Il settore delle costruzioni sta attualmente affrontando due grandi sfide:la domanda di infrastrutture sostenibili e la necessità di riparare gli edifici in degrado, ponti e strade. Mentre il calcestruzzo è il materiale di scelta per molti progetti di costruzione, ha una grande impronta di carbonio, con conseguente elevato spreco e dispendio energetico. Oggi, i ricercatori segnalano progressi verso un materiale da costruzione sostenibile realizzato con il suolo locale, utilizzando una stampante 3D per creare una struttura portante.

I ricercatori presenteranno oggi i loro risultati all'American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"L'impatto ambientale del settore delle costruzioni è un problema di crescente preoccupazione, "dice Sarbajit Banerjee, dottorato di ricerca, ricercatore principale del progetto. "Alcuni ricercatori si sono rivolti alla produzione additiva, o strutture edilizie strato per strato, cosa che spesso viene eseguita con una stampante 3D. Quel progresso ha iniziato a trasformare questo settore in termini di riduzione degli sprechi, ma anche i materiali utilizzati nel processo devono essere sostenibili".

Per esempio, i progetti di costruzione che utilizzano strati estrusi di calcestruzzo hanno evidenziato il potenziale della produzione additiva per la costruzione di strutture in modo rapido ed economico. Però, la produzione di calcestruzzo è responsabile di circa il 7% delle emissioni di anidride carbonica secondo l'Agenzia internazionale per l'energia, e non possono essere riciclati.

"Storicamente, gli umani costruivano con materiali di provenienza locale, come Adobe, ma il passaggio al cemento ha sollevato molti problemi ambientali, "dice Aayushi Bajpayee, uno studente laureato nel laboratorio di Banerjee alla Texas A&M University. Presenta il lavoro all'incontro. "Il nostro pensiero era di tornare indietro nel tempo e trovare un modo per adattare i materiali dei nostri cortili come un potenziale sostituto del cemento".

Un vantaggio dell'utilizzo del suolo locale nella costruzione è che i materiali non dovrebbero essere fabbricati e trasportati in cantiere, riducendo sia i costi che i danni ambientali. Banerjee e Bajpayee affermano anche che la produzione additiva con il suolo potrebbe un giorno essere utilizzata oltre la Terra, per creare insediamenti sulla luna o anche su Marte.

Il suolo è tipicamente classificato dagli strati di materiali che comprende, iniziando con lo strato organico superiore dove crescono le piante e terminando con il duro substrato roccioso della crosta terrestre. Sotto lo strato organico iniziale c'è argilla, che dà al suolo la sua plastica, carattere modellabile che i ricercatori hanno sfruttato nel loro progetto.

I ricercatori hanno iniziato raccogliendo campioni di terreno dal cortile di un collega e adattando il materiale con un nuovo additivo ecologico in modo che si legasse insieme e potesse essere facilmente estruso attraverso la stampante 3D. Poiché i terreni variano notevolmente in base alla posizione, il loro scopo era quello di avere un "toolkit" di chimica in grado di trasformare qualsiasi tipo di terreno in materiale da costruzione stampabile. Da lì Bajpayee ha costruito strutture di prova su piccola scala, cubi che misurano due pollici su ciascun lato, per vedere come si è comportato il materiale quando viene estruso in strati sovrapposti.

Il passo successivo è stato quello di garantire che la miscela fosse portante, il che significa che resisterà al peso degli strati ma anche ad altri materiali utilizzati nella costruzione come tondo per cemento armato e isolamento. Per aiutare con questo, i ricercatori hanno rafforzato la miscela di argilla "zippando" gli strati microscopici sulla sua superficie per evitare che assorba l'acqua e si espanda, che comprometterebbe la struttura stampata. Con questo metodo, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale può contenere il doppio del peso rispetto alla miscela di argilla non modificata.

Prossimo, il team prevede di migliorare le capacità portanti del suolo al fine di ampliare le proprie strutture di prova e avvicinarsi il più possibile a un sostituto del calcestruzzo. Inoltre, stanno raccogliendo dati per vedere se queste strutture stampate in 3D sono rispettose dell'ambiente come immaginano, soprattutto in termini di impronta di carbonio e potenziale di riciclaggio. Una volta che hanno un quadro migliore della chimica, funzionalità e fattibilità di costruire con suoli locali, hanno in programma di esplorare ulteriormente come questa tecnologia può essere utilizzata al di fuori del nostro pianeta.