Il calcestruzzo, simbolo senza tempo delle attività umane legate al mondo delle costruzioni è diventato un nemico. Responsabile di circa il 9% delle emissioni globali di gas serra, questo materiale resta indispensabile alla crescita urbana. Per questo motivo si sono moltiplicate le ricerche finalizzate ad aumentare la sostenibilità di questo materiale.
Un gruppo interdisciplinare dell’Università della Pennsylvania, che riunisce ingegneri dei materiali, architetti e designer, ha sviluppato un calcestruzzo sostenibile di nuova generazione: una miscela 3D stampabile a base di terra fossile di diatomee capace non solo di ridurre l’uso di cemento ma, anche di assorbire attivamente anidride carbonica dall’ambiente circostante.
Dalle diatomee alla stampa 3D, la soluzione per la decarbonizzazione
La chiave del nuovo composto è la diatomite (o diatomaceous earth), una sostanza ricavata dai gusci fossilizzati di microalghe silicee. Utilizzata finora come additivo agricolo o filtrante, questa polvere porosa si è rivelata ideale anche per la produzione di un calcestruzzo a basso impatto ambientale.
“La struttura porosa e simile a una spugna della diatomite non solo migliora la stabilità del calcestruzzo durante l’estrusione attraverso l’ugello della stampante 3D, ma offre anche numerosi siti per intrappolare l’anidride carbonica,” spiegano i ricercatori nel loro studio, pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials.
Il risultato è un materiale che, pur utilizzando meno cemento, raggiunge resistenze a compressione comparabili al calcestruzzo tradizionale, ma con una cattura di CO2 superiore del 142%.
Materiali resistenti ispirazione dalle barriere coralline
Uno dei dati più interessanti emersi durante i test riguarda la resistenza del nuovo materiale. In genere, l’aumento della porosità comporta una riduzione della resistenza meccanica. Ma in questo caso il risultato ha ribaltato le previsioni. “La struttura diventava più forte nel tempo,” afferma Shu Yang, docente e coautrice dello studio.
Ottimizzando ulteriormente la geometria del materiale, il team ha ottenuto ”un’ulteriore conversione della CO2 del 30%,” il tutto mantenendo prestazioni strutturali in linea con gli standard del comparto edilizio.
Un triplice vantaggio
L’aspetto geometrico del calcestruzzo sostenibile così stampato in 3D è altrettanto fondamentale. Il calcestruzzo è stato modellato secondo la cosiddette superfici minime tripla periodica (TPMS), forme matematicamente complesse ma presenti in natura, tipiche delle ossa, dei coralli o delle stelle marine. “Le forme sono complesse, ma naturalmente efficienti in quanto massimizzano la superficie e la rigidità geometrica riducendo al minimo l’impiego di materiale”, spiega Masoud Akbarzadeh, coautore senior e professore associato di architettura. “In natura, forma e funzione sono inscindibili, quindi volevamo applicare questo principio alla disposizione di questi materiali”.
Sfruttando i principi della matematica e dalla statica, i ricercatori sono riusciti a mappare le distribuzioni di forza all’interno delle strutture, realizzando un calcestruzzo sostenibile in grado di autosostenersi, anche in presenza di sporgenze importanti, mantenendo una porosità ottimale per la diffusione del CO2.
Le applicazioni future
Dopo la fase di sperimentazione, il team ha iniziato a lavorare su applicazioni su larga scala, come pannelli strutturali, facciate e pavimentazioni. Il materiale ha mantenuto il 90% della resistenza a compressione rispetto al calcestruzzo tradizionale “pieno”, ed ha ottenuto un ulteriore 30% di conversione nella cattura di CO2 per unità di cemento.
In parallelo all’edilizia, si studiano anche applicazioni in ambito marino, grazie alla compatibilità ecologica del materiale.
Un’altra direzione è la combinazione di questo materiale con alternative più green rispetto al cemento Portland, come i leganti alternativi come composti di magnesio o sistemi alcalini.