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Life Cycle Assessment di sovrastrutture stradali

Uno studio sulla valutazione dei benefici ambientali derivanti dall’impiego di materiali di recupero legati a cemento in sostituzione di materiali vergini per sovrastrutture stradali con strato di fondazione in misto cementato riciclato

Lavori di stesa

Nel campo delle opere pubbliche, durante la realizzazione di nuove infrastrutture stradali – come ad esempio nel caso della demolizione di vecchie pavimentazioni stradali – vengono prodotti annualmente ingenti volumi di materiali da destinare a discarica.

In questo contesto, il riciclo e reimpiego dei materiali da demolizione – unitamente all’utilizzo di tecniche di produzione e posa a minor impatto ambientale – rappresentano una concreta opportunità di attuazione dell’economia circolare, perseguendo gli obiettivi di sostenibilità grazie al minor utilizzo di materie prime, alla riduzione dei consumi energetici, delle emissioni di inquinanti e gas serra.

Noto il vantaggio in termini economici del riutilizzo dei materiali da demolizione, occorre quantificare in maniera specifica e razionale anche gli effettivi benefici in termini energetici e ambientali derivanti dall’utilizzo di diverse tecniche e materiali di riciclo.

A tal fine, è possibile far ricorso alla metodologia del Life Cycle Assessment (LCA), che permette di analizzare e determinare gli impatti ambientali derivanti dalla realizzazione di un’opera considerandone l’intero processo produttivo e di realizzazione [1].

Il presente articolo illustra l’analisi LCA condotta nell’ambito degli interventi di manutenzione di pavimentazioni stradali al fine di determinare i vantaggi ottenibili dall’impiego di materiali di recupero legati a cemento in sostituzione di materiali vergini per la produzione e posa di strati di fondazione [2 e 3].

In dettaglio, nel caso studio sono state prese in esame sei diverse miscele di misto cementato costituite da differenti percentuali di materiali vergini e riciclati (variabili dal 50 al 100%), ma aventi pari durabilità nel tempo e medesimo livello prestazionale.

Posa in opera del misto cementato riciclato
1. La posa in opera del misto cementato riciclato [3]

Caso studio: metodologia e risultati

La definizione degli obiettivi dello studio

L’obiettivo dello studio è quello di determinare i consumi energetici e gli impatti ambientali derivanti dagli interventi di manutenzione delle pavimentazioni stradali, e di valutare i possibili vantaggi ottenibili dall’utilizzo di materiali di riciclo in sostituzione di materie prime vergini per la realizzazione degli strati di fondazione in misto cementato.

La valutazione dei benefici ambientali è stata svolta usando un’analisi LCA del tipo “Cradle to Gate”, cioè improntata sull’analisi dei processi produttivi dei singoli materiali costitutivi, il confezionamento, il trasporto, la posa e la compattazione in opera dello strato di fondazione stradale in misto cementato.

In dettaglio, nell’analisi sono stati presi in considerazione gli indicatori di impatto ambientale relativi al consumo globale di energia primaria, al potenziale di riscaldamento globale e al consumo di risorse idriche [4].

La definizione dei confini del sistema e dell’unità funzionale

Il sistema oggetto di analisi è stato scelto in modo tale che fosse rappresentativo di una tipologia stradale comunemente in uso in una rete viaria gestita da un Ente locale, in termini di dimensioni e organizzazione della piattaforma stradale. Pertanto, è stato fatto riferimento a una strada extraurbana secondaria, classificata secondo la categoria C1 dal D.M. n° 6792 del 5 Novembre 2001.

In Figura 3 sotto è stato schematizzato il sistema oggetto di studio, specificandone i confini e i processi necessari per l’esecuzione di interventi di manutenzione di pavimentazioni stradali che prevedono la ricostruzione della fondazione della sovrastruttura stradale.

Posa in opera del conglomerato bituminoso riciclato a freddo
2. La posa in opera del conglomerato bituminoso riciclato a freddo [3]
Nel dettaglio, la fase di produzione include tutte le attività di approvvigionamento (comprensive dei relativi carichi energetici e ambientali) sia delle materie prime sia dei materiali di recupero necessari per il confezionamento di miscele impiegate nella costruzione dei diversi strati della pavimentazione stradale.

Per ogni singola attività di produzione dei materiali, nonché per quelle relative alla realizzazione in sito della nuova sovrastruttura stradale, sono stati esplicitati gli impatti derivanti dai trasporti delle materie prime dai siti di estrazione, a quelli di produzione e infine al sito di costruzione.

In particolare, nell’ottica di simulare una filiera corta orientata all’economia circolare, nel caso studio è stato ipotizzato che il sito di costruzione sia ubicato a circa 30 km di distanza dai siti di produzione, e che l’approvvigionamento delle materie prime avvenga da siti estrattivi o di trattamento e recupero compresi tra 50 e 150 km di distanza.

L’unità funzionale presa come riferimento è costituita dall’intera piattaforma stradale, avente larghezza pari a 10,50 m, per un’estensione di un chilometro. Per quanto riguarda la sovrastruttura stradale sono stati presi come riferimento i materiali e le caratteristiche degli strati in conglomerato bituminoso, emulsione bituminosa e della fondazione previsti dallo schema di intervento manutentivo indicato in Figura 4 sotto.

Si noti che, la stratigrafia indicata consente di raggiungere una durata della pavimentazione superiore a dieci anni, nell’ambito di una rete stradale locale con traffico giornaliero medio inferiore a 5.000 veicoli e percentuale di veicoli commerciali inferiore al 10% del volume di traffico complessivo [5]. Le specifiche dei materiali selezionati riportati in Figura 4 sotto si riferiscono a quanto in uso nel Comune di Fano [6] e nel Comune di Riccione [7].

Per valutare le performance ambientali derivanti dall’utilizzo di materiali di reimpiego per il confezionamento dello strato di fondazione in misto cementato, sono stati considerati sei scenari di intervento alternativi aventi differenti percentuali di materiali vergini e riciclati, mantenendo invariante la composizione e le caratteristiche degli strati in conglomerato bituminoso (strato di usura e binder) e dell’emulsione bituminosa impiegata per mano d’attacco e impregnazione.

Per la produzione del misto cementato dei diversi scenari è stato considerato l’utilizzo del cemento Portland CEM II, prevedendone un dosaggio pari a circa il 4% rispetto al peso degli inerti.

Per quanto riguarda la produzione di diverse miscele cementate è stato considerato l’utilizzo di impianti di tipo mobile continuo. Per la posa e la compattazione è stato previsto l’impiego di vibrofinitrice, rullo tandem in modalità vibrante da 10 t e rullo gommato da 22 t (Figura 1 e 2).

In Figura 5 è illustrata la composizione delle diverse miscele di misto cementato analizzate nel caso studio, le quali prevedono l’utilizzo di aggregati vergini (AG), granulato di conglomerato bituminoso o fresato d’asfalto (Reclaimed Asphalt – RA) e aggregati di recupero (Construction and Demolition – C&D).

Si noti che lo scenario 1 è stato utilizzato come termine di paragone per la determinazione delle differenze in termini di impatto ambientale delle varie alternative proposte, poiché in tale scenario la miscela di misto cementato è costituita esclusivamente da materie prime.

Manutenzione di pavimentazioni stradali
3. La suddivisione del processo di manutenzione di pavimentazioni stradali in attività elementari

L’analisi dei dati inventario (Life Cycle Inventory – LCI)

Per ciascun scenario oggetto di analisi è stata svolta l’analisi dei dati di inventario affinché fosse possibile quantificare i flussi di input e output previsti nelle diverse fasi del processo di manutenzione di pavimentazioni stradali.

I dati di base dei carichi energetici e ambientali relativi ai singoli materiali costituenti (bitume, emulsione bituminosa, cemento, aggregati vergini e riciclati), alle singole lavorazioni, trasporti e attrezzature sono stati raccolti e catalogati facendo riferimento a banche dati selezionate e a specifici riferimenti di letteratura [8, 9, 10, 11 e 12].

L’analisi degli impatti ambientali (Life Cycle Impact Assessment – LCIA)

Per la quantificazione dei carichi energetici ed economici, il consumo di materie prime e l’impatto atmosferico, valutato in termini di emissioni di gas serra e inquinanti, è stato utilizzato l’applicativo Excel PaLATE (Pavement Life Cycle Assessment Tool for Environmental and Economic Effects) [13].

Le analisi sono state svolte considerando le seguenti categorie e indicatori di impatto ambientale:

  • consumo di risorse idriche (Water Resource Depletion – WRD), espresso in chilogrammi, necessario nelle diverse fasi del processo;
  • consumo globale di energia primaria (Gross Energy Requirement – GER), il quale rappresenta il fabbisogno energetico lordo (espresso in MJ) derivante dalla somma di tutte le risorse energetiche non rinnovabili utilizzate nel processo;
  • potenziale di riscaldamento globale (Global Warming Potential – GWP), il quale consente di valutare l’impatto sul riscaldamento globale, stimando la quantità di anidride carbonica equivalente (espressa in tonnellate) derivante da diversi gas serra (CO2, CH4, N2O, ecc.) prodotti.

In Figura 6 sono sintetizzati i risultati ottenuti per ciascun scenario, in relazione agli specifici indicatori di impatto ambientale selezionati, aggregando i contributi derivanti da tutte le unità di processo del sistema (produzione, trasporto, posa in opera e compattazione).

In particolare, è possibile osservare che i consumi di energia, risorse idriche ed emissioni di anidride carbonica sono predominanti nelle fasi di approvvigionamento delle materie prime e produzione dei materiali costituenti, rispetto a quelli derivanti dalle fasi di trasporto e realizzazione.

Sovrastruttura stradale
4. La sovrastruttura stradale dell’unità funzionale considerata nell’analisi [5]

Interpretazione e analisi dei risultati

Sulla base dei risultati ottenuti appare evidente come l’utilizzo di aggregati riciclati in luogo di quelli naturali comporti importanti benefici energetico-ambientali. Infatti, tutti gli scenari alternativi consentono di ottenere performance positive degli indicatori d’impatto analizzati, se comparati con lo scenario di base con soli aggregati vergini (100AG).

A parità di percentuale d’utilizzo, l’impiego di aggregati di recupero (C&D) o, in alternativa di granulato di conglomerato bituminoso (RA), consente di abbattere significativamente il consumo di risorse idriche legato alle fasi di estrazione e lavorazione degli aggregati vergini di cava, arrivando a una riduzione pari al 54% per le miscele costituite esclusivamente da aggregati di recupero o da fresato di conglomerato bituminoso.

Per quanto riguarda i consumi energetici necessari nelle fasi di produzione dei materiali costituenti, si può notare come tutte le miscele alternative a quella con aggregati vergini permettano una riduzione apprezzabile dei carichi energetici.

In dettaglio, le migliori performance ambientali sono state ottenute per quelle miscele che prevedono l’utilizzo di fresato d’asfalto, dove si ha una riduzione del fabbisogno di energia fino al 11% (di cui l’8% nella sola fase di produzione), mentre i benefici sono più contenuti (fino a circa il 4,5%) per le miscele prodotte con aggregati di recupero.

Tale risultato è dovuto principalmente al fatto che i processi di produzione e trattamento del fresato d’asfalto sono più snelli e meno energivori rispetto a quelli necessari per la produzione di aggregati di recupero.

Relativamente alle emissioni di anidride carbonica e alla loro influenza sul potenziale di riscaldamento globale, è stata osservata una contrazione delle emissioni, la quale si enfatizza al crescere della percentuale di aggregati di recupero o di fresato d’asfalto.

Tale risultato è legato in primo luogo all’abbattimento delle emissioni derivanti dalle fasi di trasporto. Anche in questo caso si apprezza una migliore performance per le miscele costituite da fresato d’asfalto, dove si raggiunge una riduzione delle emissioni pari a circa il 5%.

Miscele di misto cementato
5. Le miscele di misto cementato oggetto di studio

Conclusioni

Avvalendosi della metodologia LCA del tipo “Cradle to Gate”, lo studio presentato ha valutato le performance ambientali derivanti dalla realizzazione di un intervento di manutenzione stradale per un’estensione di un chilometro su una strada extraurbana secondaria (Categoria C1).

In particolare, sono stati esaminati gli impatti ambientali di sei scenari, caratterizzati dall’impiego di miscele di misto cementato per lo strato di fondazione, costituite da differenti percentuali di materiali vergini e riciclati ma aventi pari durabilità nel tempo e medesimo livello prestazionale.

Tutti gli scenari alternativi, se confrontati con quello costituito esclusivamente da materie prime, mostrano risultati positivi per tutti gli indicatori di impatto ambientale selezionati. In dettaglio, le migliori performance ambientali sono state ottenute per le miscele prodotte utilizzando esclusivamente aggregati di riciclo: 100RA, 50RA50C&D e 100 C&D.

Tali miscele consentono un abbattimento pari al 54% del consumo di risorse idriche, del consumo di energia primaria, rispettivamente pari a circa il 11%, 8% e 5%, nonché una riduzione delle emissioni di anidride carbonica rispettivamente del 5%, 4% e 3%.

Tali risultati confermano e incoraggiano l’utilizzo e il reimpiego di materiali di riciclo per il confezionamento di miscele cementate nel campo delle infrastrutture stradali, rappresentando una concreta opportunità per il perseguimento degli obiettivi dell’economia circolare.

Performance ambientali
6. Le performance ambientali degli scenari analizzati

Ringraziamenti

L’attività di ricerca presentata nel presente articolo è stata supportata dall’Università della Repubblica di San Marino nell’ambito del Progetto di Ricerca UniRSM 2021: “Riutilizzo dei materiali da demolizione e delle terre da scavo per l’economia circolare delle opere di costruzione e manutenzione delle infrastrutture viarie: sviluppo e proposte di applicabilità nella Repubblica di San Marino”. 

Bibliografia

[1]. A. Balzi, A. Grilli – “Un approccio metodologico per la valutazione dell’impatto ambientale di opere civili”, “Strade & Autostrade” n° 162 Novembre/Dicembre, 2023.

[2]. Grilli A., Balzi A., Ciotti A., Casali M., Chiaruzzi R., “Eco-sustainable solutions for the maintenance of the road pavements in the Republic of San Marino”, https://doi.org/10.5592/CO/cetra.

2022.1486, CETRA 2022, 7th International Conference on Road and Rail Infrastructure, Pula, Croazia, 2022.

[3]. A. Graziani, A. Grilli, C. Mignini, A. Balzi – “Assessing the Field Curing Behavior of Cold Recycled Asphalt Mixtures”, Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2022, Article ID 4157090, 13 pages, 2022, https://doi.org/10.1155/2022/4157090.

[4]. International Organization for Standardization, ISO 14040:2006 – 14044:2006 – Environmental management – Life Cycle Assessment – Principles and Framework, Environmental management – Life Cycle Assessment – Principles and Framework, 2006.

[5]. A. Grilli – “Volume unico per la gestione e la manutenzione delle pavimentazioni stradali”, Centro di Ricerca e Didattica ERMES – Efficient Road Management and Eco-Sustainable Solutions,

Università degli Studi della Repubblica di San Marino, Corso di Laurea in Ingegneria Civile (ISBN 979-12-80232-73-1), 2023.

[6]. Comune di Fano – “Capitolato speciale d’appalto per la manutenzione straordinaria di pavimentazioni stradali”, 2022.

[7]. Comune di Riccione – “Capitolato speciale d’appalto per la manutenzione straordinaria di pavimentazioni stradali”, 2022.

[8]. T. Blomberg, J. Barnes, F. Bernard, P. Dewez, S. Le Clerc, M. Pfitzmann, R. Taylor – “Life Cycle Inventory: Bitumen”, European Bitumen Association: Brussels, Belgium, 2011.

[9]. M.L. Marceau, M.A. Nisbet, M.G. VanGeem – “Life Cycle Inventory of Portland Cement Manufacture”, Portland Cement Association, 2006.

[10]. ELCD, European reference Life Cycle Database of the Joint Research Center, Version 3.2, October 2015, https://nexus.openlca.org/database/ELCD.

[11]. C. Celauro, F. Corriere, M. Guerrieri, B. Lo Casto, A. Rizzo – “Environmental analysis of different construction techniques and maintenance activities for a typical local road”, Journal of Cleaner Production, volume 142, Parte 4, Gennaio 2017 (pp. 3482-3489).

[12]. C. Oreto, F. Russo, R. Veropalumbo, N. Viscione, S.A. Biancardo, G. Dell’Acqua – “Life Cycle Assessment of Sustainable Asphalt Pavement Solutions Involving Recycled Aggregates and Polymers”, Materials 2021, 14, 3867, https://doi.org/10.3390/ma14143867.

[13]. University of California-Berkeley, Recycled Materials Resource Center, https://rmrc.wisc.edu/palate/.

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