Materiali da costruzione: Le emissioni nette pari a zero sono sufficientemente sostenibili?
Per diventare più sostenibile, l'industria delle costruzioni ha finalmente bisogno di previsioni affidabili sulla vita utile degli edifici, afferma Ueli Angst. Egli è favorevole a un cambiamento di paradigma nella previsione a lungo termine del cemento armato.
L'industria delle costruzioni sta cambiando. Digitalizzazione, decarbonizzazione e fabbricazione assistita da robot sono tendenze che stanno avendo un impatto duraturo sulla ricerca e sulla pratica. In tutto il mondo e in Svizzera1 Si stanno sviluppando nuovi materiali e metodi di costruzione per conservare le risorse, ridurre le emissioni e automatizzare i processi di costruzione.
La vita utile estremamente lunga delle strutture di ingegneria civile rappresenta una sfida particolare. Gli ingegneri devono garantire che ponti, dighe e gallerie rimangano durevoli su orizzonti temporali dell'ordine di un secolo. Questo rende difficile imparare dagli errori in una fase iniziale. Le conoscenze sulle prestazioni effettive di un materiale o di un nuovo metodo di costruzione sono spesso disponibili solo decenni dopo la costruzione.
Per questo motivo abbiamo bisogno di previsioni affidabili a lungo termine. Altrimenti, corriamo il rischio che le strutture costruite oggi e in futuro siano prematuramente vittime di segni di invecchiamento indesiderati. Il problema è che i modelli di previsione per le strutture di ingegneria civile sono ancora agli inizi.
Corrosione dell'acciaio nel calcestruzzo
L'industria del calcestruzzo è un esempio significativo. Il calcestruzzo è il materiale più prodotto e causa circa il triplo delle emissioni di CO2 come l'aviazione. L'industria del calcestruzzo si è posta l'obiettivo di ridurre le emissioni di CO2-Ridurre le emissioni di carbonio a zero entro il 2050.2La ricerca di alternative rispettose del clima, come i cementi a basse emissioni o il riciclaggio dei materiali di demolizione, è in corso a pieno ritmo.3 Ma quali di questi nuovi materiali da costruzione sono davvero i più sostenibili a lungo termine?
Il tallone d'Achille delle strutture in cemento armato è la corrosione dell'acciaio di armatura. La corrosione è spesso causata dai sali antighiaccio che penetrano attraverso il calcestruzzo poroso e attaccano l'armatura: L'acciaio arrugginisce e il calcestruzzo si sgretola. La corrosione è il meccanismo di danneggiamento più comune nell'ingegneria civile e causa costi enormi: in Svizzera circa 1000 franchi al minuto solo per le infrastrutture stradali.4 Le previsioni sulle condizioni e sulla sicurezza degli edifici sono quindi di importanza centrale. Purtroppo, i modelli di previsione oggi disponibili sono in grado di prevedere in modo affidabile la corrosione dell'acciaio nel calcestruzzo solo in misura limitata.
L'attenzione sbagliata impedisce il progresso
In una recente pubblicazione di Perspective5 Insieme a ricercatori nordamericani ed europei, ho analizzato criticamente lo sviluppo storico della previsione scientifica dei danni da corrosione. Abbiamo scoperto che tutti i modelli di previsione esistenti si basano su un unico concetto teorico che semplifica la vita utile del cemento armato come un processo a due fasi: Nella prima fase, l'ambiente nel calcestruzzo cambia; nella seconda fase, l'acciaio di armatura si corrode.
Questo concetto ha dominato la ricerca per decenni senza che le previsioni diventassero significativamente più accurate. La nostra analisi dimostra che la predominanza di questo concetto agisce come un collo di bottiglia e blocca fatalmente lo sviluppo di nuovi approcci previsionali.
"Nonostante l'entusiasmo per le emissioni nette pari a zero, non dobbiamo perdere di vista il lungo termine, che va oltre il 2050. Ciò che costruiamo oggi deve essere durevole, sicuro e sostenibile anche per le generazioni future".Ueli Angst
Gli attuali modelli di previsione si concentrano sulla prima fase, in cui i processi avvengono prima ancora che si verifichi la corrosione delle armature. Questi modelli si basano in gran parte sull'esperienza empirica con i precedenti materiali da costruzione e hanno una validità molto limitata, soprattutto per i nuovi materiali. Inoltre, anche le normative e i metodi di prova odierni si basano sul paradigma tradizionale e possono essere applicati ai nuovi materiali da costruzione solo in misura limitata. Peggio ancora, queste normative spesso penalizzano i materiali da costruzione moderni e a basse emissioni nell'uso pratico, il che è estremamente deplorevole.
La ricerca e la pratica devono essere ripensate
Sono quindi convinto che sia necessario un cambiamento di paradigma nella previsione della corrosione. La scienza e la pratica ingegneristica dovrebbero abbandonare il "concetto di bifase" e concentrarsi invece sulla corrosione stessa. Abbiamo bisogno di modelli scientificamente validi che prevedano in modo affidabile l'effettivo danno da corrosione e i suoi effetti sul comportamento portante di una struttura, sia per i vecchi che per i nuovi materiali da costruzione.
Strumento di previsione all'avanguardia
I vantaggi di migliori modelli di previsione sarebbero notevoli. Consentirebbero una manutenzione più proattiva delle nostre infrastrutture che invecchiano sempre di più, determinando il momento giusto per le riparazioni - non troppo tardi e non troppo presto. La manutenzione delle infrastrutture è una delle principali sfide che tutti i Paesi industrializzati devono affrontare. Senza progressi nella diagnostica e nella previsione, è difficile portare a termine questo compito immane senza compromettere la sicurezza o la disponibilità delle strutture.6
Previsioni precise della corrosione sono anche la chiave per una maggiore sostenibilità nell'ingegneria civile. Dopo tutto, non conta solo l'impronta ecologica al momento della nascita di un edificio, ma anche quella nel corso del suo intero ciclo di vita. Tuttavia, le analisi del ciclo di vita sono difficili se non si conosce la durata della vita.
Gli sforzi per decarbonizzare l'industria delle costruzioni nel prossimo futuro sono estremamente apprezzabili. Nonostante l'entusiasmo per le emissioni nette pari a zero, tuttavia, non dobbiamo perdere di vista la visione a lungo termine che va oltre il 2050. Ciò che costruiamo oggi deve essere sicuro e sostenibile anche per le generazioni future. Solo con i modelli di previsione possiamo prendere oggi le decisioni giuste per il domani e selezionare quelle veramente sostenibili tra la gamma di materiali e processi edilizi promettenti.
Referenze
1 La Svizzera svolge un ruolo importante nella trasformazione dell'industria delle costruzioni, ad esempio attraverso il progetto "La sicurezza del calcestruzzo". pagina esternaCentro nazionale di competenza per la ricerca sulla fabbricazione digitale.
2 Associazione globale del cemento e del calcestruzzo: pagina esternaTabella di marcia per il calcestruzzo a zero emissioni
3 Tra gli esempi, lo spin-off dell'ETH pagina esternaOxara,che pagina esternaProgetto LC3 dell'EPFL, o l'ETH spin-off pagina esternaNuovo forte. Si veda anche questo articolo di NZZ Magazin (01.05.2022): pagina esternaHa un clima e un'impronta devastanti: il calcestruzzo
4 Angst U, Yilmaz D (2020): Costi legati alla corrosione delle strutture ingegneristiche della rete stradale svizzera. doi: pagina esterna10.1002/best.202000004
5 Paura U e tutti. pagina esternaOltre il concetto di soglia del cloruro per la previsione della corrosione dell'acciaio nel calcestruzzo. Applied Physics Review (2022). doi: pagina esterna10.1063/5.0076320
6 I principali Paesi industrializzati si trovano già ad affrontare il progressivo invecchiamento delle infrastrutture. L'emergenza ponti in Germania ne è un esempio impressionante: vedi NZZ (09.03.2022). pagina esternaLa regina delle autostrade ha un infarto: la chiusura del ponte Rahmedetal sta gettando nel caos un'intera regione