monica.papini@polimi.it
Gruppo di Ricerca
ANTELMI Matteo
CRISPINO Maurizio
GATTINONI Paola
LONGONI Laura
PAPINI Monica
TORALDO Emanuele
7
ricercatori
Infrastrutture di Trasporto e Geoscienze
Le attività di ricerca contribuiscono alle aree di ricerca del Dipartimento “Sistemi naturali, ambiente e pianificazione del territorio”, “Strutture e infrastrutture” e “Materiali e meccanica dei materiali”. Tutte coerenti con il Piano Strategico Integrato del Politecnico di Milano (Polimi) e mirate ad accrescere l’impatto attraverso un’alta qualità della formazione e della ricerca (nazionale e internazionale), con particolare attenzione al trasferimento tecnologico e alla responsabilità sociale.
La ricerca comprende: progettazione, valutazione economica, costruzione, gestione e manutenzione di infrastrutture di trasporto; sviluppo e implementazione di tecniche e materiali innovativi per le pavimentazioni (elevati standard di performance, durabilità e sostenibilità ambientale); geoscienze e geologia applicata (valutazione, monitoraggio e protezione delle risorse naturali; gestione del rischio idrogeologico legato alla dinamica dei versanti e alle interazioni con le attività antropiche); feedback con la geomatica e le scienze umane.
Nel campo delle geoscienze applicate, la ricerca si sviluppa a partire dalla ricostruzione del modello concettuale geologico e idrogeologico e dalla sua resa attraverso un modello numerico. La gestione delle risorse naturali è orientata a: gestione sostenibile delle risorse idriche sotterranee in mezzi porosi e fratturati/karst, compresi gli aspetti qualitativi e quantitativi; caratterizzazione dei siti contaminati, compresa l’applicazione di tecniche di fingerprinting compositivo e isotopico; valutazione dell’impatto ambientale di sistemi geotermici a bassa entalpia. In materia di rischio geologico e idrogeologico, il gruppo sviluppa metodi e modelli per la previsione, la prevenzione e la gestione dei rischi associati a) alle frane e alla loro interazione con le acque superficiali e sotterranee, compreso lo sviluppo di tecniche di monitoraggio innovative e a basso costo e la gestione delle emergenze, nonché b) ai rischi geologici legati alle strutture e alle infrastrutture, con riferimento fondamentale alla quantificazione dei processi di drenaggio nelle opere sotterranee.
Il gruppo di ricerca è attivamente impegnato nello sviluppo di modelli, metodi e tecnologie innovative finalizzate alla valutazione economica e alla realizzazione di infrastrutture di trasporto (principalmente strade e aeroporti), caratterizzate da elevati livelli di compatibilità ambientale e sostenibilità. Le attività partono dalla valutazione economica dei progetti, considerando le varie fasi del processo di costruzione (studio di fattibilità, fase di progettazione preliminare, fase di progettazione definitiva), e dalla definizione di indicatori e indici di qualità urbana. Il gruppo è inoltre focalizzato sull’Analisi del Ciclo di Vita per il controllo degli effetti delle infrastrutture sulla pianificazione territoriale e sull’ambiente. Per le fasi di valutazione e progettazione, vengono ingegnerizzati metodi, modelli e tecnologie per ottimizzare il feedback tra le esigenze di mobilità e tutti i vincoli ambientali, concentrandosi su: mitigazione dell’impatto (tra cui, ad esempio, visivo, acustico, inquinamento); pavimentazioni sostenibili dal punto di vista ambientale (asfalto a caldo e a freddo, cemento fibrorinforzato, pavimentazioni colorate e in pietra naturale); pavimentazioni polivalenti (pavimentazioni fotocatalitiche, antirumore, antivibranti, piezoelettriche, ad accumulo di calore); pavimentazioni in asfalto riciclato con materiali riciclati, rifiuti di processi industriali e rifiuti in genere.
Le attività di ricerca incorporano elementi di Geomatica per l’acquisizione, il filtraggio, il rendering, l’analisi e la gestione dei dati, così come la valutazione dei feedback con le Scienze Umane.
Il Gruppo è coinvolto in attività sinergiche con altri gruppi all’interno del Dipartimento e con altri Dipartimenti di Polimi. Fa leva su un ampio e consolidato network nazionale e internazionale, che ha portato importanti finanziamenti nell’ambito di programmi competitivi. L’impatto sulla società si misura attraverso la varietà e l’alta qualità delle attività di consulenza e ricerca sviluppate dal gruppo con partner leader del settore industriale e pubblico
Struttura della ricerca
La linea di ricerca si inserisce nella macro-tematica dipartimentale inerente i “MATERIALI E MECCANICA DEI MATERIALI”, i.e., “Materiali innovativi per infrastrutture e strutture”. La ricerca riguarda innanzitutto la caratterizzazione di conglomerati bituminosi per usi particolari. Data la natura di tali materiali e l’estrema variabilità di applicazione, le attività sperimentali sono state effettuate seguendo un approccio mirato di caratterizzazione prestazionale basato sulle peculiari richieste connesse alla specificità d’uso. 
In particolare, le attività di ricerca riguardano: i giunti viscolelastici a tampone per pontistradali, i conglomerati bituminosi per il ripristino di scavi di sottoservizi, le miscele colabili, le pavimentazioni bitume-cemento con aggregati di bassa qualità, le pavimentazioni foto catalitiche, i conglomerati bituminosi con argilla espansa ed i sottoballast ferroviari per linee ad alta velocità, le pavimentazioni resistenti al calore per applicazioni in galleria, le pavimentazioni impermeabili.
Particolare attenzione viene dedicata anche alla caratterizzazione di materiali di scarto e di recupero. L’attività scientifica su tale tema riguarda principalmente le fondazioni in misto cementato con aggregati di riciclo, le fondazioni riciclate in sito, gli sterili da miniera carbonifera per sottofondi stradali, il riciclaggio degli scarti della raccolta differenziata del vetro nei tappeti di usura, l’utilizzo di scorie da termovalorizzatore nel corpo e nella sovrastruttura stradale. Alcune di queste attività hanno portato a risultati attualmente coperti da brevetto. Per quanto riguarda la reologia dei bitumi e dei mastici bituminosi, sono stati oggetto di studio, con approccio reologico, diversi leganti per sigillanti e giunti da ponte a tampone. Attualmente la ricerca è focalizzata sull’effetto delle fibre e dei polimeri di additivazione nei mastici bituminosi. Tutte le ricerche sui materiali sopra descritte si fondano sullo sviluppo di attrezzature e protocolli di prova per indagini di laboratorio. A questo scopo, l’attività di ricerca è stata finalizzata allo sviluppo di prototipi e protocolli per attrezzature da laboratorio, fino alla redazione di standard tecnici.
Attualmente l’impegno scientifico è incentrato sulla definizione di protocolli sia per il controllo speditivo di cantiere di materiali non legati e di conglomerati bituminosi, sia per l’ottimizzazione della compattazione in laboratorio.
Tale linea di ricerca si inserisce nella macro-tematica dipartimentale inerente le “STRUTTURE E INFRASTRUTTURE” ed è finalizzata alla definizione di metodi e tecnologie innovative per la realizzazione, il monitoraggio, la gestione e la manutenzione di infrastrutture caratterizzate da elevati standard prestazionali in termini di durabilità, di compatibilità e sostenibilità ambientale. 
A questo scopo, a livello progettuale la ricerca si dedica allo sviluppo di innovativi percorsi valutativi di carattere interdisciplinare attraverso il ricorso del metodo e della tecnica di “Gestione e Analisi del Valore” nell’ambito anche di una revisione della normativa tecnica esistente in ambito nazionale ed europeo. Per quanto riguarda le metodologie di manutenzione, la ricerca affronta tale problematica in ambito sia aeroportuale sia stradale. In ambito aeroportuale sono stati studiati e messi a punto materiali e soluzioni mirate in grado di coniugare le esigenze di manutenzione straordinaria con quelle di sicurezza operativa proprie dell’ambito aeroportuale. A tale scopo sono state studiate diverse soluzioni oggetto in parte di pubblicazione e in parte di brevetto. In ambito stradale, la ricerca riguarda principalmente la mappatura dei dissesti con metodi speditivi, la catalogazione degli stessi e la definizione delle più opportune modalità di ripristino. Inoltre, l’interesse è stato rivolto agli aspetti della viabilità urbana, definendo degli indicatori di priorità di intervento non solo basati sul degrado delle pavimentazioni, ma anche su elementi propri del contesto cittadino.
La linea di ricerca si inserisce nella macro-tematica dipartimentale inerente ai “SISTEMI NATURALI, AMBIENTE E TERRITORIO”, i.e., “Gestione delle risorse naturali”. La ricerca parte dalla modellazione concettuale e numerica della circolazione idrica sotterranea, in mezzi sia continui (alluvionali) che fessurati e doppio porosi (fratturati e carsici). La modellazione del flusso idrico sotterraneo è finalizzata alla risoluzione di problemi applicativi, quali la valutazione delle interazioni tra circolazione idrica superficiale e profonda, 
con particolare riferimento alla definizione degli scambi tra corsi d’acqua e falde, nonché la prevenzione dal depauperamento quali quantitativo. La modellazione numerica del flusso è anche finalizzata alla valutazione dell’impatto ambientale, e specificatamente idrogeologico, nell’uso dei sistemi geotermici a bassa entalpia, nonché a quello connesso all’escavazione di inerti sotto falda e alla conseguente riqualificazione delle aree di cava.
A questo scopo, la modellazione del flusso è spesso associata a quella del trasporto. In tale ambito, particolare attenzione viene dedicata alla modellazione numerica del trasporto di LNAPL e DNAPL con un duplice obiettivo:
(1) identificare i parametri idrogeologici e le caratteristiche chimico-fisiche dei contaminanti obiettivo da utilizzare nella modellizzazione di NAPL, così da poter quantificare il tempo di risposta critico in caso di perdite e prevedere l’evoluzione del pennacchio anche in funzione della quantità di contaminante versato;
(2) selezionare le tecnologie (incluse quelle geofisiche) per monitorare (in continuo e non) la presenza di idrocarburi nel sistema suolo, al fine di progettare un sistema di Early Warning in prossimità dei centri di pericolo. Inoltre , per lo studio e la caratterizzazione dei fenomeni di contaminazione delle acque sotterranee si applicano e si sviluppano tecniche di fingerprinting composizionale ed isotopico. Parte della ricerca è dedicata all’analisi dell’influenza che la marea ha sullo sviluppo del condotta la modellazione densità dipendente per studiare i fenomeni di intrusione salina in acquiferi costieri, mostrando anche l’influenza che il fluido a diverse densità (acqua salata) può avere nel trasporto dei contaminanti. A questo scopo si utilizzano codici di calcolo sia agli elementi finiti (Feflow) che alle differenze finite (Modflow Seawat), in grado di simulare flusso e trasporto dipendenti dalla densità, nel saturo e nel non saturo. Infine, un’altra parte della ricerca è dedicata all’analisi dell’influenza che la marea ha sullo sviluppo del cono di intrusione salina e dell’interfaccia acqua dolce-acqua salata e come la variazione del livello piezometrico del mare influenzi la distribuzione della contaminazione che si muove verso di esso. In particolare, si è approfondito il concetto di dispersività apparente legato alla variazione in modulo e verso della velocità di flusso della falda in prossimità della costa a causa proprio dei fenomeni di marea. Attualmente la ricerca si focalizza sulla gestione quantitativa delle risorse idriche sotterranee costiere e l’individuazione di tecnologie che permettano di minimizzare il fenomeno di intrusione e massimizzare i quantitativi di acqua estratti.
La linea di ricerca si inserisce nella macro-tematica dipartimentale inerente i “SISTEMI NATURALI, AMBIENTE E TERRITORIO”, i.e., “Rischio geologico e idrogeologico”. In particolare, il gruppo sviluppa metodi e modelli per la previsione, prevenzione e gestione dei rischi connessi alla franosità dei versanti e alla loro interazione con le acque superficiali e sotterranee, inclusi lo sviluppo di tecniche di monitoraggio innovative e low-cost e la gestione dell’emergenza, ma anche i rischi geologici connessi alla realizzazione di strutture e infrastrutture
, con particolare riferimento alla quantificazione dei processi di drenaggio effettuati dalle opere in sotterraneo. Per quanto riguarda la franosità dei versanti, la ricerca si è incentrata su problematiche relative alla Protezione Civile, con riferimento alle attività sia di Previsione e Prevenzione che di Gestione del rischio. In questo senso, la ricerca è stata innanzitutto finalizzata alla definizione di metodologie per cartografia del rischio geologico e idrogeologico, con riferimento alle diverse tipologie di cinematismo (dalle frane di crollo, alle colate detritiche ai cinematismi complessi), inclusi i fenomeni di piping.
Nell’ambito della previsione e prevenzione, la ricerca si è concentrata sulla modellazione concettuale e numerica di versanti instabili, con particolare focus sugli effetti prodotti dalla circolazione idrica sotterranea in condizioni di stabilità (suscettibilità idrogeologica al franamento), nonché sugli effetti di scala associati alla modellazione numerica e l’individuazione della quantità di informazioni ottimale. Per le frane di crollo particolare attenzione è stata dedicata alla progettazione e installazione di reti sperimentali di monitoraggio sismico passivo, con raccolta ed elaborazione automatizzata dei dati e valutazione dell’effetto di piogge, cicli di gelo disgelo e crioclastismo. Sempre nell’ambito delle frane si sta sperimentando l’impiego delle fibre ottiche per il monitoraggio del dissesto idrogeologico avvalendosi di interrogatori low cost. L’obiettivo è quello di individuare segnali precursori di instabilità nelle frane superficiali.
L’attività viene svolta sia sul campo sia nel Laboratorio GAP2 del Politecnico di Milano, dove è stato realizzato un franometro per simulare eventi franosi superficiali. Per quanto concerne l’erosione dei versanti e il trasporto solido in alveo, si sono implementati modelli distribuiti semi automatici basati su logiche GIS, per la valutazione dell’impatto di fenomeni diffusi e concentrati, con integrazione tra processi di versante e processi in alveo e sperimentazione di strumenti di misura innovativi sviluppati in collaborazione con ISS technology – start up del Politecnico di Milano. Per quanto riguarda la valutazione del rischio associato a opere in sotterraneo, la ricerca si è dedicata alla valutazione del rischio geologico e idrogeologico a fini progettuali, con particolare riferimento alle interazioni tra le acque sotterranee e le opere in sotterraneo in area urbana, nonché alla previsione delle venute d’acqua in galleria, in particolare negli ammassi rocciosi carbonatici. Inoltre, sono state studiate metodologie atte a ridurre il rischio idrogeologico e geologico in galleria utilizzando approcci innovativi e impiegando modelli numerici per ricostruire lo stato tensa-deformativo degli ammassi rocciosi. Queste metodologie sono state applicate alle miniere dismesse, che rappresentano un vero e proprio problema di protezione civile.
