A clay-based foam material for buildings

This thesis explores the development and characterization of a new building material based on a clay foam, designed for non-structural thermal insulation applications with the aim of also reducing environmental impact. Studies are reported on mixtures of clay in combination with different surfactants to produce a stable foam, also integrating cement and waste textile fibers as additives to improve its properties. The project consists of two experimental phases: the first phase was carried out at the Laboratoire Navier in Paris, affiliated to the Ecole des Ponts Paristech, and is dedicated to researching the composition of a basic mixture and studying its rheological behavior; the second phase, which took place at the laboratory of the mCD group of the ‘Giulio Natta’ Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering at the Politecnico di Milano, focuses on the production of samples of the foamed clay material and their physical, mechanical and thermal characterization. The experimental phase includes rheological analysis, to identify the optimal conditions for stabilizing the foam, highlighting the important role of the surfactant, foam production using two injection methods with syringes or mechanical mixing, which strongly influences the structure and final performance of the material, and tests to characterize the density, porosity, compressive strength and thermal behavior of the material. Experimental test results show that kaolinite in combination with a suitable surfactant results in a homogenous and stable foam, and that the mechanical mixing method is more effective and reproducible than the syringe method. In addition, the addition of textile fiber waste, up to 2% by mass compared to the clay, improves the cohesion of the foam, reducing its collapse during drying, whereas the introduction of cement into the mixture does not lead to positive results due to hardening problems. The foam clay material specimens exhibit very low densities, up to about 250 kg/m3, and high porosity, providing good expectations of the material's insulating capabilities. In conclusion, the research confirms the feasibility of producing a foam clay, and the recycling of textile fiber waste makes the project more sustainable, as well as enhancing its performance as a possible non-structural insulation material for buildings.

Questa tesi esplora lo sviluppo e la caratterizzazione di un nuovo materiale da costruzione basato su una schiuma di argilla, studiato per applicazioni di isolamento termico non strutturale con l’obiettivo anche di ridurre l’impatto ambientale. Vengono riportati gli studi eseguiti su miscele di argilla in combinazione con diversi tensioattivi per poter produrre una schiuma stabile, integrando anche il cemento e fibre tessili di scarto, come additivi per migliorarne le proprietà. Il progetto è costituito da due fasi sperimentali: la prima fase è stata condotta presso il Laboratoire Navier di Parigi, affiliato all’Ecole des Ponts Paristech, ed è dedicata alla ricerca della composizione di una miscela base e allo studio del comportamento reologico; la seconda fase, che si è svolta presso il laboratorio del gruppo mCD del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica ‘Giulio Natta’ del Politecnico di Milano, è incentrata sulla produzione di campioni del materiale di argilla schiumata e sulla loro caratterizzazione fisica, meccanica e termica. La fase sperimentale include l’analisi reologica, per individuare le condizioni ottimali per la stabilizzazione della schiuma, evidenziando il ruolo importante del tensioattivo, la produzione della schiuma utilizzando due metodi iniezione con siringhe o miscelazione meccanica, che va ad influenzare fortemente la struttura e le prestazioni finali del materiale, e test per la caratterizzazione della densità, porosità, resistenza a compressione e comportamento termico del materiale. I risultati dei test sperimentali mostrano che la caolinite in combinazione con un opportuno surfattante permette di ottenere una schiuma omogenea e stabile, e che il metodo di miscelazione meccanica risulta più efficace e riproducibile rispetto al metodo con le siringhe. Inoltre l’aggiunta degli scarti di fibre tessili, fino al 2% in massa rispetto all’argilla, migliora la coesione della schiuma, riducendone il collasso durante l’essiccatura, mentre l’introduzione del cemento nella miscela non porta a risultati positivi a causa di problemi di indurimento. I provini di materiale di argilla schiumata presentano densità molto ridotte, fino a circa 250 kg/m3, ed un’elevata porosità, fornendo buone aspettative sulle capacità isolanti del materiale. In conclusione, la ricerca conferma la fattibilità di produrre una schiuma di argilla, e il riciclo di scarti di fibre tessili rendono il progetto più sostenibile, oltre che andare a migliorare le sue prestazioni come possibile materiale isolante non strutturale per l’edilizia.