Comparative life cycle environmental and economic performance of concrete with non-corrosive reinforcements : an Italian case study

Construction sector and, in particular, traditional concrete structure are responsible for major environmental impacts. In the present thesis, the adoption of innovative reinforced concrete mixes was investigated in terms of environmental and economic benefits. In particular, the use of high-durability reinforcing bars (i.e., Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) and Stainless Steel), combined with non-conventional mixing materials (e.g., seawater and Reclaimed Asphalt Pavement), was analyzed in terms of Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Costing. An Italian culvert exposed to de-icing salts and constructed with both traditional and innovative mixes was adopted as case study for the analysis. Results highlighted the environmental and economic benefits of selecting high-durability reinforcements: when the entire life cycle of the structure was considered, a reduction in the number of repairing operations led to minor costs and lower environmental impacts compared to traditional reinforced concrete structure. In particular, GFRP proved to be the reinforcing material with highest environmental and economic performances in chlorinated aggressive environments. A sensitivity analysis was performed to investigate the relevance of GFRP reinforcing ratio on LCA and LCC results; doubling the amount of GFRP and maintaining fixed the amount of steel, GFRP reinforcements didn’t result the material with the highest environmental performance, in this case stainless steel reinforcements were preferred. LCC results, doubling the amount of GFRP showed that GFRP reinforcements remained a preferred solution with respect to stainless steel rebars. Seawater for mixing sharply reduced the water footprint of concrete considering the same reinforcement type. Furthermore, the use of reinforced concrete in coastal areas made combining seawater and high-durability rebars determined a reduction of water footprint with respect to the use of a conventional reinforced concrete considering the entire life cycle of the structure.

Il settore delle costruzioni e, in particolare, le tradizionali strutture in calcestruzzo sono responsabili di elevati impatti ambientali. Nel presente lavoro di tesi, è stato analizzato in termini ambientali ed economici l’utilizzo di materiali innovativi per la produzione di calcestruzzo armato. In particolare, è stato studiato l’utilizzo di barre da rinforzo ad elevata durabilità (i.e. GFRP e acciaio inossidabile) combinate a calcestruzzi realizzati con miscele non convenzionali (i.e. acqua di mare e Reclaimed Asphalt Pavement) utilizzando il Life Cycle Assessment (LCA) e il Life Cycle Costing (LCC). Un canale di scolo costruito in Italia con materiali tradizionali ed innovativi ed esposto all’utilizzo di sali antigelo è stato utilizzato come caso di studio per la presenti analisi. I risultati ottenuti mostrano l’importanza dell’utilizzo di armature ad elevata durabilità: quando si considera l’intero ciclo di vita della struttura il numero di interventi di riparazione diminuisce determinando una riduzione dei costi e degli impatti ambientali rispetto ad una tradizionale struttura in cemento armato. Il GFRP risulta il materiale da rinforzo con la più alta prestazione ambientale ed economica in ambienti aggressivi ricchi di cloruri. E’ stata inoltre eseguita un’analisi di sensitività per valutare l’importanza del rapporto di rinforzo delle barre in GFRP sugli impatti ambientali ed economici; raddoppiando la quantità di GFRP nel calcestruzzo e mantenendo costante la quantità di barre in acciaio, il GFRP mostra impatti maggiori e l’acciaio inossidabile risulta il materiale da rinforzo con le maggiori prestazioni ambientali. I risultati dell’LCC ottenuti raddoppiando il contenuto di GFRP mostrano invece che rimane il materiale da rinforzo con la più alta prestazione economica. Infine, è stato studiato l’utilizzo dell’acqua di mare nella miscela del calcestruzzo ottenendo una netta riduzione della water footprint rispetto ad un calcestruzzo tradizionale. Inoltre, l’utilizzo di calcestruzzi armati in zone costiere realizzati con acqua di mare e barre ad elevata durabilità determinano una riduzione della water footprint rispetto all’utilizzo del calcestruzzo armato tradizionale.