La stampa 3D trasforma i residui della bauxite in un materiale da costruzione senza cemento Portland
Un geopolimero per la stampa 3D edilizia sviluppato in Irlanda
Un gruppo di ricercatori della School of Engineering del Trinity College Dublin ha messo a punto un materiale geopolimerico privo di cemento Portland e adatto alla stampa 3D di elementi per l’edilizia. La miscela, caratterizzata da una colorazione rosso-bruna, contiene residui provenienti dalla raffinazione della bauxite, il minerale utilizzato per produrre allumina e, successivamente, alluminio.
La sperimentazione è stata condotta negli impianti di Harcourt Technologies Ltd., indicata anche con il marchio HTL.tech, con il contributo dei tecnici dell’azienda. Durante la prova il materiale è stato miscelato, pompato, trasportato fino alla testa di estrusione e depositato in strati sovrapposti mediante un sistema di stampa 3D per costruzioni.
La miscela non contiene cemento Portland. Oltre il 30% dei componenti con funzione legante deriva da residui industriali locali che, in assenza di un impiego alternativo, dovrebbero essere trattati, conservati in strutture dedicate oppure conferiti in discarica.
Il progetto combina quindi due linee di ricerca: la riduzione dell’impiego di clinker nella produzione dei materiali da costruzione e la valorizzazione dei residui generati dall’industria dell’alluminio.
Le organizzazioni coinvolte nel progetto
La ricerca è stata coordinata dal Trinity College Dublin, università irlandese con sede a Dublino, attraverso la propria School of Engineering. La responsabile scientifica citata nella presentazione del progetto è Sara Pavia, docente di ingegneria civile e studiosa dei materiali da costruzione a ridotto impatto ambientale.
La prova di stampa su larga scala è stata realizzata con Harcourt Technologies Ltd., società irlandese specializzata nella stampa 3D per costruzioni, nella consulenza tecnica e nello sviluppo di materiali stampabili.
Harcourt Technologies Ltd. collabora con COBOD International, produttore danese di sistemi robotizzati per la stampa 3D edilizia, ed è distributore delle tecnologie di COBOD International nel Regno Unito e in Irlanda. Le informazioni diffuse sul progetto del geopolimero non specificano però il modello preciso della stampante impiegata nella dimostrazione. Non è quindi possibile attribuire con certezza la prova a una determinata macchina di COBOD International.
Non sono stati comunicati i nomi dell’azienda che ha prodotto il residuo di bauxite, dei fornitori degli attivatori alcalini o di eventuali produttori degli altri componenti della miscela. Queste imprese non possono quindi essere identificate sulla base delle informazioni pubbliche disponibili.
Che cosa sono i residui della raffinazione della bauxite
La bauxite è la principale materia prima utilizzata per produrre allumina, un ossido di alluminio dal quale viene ricavato l’alluminio metallico. Nelle raffinerie, il minerale viene trattato attraverso il processo Bayer, che separa i composti di alluminio dalla parte non utilizzabile del minerale.
Il materiale che rimane dopo l’estrazione dell’allumina viene chiamato residuo di bauxite. È conosciuto anche come fango rosso per la sua colorazione, dovuta soprattutto alla presenza di ossidi di ferro.
La composizione varia in funzione del giacimento di origine e del processo industriale. Il residuo può contenere ossidi di ferro, alluminio, silicio, titanio, calcio e sodio, oltre a quantità minori di altri elementi.
Uno dei principali problemi riguarda l’alcalinità del materiale appena prodotto. Il residuo può conservare una parte delle sostanze alcaline utilizzate durante la raffinazione e deve quindi essere gestito con procedure controllate. Prima di essere trasformato in una materia prima per l’edilizia, può richiedere trattamenti di disidratazione, neutralizzazione, lavaggio, macinazione o stabilizzazione.
La gestione avviene di norma in bacini o aree di stoccaggio progettate per contenere il materiale e impedire contaminazioni del suolo e delle acque. La crescita della produzione mondiale di alluminio rende necessario individuare impieghi industriali capaci di assorbire quantità rilevanti di questi residui senza compromettere la sicurezza e le prestazioni dei prodotti finali.
Secondo le valutazioni dell’International Aluminium Institute, la quantità globale accumulata potrebbe raggiungere circa 10 miliardi di tonnellate entro il 2050. L’utilizzo nei materiali cementizi rappresenta una delle principali possibilità studiate dall’industria, insieme al recupero di metalli, alla produzione di ceramiche, al riempimento minerario e alla realizzazione di materiali stradali.
Come funziona un geopolimero
Un geopolimero è un legante minerale ottenuto attraverso la reazione tra materiali ricchi di silicio e alluminio e una soluzione attivante, generalmente alcalina. La reazione produce una struttura tridimensionale capace di conferire coesione e resistenza al materiale.
Il termine viene utilizzato per una famiglia ampia di formulazioni. Le materie prime possono comprendere metacaolino, ceneri volanti, scorie d’altoforno, residui minerari e sottoprodotti industriali. Non tutti questi materiali reagiscono nello stesso modo e non tutte le miscele prive di cemento Portland possono essere considerate geopolimeri in senso rigoroso. Per questo motivo, nella letteratura tecnica vengono utilizzate anche espressioni come materiali attivati alcalinamente.
Nella miscela studiata dal Trinity College Dublin, il residuo della bauxite contribuisce alla composizione del sistema legante. La sua funzione dipende dalla quantità impiegata, dalla composizione chimica, dalla granulometria e dalla presenza di altri precursori più reattivi.
Il residuo non può essere considerato automaticamente un legante pronto all’uso. Alcuni componenti possono partecipare alle reazioni, mentre altri funzionano come riempitivi o modificano le proprietà fisiche della miscela. È quindi necessario bilanciare i diversi ingredienti per ottenere resistenza, stabilità e stampabilità.
Gli attivatori alcalini favoriscono la dissoluzione delle specie di silicio e alluminio presenti nelle materie prime. Queste specie formano poi una rete solida che lega le particelle e gli aggregati. La composizione dell’attivatore influenza i tempi di presa, la viscosità, lo sviluppo della resistenza e la durabilità.
Perché eliminare il cemento Portland può ridurre le emissioni
Il cemento Portland viene prodotto riscaldando calcare e altre materie prime in forni che raggiungono temperature prossime a 1.450 °C. Da questo processo si ottiene il clinker, che viene successivamente macinato e combinato con altri componenti.
Le emissioni derivano da due fonti principali. La prima è l’energia necessaria per alimentare i forni. La seconda è la decomposizione chimica del calcare, che libera anidride carbonica durante la trasformazione del carbonato di calcio.
La riduzione del contenuto di clinker è quindi una delle strategie centrali per diminuire l’impronta climatica dei materiali cementizi. L’International Energy Agency include l’impiego di materie prime alternative, l’efficienza energetica, i combustibili a basse emissioni e la cattura della CO₂ tra le misure necessarie per la decarbonizzazione del settore.
Il geopolimero sviluppato dal Trinity College Dublin non contiene cemento Portland. Secondo una valutazione preliminare del gruppo di ricerca, le sue emissioni incorporate potrebbero essere inferiori di circa il 70% rispetto a quelle di un calcestruzzo convenzionale basato sul cemento Portland.
La percentuale non deve essere interpretata come un valore valido per ogni applicazione. Il risultato dipende dalla ricetta, dalla provenienza delle materie prime, dai trattamenti necessari, dai trasporti, dall’energia impiegata e dalla produzione degli attivatori chimici.
Alcuni attivatori alcalini, in particolare quelli basati su silicati solubili, possono richiedere processi industriali ad alto consumo energetico. Una valutazione completa deve quindi comprendere l’intero ciclo di vita e non soltanto l’assenza del cemento Portland.
Il valore indicato dal Trinity College Dublin rappresenta una stima iniziale. Per confermarlo saranno necessarie analisi del ciclo di vita basate su dati industriali, confini di sistema definiti e confronti con calcestruzzi aventi prestazioni meccaniche e durabilità equivalenti.
Le proprietà richieste per la stampa 3D
Un materiale destinato alla stampa 3D edilizia deve soddisfare requisiti differenti rispetto a un calcestruzzo tradizionale colato in una cassaforma.
Durante la miscelazione e il pompaggio deve essere sufficientemente fluido da attraversare tubazioni, pompe e ugelli senza provocare blocchi. La pressione necessaria non deve superare i limiti dell’impianto e la miscela non deve separarsi durante il trasporto.
All’uscita dell’ugello deve invece conservare la forma depositata. Se il materiale rimane troppo fluido, lo strato si allarga e la geometria non corrisponde al modello digitale. Se diventa rigido troppo presto, può ostruire il sistema di estrusione o aderire male allo strato precedente.
Dopo la deposizione, ogni strato deve sviluppare una resistenza sufficiente per sostenere il peso degli strati successivi. La crescita della resistenza deve essere controllata: troppo lenta limita l’altezza stampabile, mentre troppo rapida riduce il tempo disponibile per lavorare il materiale.
Le proprietà più importanti comprendono pompabilità, estrudibilità, capacità di mantenere la forma, adesione tra gli strati, velocità di presa e sviluppo della resistenza iniziale.
La dimostrazione condotta con Harcourt Technologies Ltd. ha verificato che il geopolimero poteva superare le fasi fondamentali del processo: preparazione, pompaggio, estrusione e deposizione stratificata. Questo risultato dimostra la stampabilità della formulazione in una prova su scala significativa, ma non equivale ancora alla qualificazione per la costruzione di edifici permanenti.
Il ruolo della reologia
La reologia studia il modo in cui i materiali scorrono e si deformano. Nella stampa 3D edilizia è uno degli aspetti centrali, perché la miscela deve comportarsi in maniera differente durante il pompaggio e dopo la deposizione.
Sotto la pressione della pompa e durante il passaggio nell’ugello, il materiale deve scorrere in modo uniforme. Quando la sollecitazione viene rimossa, deve recuperare rapidamente una consistenza capace di mantenere la forma.
Questa caratteristica viene spesso ottenuta progettando una miscela con comportamento tissotropico. Il materiale diventa più fluido quando viene agitato o sottoposto a sforzo e recupera parte della propria rigidità quando rimane fermo.
Il residuo di bauxite può influenzare questo comportamento attraverso la forma e la dimensione delle particelle, la superficie specifica e le interazioni con gli attivatori. Anche piccole variazioni nella composizione del residuo possono modificare la quantità di acqua necessaria e la risposta della miscela durante la stampa.
Per un impiego industriale sarà necessario definire intervalli di composizione accettabili e procedure di controllo delle materie prime. Una formulazione preparata con residui provenienti da impianti o lotti differenti potrebbe richiedere adattamenti.
I vantaggi della produzione additiva in edilizia
La stampa 3D per costruzioni trasforma un modello digitale in percorsi di deposizione eseguiti da una macchina controllata numericamente. Il materiale viene collocato soltanto nelle zone previste dal progetto, strato dopo strato.
Uno dei principali vantaggi è la riduzione delle casseforme. Nella costruzione convenzionale, le pareti e molti elementi in calcestruzzo vengono realizzati versando il materiale all’interno di stampi temporanei. La preparazione, il montaggio e la rimozione delle casseforme richiedono materiali, manodopera e tempo.
La produzione additiva consente inoltre di costruire geometrie curve, cavità, canalizzazioni e strutture alleggerite difficili da realizzare attraverso metodi tradizionali. Le pareti possono essere progettate con configurazioni interne che riducono la quantità di materiale o migliorano le prestazioni termiche.
La precisione della deposizione può limitare gli scarti, ma il vantaggio dipende dalla progettazione, dalla stabilità del processo e dal numero di componenti che devono essere rimossi o rifatti. Anche la preparazione delle superfici, gli arresti della macchina e i materiali rimasti nelle pompe devono essere inclusi nella valutazione.
La stampa non elimina tutte le attività di cantiere. Fondazioni, coperture, impianti, serramenti, isolamento, finiture e collegamenti strutturali richiedono lavorazioni aggiuntive. La tecnologia deve quindi essere considerata come una parte del processo edilizio, non come la sostituzione completa di ogni fase costruttiva.
Il contributo di Harcourt Technologies Ltd.
Harcourt Technologies Ltd. opera nello sviluppo e nell’applicazione della stampa 3D per costruzioni. L’azienda offre servizi legati alle macchine, alla progettazione, alla formazione degli operatori e allo sviluppo di materiali.
La collaborazione con il Trinity College Dublin ha permesso di verificare il comportamento della miscela in un impianto progettato per la deposizione di materiali cementizi su larga scala. Il passaggio da campioni di laboratorio a un sistema dotato di miscelazione, pompe, tubazioni e testa di stampa costituisce un test importante.
Una ricetta può mostrare buone prestazioni su piccoli campioni e incontrare difficoltà quando viene preparata in quantità maggiori. La distribuzione dei componenti, la temperatura, il tempo trascorso dalla miscelazione e la distanza di pompaggio possono cambiare il comportamento del materiale.
Il coinvolgimento di Harcourt Technologies Ltd. permette quindi di osservare problemi che non emergono nelle sole prove di laboratorio. Rimane però necessario verificare la continuità del processo su periodi più lunghi e con volumi compatibili con un cantiere.
Le sfide per la produzione su scala industriale
La prima sfida riguarda la disponibilità di una materia prima omogenea. I residui di bauxite possono presentare differenze chimiche e fisiche legate al minerale lavorato, alle condizioni del processo Bayer e ai sistemi di gestione adottati dalla raffineria.
Una produzione industriale richiede controlli in ingresso e procedure capaci di compensare queste variazioni. Potrebbero essere necessari trattamenti preliminari o miscele di residui provenienti da lotti diversi.
La seconda sfida è la manipolazione degli attivatori alcalini. Alcune sostanze impiegate nei geopolimeri sono corrosive e richiedono sistemi chiusi, dispositivi di protezione e procedure specifiche per il trasporto e la miscelazione.
La terza riguarda la conservazione e la preparazione del materiale. Le formulazioni devono poter essere prodotte in quantità sufficienti senza perdere le proprietà durante il tempo necessario per la stampa.
La quarta è rappresentata dalla ripetibilità. Ogni lotto deve sviluppare valori prevedibili di resistenza, ritiro, adesione tra gli strati e durabilità. Un processo edilizio non può dipendere da regolazioni manuali continue.
Anche l’affidabilità delle apparecchiature è essenziale. Un’interruzione prolungata può compromettere l’adesione tra il materiale già depositato e quello aggiunto dopo la ripartenza. La progettazione deve quindi considerare arresti, giunti freddi e procedure di recupero.
Resistenza meccanica e comportamento tra gli strati
Gli elementi stampati in 3D non sono necessariamente isotropi. Le proprietà possono cambiare in base alla direzione di applicazione del carico, perché il componente è formato da strati e interfacce.
L’adesione tra le passate dipende dal tempo trascorso tra una deposizione e l’altra, dall’umidità della superficie, dalla temperatura e dalla composizione della miscela. Se uno strato è già troppo rigido o asciutto, il collegamento con quello successivo può risultare più debole.
Per valutare il materiale saranno necessarie prove di compressione, trazione, flessione e taglio eseguite in più direzioni. Dovranno essere esaminati anche il comportamento a frattura e la propagazione delle fessure lungo le interfacce.
I risultati dovranno essere confrontati con le prestazioni richieste dall’applicazione. Un materiale destinato a elementi decorativi o non portanti può essere soggetto a requisiti differenti rispetto a una parete strutturale.
L’impiego di residui di bauxite può modificare lo sviluppo della resistenza. Studi precedenti condotti al Trinity College Dublin hanno mostrato che la sostituzione di leganti cementizi con questi residui può ridurre resistenza e lavorabilità quando la formulazione non viene compensata con altri componenti. Il progetto del geopolimero deve quindi trovare un equilibrio tra percentuale di residuo, stampabilità e prestazioni finali.
Armature e rinforzi restano un problema aperto
Il calcestruzzo e molti geopolimeri resistono bene alla compressione, ma hanno una capacità inferiore di sopportare sforzi di trazione. Negli edifici convenzionali questo limite viene affrontato inserendo barre o reti in acciaio.
L’integrazione delle armature nella stampa 3D non è semplice. Le barre possono ostacolare il movimento dell’ugello, mentre l’inserimento successivo richiede cavità, giunti o sistemi di connessione progettati in anticipo.
Le soluzioni studiate comprendono armature installate prima o durante la stampa, cavi post-tesi, fibre disperse nella miscela e strutture ibride che combinano parti stampate con elementi prefabbricati.
Il progetto del Trinity College Dublin dovrà individuare sistemi di rinforzo compatibili con il materiale geopolimerico e con le modalità di deposizione impiegate da Harcourt Technologies Ltd.
La compatibilità tra l’acciaio e l’ambiente chimico del geopolimero dovrà essere verificata. L’alcalinità può favorire la protezione delle armature, ma la presenza di cloruri, umidità e altre sostanze può influenzare il rischio di corrosione.
Durabilità e comportamento nel tempo
La resistenza misurata nei primi giorni non è sufficiente per qualificare un materiale da costruzione. Gli elementi devono mantenere le proprie prestazioni per decenni ed essere capaci di resistere all’ambiente nel quale vengono installati.
Le prove dovranno valutare l’assorbimento d’acqua, la permeabilità, il ritiro, la carbonatazione, i cicli di gelo e disgelo, l’azione dei sali e l’esposizione agli agenti atmosferici.
Un elemento stampato presenta una superficie caratterizzata dalle linee di deposizione. Questa geometria può favorire l’accumulo di acqua o richiedere rivestimenti protettivi, a seconda dell’applicazione.
Il ritiro deve essere controllato perché può produrre fessure e deformazioni. Nei geopolimeri è influenzato dalla quantità d’acqua, dal tipo di attivatore, dalla maturazione e dalle condizioni ambientali.
Anche la lisciviazione deve essere esaminata con attenzione. I residui di bauxite possono contenere elementi che non devono essere rilasciati nell’ambiente. Il processo di attivazione e solidificazione deve immobilizzarli in modo stabile, ma questa capacità deve essere dimostrata attraverso prove eseguite sul materiale nel suo stato finale.
Sicurezza ambientale dei residui industriali
Trasformare un residuo in una materia prima non significa eliminare automaticamente i rischi associati alla sua composizione. La valorizzazione deve garantire che il prodotto sia sicuro durante la produzione, l’utilizzo e la demolizione.
Il residuo di bauxite deve essere caratterizzato per verificarne alcalinità, composizione chimica e presenza di elementi potenzialmente critici. Le analisi devono considerare anche le polveri generate durante l’essiccazione e la macinazione.
Il materiale solidificato dovrà essere sottoposto a prove di cessione per determinare la quantità di sostanze rilasciate a contatto con l’acqua. Sarà inoltre necessario valutare cosa accade quando un elemento viene tagliato, demolito o frantumato alla fine della sua vita utile.
L’International Aluminium Institute sostiene la ricerca di impieghi per i residui della bauxite, ma sottolinea la necessità di una gestione basata su controlli, valutazione dei rischi e conformità alle normative locali.
Un’applicazione edilizia può assorbire grandi volumi di materiale, ma proprio per questo deve essere sottoposta a procedure di qualificazione rigorose. La quantità utilizzabile non può essere anteposta alla sicurezza del prodotto.
Norme e autorizzazioni per l’impiego negli edifici
I materiali da costruzione devono rispettare norme tecniche, requisiti di sicurezza e procedure di certificazione. Per i geopolimeri stampati in 3D mancano ancora, in molti Paesi, standard specifici equivalenti a quelli disponibili per il calcestruzzo tradizionale.
La qualificazione potrebbe richiedere approvazioni basate sulle prestazioni, documenti tecnici dedicati e prove eseguite da laboratori indipendenti.
Dovranno essere definiti metodi di controllo per la miscela fresca, il processo di stampa, le interfacce tra gli strati e il prodotto indurito. Anche i dati digitali, la taratura della macchina e la tracciabilità dei lotti possono diventare parte del sistema di qualità.
La responsabilità deve essere distribuita in modo chiaro tra progettista, produttore del materiale, impresa di stampa, fornitore della macchina e costruttore. Nel progetto irlandese, il Trinity College Dublin si occupa dello sviluppo scientifico, mentre Harcourt Technologies Ltd. fornisce competenze e infrastrutture legate alla stampa 3D edilizia.
Prima dell’impiego in edifici abitati sarà necessario dimostrare il rispetto dei requisiti strutturali, antincendio, ambientali e sanitari previsti dalla normativa applicabile.
Una piattaforma adattabile a diverse applicazioni
Secondo Sara Pavia, l’importanza del progetto non riguarda soltanto la sostituzione del cemento. Il sistema può essere considerato una piattaforma legante la cui composizione può essere modificata in funzione del processo produttivo e dell’applicazione.
La reologia può essere regolata per adattarsi a pompe, ugelli e velocità di stampa differenti. I tempi di presa possono essere modificati in base alla lunghezza dei percorsi e alle condizioni ambientali. La resistenza iniziale può essere calibrata per costruire componenti di altezza diversa.
Questa flessibilità può permettere di sviluppare formulazioni per pareti, arredi urbani, pannelli, elementi paesaggistici, infrastrutture leggere o componenti prefabbricati.
La scelta dell’applicazione dovrà partire dalle prestazioni effettivamente dimostrate. Le prime opportunità commerciali potrebbero riguardare elementi non strutturali, per i quali il percorso di qualificazione è meno complesso. L’impiego in strutture portanti richiederà una base sperimentale più ampia.
Il valore dell’impiego di materie prime locali
L’utilizzo di un residuo industriale locale può ridurre le distanze di trasporto e creare una connessione tra due filiere: quella dell’alluminio e quella delle costruzioni.
Questo modello viene definito simbiosi industriale. Il sottoprodotto di un’attività diventa la materia prima di un’altra, riducendo la necessità di estrarre risorse vergini e lo spazio richiesto per lo stoccaggio.
Il vantaggio dipende però dalla vicinanza tra la fonte del residuo, l’impianto di trattamento, il sito di produzione della miscela e il cantiere. Trasportare materiale umido su grandi distanze può ridurre il beneficio ambientale.
Anche i trattamenti preliminari devono essere considerati. Essiccazione e macinazione consumano energia, mentre la neutralizzazione può richiedere reagenti e generare altri flussi da gestire.
Una filiera locale dovrebbe quindi essere progettata sulla base di un bilancio completo di materia, energia, emissioni e costi.
Le prossime fasi della ricerca
Il risultato ottenuto dal Trinity College Dublin e da Harcourt Technologies Ltd. dimostra che una miscela geopolimerica contenente residui della bauxite può essere processata attraverso le principali fasi della stampa 3D edilizia.
Le attività successive dovranno definire le proprietà meccaniche, la durabilità, la stabilità dimensionale e la compatibilità con diversi sistemi di rinforzo.
Il gruppo dovrà inoltre verificare la ripetibilità della produzione in volumi maggiori. Una formulazione preparata in laboratorio deve essere trasformata in un prodotto con specifiche controllabili, tempi di lavorazione prevedibili e procedure di qualità applicabili in cantiere.
Sarà necessaria un’analisi ambientale dettagliata per confermare la riduzione delle emissioni incorporate. Il confronto dovrà utilizzare materiali con funzioni e prestazioni equivalenti, includendo il trattamento dei residui, la produzione degli attivatori, i trasporti e il consumo energetico della stampa.
Il percorso verso il mercato comprende infine certificazione, conformità normativa e dimostrazioni in condizioni reali. Il progetto offre una base tecnica per questi sviluppi, ma non rappresenta ancora un materiale edilizio disponibile su larga scala.
La collaborazione tra il Trinity College Dublin e Harcourt Technologies Ltd. mostra come la ricerca sui geopolimeri possa essere collegata alle tecnologie di produzione additiva. Il possibile beneficio deriva dall’integrazione tra riduzione del clinker, riutilizzo dei residui industriali e deposizione controllata del materiale. La sua entità dovrà essere confermata attraverso prove di lunga durata, analisi indipendenti e applicazioni pilota.
