Restoring Urban Soils After Desealing: Functional Recovery and Circular Reuse of Recycled Aggregates

Urban soils play a fundamental role in sustaining biodiversity, regulating hydrological and biogeochemical cycles, and supporting vegetation growth. However, the increasing human pressure of the last century has led to a critical loss of essential soil functions in urban environments, impairing ecosystem stability and resilience. Among the various anthropogenic threats, soil sealing represents one of the most severe causes of soil degradation and land take in Europe. This thesis investigates soil desealing (or depaving) as a tool for restoring urban soil functionality, and evaluates the environmental suitability of recycled aggregates (RAs) derived from construction and demolition waste (CDW) as soil constituent materials in desealed site, within a circular economy perspective. The work adopted a multidisciplinary approach combining field monitoring and controlled laboratory experiments to assess pedoclimatic dynamics, soil physicochemical properties, microbial communities, phytotoxicity, and plant responses. The overall aim is understanding early soil recovery processes after desealing and identifying potential constraints related to the incorporation of RAs in soil. A field experiment conducted at Porto di Mare (Milan, Italy) assessed the combined effects of desealing, the application of concrete-based RAs, compost amendment, and vegetation establishment. Results showed that desealing effectively promotes soil restoration by improving pedoclimatic conditions, and that RAs, combined with compost addition and vegetation sowing, can support plant growth without inducing adverse effects on soil chemistry, bacterial communities, or percolation water quality. To further assess the effects and potential risks of RA use in soil, an indoor mesocosm experiment was carried out, under controlled conditions, at the University of Aveiro (Portugal). The experiment demonstrated that the incorporation of different RAs type, recycled concrete aggregates (RCA) and reclaimed asphalt pavement (RAP), induced material-specific changes in soil physicochemical properties, microbial activities, and early-stage plant development. Finally, a rhizobox experiment investigated the effects of increasing concrete-based RA concentration on plant development, revealing concentration-dependent responses, that led to biomass reduction and adaptive shifts in resource allocation and root morphology. Overall, this research provides new insights into soil functional recovery following desealing, as well as the environmental suitability of using RAs from demolition waste for soil reconstruction and urban greening. It demonstrates that combining desealing with circular reuse of these materials, carefully selected and applied, enhances both ecological recovery and resource efficiency.

I suoli urbani svolgono un ruolo fondamentale nel sostenere la biodiversità, regolare i cicli idrologici e biogeochimici e supportare la crescita della vegetazione. Tuttavia, l’intensificarsi delle pressioni antropiche nel corso dell’ultimo secolo ha progressivamente compromesso le principali funzioni del suolo in ambito urbano, con riducendo la stabilità e la resilienza degli ecosistemi. Tra le minacce di origine antropica, l’impermeabilizzazione rappresenta una delle più rilevanti cause di degrado e consumo di suolo in Europa. La presente tesi esamina la depavimentazione (o desealing) quale strategia per il ripristino della funzionalità dei suoli urbani e, in un’ottica di economia circolare, valuta l’idoneità ambientale degli aggregati riciclati (recycled aggregates, RAs) derivanti dai rifiuti da costruzione e demolizione come materiali costituenti il suolo nei siti depavimentati. Lo studio utilizza un approccio multidisciplinare che integra monitoraggi in campo ed esperimenti di laboratorio in condizioni controllate, al fine di analizzare le dinamiche pedoclimatiche, le proprietà fisico-chimiche del suolo, le comunità microbiche, la fitotossicità e la crescita della vegetazione. L’obiettivo è comprendere i processi di recupero del suolo depavimentato e di individuare eventuali limiti e criticità associati all’impiego degli aggregati riciclati nel suolo. Un esperimento in campo presso il sito di Porto di Mare (Milano, Italia) ha permesso di analizzare gli effetti combinati del desealing, dell’applicazione di aggregati riciclati a base cementizia, dell’aggiunta di compost e dell’insediamento della vegetazione. I risultati dimostrano che la depavimentazione promuove un efficace ripristino delle funzionalità del suolo attraverso il miglioramento delle condizioni pedoclimatiche e che l’utilizzo degli aggregati riciclati, consente l’insediamento e lo sviluppo della vegetazione senza determinare effetti negativi sulle proprietà chimiche del suolo, sulle comunità batteriche o sulla qualità delle acque di percolazione. Al fine di valutare gli effetti di specifiche tipologie di aggregati riciclati e i potenziali rischi associati al loro uso nel suolo, è stato condotto un esperimento in condizioni controllate, mediante l’uso di mesocosmi, presso l’Università di Aveiro (Portogallo). I risultati mostrano che aggregati riciclati di diversa origine, in particolare aggregati riciclati di calcestruzzo e conglomerato bituminoso riciclato, determinano effetti differenti sulle proprietà fisico-chimiche del suolo, sull’attività microbica e sulla crescita delle piante, in funzione della tipologia di materiale. Infine, un esperimento in rhizobox ha permesso di valutare gli effetti di concentrazioni crescenti di aggregati riciclati a base cementizia sullo sviluppo delle piante, evidenziando risposte dose-dipendenti, caratterizzate da una riduzione della biomassa e adattamenti funzionali e morfologici dell’apparato radicale. Nel complesso, questa ricerca contribuisce ad ampliare le conoscenze sui processi di recupero funzionale del suolo conseguenti alla depavimentazione e sull’idoneità ambientale degli aggregati riciclati per la ricostruzione dei suoli e il rinverdimento urbano. I risultati suggeriscono che l’integrazione del desealing con il riutilizzo circolare di tali materiali, se adeguatamente selezionati e gestiti, può contribuire in modo significativo sia al recupero ecologico sia a un uso più efficiente delle risorse negli ambienti urbani.