Materiale naturale per l’edilizia sostenibile dai sottoprodotti agricoli

The construction sector represents one of the largest "consumers" of raw materials in the world. The processes of materials extraction, production and transport contribute to the production of CO2, a greenhouse gas which is the main cause of global warming. At the same time, environmental regulations aimed at protecting fragile ecosystems are making it increasingly difficult and expensive to extract and use certain resources, causing prices to rise significantly. The replacement of high CO2 production products with low environmental impact materials would improve the overall impact of the building stock, which today accounts for 40% of total energy consumption. In response to these problems, the following research aims to evaluate the use of alternative building materials to those currently used, characterized by a high environmental impact. Although the insulating products currently on the market and traditionally used have excellent thermal performance (e.g. extruded polystyrene, expanded polystyrene, polyurethane foam, etc.), they are derived from fossil fuels such as petroleum. Studies conducted on various agricultural by-products have shown how some properties that characterize these resources (such as high porosity, low thermal conductivity and good thermo-hygrometric properties) make them particularly suitable for the production of insulating materials for the building envelope. Furthermore, the development of materials containing these wastes, often called in the literature as "bio-based insulations" or "bio-insulations", represents an important opportunity to enhance the enormous quantities of agricultural by-products generated each year. In this thesis is initially presented the numerous projects where agricultural by-products in the construction sector is used to produce insulating panels. The analysis is aimed at knowing the production processes and the properties of these materials. However, in this context, the oranges transformation by-product has not yet been assessed. In fact, the orange is the most widespread citrus fruit in the world and every year more than 124 million tons are consumed. From the transformation of the orange derives an enormous amount of waste, largely composed of peels, seeds and pulp residues. Currently, there isn’t a strategy that provides for the recovery of this by-product, which uncontrolled disposal causes severe environmental problems. Starting from oranges transformation, in this study an application of by-products in construction sector is hypothesized and different samples with different production processes were made with: bulk granules, cold-pressed, pressed during drying process and hot-pressed procedure. All samples are free of binders and additives, entirely composed of the by-product and therefore completely natural. The products obtained were characterized as regards their physical properties (density, water absorption, swelling and durability), thermal (conductivity), mechanical (flexural strength and modulus of elasticity) and acoustic (acoustic absorption) properties. After the tests carried out, it is believed that the panel derived from the pressing and simultaneous drying of wet orange peels is the one with the best thermal and mechanical properties. The results showed a thermal conductivity of the panel of 0.065 W / mK and a flexural strength of 0.09 MPa. To improve the durability of the material, additional studies were conducted in order to add mycelium to the compound. The properties of the mycelium have improved the permeability of the samples to water, while maintaining the natural composition of the formulation. In summary, considering the results obtained during this research, it can be said that the by-product from citrus fruits shows a high potential for use as a panel in construction. The data obtained are of great importance, not only because a solution is proposed for the valorisation and recycling of transformation by-products, but also because an alternative to traditional construction products is provided. In fact, further development of bio-based insulations as an alternative to traditional thermal insulators could be encouraged by the high availability of orange.

Il settore delle costruzioni rappresenta uno dei più grandi “consumatori” di materie prime al mondo. I processi di estrazione dei materiali, produzione e trasporto, contribuiscono alla generazione di CO2, un gas serra che costituisce la principale causa del surriscaldamento globale. Al contempo, le regolamentazioni volte a proteggere gli ecosistemi fragili, stanno rendendo sempre più difficile e costosa l'estrazione e l'uso di determinate risorse, causando un aumento significativo dei prezzi. La sostituzione dei prodotti ad alta produzione di CO2 con dei materiali a basso impatto ambientale, migliorerebbe l’impronta complessiva del patrimonio edilizio, che oggi rappresenta il 40% del consumo energetico totale. In risposta a questi problemi, la seguente ricerca ha come obiettivo quello di valutare l’utilizzo di materiali da costruzione alternativi a quelli attualmente utilizzati, caratterizzati da un alto impatto ambientale. Infatti, sebbene i prodotti isolanti attualmente in commercio e tradizionalmente utilizzati abbiano prestazioni termiche eccellenti (ad es. polistirene estruso, polistirene espanso, schiuma di poliuretano, ecc.), essi sono derivati da combustibili fossili come il petrolio. Studi condotti su diversi sottoprodotti agricoli hanno mostrato come alcune proprietà che caratterizzano queste risorse (come l’elevata porosità, la bassa conducibilità termica e le buone proprietà termo-igrometriche) li rendano particolarmente idonei per la produzione di prodotti termo-isolanti per l’involucro edilizio. Inoltre, lo sviluppo di materiali contenti questi scarti, spesso denominati in letteratura “bio-based insulations" o "bio-insulations", rappresenta un’importante opportunità per valorizzare le enormi quantità di sottoprodotti agricoli generati ogni anno. In questa tesi sono inizialmente presentati i numerosi progetti di impiego di quest’ultimi nel settore edilizio per produrre pannelli isolanti. L’analisi è finalizzata a conoscere i processi produttivi e le proprietà di questi materiali. Tuttavia, in tale contesto, il sottoprodotto di trasformazione delle arance non è stato ancora preso in considerazione. L’arancia, infatti, è l’agrume più diffuso in tutto il mondo e ogni anno ne vengono consumate più di 124 milioni di tonnellate. Dalla trasformazione di questo agrume deriva un'enorme quantità di scarti, in gran parte composti da bucce, semi e residui di polpa. Attualmente, non esiste una precisa strategia che preveda il recupero di questo sottoprodotto, il cui smaltimento, spesso incontrollato, provoca forti problemi ambientali. A partire da questi, la seguente ricerca ne ha ipotizzato una applicazione in edilizia tramite la produzione di campioni con diversi processi produttivi: in granuli sfusi, pressati a freddo, pressati durante l’essiccazione e pressati a caldo. Tutti i provini sono privi di leganti e di additivi, composti interamente dal sottoprodotto e quindi completamente naturali. I prodotti ottenuti sono stati caratterizzati per quanto riguarda le loro proprietà fisiche (densità, assorbimento d'acqua, rigonfiamento e durabilità), termiche (conducibilità), meccaniche (resistenza a flessione e modulo di elasticità) ed acustiche (assorbimento acustico). Alla luce delle prove effettuate, si ritiene che il pannello derivato dalla pressatura e contemporanea essiccazione delle bucce di arancia umide sia quello con le migliori proprietà termiche e meccaniche. I risultati hanno mostrato una conducibilità termica del pannello di 0,065 W/mK e una resistenza a flessione di 0,09 MPa. Per migliorare la durabilità del materiale, sono stati condotti ulteriori studi che hanno previsto l’aggiunta di funghi al composto. Ad oggi, l’utilizzo dei sottoprodotti di arancia come substrato di crescita del micelio non era stato valutato. Lo studio ha dimostrato la possibilità di realizzare dei campioni utilizzando il micelio come legante ed i sottoprodotti di agrumi come fibra, mantenendo la composizione naturale del formulato. In sintesi, considerando i risultati ottenuti in questa ricerca, si può affermare che il sottoprodotto dagli agrumi mostra un potenziale utilizzo in edilizia. I dati ottenuti sono di grande importanza, non solo perché viene proposta una soluzione per la valorizzazione i derivati dalla trasformazione, ma anche perché viene fornita una alternativa ai tradizionali prodotti da costruzione. Infatti, l'elevata disponibilità dell’agrume può incentivare ulteriori sviluppi di bio-based insulators.