1. INTRODUZIONE

Si dice “sostenibile” un progresso quando è possibile conciliare le attuali esigenze senza compromettere quelle delle future generazioni. Queste esigenze riguardano:

- la disponibilità delle risorse naturali ed energetiche non rinnovabili;
- la protezione dell’ambiente dall’inquinamento atmosferico e dal degrado paesaggistico.

Queste regole sono in gran parte codificate nel protocollo di Kyoto firmato nel 1998 dalla maggior parte dei paesi sviluppati. Esse debbono diventare un patrimonio culturale per tutti gli addetti ai processi produttivi e per quelli coinvolti nel controllo sul rispetto di queste regole.

Nel settore delle costruzioni in calcestruzzo, cui è dedicato questo articolo, il problema del progresso sostenibile è di rilevante importanza perché coinvolge circa il 6% del consumo totale delle risorse energetiche e dell’inquinamento atmosferico da CO₂.
L’inquinamento atmosferico da CO₂ può provocare gravi sconvolgimenti ambientali ed in particolare uno squilibrio ecologico che influenza negativamente l’effetto serra. La produzione di CO₂ è legata alla combustione del carbone e degli idrocarburi gassosi o di quelli distillati dal petrolio largamente impiegati nel settore dei trasporti, del riscaldamento-condizionamento domestico, della produzione di energia elettrica e soprattutto dai processi industriali.
Il consumo enorme di una parte sproporzionata delle risorse di materie prime e di energia disponibili sul pianeta ha provocato un aumento imponente di emissioni di gas serra. Nel 1960 l’emissione di CO₂ era di circa 10 miliardi di tonnellate/anno. Nel 1995 è arrivata a circa 23 miliardi di tonnellate/anno. L’accordo di Kyoto del 1998 comporta la riduzione di CO₂ emessa dai paesi industrializzati del 5% entro il 2012 (1).
Le conseguenze dell’aumento di emissione dei gas serra è il riscaldamento globale del pianeta con aumento per numero ed intensità di cambiamenti climatici improvvisi, Oltre morti e le devastazioni che questi cambi climatici infliggono occorre anche tener conto della distruzione di infrastrutture. Nel 1998 nei soli USA il danno provocato da improvvisi cambi climatici (uragani, pioggie torrenziali, ecc.) è stato di 5,5 miliardi di dollari.

2. SOSTENIBILITA' NELLE COSTRUZIONI IN CALCESTRUZZO

Nella filiera produttiva delle costruzioni in calcestruzzo (Fig. 1) si possono individuare le seguenti fasi del processo esposte al rischio di insostenibilità:

- produzione del clinker nel forno di cottura a circa 1400°C;
- macinazione del clinker con il gesso (circa il 5%) aggiunto come regolatore della presa, per la produzione del cemento Portland;
- frantumazione degli aggregati estratti dalla roccia o escavazione degli elementi lapidei alluvionali;
- produzione del calcestruzzo negli impianti di betonaggio;
- degrado prematuro delle strutture in calcestruzzo rispetto alla vita attesa di servizio ( 50 anni).

2.1 Produzione del clinker

La produzione del clinker per cottura di argilla e calcare a circa 1400°C comporta:

- il consumo di combustibili fossili (carbone, gas metano, gasolio, ecc.) che, in termini energetici, corrisponde a circa 3.800 MJ/Ton di clinker;
- l’emissione di anidride carbonica (derivante dalla combustione e dalla termo-decomposizione del calcare in calce e CO₂) in misura di circa 1 Ton di CO₂ per 1 Ton di clinker.

Per mitigare il consumo di combustibili fossili per la cottura del clinker si ricorre al riutilizzo, come combustibili secondari, di prodotti riciclati quali farine animali, rottami di copertoni per autovetture, ecc. (2) Questa operazione incide positivamente sulla sostenibilità del processo produttivo in termini di riduzione del consumo di risorse energetiche non rinnovabili quali sono appunto i combustibili fossili. Essa, invece, non influenza assolutamente il carico di CO₂ emessa con i fumi della combustione.
In prospettiva futura, un ulteriore miglioramento nella riduzione del consumo energetico potrebbe essere realizzato con la produzione di un clinker “belitico” (più ricco in C₂S e quasi privo di C₃S) capace di essere cotto ad una temperatura più bassa. Inoltre, un clinker belitico richiede una minore percentuale di calcare nelle materie prime che alimentano il forno e quindi una emissione minore di CO₂ derivante dalla termo-decomposizione del calcare.


2.2 Macinazione del clinker

In questa fase del processo si sono realizzati forse i più efficaci interventi in favore della sostenibilità. Questi consistono nella sostituzione parziale (tipicamente del 30-50%) del clinker con altri materiali cementizi che non comportano il consumo energetico richiesto dalla cottura del clinker. Si tratta prevalentemente di materie seconde riciclate da altri processi industriali (come la cenere volante derivante dagli impianti termo-elettrici a carbone) e la loppa d’altoforno, una scoria del processo produttivo dell’acciaio. Il riutilizzo di queste scorie ha un triplice vantaggio sulla sostenibilità del processo produttivo del cemento (3, 4):

a) riduzione del consumo energetico nel forno di cottura in misura proporzionale alla sostituzione del clinker con la cenere e la loppa;
b) riduzione della emissione di CO₂ in misura anch’essa proporzionale alla sostituzione del clinker con la cenere o la loppa;
c) ulteriore beneficio in termini ecologici per la riutilizzazione di scorie derivanti da altri processi industriali (cenere da carbone e loppa d’altoforno) altrimenti destinate a discarica e quindi ad inquinamento ambientale.

Con la nuova normativa europea UNI EN 197-1, la sostituzione del clinker può avvenire anche con materiali naturali, come la pozzolana vulcanica o il calcare, per produrre cementi di miscela con tenore di clinker ridotto (20-30%) e quindi capaci anch’essi di ridurre il consumo energetico e l’inquinamento da CO₂.

2.3 Gli aggregati per il calcestruzzo

Circa il 70-80% del volume del calcestruzzo è occupato dagli aggregati in misura di circa 1800-2000 kg/m³. Finora l’approvvigionamento degli aggregati ha comportato “ferite” paesaggistiche per escavazione della roccia sottoposta a frantumazione o squilibri idro-geologici per l’estrazione degli aggregati alluvionali.

D’altra parte esiste un volume sempre più importante di strutture demolite provenienti da costruzioni obsolete in muratura o in calcestruzzo: ciò comporta un’allocazione a discarica di macerie. Recentemente sono partite interessanti iniziative per la riutilizzazione di queste macerie come aggregati riciclati (5). L’impegno nel riutilizzo dei calcestruzzi riciclati è molto maggiore nei paesi, tipicamente l’Olanda, dove esiste una scarsa disponibilità di spazi per l’allocazione a discarica delle strutture demolite. In Italia la riutilizzazione delle strutture demolite è molto basso e potrebbe migliorare se intervenisse una manovra politica per tassare maggiormente l’escavazione di aggregati naturali, risorse non rinnovabili, e defiscalizzare le imprese che riutilizzano il calcestruzzo riciclato.

2.4 Produzione del calcestruzzo: il ruolo degli additivi riduttori di acqua

Le prestazioni del calcestruzzo, da quelle allo stato fresco (lavorabilità) a quelle allo stato indurito (resistenza caratteristica) (R_ck) dipendono dai seguenti parametri composizionali:

- acqua di impasto (a) lavorabilità (Fig. 2);
- rapporto acqua/cemento (a/c) R_ck (Fig. 3).

Fig. 2 - Lavorabilità (slump) in funzione dell'acqua di impasto per calcestruzzi confezionati con aggregati alluvionali. Fig. 3 - Correlazione della Rck con il rapporto a/c per tre diversi cementi: trasformazione di Rck = 30 MPa in a/c di 0.55 con CEM 32.5.

Dal tipo di inerte (alluvionale o frantumato) oltre che dal diametro massimo (D_max) si può risalire al quantitativo di acqua di impasto (a). Per esempio con inerte alluvionale e tondeggiante il valore di a, con D_max = 25 mm, è di circa 215 kg/m³ se si vuole produrre un calcestruzzo fliudo in classe di consistenza S4 (Fig. 2). Questo valore si può ridurre del 20% con l’impiego di additivi superfluidificanti e diventa pertanto 172 kg/m³:

a = 215 (1-0.20) = 172 kg/m³

Dal valore di R_ck (per esempio 30 MPa) e dalla classe di resistenza del cemento (per esempio II B-L 32.5) si risale al valore del rapporto a/c che risulta lo stesso (0.55) indipendentemente dall’impiego o meno dell’additivo (Fig. 3). Pertanto il dosaggio di cemento (c) diventa circa 390 kg/m³ oppure circa 310 kg/m³ a seconda dell’impiego dell’additivo superfluidificante o meno:

Come si può vedere l’impiego degli additivi superfluidificanti è un altro importante strumento tecnologico per ridurre il dosaggio di cemento e quindi contribuire significativamente ad un progresso sostenibile a parità di prestazioni tecnologiche come la lavorabilità ed R_ck.

2.5 Rispetto della durabilità delle strutture in c.a.

Il degrado prematuro delle strutture in c.a. (Fig. 4) è una delle cause più importanti che contribuiscono al consumo di risorse non rinnovabili nel settore delle costruzioni. Le spese che debbono essere sostenute per il restauro delle opere degradate – soprattutto quelle delle infrastrutture come ponti, gallerie, porti, ecc. – raggiunge mediamente cinque volte il costo dell’opera originale.

Esistono oggi norme europee (UNI EN 206) che suggeriscono al progettista le prescrizioni prestazionali e composizionali per costruire opere durevoli con una vita di servizio di almeno 50 anni. Queste norme prevedono, in base all’ambiente dove l’opera è destinata ad essere costruita, che si stabilisca un valore nel rapporto acqua-cemento da non superare (a/c)_max. Per un più semplice controllo di questo rapporto nella fornitura di calcestruzzo (non sempre agevole sui cantieri), le norme stabiliscono quale è il valore di resistenza caratteristica che deve essere come minimo raggiunta (R_ck)min ,per soddisfare il requisito di (a/c)_max richiesto dalla durabilità dell’opera.

Per esempio, i valori di (a/c)_max = 0.50 e di (R_ck)_min = 37 MPa sono necessari a garantire la durabilità (Fig. 5) di un’opera in c.a. esposta all’aria aperta (classe di esposizione XC4) e quindi a rischio di corrosione dei ferri per carbonatazione. Il valore di (a/c)_max di 0.50 e di (R_ck)_min di 37 MPa debbono essere rispettati anche nel caso in cui per ragioni strutturali la R_ck dovesse essere solo di 30 MPa come mostrata nel paragrafo 2.4. Pertanto in questo caso occorre promuovere la R_ck dal valore di 30 MPa – sufficiente per ragioni strutturali - a quello di 37 MPa che può garantire anche la durabilità attraverso il rapporto (a/c)_max di 0.50.
Nel caso del calcestruzzo con additivo superfluidificante illustrato nel paragrafo 2.4, la composizione diventa:

Oltre alla scelta del rapporto (a/c)_max per garantire la durabilità, occorre anche prescrivere, in accordo all’Eurocodice 2, un valore di copriferro minimo per assicurare un cammino sufficientemente lungo perché l’agente aggressivo raggiunga i ferri di armatura, generalmente l’elemento più vulnerabile della struttura in c.a. Nel caso di una struttura esposta in classe di esposizione XC4, il valore del copriferro minimo è di 40 mm, un valore quasi mai adottato nelle opere finora costruite e per questo facilmente a rischio di degrado per corrosione dei ferri di armatura.

Da ultimo, ma non ultimo per importanza per quanto riguarda la durabilità, occorre segnalare l’importanza della scelta del cemento ancorché questo non sia prevista dalla norma UNI EN 206. Per le opere esposte alla penetrazione del cloruro (opere marittime ed opere autostradali esposte all’azione dei sali disgelanti in inverno), la scelta di un cemento d’altoforno (CEM III) o pozzolanico (CEM IV) o anche composito (CEM V) a base di loppa d’altoforno e pozzolana si è indiscutibilmente rivelata più efficace ai fini della durabilità per il rallentamento della velocità di diffusione del cloruro attraverso il copriferro (6).

Altrettanto efficaci si rivelano i cementi pozzolanici (CEM IVB) e soprattutto quelli d’altoforno (CEM IIIB) nelle strutture massive (40 cm) per la forte riduzione del calore di idratazione dovuto alla significativa riduzione del clinker ( 50%) in favore della pozzolana o della loppa d’altoforno.

2.6 Tecniche di cantiere innovative

Val la pena, infine di segnalare alcuni interessanti sviluppi sulla tecnica di cantiere, basata sull’ impiego di casseri in laterizio a perdere (Fig. 6), con notevoli miglioramenti sull’ isolamento termico, e sulla durabilità (7).

3. CONCLUSIONI

Con l’avvento di nuovi materiali e delle recenti normative europee sui cementi (UNI EN 197) e sui calcestruzzi (UNI EN 206) è possibile conciliare le attuali esigenze di sviluppo nelle costruzioni con le aspettative delle future generazioni.
Per raggiungere questo scopo è necessario perseguire quanto più possibile questi obiettivi:

- ridurre il consumo di combustibili fossili non rinnovabili in favore di materie seconde capaci di fornire energia;
- incentivare l’impiego di cementi di miscela (con minor consumo di clinker) ma favorire anche quelli capaci di garantire una maggiore durabilità come il CEM III, il CEM IV ed il CEM V;
- adottare rapporti a/c tanto bassi da rientrare nei limiti previsti dalle normative per garantire la durabilità dell’opera;
- impiegare additivi riduttori di acqua, e quindi capaci di ridurre anche il cemento a parità di a/c, per evitare dosaggi di cemento eccessivi non compatibili con uno sviluppo sostenibile.

4. BIBLIOGRAFIA

(1) R.N. Swamy, “Progresso sostenibile e costruzioni in c.a”, Enco Journal, N° 21, pp. 7-11, 2002
(2) B. Geodecke, “Focus su conmbustibili alternativi e cementi M”, Portland, N° 34, pp. 8-11, 2005
(3) V.M. Malhotra, “Ruolo dei materiali supplementari cementizi e dei superfluidificanti nel ridurre l’emissione dei gas serra verso l’ambiente”, Enco Journal, N° 23, pp. 7-10, 2003.
(4) P.K. Mehta, “Concrete technology at the cross-roads problems and opportunities”, Concrete Technology, Past, Present and Future, ACI SP 144, pp. 1-30, 1994
(5) V. Corinaldesi, G. Orlando and G. Moriconi, “Self-Compacting Concrete Incorporating Recycled Aggregate”, Proceedings of the Internationa Conference, Dundee, Scotland, pp. 455-464, 2002
(6) M. Collepardi, J.J. Ogoumah Olagot, F. Simonelli e R. Troli, “Il Calcestruzzo Vulnerabile. Prevenzione, diagnosi del degrado e restauro”, Ed. Tintoretto, Villorba, 2005
(7) A. Caluisi, UniEdil: comunicazione privata