Il calcestruzzo è un materiale ampiamente utilizzato nell'edilizia per la costruzione di edifici e strutture, lo è stato fin dai tempi antichi e continua ad esserlo al giorno d'oggi. I cambiamenti climatici in atto impongono tuttavia una riflessione sul suo impiego, considerando il fatto che è responsabile fino al 9% delle emissioni globali di gas serra.
Un team di ricercatori dell'Università della Pennsylvania ha pubblicato su Advanced Functional Materials uno studio in cui si descrivono le caratteristiche di un nuovo tipo di calcestruzzo ecosostenibile ottenuto combinando la stampa 3D con l'architettura fossile di alghe microscopiche. Capace di catturare fino al 142% in più di CO2 rispetto alle miscele tradizionali, è un composto che mantiene tuttavia inalterate le capacità di resistenza alla compressione e alla tensione pur contenendo il 60% in meno di cemento.
L'elemento che rende efficiente questo tipo di calcestruzzo è la terra di diatomee, materiale di riempimento dalla consistenza fine, porosa e spugnosa ricavato da microrganismi fossilizzati. Il suo impiego
- migliora la stabilità e la resistenza del materiale
- consente di intrappolare l'anidride carbonica nelle numerose piccole aree all'interno della sua struttura porosa
Kun-Hao Yu, prima firma del paper, spiega come si sia partiti da un semplice concetto: fare in modo che la miscela di ghiaia, cemento e acqua abbia proprietà di cattura del carbonio. Per comprendere il comportamento del calcestruzzo nelle fasi di miscelazione e stampa si è affidato alla reologia, disciplina che studia le proprietà di scorrimento dei materiali:
Il calcestruzzo non è come i materiali di stampa convenzionali. Deve scorrere fluidamente sotto pressione, stabilizzarsi rapidamente dopo l'estrusione e poi rinforzarsi costantemente durante l'indurimento.
Parallelamente è stato considerato l'utilizzo della terra di diatomee, fossile di alghe microscopiche risalenti al Cretaceo (145 milioni di anni fa) responsabili della produzione del 25% di ossigeno immesso in atmosfera. La terra di diatomee viene ampiamente utilizzata come additivo per terreni e nei filtri per piscine. I ricercatori hanno scoperto che i pori interni
- formano una rete ideale per la diffusione della CO2 all'interno della struttura
- migliorano l'assorbimento di CO2
- migliorano la resistenza meccanica
Ciò che ci ha sorpreso di più è stato che, nonostante l'elevata porosità che normalmente ostacola lo stress, il materiale è diventato più resistente assorbendo CO2.
Una volta identificato il materiale, l'attenzione si è spostata sulla sua forma. Ci si è affidati alla statica grafica poliedrica, metodo che mappa le distribuzioni di forza tramite la geometria. La scelta è ricaduta sulle superfici minime triplamente periodiche (TPMS, Triply Periodic Minimal Surface), forme prive di spigoli e interruzioni presenti in ossa, barriere coralline e stelle marine. Tale struttura è capace di auto-sostenersi nonostante la sua alta porosità.
Le forme ottenute sono state suddivise digitalmente in strati stampabili. Ciascun componente ottenuto è stato sottoposto a test di resistenza (compressione e trazione). Ciò che si è ottenuto è stata una struttura con
- 68% in meno di materiale rispetto al calcestruzzo tradizionale
- 500% in più di rapporto superficie/volume
- 90% della resistenza alla compressione rispetto al calcestruzzo tradizionale
- 32% in più di assorbimento della CO2 per unità di cemento
Ora il team di ricerca sta testando il materiale a grandezza naturale, e prevede di utilizzarlo soprattutto per le infrastrutture marine come le barriere coralline artifichali. In futuro non è da escludere la possibilità che il cemento venga eliminato del tutto, sostituendolo con scarti o altri materiali meno impattanti sull'ambiente.
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