Life cycle assessment of CO₂ uptake in cement-based materials: experimental data, modelling and environmental

Abstract

Il programma sperimentale ha valutato quattro miscele di malta: una malta di riferimento, due malte modificate con biochar, contenenti biochar in dosaggi equivalenti rispettivamente al 5% e al 10% della massa del cemento, e una malta con RCA, nella quale l’aggregato fine naturale è stato completamente sostituito con aggregato di calcestruzzo riciclato. Il programma sperimentale ha valutato quattro miscele di malta: una miscela di riferimento a base di cemento Portland ordinario (OPC), due miscele di malta contenenti biochar in dosaggi equivalenti rispettivamente al 5% e al 10% della massa del cemento, e una miscela di malta con RCA, nella quale l’aggregato naturale è stato completamente sostituito con aggregato di calcestruzzo riciclato. Nelle miscele contenenti biochar, il contenuto di cemento è stato mantenuto costante, mentre il contenuto di aggregato naturale è stato ridotto per compensare l’aggiunta di biochar. Le prove di resistenza a flessione e a compressione hanno mostrato che la malta modificata con il 10% di biochar ha raggiunto i valori medi più elevati tra le miscele analizzate, con una resistenza a compressione di 21,71 MPa e una resistenza a flessione di 4,61 MPa. La malta con RCA ha evidenziato prestazioni meccaniche inferiori, compresa una riduzione di circa il 53% della resistenza media a flessione rispetto alla malta di riferimento. Poiché la miscela con RCA conteneva anche una quantità di cemento inferiore rispetto alla miscela di riferimento, le sue prestazioni rappresentano la risposta combinata dell’intera formulazione della miscela, anziché l’effetto isolato della sostituzione con RCA. È stata inoltre condotta un’analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment, LCA) mediante OpenLCA, al fine di valutare le prestazioni ambientali dei quattro scenari di miscela. Il beneficio climatico attribuito al biochar è stato rappresentato mediante un credito basato sull’inventario, associato allo stoccaggio del carbonio biogenico.

The experimental program evaluated four mortar mixtures: a reference mortar, two biochar-modified mortars incorporating biochar at dosages equivalent to 5% and 10% of the cement mass, and an RCA mortar in which the natural fine aggregate was fully replaced with recycled concrete aggregate. The experimental program evaluated four mortar mixtures: a reference ordinary Portland cement (OPC) concrete, two biochar-containing mortar mixtures incorporating biochar at dosages equivalent to 5% and 10% of the cement mass, and an RCA mortar mixture in which the natural aggregate was fully replaced with recycled concrete aggregate. In the biochar mixtures, the cement content was maintained constant, while the natural aggregate content was reduced to accommodate the added biochar. Flexural and compressive strength tests showed that the 10% biochar-modified mortar achieved the highest mean compressive strength of 21.71 MPa and flexural strength of 4.61 MPa among the investigated mixtures. The RCA mortar exhibited lower mechanical performance, including an approximately 53% reduction in mean flexural strength relative to the reference mortar. Because the RCA mixture also contained a lower cement content than the reference mixture, its performance represents the combined response of the complete mixture design rather than the isolated effect of RCA replacement. A complementary Life Cycle Assessment (LCA) was conducted using OpenLCA to evaluate the environmental performance of the four mixture scenarios. The climate benefit assigned to biochar was represented through inventory-based credit associated with biogenic carbon storage. This mechanism is distinct from mineral CO₂ uptake through carbonation of cementitious phases, which was not directly measured in the experimental program. Under the assumptions adopted in the LCA model, the 10% biochar mixture exhibited an approximately 42% lower net Global Warming Potential (GWP) than the reference mixture.