Durability and life cycle assessment of pultruded glass fiber reinforced polymer composites applied to building construction

Nowadays the diffusion of Glass Fibre Reinforced Polymers (GFRP) composites in the building sector is a matter of fact. These materials are applied in different field of construction for both structural and infrastructural applications and architectural purposes. In particular it is constantly growing the number of buildings that include parts or even entire systems made of GFRP at the building envelope. Many saw GFRP as the materials that could simultaneously permit the simplification of the construction process and the improvement of long-term building performance. Nevertheless GFRP materials have to be accepted on the basis of the constraints set by the contemporary construction market in which the topic of the sustainability represents a strong requirement. For the purpose of present research the topic of the durability of GFRP has been analyzed in relation to their impacts on the environment through the entire life cycle. These two topics, sustainability and durability, find a contact point in the definition of the service life (for both the material and the components). The service life, on one side, is a direct consequence of the assessment of the aging mechanisms of a material once exposed to the atmosphere but, on the other side, it could influence in deep the entire life cycle and in particular the phases of use and maintenance. Present research investigates, as first, the pultrusion process with the aim of defining the type of modifications that could lead to an improved environmental profile. Secondly the durability of GFRP is studied throughout two experimental investigations. Initially the aging produced on GFRP materials exposed to accelerated aging is compared to the one produced by the natural environment. Both mechanical and aesthetical performance have been assessed. Secondly the Arrhenius methodology has been applied and the service life of the materials has been predicted at the long-term on the basis of short-term data. In conclusion, by applying the outcomes from both the assessment of the environmental profile of the GFRP and the estimation of their service life, a comparative LCA is presented and a pultruded GFRP composite cladding system is confronted with benchmark materials options. Therefore present research is structured according to a logical process that starts with the assessment of the GFRP materials performance, follows with their optimization and concludes with their comparison. This methodology allowed achieving meaningful conclusions and demonstrating that pultruded GFRP composite systems constitute an alternative to traditional cladding products and therefore can be successfully applied in building construction.

Attualmente la diffusione dei compositi GFRP nel settore delle costruzioni rappresenta un dato di fatto. Questi materiali, infatti, sono applicati per uso strutturale, infrastrutturale e con fini architettonici. In particolare è in continuo aumento il numero di edifici che includono parti o addirittura interi sistemi fatti in GFRP con riferimento specifico all´involucro edilizio. A parere di molti i GFRP permettono simultaneamente la semplificazione del processo costruttivo e l´implementazione delle performance dell´edificio a lungo termine. Ad ogni modo i materiali GFRP devono essere accettati in base ai vincoli imposti dall´attuale mercato dalle costruzioni in cui la questione della sostenibilità rappresenta un requisito fondamentale. Ai fini della presente ricerca l´argomento della durabilità dei GFRP è stata analizzata in relazione all´impatto del materiale sull´ambiente attraverso il suo intero ciclo di vita. Questi due argomenti, sostenibilità e durabilità, trovano un punto di contatto nella definizione della vita utile di servizio (sia per i materiali sia per i componenti edilizi). La vita di servizio, da un lato, è una conseguenza diretta della valutazione dei meccanismi di invecchiamento di un materiale quando esposto all´atmosfera ma, dall´altro, può influenzare in maniera consistente il suo ciclo di vita e in particolare le fasi di uso e manutenzione. La presente ricerca indaga, in primis, il processo di pultrusione con l´intento di definire le modifiche che possono portare ad un miglioramento del profilo ambientale. In secondo luogo la durabilità dei GFRP è studiata attraverso due processi sperimentali. In uno di questi il degrado prodotto sui materiali GFRP esposti a un processo di invecchiamento accelerato sono confrontati con quelli prodotti dall´ambiente naturale. In questo caso sia le performance meccaniche sia quelle estetiche sono state analizzate. Successivamente è stato utilizzato un metodo scientifico basato sulla relazione di Arrhenius per definire la vita utile di servizio dei materiali sulla base di dati sperimentali a breve termine. In conclusione, attraverso l´impiego dei risultati della valutazione del profilo ambientale dei GFRP e della stima della loro vita di servizio, un LCA di tipo comparativo è stato eseguito e un sistema di facciata in componenti pultrusi è stato confrontato con opzioni di riferimento esistenti sul mercato. Da un punto di vista metodologico la presente ricerca è strutturata secondo un processo logico che inizia con la valutazione delle performance dei materiali GFRP, prosegue con la loro ottimizzazione e termina con il loro confronto. Questa metodologia ha permesso ci raggiungere risultati significativi e di dimostrare che i sistemi in GFRP pultruso rappresentano un´alternativa reale rispetto ai materiali da costruzione tradizionali e pertanto essi possono essere applicati con successo al settore delle costruzioni.