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Calcestruzzo poroso per pavimentazioni pedonali

I materiali stradali permeabili possono costituire uno strumento per la mitigazione degli effetti critici meteoclimatici

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Per la foto di sfondo, photo credit: www.betonella.com

Nelle aree urbane, le pavimentazioni stradali costituiscono una superficie impermeabile pressoché continua che impedisce l’infiltrazione dell’acqua nel terreno. Questa condizione amplifica gli effetti delle piogge intense provocando frequenti allagamenti e, a volte, vere e proprie inondazioni.

Un recente studio condotto da Buroni su alcuni quartieri della città di Roma ha dimostrato che solo il 20% della superficie è permeabile. In tali condizioni, in media il 55% dell’acqua piovana ruscella sulle strade e solo il 15% si infiltra nel terreno.

La rete stradale, considerando la sua grande estensione e capillare distribuzione in ambito urbano, potrebbe svolgere un ruolo chiave nella mitigazione delle conseguenze dell’urbanizzazione e degli effetti dei cambiamenti climatici.

L’impiego di pavimentazioni porose può contribuire a ridurre il tasso di impermeabilizzazione delle superfici e in particolare quelle in calcestruzzo, essendo di colore chiaro, possono concorrere a mitigare anche gli effetti delle isole di calore.

  • pavimentazioni pedonali
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    (photo credit: www.betonrossi.it)
  • Prestazioni strutturali
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    Prestazioni strutturali, funzionali e ambientali dei materiali per le pavimentazioni pedonali
  • materiali
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    I sistemi operativi di una pavimentazione porosa: la restituzione dell’acqua alle falde acquifere (a sinistra) e la raccolta dell’acqua nei bacini di ritenzione (a destra)

Il calcestruzzo poroso può essere considerato infatti un materiale “freddo” (ad esempio, pietre bianche, prato rinforzato, terreno, griglie per pavimentazioni in erba, pietra chiara, ciottoli, ghiaia, legno, calcare e blocchi autobloccanti permeabili), secondo quanto definito dal Decreto italiano sui criteri ambientali minimi richiesti per la valutazione delle offerte per i lavori pubblici.

Il Decreto, per i progetti di nuovi edifici pubblici o ristrutturazioni urbane, richiede una superficie permeabile (ad esempio superfici verdi, marciapiedi ad elementi discontinui, ecc.) non inferiore al 60% di quella complessiva del progetto e, per le superfici pedonali e ciclabili urbane, l’uso di materiali porosi con un indice di riflessione solare non inferiore a 29.

Nelle aree pedonali e nei parchi urbani, le tipologie di pavimentazioni più diffuse sono:

  • ghiaia o terreno naturale: composto da aggregati di dimensione 6-20 mm, steso in uno strato di spessore di 4-8 cm, compattato a rullo in modo da avere una superficie regolare. Il materiale è caratterizzato da un contenuto di vuoti non superiore al 20% e un coefficiente di deflusso variabile tra 0,30 e 0,50. Questo tipo di pavimentazione ha un basso livello di servizio;
  • asfalto colato: è una miscela composta da un legante bituminoso, filler e polvere minerale riscaldata e miscelata a caldo. Viene steso manualmente direttamente sul sottofondo. La miscela, avendo un basso contenuto di vuoti e un alto contenuto di bitume (superiore all’8%), può essere soggetta ad essudazione. Questo materiale viene steso in uno strato di spessore non superiore a 30 mm e costituisce un rivestimento continuo e impermeabile;
  • mastice d’asfalto: è una miscela bituminosa che, essendo composta da aggregato monogranulare, ha contenuto di vuoti pari a 10-15%. Il mastice viene steso su uno strato inferiore impermeabile e compattato;
  • elementi modulari in pietra: sono utilizzati per pavimentazioni pedonali e urbane a basso traffico nei centri storici dove è importante l’impatto architettonico e ambientale;
  • prato rinforzato: è una superficie permeabile composta da un manto erboso rinforzato da moduli prefabbricati o autobloccanti in materiale plastico. Questi sistemi, per il piccolo spessore e l’elevata deformabilità che li caratterizza, hanno una scarsa capacità portante. La loro permeabilità dipende dalla geometria e dalla struttura degli elementi e dal materiale di riempimento;
  • calcestruzzo poroso: la pavimentazione è composta da uno strato di 8-10 cm di calcestruzzo poroso caratterizzato da un contenuto di vuoti pari a 15-25% gettato su una fondazione in misto granulare. Questa tecnologia è impiegabile su sottofondi non sensibili all’acqua;
  • masselli in calcestruzzo: i giunti presenti nella pavimentazione consentono il passaggio dell’acqua. Come per il calcestruzzo poroso, sono necessarie adeguate condizioni degli strati sottostanti per la raccolta e lo smaltimento dell’acqua piovana;
  • griglie in calcestruzzo: sono elementi modulari a celle aperte inerbite. Con questo sistema, fino al 40% della superficie pavimentata potrebbe essere permeabile.

Negli ultimi anni, l’uso del calcestruzzo poroso si sta diffondendo nelle aree antropizzate, viste le sue caratteristiche fisiche. In particolare, le prestazioni termiche dei materiali di pavimentazione sono ormai considerate da molti Ricercatori una sfida strategica per prevenire le isole di calore urbano.

Alcune ricerche sperimentali condotte su pavimentazioni in calcestruzzo, sia monolitico che modulare, e conglomerati bituminosi, sia porosi che convenzionali hanno dimostrato che quelle in calcestruzzo poroso sono l’unica tipologia di pavimentazione “fredda” in grado di ridurre la temperatura dell’aria al di sopra della superficie stradale.

Caratteristiche tecniche e funzionali delle pavimentazioni in calcestruzzo poroso

La miscela di calcestruzzo poroso è costituita dagli stessi componenti del calcestruzzo convenzionale, ma in proporzioni diverse:

  • aggregati: la granulometria degli aggregati è tipicamente costituita da una o due pezzature di aggregato grosso variabile tra 9-19 mm. La quantità di aggregato fino, in genere sempre inferiore al 10% in peso dell’aggregato totale, viene definita come giusto compromesso per aumentare la resistenza del calcestruzzo senza ridurre troppo le proprietà drenanti del materiale;
  • cemento: si possono utilizzare vari tipi di cemento, purché compatibili con le esigenze di progetto. La quantità del cemento influenza la resistenza a compressione e il contenuto dei vuoti: il contenuto ottimale dipende dalle dimensioni e dalla granulometria degli aggregati e varia tra 260 e 415 kg/m3. Il rapporto aggregato-cemento varia tra 4:1 e 10:1 diminuendo la resistenza a compressione e aumentando il tasso di permeabilità;
  • acqua: il rapporto acqua/cemento generalmente varia tra 0,28 e 0,45;
  • additivi: sono utilizzati per ottenere o migliorare proprietà specifiche della miscela. Gli additivi più usati sono i modificanti della viscosità, del contenuto d’aria occlusa, i ritardanti e gli agenti di riduzione dell’acqua. Al fine di migliorare l’inserimento architettonico della pavimentazione nell’ambiente circostante, possono essere aggiunti pigmenti nella miscela fresca.

La resistenza a compressione del calcestruzzo permeabile varia generalmente tra 4 e 28 MPa, la resistenza a flessione tra 2 e 4 MPa: questi valori sono inferiori a quelli del calcestruzzo tradizionale a causa della porosità del materiale.

Tale materiale è perciò adatto a pavimentazioni a basso traffico come aree pedonali e ciclabili, o aree in cui solo occasionalmente è ammesso il transito di veicoli pesanti. L’acqua piovana che si infiltra nel materiale può essere gestita secondo due approcci:

  • l’acqua è libera di arrivare alle falde acquifere sotterranee se il suolo naturale è permeabile e l’acqua non trasporta sostanze inquinanti (ad esempio particelle e metalli pesanti, polveri dalle pastiglie dei freni, depositi di pneumatici, gocce di olio, combustibile, grasso, antigelo, fluidi idraulici e detergenti) che potrebbero contaminare l’ambiente idraulico e marino;
  • l’acqua di ruscellamento viene raccolta in bacini di ritenzione per la gestione di solidi e inquinanti sospesi.

Questa soluzione è quella maggiormente usata nel caso delle strade, nelle cui acque di deflusso possono essere presenti, insieme ai contaminanti atmosferici, elevate concentrazioni di inquinanti nocivi. Talvolta, le pavimentazioni porose sono impiegate proprio come filtri per catturare gli inquinanti e trattare l’acqua.

Il secondo sistema, frequentemente adottato nelle aree urbane con lastre in calcestruzzo di spessore 10 cm e porosità media pari al 20%, ha una capacità di stoccaggio di 2 cm. Pertanto, può diventare un bacino temporaneo di raccolta e stoccaggio dell’acqua piovana e ridurre la pressione sul sistema fognario.

La distribuzione capillare di aree pedonali urbane potrebbe avere un ruolo strategico per mitigare il rischio di alluvioni: mentre acquedotti e camere di ritenzione idrica, pur essendo grandi strutture di stoccaggio sotterraneo, costituiscono un approccio puntuale di gestione dell’acqua piovana, una rete di pavimentazione porosa offre un sistema esistente, continuo e distribuito.

  • Masselli
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    Gli schemi di interconnessione fra gli elementi di pavimentazione
  • Permeabilità
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    La composizione dei masselli
  • blocchi
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    La permeabilità e la composizione dei blocchi

Nel caso di pavimentazioni a elementi modulari, la disposizione in pianta degli elementi stessi influenza sia la risposta strutturale che la permeabilità della pavimentazione.

La progettazione di tali pavimentazioni in aree condivise segue gli stessi criteri adottati per tutte le altre pavimentazioni a elementi modulari: analisi dei carichi di traffico, identificazione della capacità portante del sottofondo, verifica dei danni da fatica nei materiali legati e rottura dei materiali non legati.

Inoltre, è necessario verificare la compartecipazione verticale, rotazionale e orizzontale degli elementi poiché una adeguata interconnessione fra i blocchi previene il decadimento prematuro della pavimentazione.

I carichi verticali e le forze orizzontali indotte dalla frenata e dall’accelerazione dei veicoli provocano spostamenti dei masselli indipendentemente dal modello di posa originale. Per tale motivo, gli spazi tra i giunti di larghezza 3-5 mm devono essere adeguatamente sigillati per garantire la durabilità della pavimentazione.

La composizione a fughe parallele offre le peggiori prestazioni meccaniche in termini di fatica e ormaiamento, mentre gli schemi a spina di pesce garantiscono i migliori risultati in termini di durata.

Variando la disposizione dei masselli e la posizione dei distanziatori, anche i masselli non forati possono raggiungere elevati valori di permeabilità. Infine, non può essere trascurata l’influenza dell’ostruzione dei vuoti sull’efficienza nel tempo delle pavimentazioni in calcestruzzo poroso.

Le principali cause di intasamento sono sia i sedimenti superficiali o di percolazione che permangono nei pori durante il ruscellamento sia i danni strutturali che provocano la chiusura dei pori.

Risulta pertanto decisivo per il drenaggio dell’acqua all’interno del materiale sia la definizione della curva granulometrica sia la posa in opera, nonché la pulizia programmata per mantenere nel tempo la capacità drenante. 

Conclusioni

Ondate di calore e temporali, che sempre più frequentemente si verificano come conseguenza dei cambiamenti climatici, impongono la necessità di ripensare i metodi costruttivi e di manutenzione nelle aree urbane, dove il crescente sviluppo ha causato nel corso degli anni una drastica riduzione delle superfici di drenaggio naturali, con effetti visibilmente negativi per il deflusso e il drenaggio delle acque superficiali.

Le superfici impermeabili, tra cui le pavimentazioni stradali, aumentano il flusso d’acqua nei sistemi fognari e – poiché la maggior parte delle nostre città è ancora servita da un’unica rete di drenaggio, che raccoglie il deflusso delle acque piovane e delle acque reflue – aumenta il pericolo di alluvione con conseguente rigurgito dei sistemi fognari.

Infine, le pavimentazioni impermeabili influenzano l’intero ecosistema: le falde acquifere sotterranee non vengono correttamente alimentate e, poiché le superfici stradali sono spesso costituite da materiali scuri, esse contribuiscono in modo significativo alla formazione delle isole di calore urbane.

Diversi materiali per pavimentazioni stradali potrebbero rispondere all’esigenza di permeabilità e mitigazione delle isole di calore. In particolare, il calcestruzzo per le aree pedonali aiuta a ridurre gli effetti termici grazie al suo elevato Indice di Riflessione Solare (SRI), classificandosi come superficie “fredda” rispetto alle pavimentazioni composte da miscele bituminose.

Per le miscele porose, questa prestazione termica è ulteriormente migliorata dalla porosità: quando la temperatura della pavimentazione aumenta, l’acqua dei pori evapora e sottrae calore alla pavimentazione, riducendo la sua temperatura superficiale.

Per quanto riguarda la gestione delle acque piovane, potrebbero essere perseguiti due approcci di progettazione: il ritorno dell’acqua alle falde acquifere sotterranee o la raccolta dell’acqua nei bacini di ritenzione.

Il secondo è più efficace per la gestione dei solidi e degli inquinanti sospesi ed è la scelta più frequentemente adottata per le superfici stradali. La diffusione di questo approccio per le pavimentazioni delle aree pedonali e a basso traffico potrebbe incrementare fino al 6% le superfici permeabili nelle aree urbane dove le superfici permeabili sono in media il 20%.

Sono disponibili diverse soluzioni tecniche sia per le pavimentazioni porose monolitiche che per quelle modulari; entrambe le tipologie consentono di ottenere benefici termici e idraulici nelle aree urbane.

D’altra parte, però qualunque sia la soluzione adottata, bisogna ricordare che i vantaggi delle pavimentazioni porose possono essere azzerati dall’intasamento dei vuoti che ne riduce la permeabilità e, pertanto, occorre sottolineare l’importanza della manutenzione e pulizia programmata della pavimentazione.

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