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Maria Bignozzi

Professoressa associata confermata

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/22 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Temi di ricerca

Parole chiave: durabilità materiali ad attivazione alcalina sistemi di protezione dalla corrosione rifiuti riciclo materiali da costruzione sostenibili geopolimeri comportamento a corrosione materiali ceramici piastrelle/lastre ceramiche

  1. Gli scarti civili ed industriali pongono grossi problemi di smaltimento: il loro utilizzo per la realizzazione di nuovi materiali a matrice polimerica, ceramica o cementizia mediante nuove tecnologie è una strada percorribile per ottenere materiali ecosostenibili ad alte prestazioni.
  2. Si studiano e sviluppano materiali a basso impatto ambientale e con prestazioni avanzate per il settore industriale e civile, sfruttando tecnologie innovative (materiali ad attivazione alcalina/geopolimeri);
  3. La durabilità di un materiale è un aspetto di fondamentale importanza in tutti i settori dell'Ingegneria: si indaga, mediante misure elettrochimiche e in camere climatiche, la cinetica di fenomeni corrosivi e di degrado.
  4. Si studia il comportamento a corrosione e la protezione di leghe ferrose e non ferrose per applicazioni nei settori delle costruzioni e dell'industria, nell'architettura e nei beni culturali.
  5. Si studia il processo di produzione di piastrelle/lastre ceramiche e la loro funzionalizazzione dal punto di vista della sostenibilità ambientale.

1. Materiali da costruzione innovativi contenenti scarti industriali per uno sviluppo sostenibile del settore delle costruzioni

Il problema dell'eccessivo sfruttamento delle risorse naturali e delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera da un lato e la grande quantità di rifiuti industriali non pericolosi annualmente smaltiti in discarica dall'altro, sono la forza motrice delle ricerche condotte per lo sviluppo di materiali sostenibili per il settore delle costruzioni e per l'industria. La possibilità di utilizzare materiali di scarto come nuove materie prime rende indispensabile lo studio della compatibilità tra i materiali naturali e quelli provenienti da attività di riciclo, della reattività chimica di questi ultimi e delle conseguenti modificazioni microstrutturali e fisico-meccaniche che possono apportare nel prodotto finale. Scarti industriali di natura vetrosa/ceramica sono già stati utilizzati con successo per la produzione di nuovi cementi di miscela: questi costituenti non convenzionali mostrano proprietà pozzolaniche rendendo così i nuovi cementi più durevoli alle azioni dilavanti. Si è di recente anche studiato la reattività di diverse tipologie di vetro potenzialmente utilizzabili come aggregato per calcestruzzo: in questo caso la composizione chimica dei vetri gioca un ruolo essenziale per favorire/sfavorire la reazione ASR (alkali silica reaction). Analogamente la composizione del vetro usato in sostituzione del cemento promuove in maniera diversa l'attività pozzolanica grazie alla diversa solubità del vetro nell'ambiente alcalino tipico del calcestruzzo. Sempre nell'ottica di promuovere la produzione di materiali da costruzione sostenibili sono stati realizzati anche calcestruzzi tradizionali e autocompattatnti con aggregati provenienti da demolizione (C&D waste). La caratterizzazione fisico-meccanica a breve e lungo termine ha messo in luce come anche l'utilizzo di aggregati provenienti da demolizione possa superare le quantità  attualmente consentite dalle leggi in vigore.

2. Materiali da attivazione alcalina/geopolimeri: una nuova classe di materiali inorganici per le costruzioni

L'interesse per il riciclo e il riutilizzo di scarti di varia natura ben si accosta con le tematiche oggi emergenti a livello Europeo. In questo contesto nasce l'interesse per i geopolimeri, una nuova classe di materiali inorganici, ottenuti attivando, mediante soluzioni alcaline, materie prime allumino-silicatiche. Il precursore per la geopolimerizzazione più studiato è sicuramente il metacaolino, ottenuto dalla calcinazione del caolino, tuttavia i parametri di processo (temperatura, tempo, concentrazione delle soluzioni attivatrici) influenzano fortemente le caratteristiche microstrutturali dei prodotti. Ad esempio, il controllo della porosità e della sua distribuzione diventa un parametro chiave nell'ottica di sviluppare geopolimeri per il settore delle costruzioni, con applicazioni che possono andare dai prodotti per l'isolamento termico alla realizzazione di un legante idraulico con caratteristiche prestazionali paragonabili a quelle del cemento Portland. I geopolimeri fanno parte in realtà di una classe più ampia di materiali: si parla infatti di materiali ottenuti da attivazione alcalina quando i precursori sono calcio-allumino-silicatici. La presenza di calcio nelle materie prime amplia la possibilità di utilizzare diversi scarti industriali come precursori (ad esempio scorie di acciaieria ad arco elettrico, scarti ceramici, etc.) e apre tutta una serie di quesiti sui prodotti che si formano durante il processo di consolidamento. La formazione di fasi diverse gioca un ruolo importante sulla porosità del materiale, influenzando le proprietà macroscopiche (ad esempio: le proprietà meccaniche). I materiali da attivazione alcalina consolidano a temperatura ambiente o comunque di solito inferiore ai 100°C, per cui il loro utilizzo nel settore ceramico appare estremamente competitivo. Se da un lato questi materiali appaiono particolarmente promettenti (tra le varie caratteristiche presentano anche buona stabilità alle alte temperature), dall'altro è anche vero che in questo ambito c'è ancora molto da investigare. Infatti, l'influenza dei parametri di processo sui diversi precursori da attivare, la durabilità di questi materiali negli ambienti di esercizio, la loro compatibilità con i materiali dell'edilizia tradizionale sono solo alcuni degli aspetti che devono essere ancora studiati.

3/4. Corrosione e protezione dei metalli per il settore industriale, delle costruzioni e dei beni culturali

Questa linea di ricerca è la più recente. Gli studi, inizialmente concentrati sul comportamento a corrosione di barre di armatura in conglomerati cementizi, si sono rapidamente estesi alla valutazione di sistemi protettivi di varia natura (patine naturali, rivestimenti organici e inorganici, malte geopolimeriche) su leghe ferrose e non ferrose utilizzate sia in architettura (ad esempio l'acciaio COR-TEN) sia nei beni culturali (ad esempio leghe del rame). In particolare, la corrosione e l'efficienza dei sistemi protettivi sono valutati attraverso misure elettrochimiche, invecchiamenti accelerati, analisi superficiali e analisi termiche. Questa linea di ricerca è frutto di proficue collaborazioni con il Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale “Meccanica Avanzata e Materiali” CIRI MAM dell'Università di Bologna (Unità Corrosione: Dott.ssa Cristina Chiavari), i Dipartimenti di Ingegneria Industriale (Dott.ssa Carla Martini) e Chimica Industriale “Toso Montanari” (Dr. Elena Bernardi) dell'Università di Bologna e il Centro di Corrosione “Daccò” dell'Università di Ferrara (Prof. Cecilia Monticelli). Varie sono anche le ricerche portati avanti in collaborazione con il mondo industriale sia per risolvere problemi che talvolta si verificano inaspettatamente negli impianti produttivi sia in un ottica di prevenzione per evitare l'insorgere di fenomeni di degrado potenzialmente pericolosi.

Nell'ambito della tematica “corrosione”, è risultato vincitore al bando M-ERA.net 2013 il progetto B-IMPACT (Bronze-IMproved non-hazardous PAtina CoaTings), coordinato dallo Slovenian National Building and Civil Engineering Institute, Ljubljan, Slovenian. Il progetto di ricerca, di durata biennale, comincerà il 1 Marzo 2015.

5. Produzione di piastrelle/lastre ceramiche e loro funzionalizazzione dal punto di vista della sostenibilità ambientale.

In collaborazione con il Centro Ceramico si studiano tutte le tematiche di maggiore interesse industriale e scientifico correlate con il settore dei materiali ceramici (in particolare l'ambito delle piastrelle/lastre ceramiche).

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