Un mondo edilizio senza cemento

L'idea era geniale: La cattedrale gotica di Notre-Dame, nel centro di Losanna, doveva essere ristrutturata utilizzando le pietre che sarebbero state portate alla luce dopo la demolizione di una sovrastruttura in città. La chiesa è stata costruita con pietre locali che ora giacciono sotto la città. "Grazie al cantiere, le risorse sono state di nuovo accessibili per un breve periodo", afferma Guillaume Habert, l'ETH Professor of Sustainable Umwelt und Geomatik. Il progetto viene analizzato da un dottorando supervisionato da Habert e dall'iniziatore dell'idea, un professore di architettura dell'Haute école spécialisée di Ginevra. Tuttavia, una cosa è già chiara: "Il progetto non ha potuto essere realizzato per motivi di tempo", si rammarica Habert. Quando tutto è stato risolto, le pietre del cantiere erano già state distrutte ed erano troppo piccole per la ristrutturazione. "Ma la sensibilizzazione è stata fatta, un primo passo", dice felice. "Forse funzionerà un'altra volta, magari in un'altra città".

Habert si occupa da tempo dell'utilizzo delle risorse locali, soprattutto nelle aree urbane, dove la domanda è particolarmente elevata. Un problema che si ripresenta continuamente è la disponibilità di risorse. La pietra è più che sufficiente per l'Umwelt und Geomatik. Ma nessuno vuole una cava in città. E dove le pietre vengono estratte, nessuno ne ha bisogno. Le conseguenze: lunghi percorsi di trasporto, costi di trasporto elevati, per non parlare dell'impatto ambientale. Per Habert, l'industria delle costruzioni non riguarda tanto la scarsità delle risorse quanto la loro distribuzione.

Una delle risorse locali più importanti per l'Umwelt und Geomatik è il calcestruzzo già utilizzato. Alcuni degli ingredienti - ghiaia, sabbia e cemento - possono infatti essere riutilizzati dopo la demolizione di un edificio. A tal fine, il calcestruzzo demolito viene prima frantumato. La ghiaia e la sabbia possono quindi essere recuperate e utilizzate per la produzione di nuovo calcestruzzo. La polvere risultante è costituita in gran parte da cemento, che ha reagito con l'acqua durante la produzione del calcestruzzo.

"Il riciclo del cemento è più impegnativo, ma particolarmente importante", afferma il professore di Umwelt und Geomatik. Questo perché grandi quantità di anidride carbonica (CO₂) viene prodotta: da un lato quando le due materie prime calcare e argilla vengono riscaldate a 1500 °C e dall'altro attraverso la conversione chimica della calce. Quest'ultima, da sola, produce mezza tonnellata di CO per ogni tonnellata di cemento.₂. Quando si ricicla in una cementeria, la materia prima deve essere nuovamente riscaldata ad alta temperatura per riportarla alla sua forma originale, ma almeno questo non produce emissioni di CO₂ - a condizione che il riscaldamento sia a impatto climatico zero.

Meno cemento, meno CO₂-emissioni

Il cemento è il legante ideale del calcestruzzo, che tiene insieme ghiaia e sabbia quando viene mescolato con l'acqua. Nell'ambito del Programma nazionale di ricerca sulla svolta energetica (PNR), Habert è a capo del progetto "Calcestruzzo a basso consumo energetico", al quale collaborano anche altri scienziati dell'ETH e gruppi di ricerca dell'EPF di Losanna e dell'Empa. L'obiettivo del progetto: un prodotto in calcestruzzo che contenga meno cemento rispetto ai prodotti in calcestruzzo convenzionali, pur mantenendo le stesse proprietà. Già oggi, una parte del cemento utilizzato nella produzione di calcestruzzo viene sostituita con rifiuti provenienti da altre industrie, come quella dell'acciaio e del carbone. Ha proprietà ideali e non può essere riciclato dall'industria manifatturiera. Oggi, questi scarti sostituiscono un buon 30% del cemento nei prodotti di calcestruzzo commerciale.

I ricercatori vogliono ora raddoppiare il contenuto di prodotti di scarto senza compromettere la resistenza meccanica del prodotto finale. Dovrebbe rimanere a 30 megapascal. "Questo permetterebbe di realizzare Umwelt und Geomatik con le stesse dimensioni di oggi, riducendo così le emissioni di CO₂-equilibrio sarebbe significativamente migliore", afferma Habert. Il team sta attualmente caratterizzando e ottimizzando ulteriormente il nuovo calcestruzzo con meno cemento.

Una sfida che i ricercatori si trovano ad affrontare ripetutamente è l'interazione del calcestruzzo a basso cemento con altri materiali, come l'acciaio d'armatura che viene gettato con il calcestruzzo durante la costruzione. Se il calcestruzzo non contiene abbastanza cemento puro, l'acciaio arrugginisce troppo rapidamente. "Queste strutture in cemento armato sarebbero meno durevoli, e questo ovviamente non può essere il nostro obiettivo", riassume Habert. Oltre a ottimizzare il nuovo calcestruzzo, gli scienziati stanno quindi sviluppando alternative all'acciaio di rinforzo. Insieme, stanno cercando alternative antiruggine come i polimeri di fibra di carbonio o le fibre sintetiche. "La mia attenzione si concentra sull'impatto ambientale di questi materiali", afferma Habert. Egli analizza le emissioni di CO₂-I partecipanti hanno analizzato l'impronta di carbonio delle varie tecnologie e hanno mostrato dove ci sono opportunità per ottimizzare l'impronta.

Nel Campus Hönggerberg, per esempio, quest'estate è stata realizzata la "Casa delle risorse naturali" sotto la direzione di Andrea Frangi, che è sia un edificio per uffici che un laboratorio di ricerca. Durante la costruzione, il calcestruzzo non è stato gettato con l'acciaio, ma con il legno. "La combinazione di cemento e legno è ideale. Perché non c'è il rischio che il materiale si corroda", afferma Guillaume Habert.

Approccio radicale

Un altro approccio di ricerca di Guillaume Habert è molto più radicale: il calcestruzzo con argilla al posto del cemento. Poiché il materiale da costruzione non viene riscaldato ad alte temperature e quindi non si innescano reazioni chimiche, è molto più ecologico. Ma ha anche i suoi svantaggi: La resistenza meccanica è circa dieci volte inferiore, a soli 3 megapascal, rispetto al calcestruzzo convenzionale con cemento. "Questo tipo di calcestruzzo non è quindi adatto alle stesse applicazioni", spiega Habert. Un'opzione potrebbe essere quella di utilizzare il calcestruzzo senza cemento solo per le pareti non portanti. Solo in questo modo si potrebbe ridurre significativamente il consumo di cemento.

Il gruppo di ricerca di Habert sta attualmente lavorando per ottimizzare non solo il materiale in sé, ma anche il suo utilizzo in cantiere. Quando il nuovo tipo di calcestruzzo viene versato nella cassaforma e si asciuga, si formano ancora delle fessure. I ricercatori stanno quindi lavorando per modificare chimicamente le proprietà superficiali dell'argilla. L'obiettivo è che il calcestruzzo possa essere lavorato senza cemento entro tre ore, proprio come l'originale. Negli esperimenti, il calcestruzzo senza cemento si asciuga dopo soli 30 minuti. Si tratta di un tempo troppo breve per il trasporto e la lavorazione. Anche una cassaforma speciale con pori permeabili all'acqua potrebbe essere d'aiuto.

Tuttavia, Habert è consapevole che un nuovo materiale da costruzione ha una chance sul mercato solo se le competenze convenzionali dell'industria edilizia sono ancora richieste. "Quasi nessuno è disposto a pagare di più per un'edilizia ecologica", afferma Habert.

La prossima generazione

Anche gli studenti di Habert dovrebbero imparare questo. Per questo motivo, quest'anno ha organizzato la scuola estiva "Grounded Materials" insieme alla Scuola universitaria Ensag di Grenoble e al TdLab del Dipartimento di scienze dei sistemi ambientali dell'ETH. Gli studenti dell'ETH hanno affrontato la domanda: come si possono portare da Zurigo materiali locali ed ecologici all'industria edilizia locale? Nel corso di due settimane, gli studenti dei Dipartimenti di architettura, scienze dei materiali, scienze dei sistemi ambientali e Dipartimento di ingegneria civile, ambientale e geomatica hanno identificato le barriere che impediscono la diffusione dei materiali da costruzione locali. Su questa base, hanno sviluppato strategie per rendere tali materiali attraenti per gli stakeholder. L'attenzione non si è concentrata su dati tecnici fondamentali come la resistenza del calcestruzzo o le emissioni di CO₂-Il programma non era incentrato sul bilancio, ma piuttosto sulle discipline della sociologia, dell'economia e della comunicazione.

Guillaume Habert è molto soddisfatto di aver sensibilizzato le nuove generazioni su questi temi. "Per me, come geologo, le risorse sono inizialmente qualcosa di fisico: in un luogo e in una certa quantità", riassume. "Ma ogni volta che c'è un'interfaccia tra l'ambiente e la società, è lì che inizia a diventare interessante": come si può utilizzare la risorsa? Dove si trova? E dove è necessaria? Chi sa come usarla? Quanto costa? Anche i suoi studenti hanno imparato quest'estate che si tratta di domande importanti.