Ecco il Calcestruzzo pieghevole, la vera arma per strutture durevoli e antisismiche

I ricercatori dell’Università del New Mexico (UNM) hanno raggiunto un’importante pietra miliare nell’innovazione edilizia, brevettando un materiale in calcestruzzo pieghevole progettato per la stampa 3D.

Armato di una stampante 3D per calcestruzzo e di strumenti di misurazione avanzati, il team del Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale di Gerald May sta affrontando sfide di lunga data nella costruzione e nella manutenzione delle infrastrutture.

Il nuovo materiale, un materiale cementizio ultra-duttile auto-rinforzato, potrebbe aprire la strada a edifici e ponti più sicuri e resistenti, riducendo in modo significativo la necessità di riparazioni frequenti.

Ripensare l’edilizia tradizionale

I metodi di costruzione tradizionali spesso richiedono macchinari pesanti e lavoro manuale per posizionare le travi in acciaio o legno, un processo non solo costoso ma anche pericoloso. Maryam Hojati, professore assistente all’UNM, sta guidando gli sforzi per automatizzare e innovare questo processo con la stampa 3D.

Il calcestruzzo, pur essendo forte in compressione, è notoriamente fragile in tensione. Questa caratteristica porta a crepe frequenti e a una manutenzione continua, sia per i marciapiedi che per gli edifici o i ponti. “Il calcestruzzo di per sé non mostra alcuna proprietà di trazione, il che significa che se si ha un pezzo di calcestruzzo e si inizia a tirarlo, può facilmente rompersi. È un materiale molto fragile”, ha spiegato Hojati.

I disastri naturali, come i terremoti e i venti forti, amplificano il problema. Queste forze mettono in tensione le strutture, esponendo ulteriormente le debolezze del calcestruzzo. “Il materiale deve resistere sia alla tensione che alla compressione. Il calcestruzzo è un ottimo materiale per la compressione, ma quando si tratta di tensione è un materiale debole”, ha aggiunto.

A livello mondiale, i ricercatori hanno lavorato per risolvere questi problemi, ma le attuali tecniche di stampa 3D si basano ancora su rinforzi tradizionali, come travi o armature, che limitano il pieno potenziale di automazione della stampa 3D.

Stampa a 3D del nuovo cemento pieghevole

La scienza alla base del calcestruzzo pieghevole

I ricercatori dell’UNM hanno sviluppato una soluzione che affronta questi limiti. Il dottorando Muhammad Saeed Zafar ha creato una miscela di materiali che è allo stesso tempo forte e flessibile. “Se parliamo di stampa 3D o di produzione additiva nel campo dei metalli e della plastica, siamo a uno stadio molto avanzato, ma la stampa del calcestruzzo è ancora in fase di sviluppo”, ha osservato Zafar.

La nuova sostanza integra un’alta concentrazione di fibre polimeriche, che forniscono sia resistenza alla trazione che flessibilità. “Grazie all’incorporazione di grandi quantità di fibre polimeriche corte in questo materiale, può tenere insieme tutto il calcestruzzo quando viene sottoposto a qualsiasi carico di flessione o tensione”, ha detto Hojati.

Il materiale brevettato, sviluppato in collaborazione con Zafar e il ricercatore Amir Bakhshi, offre quattro miscele distinte, con capacità di deformazione fino all’11,9% superiore rispetto ai materiali convenzionali. Questa miscela mantiene la viscosità necessaria per una stampa 3D fluida senza intasare l’ugello.

Raggiungere questo equilibrio non è stato facile. I test hanno comportato la stampa di piccole strutture come prismi e a forma d’osso, seguita da una rigorosa valutazione della resistenza alla flessione e alla trazione. Sono stati testati diversi materiali, tra cui alcool polivinilico, fumo di silice, cenere volante e fibre di polietilene ad altissimo peso molecolare.

“Lo scopo fondamentale di questo lavoro è stato quello di affrontare il problema dell’armatura nella stampa 3D del calcestruzzo”, ha spiegato Zafar. “Affermiamo che la stampa 3D del calcestruzzo è un processo automatizzato. Ma i metodi di armatura convenzionali compromettono l’automazione di questo processo”.

Un nuovo modo di costruire

La scoperta apre la strada a un nuovo modo di costruire per due motivi: prima di tutto permetterà di costruire stutture armate molto più resistenti alle sollecitazione anche in trazione, quindi anche ai fenomeni telluric; quindi il fatto che sia studiata per la costruzione con stampante 3D fa si che anche le tecniche costruttive verranno rivoluzionate.

Le implicazioni di questa scoperta si estendono ben oltre la Terra. Agenzie spaziali come la NASA stanno esplorando la stampa 3D come soluzione per la costruzione di habitat su altri pianeti. Il trasporto di pesanti travi d’acciaio e di grandi lavoratori nello spazio è impraticabile, il che rende i materiali innovativi come il calcestruzzo curvabile dell’UNM un potenziale cambiamento.