
oxins) and loss of non-renewable re- the project solution, the product of [4] https://www.impresa-betonplast.it/
sources, or to landfill storage, hence the service with the best properties [5] https://www.minambiente.it/pagi-
with the serious risk of release and in terms of the environmental foot- na/i-criteri-ambientali-minimi
fragmentation into microplastics. In print along the whole life cycle, con-
Italy, the overall share of the plastic sidering the availability on the mar-
material destined to this end-of-life ket. Their systematic and consistent
scenario is above 50% of all recycled application enables the circulation of
All the mentioned figures refer
plastics. environmental technologies and envi-
to the Italian version
The main reason behind the impossi- ronmentally favourable products, and
bility of conveying recycled plastics generates a leverage effect on the Fig. 1: Recycled synthetic fibers for fiber-reinforced
towards a new use is related to the market, inducing the least virtuous concretes
enormous variety of polymers on the players to adapt to the new demands Fig. 2: Surface of a recycled synthetic fiber treated to
market today, whose mixture in the of the public administration’ [5]. improve its adhesion with the cement matrix
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