LCA di materiali da costruzione innovativi (LWA) ricavati da RSU

Negli ultimi 20 anni si sono verificati in Italia una serie di eventi sismici che hanno causato gravi danni alle strutture edilizie. Ciò ha comportato un aumento significativo dell'uso del calcestruzzo per la ricostruzione di nuove strutture e la riparazione di quelle esistenti danneg giate.

L'industria del calcestruzzo è uno dei responsabili dei danni ambientali durante il ciclo di vita delle strutture, dovuti anche alla costante crescita dello sfruttamento degli aggregati naturali.Pertanto, è necessario utilizzare aggregati alternativi e innovativi che forniscano buone prestazioni del calcestruzzo e minori impatti ambientali.

Questo studio riguarda l’utilizzo di aggregati artificiali provenienti da scarti industriali in sostituzione degli aggregati naturali. In particolare è stato realizzato un innovativo processo di granulazione con bassi costi e dispendio energetico per produrre aggregati leggeri utilizzando loppa d’altoforno e ceneri volanti provenienti dall'incenerimento di rifiuti solidi urbani.

L'obiettivo finale di questa ricerca è dimostrare la sostenibilità ambientale degli aggregati artificiali attraverso il confronto di tre diverse miscele.


Verso materiali più sostenibili per le costruzioni

L’Italia è uno dei Paesi a maggior rischio sismico del Mediterraneo. Frequenti terremoti e fenomeni tellurici hanno interessato tutto il territorio da nord a sud determinando un significativo impatto sociale ed economico tra crolli di strutture e drammatiche perdite in termini di vite umane [1,2], cui si aggiungono tutte le conseguenze per il patrimonio artistico, storico e monumentale [3]. Gli ingenti danni economici stimati negli ultimi quarant’anni ammontano a circa 135 miliardi di euro [4] e, in generale, il rapporto tra danni prodotti dai terremoti e l’energia rilasciata durante gli eventi è molto alto in Italia se comparato a quello di altri paesi ad alta sismicità come Giappone o la California [5] e questo implica danni elevati anche per eventi caratterizzati da bassa energia [6]. 

La presenza di costruzioni non in linea con i requisiti delle zone sismiche rende necessaria una linea d’azione volta all’adeguamento di edifici esistenti, migliorandone la resistenza, e al soddisfacimento dei suddetti requisiti per quelli di nuova costruzione [7]. Il patrimonio edilizio richiede una adeguata analisi e progettazione di interventi di manutenzione non solo di natura demolitiva e costruttiva, ma anche, e soprattutto, di salvaguardia di quello esistente. Le tecnologie e i materiali convenzionalmente utilizzati in edilizia presentano numerosi vantaggi quali il costo relativamente contenuto delle materie prime, sebbene la presenza di cemento nell’impasto (e di clinker in particolare) renda il CLS un materiale ad alto impatto ambientale [8], soprattutto se si tiene conto del fatto che spesso l’ammodernamento e il risanamento di strutture esistenti realizzate con materiali convenzionali non è possibile e l’unica strada da percorrere è la demolizione e ricostruzione [9]. Sono questi i casi in cui è opportuno utilizzare nuovi materiali e tecnologie per aumentare la durabilità delle strutture [10].

Al fine di garantire migliori prestazioni alle strutture nuove ed esistenti per quanto riguarda l’isolamento termico e acustico con l’impiego di materiali ecocompatibili e nuove tecnologie, diversi studi hanno evidenziato i vantaggi legati alla sostituzione dei materiali tradizionali con materiali riciclati e di scarto in termini di riduzione dell’uso di materie prime, suolo e processi ad alta intensità energetica. Numerosi studi hanno individuato come buoni candidati alla sostituzione parziale degli aggregati naturali [11] i materiali di scarto provenienti da realtà industriali [12], agricole [13], attività di costruzione e demolizione [14] o anche aggregati riciclati [15] e leggeri [16].

Nel presente studio è stato eseguito un processo di granulazione a freddo per produrre aggregati leggeri partendo da ceneri volanti provenienti dall’incenerimento di rifiuti solidi urbani (RSU) e loppa d’altoforno. Lo studio prevede anche la valutazione dell’impatto ambientale degli aggregati leggeri alla luce dell’intero ciclo di vita usando la metodologia del Life Cycle Assessment (LCA) in cui vengono computati i materiali grezzi e il processo di produzione degli aggregati considerando il consumo energetico così da valutare l’impatto ambientale. È infine proposta una comparazione ed analisi degli impatti ambientali di tre diverse miscele realizzate con aggregati riciclati. 

 

Descrizione dei materiali e metodi utilizzati nella ricerca

Aggregati leggeri artificiali

Sono state preparate tre diverse miscele per produrre aggregati leggeri (LWA) attraverso il processo di granulazione a freddo. L'attività sperimentale è stata svolta nel laboratorio MATEC del Dipartimento di Ingegneria dell'Università degli Studi di Napoli “Parthenope”. I componenti impiegati per le miscele sono Cemento Portland (CEM II/AL 42.5R), loppa d'altoforno granulata (GGBFS) e ceneri volanti da incenerimento di rifiuti solidi urbani (MSWI-FA) presenti per l'80% in peso in tutte le miscele e preventivamente lavate per ridurne il contenuto di cloruri e solfati. Secondo il Catalogo Europeo dei Rifiuti (2000/532/CE [17]), questi rifiuti sono elencati come materiale pericoloso etichettato con il codice 19.01.05* [18] e non possono essere utilizzati o addirittura gettati in discarica senza un trattamento preventivo. La loppa d'altoforno granulata macinata (GGBFS) è un sottoprodotto delle acciaierie.

Le percentuali in peso dei componenti delle miscele prodotte sono mostrate in Tabella 1:

Tabella 1 - Percentuali in peso dei componenti delle miscele prodotte

LCA di materiali da costruzione innovativi ricavati da RSU

 

Il processo di granulazione è stato realizzato con un impianto pilota costituito da un piatto rotante di diametro 80 cm inclinato a 45° e settato su una velocità di rotazione costante di 45 giri/min; la procedura ha infine restituito granuli (Figura 1) da poter impiegare in sostituzione degli aggregati naturali convenzionali. I benefici ambientali di tale procedimento sono dimostrati nel seguente studio LCA. 

Aggregati leggeri artificiali prodotti

Figura 1 - Aggregati leggeri artificiali prodotti

Life Cycle Assessment (LCA) 

Il presente lavoro si concretizza nella valutazione di tutte le fasi del processo produttivo secondo una metodologia la cui adozione a livello europeo è di grande importanza strategica ai fini della definizione di importanti aspetti ambientali [19].

La metodologia per lo studio Life Cycle Assessment LCA è organizzata è standardizzata dalla famiglia di norme UNI EN ISO 14040. Secondo gli standard, gli studi LCA comprendono quattro fasi: la descrizione dell'obiettivo, l'analisi del Life Cycle Inventory (LCI), il Life Cycle Impact Assessment (LCIA) e l'interpretazione del LCIA. In questo studio LCA, la metodologia adottata si basa sulla valutazione dei problemi chiave utilizzando ReCiPe 2016 midpoint (H). Gli indicatori a livello midpoint sono specificati a livello intermedio lungo il meccanismo e la prospettiva gerarchica è considerata il metodo predefinito, poiché esegue una valutazione dell'impatto a medio termine.

 

Analisi per l’ottimizzazione della sostenibilità dei LWA prodotti

Obiettivo: applicazione della metodologia LCA ai processi produttivi degli aggregati leggeri artificiali

Lo scopo di questo lavoro è applicare la metodologia LCA ai processi produttivi di LWA valutando il carico ambientale associato alla loro produzione attraverso uno studio comparativo, o un confronto delle prestazioni ambientali delle tre miscele descritte in precedenza. Il processo produttivo considerato si compone di operazioni di lavaggio, asciugatura e granulazione a freddo. Per ogni processo sono valutati anche i rispettivi input e output.

L’unità funzionale utilizzata per la valutazione del ciclo di vita dei LWA è 1 kg e l’analisi è stata condotta secondo un approccio “cradle-to-gate”

La definizione di confini del sistema “cradle-to-gate” delimita lo scopo del processo, le emissioni e l’energia studiati nel LCA fino alla fase di produzione, con l’esclusione delle fasi di uso e termine di vita utile. Sono state quindi incluse le fasi di produzione delle materie prime, dei materiali, del trasporto delle materie prime, della produzione degli inerti e dello smaltimento dei materiali. Anche la fase di smaltimento delle acque di lavaggio delle ceneri è stata esclusa.

Life Cycle Inventory (LCI)

L'analisi dell'inventario del ciclo di vita prevede la raccolta di dati relativi a tutti gli input e output. I dati sono stati ottenuti da analisi di laboratorio, set di dati e letteratura. I processi di produzione dei materiali disponibili nelle banche dati riguardano cemento (CEM II/AL 42.5R), acqua deionizzata ed elettricità. I dati relativi alla produzione di MSWI-FA sono di tipo primario in quanto ricostruiti a partire dalla Dichiarazione Ambientale 2020 rilasciata da RINA SpA per A2A Ambiente [18]. L'allocazione di massa per FA è pari all'1,5% (0,015 kg/MJ). I dati del GGBFS sono ottenuti dalla letteratura; con riferimento a Van den Heede et al. [20], la quantità prodotta è di 0,24 kg per kg di acciaio. Per questo motivo il coefficiente di allocazione di massa è del 24%.

Risultati del Life Cycle Impact Assessment (LCIA)

La caratterizzazione consente il calcolo dei risultati dell'indicatore di categoria di impatto. I risultati sono i potenziali impatti per ciascuna delle categorie considerate, insieme alla loro unità di misura. Pertanto, non possono essere confrontati tra loro se non eseguendo prima una normalizzazione in cui i potenziali impatti riguardanti ciascuna delle categorie considerate, ottenuti dalla fase di caratterizzazione, vengono rapportati a fattori di normalizzazione, in modo da essere espressi con la stessa unità di riferimento. I risultati LCI sono stati caratterizzati secondo il metodo ReCiPe 2016 Midpoint (H) e successivamente normalizzati secondo il metodo ReCiPe 2016 v1.1 (H). 

Questo processo ha portato all’individuazione della categoria del cambiamento climatico come la più impattante rispetto alla produzione di LWA. Tale categoria considera il rilascio di CO2 in atmosfera e, a tal proposito, il fattore di caratterizzazione midpoint per il cambiamento climatico è il potenziale di riscaldamento globale (GWP). Il GWP è la misura che determina il potere climalterante dei gas a effetto serra, indice che mette in relazione il potenziale di riscaldamento (in 100 anni) di 1 kg di un gas rispetto a 1 kg di anidride carbonica CO2, il cui GWP ha per definizione il valore uno. Il fattore di caratterizzazione midpoint di qualsiasi gas serra e qualsiasi orizzonte temporale produce un GWP specifico con unità di misura “kg CO2 equivalenti”. 

....CONTINUA.

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