1.1 STRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLA POMICE

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1 1 LA POMICE 1.1 STRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLA POMICE La pomice è una roccia ignea effusiva. Le rocce, secondo il loro processo di formazione, si classificano in: ignee, sedimentarie e metamorfiche. Le rocce ignee sono anche dette rocce eruttive o magmatiti perché si sono formate dal consolidamento, per raffreddamento, di masse fuse provenienti dalla crosta terrestre. Il processo di raffreddamento avvenuto all esterno della crosta terrestre, con una rapida caduta della pressione (vale a dire in condizioni vulcaniche), ha provocato una solidificazione della massa fusa troppo veloce perché il processo di cristallizzazione potesse aver luogo regolarmente. Le rocce formatesi in questo modo sono caratterizzate da una struttura microcristallina o addirittura vetrosa, e sono chiamate rocce effusive o vulcaniche. Per questo motivo la pomice è costituita da una fase amorfa contenente prevalentemente silice (SiO 2 ) nella quale si trovano sciolti(come nella fase fusa 4

2 originaria) gli ossidi di diversi elementi: dell'alluminio (Al 2 O 3 ), del titanio (TiO 2 ), del ferro (FeO, Fe 2 O 3 ), del manganese (MnO), del sodio (Na 2 O), del potassio (K 2 O), ecc.. La composizione chimica dei principali costituenti è riportata nella tab.1.1 Tabella 1. Composizione chimica della pomice di Lipari Cristobalite: assente; Quarzo < 0.5 % Composto SiO 2 Al 2 O 3 TiO 2 Fe 2 O 3 FeO MnO CaO MgO Na 2 O K 2 O P 2 O 5 CO 2 SO 2 H 2 O Ferro libero Pomice Peerlees g/100g 71,75 12,33 0,11 1,98 0,02 0,07 0,70 0,12 3,59 4,47 0,008 0,10 0,18 3,71 0,014 Pomice Lapillo G/100g 70,90 12,76 0,14 1,75 0,64 0,09 1,36 0,60 3,23 3,83 0,15 0,04 0,21 3,88 0,17 L'analisi chimica riportata in tab.1 rivela che la pomice di Lipari, a differenza della pomice di altra provenienza geografica, ha una percentuale di silice (SiO2) superiore al 70% (g/100g) ed è totalmente amorfa (assenza di quarzo ed altre fasi cristalline significative), mentre quella proveniente da altri giacimenti contiene non più del 50-60% (g/100g) di silice. 5

3 La quantità di silice influisce notevolmente sulle qualità della pomice: aumentando il tenore di SiO 2, infatti, aumenta la durezza della pomice e la sua resistenza agli agenti chimici perchè le catene silossaniche (-Si-O-Si-O-Si-), dotate di bassa reattività ed elevata inerzia, risultano più lunghe e possono meglio schermare i centri più attaccabili che sono rappresentati dagli ioni alcalini sodio e potassio. 1.2 I GIACIMENTI ITALIANI DI POMICE L'Italia possiede grandi giacimenti di pomice concentrati nell'isola di Lipari e solo piccoli giacimenti non coltivati in Toscana; nel mondo, invece, la pomice è molto diffusa e in Europa è presente soprattutto in Grecia e in Turchia dove vi sono ampi giacimenti che, intensamente coltivati, fanno concorrenza a livello internazionale alle due aziende operanti a Lipari: la "Italpomice S.p.A." e la "Pumex S.p.A.". Fig.1.1 Giacimenti di Pomice a Lipari 6

4 I giacimenti di pomice dell isola si estendono lungo la costa orientale e settentrionale, fra i centri di Canneto e Acquacalda, per complessivi 88,4 Kmq (più del 22% della superficie totale dell isola); costituiscono inoltre la maggior parte del Monte Pelato (m 476), del Monte Chirica (m 602), della Forgia Vecchia e in minor misura del Monte Sant Angelo (m 594). I giacimenti di pomice maggiormente sfruttati sono quelli di Campobianco e del Monte Chirica. A causa degli alti costi della mano d'opera rispetto a quelle nei due Paesi Europei concorrenti, però, le due società siciliane hanno perso da tempo la leadership commerciale nel settore degli impieghi nell' edilizia, quello cioè tecnologicamente meno avanzato e a minor valore aggiunto, mentre in quello degli abrasivi dolci, la Pumex è riuscita a mantenere una buona posizione nelle vendite grazie al fatto che solo da poco i concorrenti si sono affacciati su questo mercato, ma soprattutto per l'alta qualità del suo prodotto ed in virtù di una rete commerciale capillare e diffusa in tutto il mondo. 1.3 CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE DELLA POMICE La pomice per uso industriale viene classificata in: "pomice bianca" (o peerless) e "pomice nera" (o lapillo); i due tipi differiscono lievemente nella loro composizione chimica elementare. La "pomice bianca", ricavata per macinazione da pezzi di pezzame puro (o pietra pomice), di densità apparente inferiore a 500 g/l, contiene, come evidenziato 7

5 dalla tab.1.1, più silicio, sodio e potassio, e poco meno ferro, calcio, e magnesio della pomice nera. La "pomice nera" o "lapillo", presenta una densità apparente superiore a 500 g/l, anche per il fatto che non si trova mai come pezzame macroporoso, ma come granuli di medio-piccola dimensione. Contiene una frazione magnetica che, all'esame macroscopico, appare costituita da granelli di colore nero opaco, mentre nell'esame microscopico si evidenziano granelli di colore nero, rosso ruggine e verde. Parte del ferro è presente sottoforma di magnetite o di altri ossidi allo stato libero e non è legata al silicato. Per quanto riguarda il contenuto di acqua, la pomice di Lipari contiene circa il 4% di acqua legata chimicamente o "acqua di struttura". La presenza di acqua dimostra che, durante il processo di formazione della pomice, la viscosità del magma è aumentata repentinamente (probabilmente a causa dell'improvviso abbassamento della temperatura) rendendo impossibile la totale fuoruscita dell'acqua che pertanto è rimasta legata al silicato allo stato solido. Secondo Scholze, si possono distinguere tre tipi di acqua di struttura: Tipo A: acqua proveniente da gruppi -OH liberi legati al silicio da un legame debole e come tale allontanabile a temperature comprese tra 280 e 400 C. Tipo B: acqua proveniente da gruppi -OH legati a due tetraedri della silice attraverso un legame forte e allontanabile a temperature comprese tra 400 e 550 C. Tipo C: acqua proveniente da gruppi -OH legati a due tetraedri della silice attraverso un legame fortissimo e pertanto allontanabile a temperatura pari a 650 C. 8

6 L allontanamento dell'acqua di struttura per trattamento termico, modifica in parte la struttura chimica e fisica della pomice.sebbene la pomice di Lipari sia principalmente formata da silice amorfa (durezza Mohs = 7), e da allumina (durezza Mohs = 9), la sua struttura (Fig.1.2) è determinata anche dalla presenza dei cationi mono- e polivalenti: potassio (K+), sodio (Na+), calcio (Ca2+), titanio (Ti+), magnesio (Mg2+), alluminio (Al3+), ecc., che si trovano diffusi nella silice in modo disordinato e senza la minima regolarità, com'è appunto caratteristica delle strutture amorfe. Il silicio tetravalente ha un raggio ionico di 0,39A ; l'ossigeno bivalente ha un raggio ionico di 1,32A, mentre la distanza tra gli atomi dell'ossigeno e quelli del silicio nella pomice è di 1,63A, cioè minore della somma dei raggi ionici, il che prova che nel legame tra silicio e ossigeno è presente un significativo contributo covalente che lo rafforza. La presenza in forte difetto rispetto alla silice degli ossidi K2O ed Na2O, crea sporadiche interruzioni nelle catene silossaniche del reticolo come appresso indicato: -Si-O-Si- + K 2 O -Si-O-K + -Si-O-K -Si-O-Si- + Na 2 O -Si-O-Na + -Si-O-Na e di conseguenza, diminuisce la resistenza meccanica e la resistenza agli agenti chimici della silice. La stessa cosa fa il calcio, il cui legame è però più stabile e più forte. Potassio, sodio, calcio, vengono chiamati "networkmodifier" (modificatori del reticolo), il silicio ed il fosforo invece "networkformer" (formatori del reticolo). L' 9

7 alluminio, presente nella pomice in notevole quantità rispetto ai cationi precedenti, può entrare a far parte della struttura sia come "networkmodifier" che come "networkformer". Il gruppo AlO 4 può sostituire un gruppo SiO 4 se la valenza positiva mancante dell alluminio viene saturata da uno ione alcalino, ad esempio: dal sodio o dal potassio o da mezzo ione alcalino terroso: Ca/2, Mg/2. Perchè ciò avvenga e l'ossido di alluminio funzioni completamente da networkformer è necessario che il rapporto molecolare tra K 2 O + Na 2 O + CaO + MgO ed Al 2 O 3 sia uguale ad 1, e infatti nella pomice di Lipari tale risulta il rapporto molecolare: KO 2 Al O 2 3 KO 2 CaO MgO K2O + Na2O + CaO+ MgO = = = Al O Al O Al O Al O Da ciò si deduce che l alluminio funge soltanto da networkformer nella pomice di Lipari. L'azione negativa esercitata dagli ioni alcalini sulla struttura chimica (indebolimento del reticolo silossanico) viene pertanto compensata dalla funzione dell'alluminio. Per completare il quadro relativo alla chimica della pomice di Lipari, bisogna ancora dire che questa è esente, secondo la norma DIN 4226 (test con soluzione di idrossido di sodio al 3%), da composti organici, contiene meno dello 0,01% (g/100 g) di composti solubili in tetracloruro di carbonio e, in base alla norma ASTM C (Standard method of testing the potential reactivity of aggregated), circa 200 mmoli di silice solubile per litro. 10

8 Da un punto di vista fisico, la pomice di Lipari può essere definita come una schiuma solida a struttura sferica o pseudopoliedrica con pori delimitati da sottilissimi strati di sostanza silicatica. Al microscopio a scansione (Fig.1.3), i micropori appaiono con diametro irregolare, ed ogni granello è composto da piccole lame taglienti ed elastiche. Le caratteristiche fisiche principali della pomice di Lipari sono elencate nella tabella seguente. Durezza Scala Mohs 5-6 Colore grigio chiaro Frattura a schegge FORMA GRANULARE IRREGOLARE E SPIGOLOSA Densità assoluta Kg/m3 Densità apparente Kg/m3 (DIN 1060) Densità dopo costipazione Kg/m3 Temperatura di sinterizzazione 900 C Colore di sinterizzazione beige, marrone Resistenza meccanica 250 Kg/cm2 11

9 Fig. 1.2 Struttura chimica della pomice Fig.1. 3 Immagini al SEM della Pomice Una delle proprietà più importanti della pomice di Lipari, che permette il suo utilizzo in agricoltura o per il trattamento delle acque, è la sua attitudine ad assorbire acqua con un potere di assorbimento variabile, a seconda delle diverse granulometrie. 12

10 La sua struttura fisica, infatti, presenta un'elevata macroporosità in granulometrie superiori a 1500 µm, ma con un'alta percentuale di pori chiusi che, non lasciando penetrare l'acqua, fanno galleggiare la pomice. La pomice "Peerless" possiede un maggior grado di assorbimento nelle frazioni comprese tra i 150 e i 1500 µm, mentre granulometrie superiori assorbono meno acqua per unità di peso a causa della presenza di un gran numero di pori chiusi. Il "Lapillo" ha invece, a parità di granulometria, una densità apparente maggiore che comporta un assorbimento di acqua inferiore di circa il 30%. La pomice, opportunamente pretrattata con sostanze idrofobe, può assorbire anche liquidi apolari, come ad esempio: lubrificanti e carburanti. 1.4 UTILIZZAZIONI DELLA POMICE La Pomice è un materiale particolarmente idoneo all uso come inerte leggero nel settore delle costruzioni edili. L uso del granulato di pomice nell'edilizia risale ai tempi dell'antica Roma (ad esempio, nella costruzione del Pantheon, notissimo tempio realizzato durante l'età Augustea nel I sec. a.c.) ed è andato via via perfezionandosi nel corso degli anni. Oggi la pomice è molto apprezzata per le sue proprietà di resistenza meccanica, elasticità, leggerezza, isolamento termo-acustico ed altre, proprietà che oltre a fornire un notevole risparmio energetico, consentono di rispettare le esigenze della moderna bioedilizia. 13

11 Per queste ed altre proprietà il granulato di pomice è molto usato nell'edilizia ove, grazie alla sua leggerezza e, ciò nonostante, alla buona resistenza alla pressione, dovuta alla parziale espansione del materiale e alla sua particolarissima composizione chimica (circa il 72% di silice e il 12% di allumina), consente di ridurre lo spessore delle pareti con un notevole risparmio dei costi. La pomice ha anche un largo utilizzo nel campo dell agricoltura, nell ambito ambientale e nel settore industriale. UTILIZZO IN AGRICOLTURA La pomice tipo "5/12", "2/10" e "5/15" (i numeri indicano il rapporto tra i diametri maggiore e minore dei granelli) è largamente utilizzata in agricoltura, floricoltura e orticoltura. L'uso della pomice in agricoltura riduce il peso e la compattezza dei terreni argillosi, e consente di risparmiare sui sistemi di irrigazione, grazie alla notevole capacità assorbente delle particelle di pomice nei confronti dell'acqua che poi rilasciano gradatamente alle radici senza esagerata ritensione. Nelle coltivazioni in serra, la pomice, trattenendo il calore, aumenta l'efficienza del sistema di riscaldamento. Vivaisti e floricoltori usano da tempo la pomice poichè agevola la radicazione delle piante ed il drenaggio dell'acqua, consentendo così un ciclo di coltivazione ottimale (Fig.1.4). 14

12 Figura Esempio di utilizzazione in campo agricolo UTILIZZO IN CAMPO AMBIENTALE I lapilli vulcanici possiedono caratteristiche peculiari che li rendono idonei al risanamento ambientale, a bonifiche di siti improduttivi e alla realizzazione di strutture subacquee, poichè non sono solubili al contatto con l acqua, non si degradano nel tempo, nè tantomeno rilasciano o formano sostanze chimiche inquinanti. Il lapillo, essendo chimicamente inerte, non dà luogo a reazioni chimiche indesiderate, ed è caratterizzato da un'elevata superficie specifica rispetto ai materiali comunemente usati in questo campo (quali sabbie, ecc.), che gli conferiscono un elevato potere assorbente in presenza di acqua.contrariamente ai materiali di natura argillosa, caratterizzati dall'inaccettabile fenomeno della "plasticizzazione" dovuto alla presenza di materiali rigonfiabili quali la montmorillonite, l'illite e la caolinite, il lapillo vulcanico è privo di materiali argillosi. La sua elevata rugosità, dovuta alla 15

13 morfologia esterna, e la presenza di pori non comunicanti, consente il raggiungimento di elevati valori dell'angolo di attrito interno, anche in condizioni non drenante. Utilizzo Per La Finitura Di Tessuti Per quel che riguarda il settore industriale, invece, uno degli usi che più si è diffuso in questi ultimi anni è quello relativo allo stonewashing dei tessuti denim (Fig.1.5), che consiste nel sottoporre i capi di abbigliamento a lavaggi in cui è stata aggiunta pietra pomice per conferire al colore del tessuto un apparenza scolorita. L'assenza di prodotti chimici dà sicurezza al prodotto finito e contribuisce naturalmente alla salvaguardia dell'ambiente. 16

14 Fig Applicazione nello Stonewashing Utilizzo come Abrasivo Gli abrasivi sono materiali di durezza relativamente elevata, il cui impiego risale sicuramente a tempi antichissimi; è noto infatti che i giacimenti di smeriglio dell isola greca di Naxos e i giacimenti di pomici delle isole Eolie vengono sfruttati da alcune migliaia di anni. Questi materiali hanno una grande importanza nella tecnologia moderna: diversamente supportati, vengono impiegati nelle operazioni di sgrossatura, pulitura e levigatura delle superfici, taglio dei materiali, sbavatura, raccordo di saldature, correzione delle dimensioni di oggetti, affilatura di utensili, produzione di lenti, di materiali antisdrucciolevoli, nella composizione di detergenti per uso domestico, nei dentifrici e nelle composizioni per lucidare. Gli abrasivi vengono impiegati nella lavorazione di ogni genere di materiale: dai metalli ferrosi e non ferrosi, ai legnami, alle rocce, ai vetri, alle pietre preziose, ai materiali refrattari e ceramici, al cuoio, alla gomma ed infine ai materiali termoplastici e termoindurenti. 17