Strategie di riduzione del consumo di acqua dolce nel settore edile : water footprint e carbon footprint del calcestruzzo con acqua di mare e aggregati marini

To ensure access to clean water for everyone is among the sustainable development goals promoted by the United Nations. Water scarcity, strictly linked to global warming, is one of the main hindrances to reach this goal. One way to increase the availability of clean water for human consumption in regions affected by water scarcity might be to reduce the amount of freshwater used for industrial purposes. Although rarely assessed, construction industry is a major consumer of water resources. Concrete, i.e. the most used construction material, consumes water in different stages of its life-cycle: from the extraction and processing of the raw constituents (i.e. cement and aggregates) to the final mixing. In the present thesis, the adoption of innovative concrete mixtures was investigated in order to estimate the potential freshwater savings. In particular, using seawater, instead of freshwater, and marine aggregates, instead of land-won ones, in concrete mix design was examined. The goal of the study was to assess the water footprint of traditional vs. innovative mixtures via the Life Cycle Assessment (LCA) tool. The approach adopted was from cradle to gate and the functional unit considered was one cubic metre of unreinforced concrete delivered to the construction site. To improve the validity of the analysis, the applicability to a real context (i.e. Italy) using georeferenced data for the distance to the coastline and the availability of freshwater was explored. In parallel, the carbon footprint of the different mixtures was also assessed to investigate a possible burden shifting. Results confirmed the positive effect that the use of seawater might have in reducing the water footprint of the Italian construction sector, leaving freshwater available for human consumption. Importing seawater from the coast to the batching plants in regions next to the sea and characterized by severe water stress (i.e. Abruzzo and Sicily), could indeed reduce the water footprint of concrete by 6 to 12%. On the other hand, a minimal increase of the total carbon footprint (i.e. less than 2%) was registered. This positive effect would not occur in Lombardy, a region with greater water availability and located far from the sea. About the introduction of marine aggregates, a trade-off would occur: the significant decrease in the water footprint would always be accompanied by an increase in the carbon footprint. Nevertheless, the use of seawater and marine aggregates would most likely shorten the corrosion initiation time of the carbon steel bars, typically employed as reinforcing elements in the concrete structures. Therefore, the use of alternative non-corrosive reinforcing elements (e.g. stainless steel or fibre reinforced polymers bars) would be necessary to guarantee a longer service life of the material. A more comprehensive life cycle assessment, including the reinforcing elements and considering other environmental impact categories, needs to be carried out.

Assicurare a tutti l’accesso all’acqua potabile è uno degli obiettivi dello sviluppo sostenibile promossi dalle Nazioni Unite. La scarsità idrica, strettamente collegata al cambiamento climatico, è uno dei maggiori ostacoli al raggiungimento di questo obiettivo. Una possibile via per aumentare la quantità di acqua potabile disponibile per il consumo umano nelle regioni affette da scarsità idrica potrebbe consistere nel ridurre il quantitativo di acqua dolce usato per scopi industriali. Anche se ad oggi poco analizzato, il settore delle costruzioni è uno dei maggiori consumatori di risorse idriche. Il calcestruzzo, il materiale da costruzione più utilizzato al mondo, consuma acqua in diverse fasi del suo ciclo di vita: dall’estrazione e lavorazione delle materie prime (aggregati e cemento) alla miscelazione finale. Nel presente lavoro di tesi, si è valutata l’adozione di una miscela innovativa per il calcestruzzo, al fine di stimarne il potenziale risparmio di acqua dolce. In particolare, si è analizzato l’utilizzo di acqua di mare, in sostituzione di quella dolce, e di aggregati marini, al posto di quelli estratti sulla terraferma, nell’impasto del calcestruzzo. Lo scopo dello studio è quello di valutare la water footprint del calcestruzzo con acqua di mare e di quello con acqua di mare e aggregati marini, confrontandolo con quello tradizionale, tramite lo strumento dell’Analisi del Ciclo di Vita (Life Cycle Assessment, LCA). Si è scelto di adottare un approccio “dalla culla al cancello”, considerando come unità funzionale di riferimento un metro cubo di calcestruzzo non rinforzato consegnato al cantiere. Per migliorare la validità dell’analisi, si è esplorata l’applicabilità ad un contesto reale, cioè l’Italia, utilizzando dati georeferenziati per valutare la distanza dalla linea di costa e la disponibilità idrica locale. Parallelamente, si è analizzata la Carbon Footprint delle tre ricette, al fine di investigare possibili “burden shifting”. I risultati ottenuti mostrano che la sostituzione dell’acqua dolce con acqua di mare nell’impasto del calcestruzzo porterebbe ad una considerevole riduzione dell’impronta idrica (tra il 6% e il 12%) a fronte di un lieve incremento dell’impronta di carbonio (sempre inferiore al 2%) nelle regioni caratterizzate da un forte stress idrico e situate vicino alla costa, quali Sicilia e Abruzzo; mentre non sarebbe vantaggiosa in Lombardia, regione con maggiore disponibilità idrica e lontana dal mare. Per quanto riguarda l’introduzione di aggregati marini, si verificherebbe un trade-off: il consistente decremento dell’impronta idrica sarebbe sempre accompagnato da un aumento dell’impronta di carbonio. Occorre tuttavia tenere in considerazione il fatto che l’introduzione di materiali contaminati da cloruri abbrevierebbe il tempo di innesco della corrosione delle barre in acciaio al carbonio, tipicamente impiegate come elementi di rinforzo nelle strutture in calcestruzzo. Per questo, sarebbe necessario l’utilizzo di elementi di rinforzo non corrodibili (es. acciaio inossidabile e barre in polimero rinforzato con fibre di vetro), al fine di garantire un maggiore tempo di vita utile del materiale. Sarebbe pertanto interessante eseguire un’analisi del ciclo di vita più completa, includendo gli elementi di rinforzo e considerando altre categorie di impatto ambientale.