1. SOSTENIBILITA': L'ULTIMA SFIDA

Una valutazione critica dello scenario mondiale descritto nel precedente numero di Enco Journal ("Progresso sostenibile e costruzioni in c.a. - Parte I: Le cause della crisi") porta ad evidenziare la complessità ma anche la stretta correlazione tra tre problemi giganteschi, apparentemente disconnessi, e che riguardano l'industria delle costruzioni, e cioè:

• l'insaziabile richiesta di infrastrutture da parte di un mondo in rapida crescita nella urbanizzazione (accoppiata al desiderio di una qualità della vita migliore per nazioni che finora hanno sofferto per il mancato accesso alle risorse) sta provocando un riscaldamento globale e la conseguente distruzione delle esistenti infrastrutture a causa dei disastri naturali (alluvioni, inondazioni, ecc.);
• occorre raggiungere un equilibrio tra sviluppo economico e protezione dell'ambiente;
• è necessario affrontare la crisi nel settore dei materiali e nella durabilità delle costruzioni.
  

La sostenibilità implica che le necessità della generazione presente siano soddisfatte senza inquinare e distruggere l'ambiente, e senza compromettere la necessità delle generazioni future. Nell'industria delle costruzioni, uno sviluppo sostenibile, dovrebbe - tra le varie necessità - tenere conto di:

• progettare strutture durabili e funzionali in base alla vita di servizio attesa, e specificatamente indicata;
• utilizzare scorie di processi industriali per ridurre l'allocamento a discarica di rifiuti;
• costruire in modo da ridurre l'emissione di sostanze dannose perl'ambiente.
  

Tuttavia, uno sviluppo sostenibile rimarrà un sogno se non verranno coinvolti tutti i settori industriali. Per esempio, delle varie milioni di tonnellate di rifiuti provenienti dalle demolizioni delle costruzioni, solo il 4% viene riciclato per un'applicazione di alto livello, mentre la maggior parte è riutilizzata in applicazioni di basso livello (1). Non è che tutti si sorprendano di questi dati. Eppure ognuno sembra essere coscienti che la riutilizzazione dei rifiuti è molto importante per l'ambiente; e allora, perché non si riciclano tutti i rifiuti? Se si considerano, per esempio, i rifiuti domestici si trova che circa la metà è costituita da materiali riutilizzabili come la carta, i tessuti, le bottiglie di plastica. Eppure nel Regno Unito solo l'8% dei rifiuti domestici sono riciclati, un valore molto più basso di quel 40% che viene indicato come indispensabile per la sostenibilità! E' facile prevedere che, se ci sono difficoltà nel riciclare i rifiuti domestici in linea con uno sviluppo sostenibile, sarà ancor più complesso e difficile vincere la sfida per il mondo delle costruzioni.

2. COSTRUZIONI IN CALCESTRUZZO NEL XXI SECOLO

Se si considera quali vantaggi tecnici derivano dall'impiego della cenere volante, della loppa, del fumo di silice e di altri materiali pozzolanici industriali; se si considerano i vantaggi tecnici ed economici nel trattamento di questi rifiuti; se si considera infine il minor danno ambientale in termini di minore emissione di anidride carbonica che ne consegue, si deve concludere che l'impiego di questi materiali non va visto semplicemente come una parziale sostituzione del cemento Portland ma come l'utilizzo di costituenti vitali ed essenziali per il calcestruzzo.

2.1 Esempio di grattacieli
La costruzione di grattacieli (Fig. 1) è un tipico approccio delle costruzioni del XXI secolo per affrontare il problema della urbanizzazione ed i mutamenti nella vita sociale e professionale in tutto il mondo. In questo tipo di costruzioni occorre valutare con attenzione le variazioni dimensionali a lungo termine sia nei pilastri che nei muri. Una variazione dimensionale non uniforme si trasformerebbe in sollecitazioni differenti con rischi di fessurazione, con sforzi di taglio e momenti flettenti addizionali nei solai. La tecnologia dei nuovi materiali per queste costruzioni dovranno tener conto (2-6) di calcestruzzi:

• ad alto volume di cenere volante nelle fondazioni;
• con cenere e loppa ad alta resistenza meccanica nei pilastri dei piani più bassi;
• ad alta resistenza meccanica con cenere ed aggregati leggeri per i pilastri dei piani superiori;
• con resistenza meccanica normale con cenere ed aggregati leggeri per i solai;
• fibro-rinforzati a base di cenere nelle zone sollecitate a taglio localizzato;
• compositi per i solai e ferro-cemento per casseforme a perdere.
  

Fig. 1 - Grattacieli in permanente costruzione a New York.

3. LO SCENARIO ATTUALE

Due sono le sfide che si pongono ai tecnologi dei materiali ed ai progettisti delle strutture:

• come restaurare le costruzioni già realizzate coinvolte dal degrado, in atto;
• come progettare le nuove costruzioni tenendo conto di una specifica vita di servizio e di possibili interventi manutentivi programmati nel tempo.
  

Da questo punto di vista occorre assolutamente una strategia di progettazione olistica che sappia integrare le prestazioni dei materiali, la conoscenza dell'ambiente ed i calcoli strutturali per garantire l'integrità programmata delle strutture. Questa strategia di progettazione dovrà basarsi, quindi, sui seguenti fondamenti:

• una strategia dei materiali che sappia sviluppare costruzioni integre a lungo termine attraverso il conseguimento dell'alta resistenza meccanica attraverso la durabilità;
• una strategia del management che sappia organizzare un efficiente sistema protettivo per impedire l'aggressione delle strutture in acciaio e calcestruzzo;
• una strategia del progetto strutturale per integrare le prestazioni dei nuovi materiali con le prestazioni delle strutture in servizio ed assicurare la stabilita dei materiali e l'integrità strutturale.

4. CRITERI PER PROGETTARE LA VITA DI SERVIZIO

Uno degli aspetti più intriganti del calcestruzzo è la sua natura a doppia faccia. Da una parte il calcestruzzo è di per sé intrinsecamente protettivo nei confronti dell'acciaio; dall'altra, esso consente il passaggio di acqua, di aria, di cloruri, di solfati e di altri agenti aggressivi che alla fine destabilizzano l'acciaio. Pertanto, la proprietà fondamentale che determina la integrità a lungo termine della struttura in calcestruzzo armato è la impermeabilità del materiale cementizio e quindi della sua struttura micro-porosa (7-19).
Tuttavia, anche un calcestruzzo impermeabile soffre terribilmente per la tendenza alla fessurazione a causa delle sollecitazioni che insorgono in servizio e che possono facilmente superare la modesta deformazione ultima del calcestruzzo (150-300 mm/m).
Pertanto non esiste una strategia unica per qualsiasi struttura in qualsiasi ambiente. In particolare per le strutture esposte a condizioni aggressive molto severe, la strategia di progettazione integrale deve tener conto dei quattro seguenti stadi:

1) messa a punto di un calcestruzzo molto durabile;
2) protezione del calcestruzzo;
3) impiego di armature metalliche protette, di acciaio zincato ed inossidabile;
4) progetto della integrità strutturale

Naturalmente non per tutte le strutture si devono tener in conto tutti e quattro gli stadi, ma piuttosto prestare di volta in volta attenzione ad un aspetto piuttosto che ad un altro.

5. CRITERI PER UN CALCESTRUZZO DURABILE

Questi sono gli aspetti più importanti da tener presente per un calcestruzzo durabile:

1) porosità del materiale molto bassa attraverso una riduzione della dimensione dei pori capillari;
2) permeabilità molto bassa;
3) alta resistenza agli attacchi chimici;
4) basso sviluppo di calore per ridurre le tensioni di origine termica;
5) resistenza meccanica iniziale adeguatamente alta seguita da un post-indurimento alle lunghe stagionature;
6) lavorabilità sufficientemente elevata in relazione alle difficoltà esecutive ed alle condizioni del cantiere;
7) controllo della perdita di lavorabilità;
8) bassa segregazione, basso bleeding e basso ritiro plastico.

Potrà sembrare esorbitante ed irragionevole una così lunga lista di requisiti per molte applicazioni normali. Ma nella esecuzione di opere progettate per essere durabili in condizioni estreme la lista delle misure da riportare sopra riportata è assolutamente da seguire.
Val la pena a questo punto di precisare che una struttura durabile in una zona torrida non sarà tale in un clima esposto al freddo ed al gelo. Oltre a questo aspetto, gli ingegneri e gli architetti pensano che una delle proprietà più importanti dei materiali è il costo, e spesso la scelta del calcestruzzo è governata dal costo iniziale piuttosto che dal costo della struttura dopo una determinata vita di servizio. La definizione dell'autore di questo articolo sulla durabilità delle strutture è la seguente:

"Un elemento strutturale in c.a. ad alta durabilità è quello progettato per dare caratteristiche prestazionali ottimali in riferimento alla presenza dei carichi in servizio, alle condizioni di esposizione ambientale, ai requisiti reologici per la messa in opera, alla vita di servizio attesa, ed alla sostenibilità."

In sostanza un calcestruzzo per un'opera durabile non necessariamente deve comportare materiali costosi e tecniche di processo complesse a meno che non siano richieste da particolari condizioni di cantiere e di esposizione ambientale.

6. CONCLUSIONI SULLA PROGETTAZIONE SOSTENIBILE

Il contributo della industria delle costruzioni ad uno sviluppo sostenibile può diventare decisivo attraverso la scelta di materiali e di tecniche esecutive che sia eco-compatibile, che tenga conto delle condizioni di posa in opera, e che realizzi strutture con una vita di servizio almeno uguale a quella programmata.
Ciò richiede da parte dei progettisti un approccio olistico che tenga conto anche delle proprietà dei nuovi materiali e del loro impatto ambientale.

Bibliografia
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19) Swamy R. N. and Sijryavanshi A. K. Durability of blended cement concrete structural elements of higher water-binder ratio against chloride and carbonation attack, The Arabian Journal for Science and Engineering, 1998, 23, No. lB, 17-32.