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Progetto MIUR-PRIN2015

Relazione scientifica finale

Progetto MIUR-PRIN2015

La filiera corta nel settore biomasse-legno: approvvigionamento, tracciabilità, certificazione e sequestro di Carbonio. Innovazioni per la bioedilizia e l'efficienza energetica

 

Obiettivo della ricerca (max 5000 caratteri)

Questo progetto è stato impostato allo scopo di valorizzare la filiera locale biomassa-legno, promuovendo la definizione di buone pratiche per la mobilizzazione della biomassa e sviluppando soluzioni tecnologiche per la bioedilizia e l’efficienza energetica, anche mediante innovazioni di prodotto per l’impiego del legno con funzioni strutturali e non strutturali. Questi obiettivi rientrano anche nella Strategia Europea per la bioeconomia e l’economia circolare con le priorità sull’innovazione nei processi forestali e nelle industrie dei bio-prodotti per soddisfare le esigenze della società in maniera sostenibile.

Gli obiettivi specifici del progetto riguardano:

  • Lo sviluppo di sistemi di tracciabilità su base molecolare del legno per verificare le possibilità di mobilizzazione e la sostenibilità dell’approvvigionamento da filiere corte di biomassa-legno, ai fini di una loro corretta valorizzazione in accordo con la più recente normativa europea (WP2).
  • La certificazione ambientale e efficienza energetica, per valutare la sostenibilità di differenti processi di trasformazione e impiego di prodotti legnosi con funzioni strutturali e non strutturali. Mediante l’analisi di Life Cycle Assessment (LCA) si confrontano gli impatti e i danni ambientali potenziali derivanti dalla produzione e distribuzione di tavolame per la realizzazione di pannelli X-LAM con la produzione e utilizzazione di biomasse per impiego energetico. Per entrambi i prodotti finali, inoltre, vengono considerate sia l’ipotesi di produzione di rifiuto legnoso che quella di riuso di tale rifiuto attraverso la trasformazione in altri prodotti legnosi per fini energetici (WP3).
  • La realizzazione e validazione secondo standard normativi di prodotti innovativi per la bio-edilizia con legni ottenuti da filiere corte, in diversi ambienti del nostro Paese e con specie forestali differenti. I prodotti innovativi verranno considerati in due grossi ambiti: per uso strutturale e per uso non-strutturale. Per la realizzazione di prodotti innovativi strutturali per la bio-edilizia (X-LAM, lamellari, pannelli di compensato a base di legno) con specie arboree finora poco o mai utilizzate per tale tipo di impieghi, sono stati definiti i seguenti obiettivi specifici (WP4):
  • mettere a punto criteri per la classificazione secondo la resistenza (a vista e a macchina) per specie legnose finora non coperte dalla normativa nazionale ed Europea e valutare la qualità dell’incollaggio di prodotti adesivi utilizzabili per la realizzazione di prodotti strutturali in legno di latifoglia;
  • caratterizzare dal punto di vista meccanico le travi in legno lamellare e pannelli in X-LAM realizzati con legno omogeneo di latifoglia, conifera e combinati, mediante l’esecuzione di prove di rottura a flessione e a taglio nel piano e fuori dal piano, al fine di stimarne i valori di resistenza medi e caratteristici;
  • verificare l’utilizzo di prodotti per uso strutturale basati su specie legnose ad ampia diffusione e a filiera corta, ma caratterizzate da prestazioni meccaniche ragguardevoli, sia nel settore delle nuove costruzioni e sia nel settore del consolidamento strutturale, con specifico riferimento alla riduzione del rischio sismico.
  • I prodotti innovativi per uso non strutturale che si intendono sviluppare sono pannelli a base di legno modificato per elementi di elevato valore quali pavimentazioni, rivestimenti (anche esterni), serramenti (WP5). I prodotti consistono in pannelli a base di legno (compensato e OSB), trattati termicamente ed ottenuti da lavorazione del pioppo di provenienza locale, e degli effetti e delle potenzialità del termo-trattamento per la valorizzazione di specie legnose native e di interesse nell’area meridionale (ontano napoletano, pioppo nero, faggio, cerro, castagno, pini). Verranno caratterizzate le prestazioni fisiche e meccaniche (MOE e MOR), di permeabilità, colore, durabilità dei prodotti prima e dopo il trattamento ed il comportamento viscoso e meccano-sorbitivo degli elementi trattati. L’effetto del trattamento verrà considerato anche in relazione ai processi di attivazione superficiale e alle potenzialità che i prodotti di risulta potranno avere a livello industriale, produttivo o nel campo farmaceutico e cosmetico, mediante caratterizzazione con DMA, XPS, GC-MS, SEM. L’effetto di trattamenti termici con vapore saturo verrà verificato anche su alcune caratteristiche fisiche e meccaniche del legno di faggio per determinare le caratteristiche e l’intensità di trattamento da applicarsi al fine di limitare la riduzione nelle proprietà meccaniche e poterne consentire l’utilizzo, eventualmente anche per scopi strutturali.
  • Caratterizzazione funzionale e architettonica dei prodotti in legno, anche mediante valorizzazione dei sottoprodotti della lavorazione del legno, con produzione di materiali nanostrutturati per la migliore funzionalità e conservazione dei manufatti in legno (WP6).
  • Coordinamento della ricerca e diffusione dei risultati (WP1).

 

 

 

Descrizione della ricerca eseguita (max 10000 caratteri)

 

La ricerca sulla filiera foresta-legno si è concentrata sulle faggete, i boschi più diffusi su tutto il territorio nazionale e con notevoli potenzialità di valorizzazione del legno; peraltro, le faggete sono da decenni sottoposte ad una gestione per il miglioramento ecologico (conversione a fustaia, allungamento dei turni forestali, miglioramento del paesaggio, della biodiversità e dello stoccaggio di Carbonio). Sono state anche prese in considerazione altre specie forestali, di importanza soprattutto regionale, nella bioeconomia del nostro Paese.

La tracciabilità della biomassa legnosa (WP2) è fondamentale per garantire sostenibilità e legalità per l’approvvigionamento della risorsa legno lungo le catene produttive e di trasformazione, nel nostro Paese e in Europa. L’analisi del DNA dei tessuti legnosi è al momento il metodo più promettente e sicuro per ottenere importanti progressi nella determinazione dell'identità e della provenienza del legno, in particolare grazie all’impiego di marcatori microsatelliti (SSR), in grado di mostrare la struttura geografica delle popolazioni e di identificare l'areale geografico di provenienza del legno. L’attività di ricerca per la tracciabilità si è concentrata sulla principale specie forestale studiata in questo progetto, il faggio (Fagus sylvatica), prendendo i campioni di legno e foglie in quattro aree geografiche distinte (Piemonte, Friuli, Lazio, Calabria). Successivamente sono state condotte le analisi in laboratorio mediante estrazione del DNA per tessuti vegetali e opportunamente modificato per tessuti legnosi.

Nel WP3 sulla certificazione ambientale e l’efficienza energetica, è stata condotta un’analisi di Life Cycle Assessment (LCA) per valutare la sostenibilità di differenti processi di trasformazione e impiego di prodotti forestali legnosi, lungo l’intera filiera di raccolta e trasformazione, dalla foresta all’industria e fino all’impiego finale per scopi domestici, incluse le successive operazioni di smaltimento o riciclo a scopo energetico. Sono stati ipotizzati quattro differenti scenari, riguardanti la produzione finale di tavolame e legna da ardere, senza riutilizzo dei sottoprodotti (rispettivamente, Scenari W e X), e con il riciclo dei residui delle utilizzazioni forestali e delle operazioni di trasformazione in segheria attraverso la loro trasformazione in prodotti energetici, pellet o cippato (rispettivamente, scenari Y e Z). Per tutti gli scenari il legname grezzo deriva dall’utilizzazione di una fustaia di faggio.

I prodotti legnosi per uso strutturale nella bio-edilizia (WP4) sono stati anzitutto sottoposti alla definizione dei metodi di classificazione delle caratteristiche qualitative a fini industriali del legname, tenuto conto che nel nostro Paese tale classificazione è carente per gran parte delle specie forestali e soprattutto per il faggio. Infatti, come pre-requisito per l’impiego in ambito strutturale (sia come legno massiccio che come prodotti ingegnerizzati), il materiale legno deve essere qualificato dal punto di vista tecnologico. Per questo motivo, la prima parte dell’indagine si è focalizzata sulla caratterizzazione del legname di faggio nazionale e sullo studio di metodi di classificazione a vista e a macchina. Il materiale sperimentale è stato raccolto in modo coordinato tra i vari partners del progetto, in collaborazione con aziende private che hanno permesso di raccogliere complessivamente 465 tavole di faggio di 4 provenienze geografiche diverse. Ciascun elemento è stato esaminato a vista, successivamente analizzato a macchina e infine è stato sottoposto a test distruttivi per determinare le caratteristiche fisiche e meccaniche delle tavole di legno.

Nell’ambito dello stesso WP4 sono state condotte prove tecnologiche a rottura su elementi costruttivi realizzati in legno lamellare incrociato (XLAM) e in legno lamellare incollato (glulam), al fine di determinare le loro principali proprietà meccaniche (rigidezza flessionale, rigidezza a taglio e resistenza). I provini in XLam sono stati realizzati presso lo stabilimento XLAM DOLOMITI di Castelnuovo (TN) e le travi in glulam presso lo stabilimento PAGANO SYSTEM S.R.L. di Oricola (AQ), mediante l’utilizzo di tavole in legno di faggio, classe di resistenza D40, e anche con tavole in legno di pino laricio (Pinus laricio), classe di resistenza C20. Le norme principali di riferimento per l’esecuzione dei test sono state la norma UNI EN 408 del 2012 “Strutture di legno - Legno strutturale e legno lamellare incollato - Determinazione di alcune proprietà fisiche e meccaniche” e il D.M. 14/01/08 (NTC par. 11.1, lettera C) “Linee Guida per la certificazione dell’idoneità tecnica all’impiego di materiali e prodotti innovativi in legno per uso strutturale”. Le prestazioni dei pannelli sono risultate superiori a quelle attese sia in termini di capacità portante che di rigidezza, così come per le prove condotte sulle travi in glulam. Dalle valutazioni effettuate emergono interessanti prospettive per una più efficiente classificazione delle tavole in faggio ed in generale del legno di latifoglia, per la produzione di manufatti in legno lamellare.

Per quanto riguarda le ricerche relative ai moduli prefabbricati per formare solai composti (WP4), questi sono stati realizzati in micro-lamellare di faggio o ibridi faggio/conifera, caratterizzati da elevate prestazioni strutturali. Sono stati eseguiti numerosi test sperimentali a livello locale (configurazione di test push-out e pull-out) per caratterizzare il comportamento meccanico del sistema di connessione e trovare un sistema di connessione (mediante viti) più adatto a garantire le migliori prestazioni del solaio composto. Infine sono stati progettati e realizzati moduli prefabbricati, a scale reale, immaginando due possibili scenari, da considerare come casi limite nelle rispettive categorie: strutture di solaio di notevole lunghezza (10 m) per uffici e scuole; solai di lunghezza media (6 m) per edifici residenziali. La sperimentazione ha quindi interessato i differenti moduli, con prove in campo elastico e fino a rottura, mediante prove a flessione a sei punti. I risultati delle sperimentazioni al vero sono di assoluto rilievo, soprattutto se confrontati con le soluzioni più tradizionali in campo edilizio, come ad es. solai in latero cemento, solai in legno-calcestruzzo, o solai composti legno-legno ma con specie legnose più comuni (conifere). Le nuove proposte che utilizzano microlamellare di faggio appaiono vincenti, soprattutto in termini di spessore strutturale, risparmio di materiale, nonché risparmio di peso, aspetto questo fondamentale per ridurre le masse sismiche e quindi, implicitamente, anche il rischio sismico. Analogamente, prove sperimentali hanno riguardato prodotti legnosi (solai) per il consolidamento delle costruzioni già esistenti, prevedendo l’uso di elementi in legno lamellare e pannelli a strati incrociati di tavole, facendo ricorso al faggio come materiale essenziale per il consolidamento.

Il WP5 si è concentrato sui trattamenti del legno per modificarne le caratteristiche tecnologiche e qualitative, soprattutto, ma non solo, per impieghi non strutturali. Tra le specie impiegate il pioppo riveste una notevole importanza per l’industria dei pannelli, soprattutto in Italia settentrionale, anche per le applicazioni innovative del trattamento termico a prodotti ingegnerizzati. Le prove sperimentali hanno riguardato il trattamento termico a pannelli di legno compensato e OSB/3 realizzati con legno di pioppo (Populus spp.) nel contesto di un più diffuso impiego di questa specie legnosa proveniente da filiera corta. Sono stati saggiati trattamenti termici termici a differenti temperature (170, 190 e 210 °C) al compensato di pioppo, a 190 °C ai pannelli OSB/3 di pioppo, la valutazione delle proprietà fisico-meccaniche dei pannelli trattati e, infine, le emissioni primarie di composti organici volatili (VOC) da parte dei pannelli a base di legno termotrattati. I pannelli a base di legno considerati nell’ambito del progetto hanno evidenziato interessanti potenzialità tecnologiche.

Nel WP5 sono stati effettuati anche test sperimentali su specie legnose finora poco utilizzate dall’industria del settore, come Fraxinus excelsior, Quercus cerris e Picea abies per la caratterizzazione del comportamento termico del legno modificato ad alte temperature, e su Alnus cordata, per studiarne l'effetto idrofobo e i cambiamenti chimici e sulla stabilità del colore indotti sia dal trattamento termico sia da una molecola denominata AKD (alkyl ketene dimer) sulle proprietà superficiali del legno di ontano, in vista di un suo utilizzo industriale.

Per quanto riguarda le prove termiche sul legno di faggio si è scelto di lavorare in ambienti a vapore saturo applicando una temperatura di 160°. Tale temperatura, bassa per i trattamenti tradizionali, nel caso del vapore saturo permette trattamenti molto veloci a valori di pressione contenuti, circa 6,4 bar. Si è scelto di fare 4 trattamenti corrispondenti a 4 perdite di massa anidra, pari al 3, 6, 9 e 12%. Per ciascun trattamento sono stati determinati i valori di umidità di equilibrio in l’ambiente normale (20 C°, 65% UR%) e sono state determinate alcune proprietà meccaniche - sia per i testimoni che per i diversi livelli di trattamento - impiegando per ogni prova 10 provini. Le proprietà meccaniche verificate sono state: resilienza (secondo la UNI ISO 3348), resistenza a flessione statica (secondo la UNI ISO 3133), modulo elastico dinamico mediante ultrasuoni.

Una sperimentazione innovativa è stata anche condotta sulla funzionalizzazione dei prodotti legnosi (WP6), mediante l’impiego di nanomateriali da residui dell’industria del legno. Le nanoparticelle di lignina sono state utilizzate per il trattamento di superfici in legno mediante rivestimento a immersione. I campioni di legno così trattati sono stati analizzati per la resistenza all’alterazione artificiale in camere UV e da parassiti fungini.