Waste-Derived Thermal Insulation Bricks from Kaolin–Sawdust–Periwinkle Shell Ash Composites: Multi-Response Taguchi–Grey Relational Optimization for Sustainable Construction

I mattoni sono i lavoratori silenziosi del mondo costruito, che sostengono tetti e pareti da secoli. Eppure, il modo tradizionale di produrli crea un paradosso: lo stesso processo che li rende forti li rende scarsi nel trattenere il calore all'interno. Quando l'argilla viene cotta in un forno, diventa un blocco denso e solido che conduce facilmente il calore, il che significa che gli edifici perdono calore in inverno e lo guadagnano in estate, costringendo i sistemi di riscaldamento e raffreddamento a lavorare di più. Per decenni, gli ingegneri hanno cercato modi per rendere questi blocchi più leggeri e isolanti senza sacrificare la loro capacità di sostenere una struttura. La soluzione risiede spesso nell'aggiungere minuscole sacche d'aria, o pori, nell'argilla. Questi pori agiscono come barriere al flusso di calore, ma crearli di solito indebolisce il mattone. La sfida è trovare un modo per introdurre abbastanza aria per fermare il trasferimento di calore mantenendo al contempo il materiale abbastanza resistente da essere utilizzato nell'edilizia.

In uno studio recente, i ricercatori dell'Università Ahmadu Bello in Nigeria hanno affrontato questo problema rivolgendosi a due comuni sottoprodotti di scarto: la segatura proveniente dalla lavorazione del legno e i gusci di periwinkle, un tipo di lumaca di mare abbondante nelle regioni costiere. Invece di trattarli come rifiuti, il team li ha mescolati con l'argilla per creare un nuovo tipo di mattone. Hanno trattato la segatura come un segnaposto temporaneo; quando il mattone viene cotto in un forno, le fibre organiche del legno bruciano completamente, lasciando dietro di sé una rete di piccoli fori. I gusci frantumati, ricchi di minerali, sono stati aggiunti alla miscela per aiutare il mattone a rimanere forte nonostante questi fori. Per trovare la ricetta perfetta, gli scienziati non hanno tirato a indovinare. Hanno utilizzato un metodo sistematico chiamato design Taguchi, che ha permesso loro di testare in modo strutturato diverse quantità di segatura, diverse quantità di cenere di gusci e diverse temperature di cottura. Hanno poi utilizzato uno strumento statistico chiamato Analisi della Relazione Grigia per bilanciare due obiettivi contrastanti: rendere il mattone il più bravo possibile nel bloccare il calore e mantenerlo abbastanza forte da sostenere un edificio.

I ricercatori hanno iniziato esaminando attentamente le materie prime per capire con cosa stavano lavorando. Hanno utilizzato una tecnica chiamata diffrazione a raggi X, che agisce come uno scanner di impronte digitali per i minerali, per vedere esattamente di cosa fossero fatti l'argilla, la segatura e la cenere di gusci. Hanno scoperto che l'argilla conteneva un minerale chiamato caolinite, che si trasforma in cristalli più forti e resistenti al calore quando riscaldata ad alte temperature. La segatura è stata confermata essere composta da cellulosa, la fibra resistente che si trova nelle piante, che brucia pulitamente. La cenere dei gusci era composta principalmente da carbonato di calcio, un minerale che si decompone quando riscaldato rilasciando gas e lasciando dietro di sé minerali reattivi che possono aiutare a legare insieme il mattone. Questa dettagliata comprensione degli ingredienti ha dato al team la fiducia che la loro miscela avrebbe funzionato come previsto.

Successivamente, hanno creato una serie di piccoli mattoni di prova, ciascuno con una ricetta leggermente diversa. Alcuni contenevano più segatura, altri più cenere di gusci, e alcuni erano cotti a temperature più basse mentre altri venivano cotti a temperature più alte. Hanno misurato quanto bene ogni mattone fermava il passaggio del calore e quanto peso poteva sostenere prima di creparsi. I risultati erano chiari: la temperatura del forno era il fattore più importante per quanto riguarda l'isolamento del mattone. Più il mattone veniva cotto, meglio bloccava il calore, perché l'alto calore garantiva che la segatura bruciasse completamente e che i minerali dell'argilla si trasformassero nelle loro forme più forti. Tuttavia, la quantità di segatura era il fattore più critico per la resistenza. Aggiungere troppa segatura creava troppi fori, rendendo il mattone troppo debole per sostenere un muro. La cenere di gusci svolgeva un ruolo di supporto, aiutando a rinforzare il mattone a livelli moderati, ma offrendo meno benefici se aggiunta in eccesso.

Combinando tutte queste misurazioni, il team ha identificato una singola ricetta "dorata" che offriva il miglior equilibrio. Questa miscela ideale conteneva il dieci per cento di segatura, il dieci per cento di cenere di gusci ed era cotta a una temperatura di 1100 gradi Celsius. Quando hanno realizzato un mattone di dimensioni intere utilizzando questa formula, i risultati sono stati sorprendenti. Il nuovo mattone conduceva il calore a un tasso di 0,407 watt per metro per kelvin, un miglioramento massiccio rispetto agli 1,8 watt per metro per kelvin di un mattone standard. In termini più semplici, questo nuovo mattone è quasi quattro volte più bravo a trattenere il calore rispetto a uno tradizionale. Allo stesso tempo, rimaneva abbastanza forte per l'edilizia, con una resistenza alla compressione di 7,83 megapascal, che è significativamente superiore ai 5 megapascal richiesti dagli standard edilizi.

Lo studio ha confermato che questo approccio funziona non solo in teoria, ma anche in pratica. I modelli statistici che hanno costruito per prevedere le prestazioni del mattone erano altamente accurati, corrispondendo quasi perfettamente ai risultati dei test reali. I ricercatori hanno anche notato che il processo crea un doppio beneficio per l'ambiente. Esso devia due tipi di rifiuti — polvere di legno e gusci di mare — dalle discariche e li trasforma in un prezioso materiale da costruzione. Questo è particolarmente rilevante in regioni come l'Africa occidentale, dove questi materiali di scarto sono abbondanti. Il prodotto finale è un mattone più leggero e fresco rispetto a quelli che siamo abituati a usare, pur essendo abbastanza resistente da costruire con esso. Lo studio conclude che, bilanciando attentamente gli ingredienti e il processo di cottura, è possibile creare materiali da costruzione sostenibili che risolvono l'antico compromesso tra isolamento e resistenza, offrendo una via pratica verso un'edilizia più efficiente dal punto di vista energetico.