Calcestruzzo e sostenibilità: focus su materiali, sistemi costruttivi, analisi e progettazione

La comunità scientifica non si è dimostrata insensibile sostenibilità: sempre più gli articoli sul tema 

Il tema della sostenibilità si è affermato quale elemento centrale in tutte le attività umane. L’attenzione a questa tematica si fa spesso risalire alla pubblicazione dal documento “Our common future” pubblicato nel 1987 dalla Commissione mondiale sull’ambiente e lo sviluppo, istituita dall’Onu nel 1983 e presieduta dalla norvegese Gro Harlem Brundtland. Il cosiddetto Rapporto Brundtland rappresenta tuttora uno dei testi di riferimento sulle questioni ambientali a livello globale e sulla loro implicazioni anche in termini economici e sociali. Tra le altre cose, il Rapporto propone la definizione di sviluppo sostenibile diventata di uso comune: “Lo sviluppo sostenibile, lungi dall'essere una definitiva condizione di armonia, è piuttosto un processo di cambiamento tale per cui lo sfruttamento delle risorse, la direzione degli investimenti, l'orientamento dello sviluppo tecnologico e i cambiamenti istituzionali siano resi coerenti con i bisogni futuri oltre che con gli attuali”.

L’impulso fornito dal Rapporto Brundtland ha innescato diverse azioni improntate ad affrontare il tema della sostenibilità e mettere quest’ultima al centro dei programmi futuri di sviluppo a livello globale. In questo senso, l’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile dell’ONU rappresenta il punto d’arrivo di una riflessione pluridecennale per la messa a punto di un programma d’azione per le persone, il pianeta e la prosperità. Sottoscritta nel settembre 2015 da 193 Paesi membri delle Nazioni Unite, e approvata dall’Assemblea Generale dell’ONU, l’Agenda è basata su 17 Obiettivi per lo Sviluppo Sostenibile (Sustainable Development Goals, SDGs) i quali fanno riferimento ad un insieme di questioni importanti per lo sviluppo sostenibile in termini economici, sociali ed ambientali.

La comunità scientifica si è dimostrata molto attenta alle tematiche della sostenibilità e ha progressivamente concentrato molti dei propri sforzi per affrontare le sfide che derivano dalla necessità di perseguire obiettivi di sviluppo sostenibile. In particolare, con riferimento ad alcune delle principali riviste internazionali di settore dell’Ingegneria Civile e Strutturale, si può riscontrare che il numero di articoli che abbiano “sostenibilità” come parola chiave ha visto una costante crescita negli ultimi due decenni, riflettendo il crescente interesse dei ricercatori (Figura 1).

Questa particolare attenzione si è confermata anche in occasione dell’edizione 2022 dell’Italian Concrete Conference (ICC 2022) tenutasi a Napoli tra il 12 e il 15 ottobre. Infatti, 43 memorie, corrispondente a circa un terzo del totale delle memorie agli atti della conferenza, sono state presentate nell’ambito del “tema” “sostenibilità” (Figura 2).

Uno dei caratteri distintivi di queste 43 memorie è il fatto che esse, per circa metà, siano il risultato di ricerche realizzate in ambito esclusivamente “accademico”, mentre per l’altra metà siano integralmente di natura industriale (“non accademica”) o intersettoriale, ovvero, in quest’ultimo caso, caratterizzate da una collaborazione tra industria e accademia (Figura 3). Questa significativa presenza del settore non accademico e la rimarchevole quantità di studi realizzati in collaborazione manifestano, da un lato, la pressante attualità del tema “sostenibilità” per l’industria (e, in particolare, per il settore delle costruzioni) e, dall’altro, la necessità di affrontare questa sfida seguendo un approccio collaborativo e multidisciplinare.

Questo articolo deriva dalla relazione generale tenuta nell’ambito della ICC 2022 e, dunque, si pone l’obiettivo di inquadrare i contenuti delle 43 memorie presentate sul tema “Sostenibilità”, di riconoscervi le principali linee di ricerca e, all’interno di questi, evidenziare gli specifici contributi di ciascuna. Nel farlo, esso ricorre alla classificazione graficamente rappresentata nella Figura 4, nella quale si riconosce una classificazione tripartita tra argomenti di primo livello (“Materiali”, “Elementi e sistemi costruttivi” e “Analisi e progettazione”) ciascuno dei quali si articola in due principali sotto-argomenti. La medesima “struttura” verrà adottata nell’articolare, all’interno delle 3 sezioni che seguono, una panoramica dei diversi contributi attribuiti ai vari argomenti e sotto-argomenti.

Materiali

In 16 delle 43 memore presentate sul tema “sostenibilità”, la tematica viene affrontata ponendo una particolare enfasi del materiale. In particolare, queste memorie si propongono, da un lato, di studiare l’effetto dell’adozione di costituenti “non convenzionali” per i materiali strutturali (prevalentemente il calcestruzzo) di interesse o, dall’altro, di investigare le proprietà di materiali con prestazioni “non convenzionali”. In entrambi i casi, vengono generalmente proposti risultati sulle proprietà meccaniche di rilievo e talvolta anche valutazioni esplicite degli effetti in termini di impatto ambientale.

Materiali con costituenti non convenzionali

Nell’ambito dei costituenti “non convenzionali” per calcestruzzi e malte è possibile distinguere lavori che si basano sull’impiego delle seguenti tipologie di materiali:

• Leganti alternativi al cemento Portland;
• Geopolimeri e calcestruzzi geopolimerici;
• Aggregati ottenuti tra processi di riciclo.

Leganti alternativi al cemento Portland

Bernardi et al (2022) individuano chiaramente, con riferimento a diversi indicatori di natura ambientale (e.g. l’acidificazione delle acque, l’eutrofizzazione, l’inquinamento fotochimico, l’esaurimento degli elementi naturali, ecc.), che il cemento Portland rappresenta il costituente maggiormente impattante tra quelli impiegati per la produzione del calcestruzzo.

Pertanto, gli autori presentano i risultati di uno studio sperimentale finalizzato a sviluppare diverse miscele di calcestruzzo in cui ceneri vetrificate da termovalorizzazione di RSU sono state utilizzate per sostituire quantitativi fino al 20% di cemento Portland composito tipo II A-LL 42.5 R impiegato in una miscela di riferimento. Analizzando il comportamento meccanico e gli impatti ambientali degli eco-calcestruzzi con ceneri da RSU vetrificate, Bernardi et al (2022) concludono che la sostituzione del cemento con questo tipo di scarto porta ad evidenti benefici, sia sotto gli aspetti meccanici che ambientali, anche considerando indici prestazionali “combinati”.

Lo studio presentato da Bertola et al (2022) ha finalità simili e riguarda la sperimentazione eseguita su miscele di calcestruzzo realizzate impiegando un cemento all’argilla calcinata classificabile come CEM V/A (S-Q) 52.5 N secondo la UNI EN 197-1:2011. In particolare, lo studio riporta i risultati di prove finalizzate a caratterizzare proprietà fisiche, resistenza meccanica, durabilità e proprietà di campo con riferimento a una piastra in calcestruzzo gettato in opera, rappresentativa di una pavimentazione industriale. Si dimostra che l’impiego del cemento in parola permette di ridurre significativamente il contenuto di clinker (40-64%) sostituendolo con loppa e argilla calcinata e quindi di ridurre le emissioni di CO₂ rispetto ai valori che si otterrebbero utilizzando i più convenzionali cemento classificabili come CEM I e un CEM II. Inoltre, in termini di durabilità, sono state misurate resistenza ai solfati, profondità di carbonatazione, resistenza alla migrazione dei cloruri e resistenza ai cicli di gelo e disgelo senza e con sali.

Con il medesimo obiettivo, Brocchi et al (2022) presentano uno studio sperimentale finalizzato a ridurre il contenuto di CEM II/A-LL sostituendolo con un nuovo attivatore per materiali cementizi basato sull’impiego di loppa granulata d’altoforno (Grain-Granulated Blast-Furnace Slag, GGBFS).

In particolare, si è studiato l’effetto della sostituzione di un tipico CEM II/A-LL all’interno di una miscela di calcestruzzo autocompattante considerando sia la sostituzione con sola loppa che l’azione combinata di loppa e piccole aggiunte di gesso. I risultati mostrano che i calcestruzzi ottenuti hanno proprietà confrontabili sia allo stato fresco che in quello indurito, mentre rimane problematico il comportamento a lungo termine, caratterizzato da un aumento degli effetti del ritiro per i calcestruzzi realizzati tramite miscele non convenzionali.

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