L’impatto ambientale del calcestruzzo

Applicazione dell’analisi eco-meccanica ad una struttura in calcestruzzo armato.

1. INTRODUZIONE
Il calcestruzzo, anche grazie alla facilità di produzione e del reperimento dei materiali costituenti, nonché alle buone prestazioni meccaniche che garantisce, è ad oggi il materiale da costruzione più utilizzato al mondo [1]. La presenza di cemento nel suo impasto, ed in particolare del clinker, rende però questo materiale tutt’altro che eco-friendly. La produzione di calcestruzzo necessita infatti di una rilevante quantità di energia che concorre pesantemente all’incremento dell’inquinamento ambientale. L’utilizzo di inerti di cava rappresenta un altro aspetto problematico, in tale contesto. Nelle strutture realizzate con calcestruzzo ordinario, il 90% dell’energia necessaria per la loro costruzione è spesa nella fase di produzione delle materie prime, soprattutto del clinker, mentre solo il restante 10% è relativo al confezionamento del calcestruzzo, al trasporto ed all’utilizzo in sito [2]. Questo significa che, se si vuole progettare in un’ottica maggiormente ecologica, è necessario selezionare calcestruzzi aventi un basso impatto ambientale in termini di “carbon footprint” (ovvero produzione di CO2), “embodied energy” (energia grigia) ed uso di acqua, riducendo anche la massa complessiva del calcestruzzo impiegato nelle opere civili.
Inoltre, valutando il ciclo di vita di questo materiale, si può osservare come esso ricada nei cosiddetti rifiuti da costruzione e demolizione (C&DW) per cui, dopo la vita in servizio, è destinato alla demolizione ed al deposito in discarica [3]. Considerato l’abbondante utilizzo di manufatti in calcestruzzo, non stupisce che una componente considerevole dei rifiuti prodotti annualmente sia legata alla loro demolizione (circa il 33% in Europa).
Lo scenario presentato evidenzia la necessità non solo di sviluppare calcestruzzi maggiormente sostenibili, ma anche di individuare un metodo di analisi che permetta ai progettisti di valutare e controllare (già in fase di progettazione) gli impatti ambientali legati all’utilizzo dei materiali stessi, attraverso un approccio olistico che prenda in considerazione capacità portante, durabilità e sostenibilità. La conoscenza e la consapevolezza durante la fase di progettazione permettono sicuramente di ottenere dei notevoli risparmi di energia e una riduzione delle emissioni di CO2, garantendo nel contempo la qualità dell’edificio, la sicurezza ed il comfort dei suoi occupanti.

2. L’ANALISI DELLA SOSTENIBILITA’
La valutazione della sostenibilità dei calcestruzzi (e dei materiali da costruzione in generale) non può limitarsi esclusivamente ad un’analisi degli aspetti ecologici, come le emissioni di CO2 o l’energia grigia. Diverse ricerche dimostrano infatti come alcune soluzioni teoricamente valide per l’ambiente mal si prestano ad un utilizzo strutturale, a causa della riduzione delle caratteristiche meccaniche del prodotto finale. Occorre valutare gli aspetti ambientali contestualmente al progetto delle prestazioni meccaniche, quali la resistenza e la duttilità, valutate allo stato limite di esercizio ed ultimo.
E’ dunque necessario definire un metodo di valutazione cosiddetto “eco-meccanico”, che tenga contemporaneamente conto dei due aspetti. In altre parole, la valutazione di sostenibilità eco-meccanica deve essere effettuata attraverso l’uso di due indici globali di carattere ecologico (EI = ecological index) e meccanico (MI = mechanical index).

2.1. Gli indici di misura
L’indice ecologico EI viene stimato considerando i parametri ambientali più significativi, ovvero l’anidride carbonica emessa (carbon footprint), l’energia grigia (embodied energy) e il volume di acqua impiegati per la produzione di 1 metro cubo di calcestruzzo. Pertanto, per calcolare EI può essere utilizzata la seguente equazione:

dove ψ= quantità di anidride carbonica; δ = quantità di energia grigia; γ = volume d’acqua.
Poiché le prestazioni ecologiche sono correlate alle condizioni locali del sito in cui viene impiegato il calcestruzzo, nell’Eq. 1 vengono introdotti ulteriori tre coefficienti di ponderazione (wcψ, wcδ, wcγ), che devono essere adeguatamente valutati in base alle effettive condizioni di produzione/costruzione, come l’approvvigionamento idrico, il trasporto, il reperimento delle materie prime, ecc.
L’indice meccanico MI, che tiene in conto sia le caratteristiche del materiale che quelle strutturali, può essere stimato mediante la seguente equazione:

dove mpm = parametro meccanico del calcestruzzo, e mps = parametro meccanico della struttura.
Per una valutazione sperimentale di questi due parametri, i test devono riprodurre il comportamento reale dei materiali e delle strutture, sia nelle condizioni di stato limite di esercizio che di stato limite ultimo.

2.2. L’analisi eco-meccanica
Il modello di analisi eco-meccanica si basa sul possibile utilizzo di due metodologie differenti.
La metodologia EMI(Eco-Mechanical Index) si fonda sul calcolo di un indice eco-meccanico, valutato con il rapporto:

Il conglomerato migliore sarà quello che restituirà un EMI più alto.
Il secondo metodo si basa sulla definizione di valori di riferimento (o benchmarks) relativi all’indice ecologico ed all’indice meccanico che, per prescrizioni normative o per specifiche richieste nei capitolati di gara, devono essere raggiunti dai conglomerati utilizzati. In particolare, si avrà un limite superiore EIsup relativo all’impatto ambientale ed un limite inferiore MIinf relativo alle caratteristiche meccaniche.
Attraverso i benchmarks di riferimento è possibile costruire un diagramma adimensionale (Figura 1), nel quale si distinguono quattro zone differenti:
Zona 1: caratteristiche meccaniche ed ecologiche scadenti;
Zona 2: caratteristiche meccaniche elevate e caratteristiche ecologiche scadenti;
Zona 3: caratteristiche meccaniche ed ecologiche elevate;
Zona 4: caratteristiche meccaniche scadenti e caratteristiche ecologiche elevate.

In tal modo, saranno considerati accettabili solo quei conglomerati ricadenti nella Zona 3, essendo gli unici ad avere entrambi gli indici migliori di quelli di riferimento. Tra questi sarà successivamente possibile scegliere quello economicamente più conveniente, per cui la scelta sarà funzione del costo solo quando i requisisti ecologici e meccanici sono stati soddisfatti.

Nell'articolo completo:

3. IL CASO STUDIO
3.1. I materiali utilizzati
3.2. La progettazione delle strutture e le quantità di materiale richiesto

4. LE PRESTAZIONI ECO-MECCANICHE DELLE STRUTTURE PROGETTATE
4.1. Il calcolo dell’indice ecologico EI
4.2. Il calcolo dell’indice meccanico MI
4.3. La metodologia EMI
4.4. Il diagramma adimensionale

5. OSSERVAZIONI CONCLUSIVE
BIBLIOGRAFIA