Valutazione del ciclo di vita di manufatti innovativi ecocompatibili per l’ingegneria idraulica

Lo studio proposto valuta le prestazioni ambientali di un prototipo di condotta idraulica ecocompatibile, realizzata in malta geopolimerica in alternativa ai leganti tradizionali, per la valorizzazione e la tutela delle risorse ambientali.

La valutazione del ciclo di vita viene effettuata mediante la metodologia di Life Cycle Assessment (LCA), confrontando gli impatti ambientali di quattro malte geopolimeriche, ottenute dalla combinazione di tre diversi precursori, ovvero ceneri volanti (FA), scorie di altoforno granulate macinate (GGBS) e metacaolino (MK), e con l’ausilio di attivatori alcalini, come idrossido di sodio e silicato di sodio.

I risultati della valutazione del ciclo di vita indicano che il silicato di sodio e il metacaolino sono le principali fonti di impatti ambientali e i processi più rilevanti in termini di cambiamento climatico. Il potenziale di riscaldamento globale di tutte le malte geopolimeriche analizzate risulta inferiore alla malta convenzionale, rappresentando dunque una soluzione interessante per limitare le conseguenze negative della produzione di cemento. I risultati dell’analisi indicano che i vantaggi dei geopolimeri li rendono un contributo importante per un futuro sostenibile.

Leganti geopolimerici come alternativa all'uso del cemento Portland

Nonostante il cemento sia un prodotto a basso costo, la sua produzione è responsabile del 8% delle emissioni antropiche di anidride carbonica (Spiesz et al. 2014). Le emissioni producono un effetto serra, che rappresenta circa il 65% del riscaldamento globale (Shalini et al., 2016). Pertanto, la riduzione delle emissioni di CO₂ associate alla produzione di cemento rappresenta una sfida importante e urgente (Karen et al., 2018). Inoltre, a causa dell’aumento della popolazione globale e dell’urbanizzazione, il crescente utilizzo del calcestruzzo è inevitabile.

Ciò desta preoccupazione ed è per questo che si pensa all’uso di un nuovo OPC sostenibile per calcestruzzo (Lamond et al., 2006). Infatti, le eccessive emissioni di anidride carbonica hanno spinto l’industria a cercare alternative più sostenibili al cemento (Soltaninaveh, 2008).

Il materiale che ha suscitato un interesse crescente negli ultimi decenni è il geopolimero, grazie al suo incoraggiante potenziale di essere utilizzato come legante alternativo al normale cemento Portland (OPC) (Scrivener et al., 2018).

I geopolimeri sono polimeri inorganici tipicamente sintetizzati tramite attivazione alcalina di precursori di alluminosilicatici (Hajimohammadi et al., 2017). Sono stati condotti molti studi per esplorare le proprietà fisico-chimiche e le prestazioni a lungo termine dei geopolimeri, ed è emerso che esibiscono un’elevata resistenza meccanica, un’eccellente resistenza termica e un’ottima durabilità (Roviello et al., 2015).

I geopolimeri possono rappresentare una soluzione per il problema dello smaltimento dei materiali di scarto industriali utilizzando sottoprodotti industriali come ceneri volanti (FA), scorie di altoforno granulate macinate (GGBFS), come materiale di partenza (Neupane et al., 2016).

L’utilizzo dei rifiuti come materia prima per la produzione di cementi geopolimerici fornisce una soluzione con vantaggi economici e ambientali, poiché in grado di ridurre i costi di smaltimento nelle discariche, di mantenere un ambiente sano e di ridurre il consumo di risorse, quali l’argilla e i relativi costi delle operazioni di estrazione (Jiang et al., 2014).

Al fine di dimostrare l’eco-efficienza e i contenuti impatti associati a questo nuovo tipo di legante alternativo, sono state condotte valutazioni del ciclo di vita (Blengini et al., 2012) attraverso cui quantificare il potenziale vantaggio ambientale dell’utilizzo dei geopolimeri.

Duxson et al., (2007) riferisce che il geopolimero produce minori emissioni di CO₂ rispetto alla produzione di cemento. Anche altri studi hanno presentato la stessa conclusione con diversi valori di emissioni (Colangelo et al., 2020).

Il presente studio si propone di valutare gli impatti ambientali del ciclo di vita associati alla produzione di leganti geopolimerici a base di ceneri volanti, scorie d’altoforno granulate e metacaolino e l’effetto dell’utilizzo di attivatori alcalini. Lo studio è organizzato come segue.

Nella sezione 2 sono descritte le proprietà dei materiali utilizzati e la progettazione e preparazione delle malte geopolimeriche. La sezione 3 mostra l’analisi LCA, utilizzata per la valutazione dell’impatto ambientale. Nello specifico viene definita la prima fase dello studio LCA (scopo dello studio, unità funzionale e confini del sistema), seguita dalla seconda fase, che consiste nell’analisi dell’inventario e dalla terza fase in cui vengono riportati i risultati degli impatti analizzati.

Infine, i risultati dell’analisi sono discussi nella sezione 4.

Il lavoro sperimentale: dai materiali alla progettazione e preparazione delle malte geopolimeriche

Materiali

I principali materiali impiegati in questo studio, utilizzati come fonti di alluminosilicato (precursore) sono il metacaolino (MK), le ceneri volanti (FA) e le scorie di altoforno granulate (GGBS).

Il metacaolino (MK) è uno dei principali materiali pozzolanici utilizzati nella preparazione dei geopolimeri, è una forma deidrossilata di caolinite, un minerale argilloso.

Le FA e GGBS sono sottoprodotti dell’industria generati rispettivamente dalle centrali elettriche a carbone e dalle acciaierie.

Come attivatore alcalino è stata utilizzata una miscela di soluzione di idrossido di sodio (NaOH 10 M e 12 M) e soluzione di silicato di sodio (SS). La composizione dei precursori e delle soluzioni attivanti è riportata nella Tabella 1.

Progettazione e preparazione delle malte geopolimeriche

Diverse miscele sono state progettate per produrre malte geopolimeriche: utilizzando la combinazione dei tre diversi precursori (FA, GGBS e MK) sono state ottenute 4 differenti miscele. Il mix design delle malte geopolimeriche è mostrato nella Tabella 2.

Le composizioni riportate in Tabella 2 sono state progettate considerando quelle studiate nei lavori precedenti (Ferone et al., 2013; Palumbo et al., 2018; Xie et al., 2020) che hanno dato buoni risultati in termini di geopolimerizzazione.

Per rendere significativo il confronto, è stato necessario valutare malte con resistenze meccaniche equivalenti di 43 MPa.

La scelta del mix-design deriva dall’assunzione del rapporto molare Si/Al pari a 2 nella miscela FA e GGBS e vicino a 1 in MK.

Ciò porta all’aggiunta di una quantità importante di silicato di sodio nella soluzione con MK (Tabella 2). Al contrario, i rapporti molari Si/Al di FA o GGBS sono più alti.

Ne consegue che le malte geopolimeriche a base di ceneri volanti o scorie di altoforno granulate richiedono meno soluzione di silicato di sodio per essere attivate (Habert et al., 2011).

Per la preparazione dei campioni il precursore reattivo è stato miscelato con la soluzione attivante NaOH 10 M e silicato di sodio per tutte le miscele, ad eccezione della miscela preparata utilizzando FA che richiedeva l’uso di una soluzione attivante NaOH 12 M e silicato di sodio (Tabella 2).

Come mostrato in Figura 1, a partire dal precursore (Fig. 1A), il sistema è stato miscelato a temperatura ambiente per 5 minuti ad una velocità massima di 700 rpm. Successivamente è stata aggiunta la sabbia e il sistema è stato miscelato per altri 5 minuti (Fig. 1B). La miscela ottenuta è stata infine versata in stampi cilindrici di diametro 5 cm, altezza 10 cm e spessore 1 cm fino ad ottenere il manufatto finito (Fig. 1C).

Figura 1: Procedura sperimentale per la produzione delle malte geopolimeriche: (A) precursore, (B) miscelazione, (C) prodotto in malta geopolimerica

Sono stati preparati tre campioni per ciascuna miscela e i campioni ottenuti sono stati sottoposti a trattamento di stagionatura in forno a 40 °C per una settimana (Fig. 1).

Analisi LCA di quattro differenti malte a base di geopolimeri

La metodologia di analisi LCA è strutturata e standardizzata dalla famiglia di norme UNI EN ISO 14040, in particolare UNI EN ISO 14040: 2006 e UNI EN ISO 14044: 2006.

La norma UNI EN ISO 14040: 2006 (Gestione ambientale - Valutazione del ciclo di vita - Principi e quadro di riferimento) fornisce un quadro generale per le pratiche, le applicazioni e i limiti di LCA e si rivolge a un’ampia gamma di potenziali utenti anche con conoscenze limitate della valutazione del ciclo di vita.

La UNI EN ISO 14044: 2006 (Gestione ambientale - Valutazione del ciclo di vita - Requisiti e linee guida) è stata sviluppata per la preparazione, la gestione e la revisione critica del ciclo di vita. Fornisce linee guida per la fase di valutazione dell’impatto dell’LCA, la fase di interpretazione dei risultati, la valutazione della natura e della qualità dei dati raccolti. Pertanto, gli standard forniscono un quadro metodologico.

Quando si esegue un’analisi LCA si applicano i requisiti generali della ISO 14044. In particolare, il metodo LCA utilizzato in questo studio comprende l’analisi preliminare, la valutazione ambientale LCA secondo UNI EN ISO 14040: 2006 e UNI EN ISO 14044: 2006, e l’analisi dei risultati.

L’elaborazione di LCA si articola essenzialmente in quattro fasi:

1. Definizione dell’obiettivo e del campo di applicazione: è necessario definire la motivazione e il contesto dello studio, il tipo di pubblico cui è destinata l’analisi e l’applicazione. Questi aspetti sono alla base di ipotesi e scelte di lavoro future.
   
   
2. Analisi dell’inventario: fase che prevede la raccolta e l’acquisizione dei dati e la successiva modellazione del sistema oggetto di analisi da effettuare secondo la prima fase. Il risultato di questa analisi restituisce gli ecoprofili, ovvero le masse espresse in kg delle portate in entrata e in uscita dal sistema analizzato.
   
   
3. Valutazione dell’impatto: i risultati dell’analisi dell’inventario sono caratterizzati al fine di valutare gli impatti e i potenziali danni sulla salute umana, l’ecosistema e il consumo di risorse.
   
   
4. Interpretazione: l’ultimo passaggio propone consigli utili in accordo con le finalità e gli obiettivi dello studio, individuando i punti critici, fornendo indicazioni per il miglioramento del modello.

Nella Figura 2 è illustrata una schematizzazione delle 4 fasi incluse in uno studio LCA.

Figura 2: Schema grafico delle 4 fasi incluse in uno studio LCA

L’obiettivo di questo studio LCA è la valutazione del ciclo di vita e dell’impronta ambientale di quattro differenti malte a base di geopolimeri, che hanno previsto l’utilizzo di tre tipologie di precursori, opportunatamente attivati con soluzioni attivanti a base di silicato di sodio e idrossido di sodio.

Dunque, lo scopo è di eseguire un’analisi comparativa del ciclo di vita della Malta FA, Malta GGBS e due malte geopolimeriche binarie, rispettivamente Malta FA+MK e Malta FA+GGBS.

L’analisi prende in considerazione come unità funzionale 1 m³ di malta avente densità media pari a 2100 kg/m³. I confini del sistema sono definiti secondo un approccio “cradle to gate” (dalla culla al cancello), che include materie prime, produzione e smaltimento (Fig. 3).

Gli impatti delle materie prime includono l’estrazione e la lavorazione prima della produzione. Solo per le ceneri volanti e per le scorie di altoforno granulate macinate si considera un’allocazione della massa pari rispettivamente al 12,4% e al 24% (Van den Heede et al., 2012). Il trasporto del precursore e della soluzione attivante è escluso da questo studio, in quanto tutti i materiali considerati hanno distanze di trasporto simili.

Il contributo energetico è considerato lo stesso per tutti i processi di produzione delle malte geopolimeriche. Il prodotto esaminato in questo studio è un prototipo, quindi non è prevista una fase di utilizzo.

Infine, il trattamento di fine vita della malta geopolimerica è escluso dallo studio del ciclo di vita. Nella Figura 3 i confini del sistema sono mostrati in forma grafica.

Figura 3: Confine di sistema per la produzione di malte geopolimeriche

Dopo aver definito la prima fase dello studio LCA (“definizione dell’obiettivo e del campo di applicazione”), cui sono fissati l’obiettivo dello studio, l’unità funzionale e i confini del sistema, segue l’analisi di inventario in cui vengono raccolti i dati, definiti e quantificati i flussi di input e output nel ciclo di vita del sistema.

In questa analisi LCA, tutti i dati sui flussi di materiali ed energia sono stati ottenuti da analisi di laboratorio (dati primari) e, laddove non è stato possibile ottenere i dati direttamente, sono stati utilizzati dati dalla letteratura o da database (dati secondari).

Per quanto riguarda i 4 sistemi studiati, i processi di produzione delle specie disponibili nei database del software, GaBi 9^®, sono l’idrossido di sodio (NaOH) e la sabbia. Invece, i processi che coinvolgono la produzione di silicato di sodio e metacaolino sono ricostruiti dalla letteratura. Infine, per quanto riguarda i dati relativi alle scorie di altoforno (GGBS), poiché queste ultime vengono prodotte a valle del processo di produzione dell’acciaio, è stato calcolato che la quantità prodotta di GGBS è di 0,24 per ogni kg di acciaio. Per tale ragione, il coefficiente di allocazione è del 24% (Van den Heede et al., 2012). Lo stesso ragionamento è stato fatto per le ceneri colanti (FA) derivanti dalla combustione del carbone, per cui è stato calcolato un coefficiente di allocazione del 12,4% (Van den Heede et al., 2012). Una volta raccolti tutti i dati, questi sono categorizzati e archiviati in una tabella di inventario, base fondamentale per la fase successiva di valutazione degli impatti. La tabella 3 mostra le fonti utilizzate per la produzione di ciascuna specie utilizzata.

La valutazione dell’impatto del ciclo di vita include diversi metodi. In questo lavoro si studiano gli impatti ambientali delle malte geopolimeriche secondo il metodo ReCiPe 2016, quantificando i risultati sul punto medio (midpoint), in quanto orientato ai problemi, e scegliendo l’approccio gerarchico (H), che calcola gli impatti sul medio termine.

Risultati dell’analisi LCA sulle malte a base di geopolimeri

Lo studio LCA si è concentrato su una categoria di impatto “climate change” previsto dal metodo ReCiPe 2016 Midpoint (H). Con il termine cambiamenti climatici si intendono le variazioni del clima della Terra, per esempio il riscaldamento globale.

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