Effetto della dimensione delle particelle di sabbia sull’effusività termica dei mattoni in malta cementizia miscelati con argilla

Perché la sensazione delle pareti conta

Quando entri in una stanza, le pareti decidono silenziosamente quanto rapidamente si riscalda o si raffredda. Nelle regioni calde o umide, soprattutto dove l’energia è costosa, il modo in cui i mattoni gestiscono il calore può fare la differenza tra una casa soffocante e una confortevole. Questo studio esplora un’idea semplice ma efficace: variando la dimensione dei granelli di sabbia e la quantità di argilla nei mattoni di cemento, i costruttori possono mettere a punto il modo in cui le pareti immagazzinano e rilasciano calore—senza aggiungere più materiale o isolanti costosi.

Costruire mattoni migliori con la terra locale

I ricercatori si sono concentrati su una ricetta edilizia comune: mattoni in malta cementizia realizzati con sabbia di fiume, argilla locale di Nkolbisson vicino a Yaoundé in Camerun, acqua e cemento Portland. L’argilla è interessante perché è abbondante, economica e ha un’impronta di carbonio inferiore rispetto a molti materiali moderni. Tuttavia tende anche a indebolire i mattoni se usata senza criterio. Il team ha posto una domanda in gran parte trascurata: se si sostituisce parzialmente la sabbia con argilla, la dimensione dei granelli di sabbia—molto fini, medi o grossolani—cambia il modo in cui il mattone immagazzina e trasmette il calore? Rispondere a questo potrebbe aiutare a progettare pareti che moderano la temperatura interna in modo più naturale.

Dai granelli ai mattoni in laboratorio

Per indagare ciò, la sabbia del fiume Sanaga è stata accuratamente lavata, essiccata e setacciata in tre classi di dimensione: fine (0,08–0,5 mm), media (0,5–1,6 mm) e grossolana (1,6–2 mm). Anche l’argilla di Nkolbisson è stata caratterizzata in dettaglio: sono state misurate la distribuzione granulometrica, la plasticità (quanto facilmente si deforma quando è umida) e la composizione chimica ricca di silice, allumina e ossido di ferro. I mattoni sono stati poi colati in stampi standardizzati, mantenendo sempre la stessa massa secca totale e lo stesso rapporto acqua/cemento. Per ogni dimensione della sabbia, l’argilla ha sostituito tra lo 0 e il 60% della massa di sabbia, producendo 63 piccoli mattoni di prova che sono stati stagionati per 28 giorni prima dei test.

Misurare come i mattoni interagiscono con il calore

Il gruppo ha esaminato due comportamenti termici chiave. Innanzitutto hanno misurato l’effusività termica—la tendenza di un materiale ad assorbire o rilasciare calore quando la sua superficie incontra improvvisamente qualcosa di più caldo o più freddo. In secondo luogo hanno misurato la conducibilità termica, che descrive quanto facilmente il calore fluisce attraverso il mattone. Sono stati usati metodi specializzati: una piastra calda asimmetrica per sondare l’effusività e un filo caldo parallelo inserito nei mattoni per determinare la conducibilità. Ogni combinazione di dimensione della sabbia e contenuto di argilla è stata testata più volte e le incertezze nelle misure sono state stimate con cura per assicurare che le tendenze osservate fossero reali e non semplicemente rumore sperimentale.

L’argilla raffredda, la granulometria modula l’effetto

I risultati delineano un quadro chiaro. All’aumentare dell’argilla, sia l’effusività sia la conducibilità diminuiscono per tutte e tre le classi di sabbia. In altre parole, i mattoni diventano più isolanti e meno capaci di scambiare rapidamente calore con l’ambiente. Per la classe di sabbia più fine, le riduzioni massime hanno raggiunto circa il 18% per l’effusività e il 34% per la conducibilità. Per le sabbie media e grossolana, i tagli sono stati ancora maggiori—fino a circa il 26–28% in effusività e circa il 44% in conducibilità ai più alti contenuti di argilla. A parità di argilla, i mattoni realizzati con sabbia più fine tendevano ad avere proprietà termiche inferiori rispetto a quelli con sabbia più grossolana. I granelli più fini aumentano l’area superficiale totale e favoriscono la formazione di numerosi pori microscopici pieni d’aria, che rallentano il flusso di calore. I granelli più grossi, al contrario, formano uno scheletro minerale più continuo, permettendo al calore di viaggiare più direttamente attraverso i contatti solidi.

Cosa significa per case più confortevoli

Per la vita quotidiana il messaggio è semplice: regolando la miscela di argilla e la dimensione dei granelli di sabbia, i costruttori possono progettare mattoni che proteggono meglio le abitazioni dalle escursioni termiche esterne. Più argilla e sabbia più fine generalmente producono mattoni più isolanti, aiutando gli interni a rimanere più freschi durante le giornate calde e riducendo il carico su ventilatori o condizionatori. La sabbia più grossa porta a mattoni che conducono il calore più facilmente, utile magari in climi più freddi dove è desiderato un riscaldamento rapido. Poiché questo approccio si basa sulla messa a punto di materiali locali anziché sull’aggiunta di strati spessi di isolante sintetico, offre un modo a basso costo e a bassa emissione di carbonio per migliorare il comfort interno, specialmente in regioni dove le risorse sono limitate ma sole e calore sono abbondanti.

Citazione: Djouatsa Donfack, A., Yamb Bell, E., Diakhate, M. et al. Effect of sand particle size on the thermal effusivity of clay-admixed cement mortar bricks. Sci Rep 16, 13057 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41726-6

Parole chiave: edifici a risparmio energetico, mattoni d’argilla, isolamento termico, dimensione dei granelli di sabbia, costruzione sostenibile