Progettare calcestruzzo stampato in 3D per assorbire più CO₂

I limiti ambientali del calcestruzzo: consumo di sabbia ed emissioni di CO₂

Negli ultimi decenni il calcestruzzo è diventato il materiale da costruzione per eccellenza, soprattutto negli ambienti urbani densamente popolati. Ha progressivamente sostituito mattoni, pietra e legno grazie al costo contenuto, alla facilità d’uso e alla possibilità di produrlo su larga scala.

Ma non è privo di problemi.

Innanzitutto, in termini di consumo di risorse, è ben lontano dall’essere un prodotto sostenibile. Richiede enormi quantità di sabbia, tanto che alcune stime suggeriscono che il mondo stia «finendo la sabbia».

Fonte: Visual Capitalist

Anche la produzione di cemento richiede moltissima energia. È alimentata quasi esclusivamente da combustibili fossili, con il risultato che la produzione di cemento è responsabile dell’8% delle emissioni mondiali di CO₂.

Un dato paragonabile alle emissioni di automobili e furgoni, responsabili del 10% delle emissioni globali. Di conseguenza, rendere più sostenibile la produzione di calcestruzzo avrebbe un impatto paragonabile a quello della conversione di tutte le auto del mondo in veicoli elettrici, alimentati esclusivamente con energia pulita.

Tuttavia, queste emissioni possono essere compensate in parte da un fenomeno chiamato carbonatazione, attraverso il quale i materiali cementizi assorbono CO₂ dall’atmosfera.

Un nuovo studio condotto da ricercatori dell’ETH Zurich (Svizzera), dell’University of Bath (Regno Unito) e dell’University of Manchester (Regno Unito) esamina il potenziale del calcestruzzo stampato in 3D di avere un’impronta di carbonio inferiore rispetto al calcestruzzo ordinario, grazie a una carbonatazione più rapida. Per il calcestruzzo stampato utilizzato nella Tor Alva, i ricercatori hanno stimato che, nell’arco di 50 anni, la carbonatazione potrebbe compensare circa il 21% della sua impronta di carbonio iniziale.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Cement and Concrete Research¹, con il titolo «Ricarbonatazione: una nuova opportunità per un calcestruzzo stampato in 3D più sostenibile».

Calcestruzzo e CO₂

La ragione principale per cui il calcestruzzo contribuisce in misura significativa alle emissioni globali di carbonio è la calcinazione del calcare (CaCO₃), che si decompone in CO₂ e ossido di calcio, o calce viva (CaO). La calce viva si combina quindi immediatamente con la silice (SiO₂), l’allumina (Al₂O₃) e l’ossido di ferro (Fe₂O₃) presenti nell’argilla o nello scisto, formando il cemento.

«La quota principale di queste emissioni (in genere il 60% [2]) è dovuta alla calcinazione del calcare (CaCO₃), che si decompone in CO₂ e ossido di calcio (CaO) prima del processo di clinkerizzazione che avviene nel forno. Le restanti emissioni di CO₂ del cemento sono legate principalmente ai combustibili fossili necessari per produrre energia termica.»

Queste emissioni di carbonio possono essere compensate in parte nella fase successiva, quando il cemento viene utilizzato per realizzare strutture in calcestruzzo.

Nella pasta di cemento indurita, i prodotti di idratazione contenenti calcio reagiscono lentamente con la CO₂ presente nell’aria, formando carbonati di calcio e sequestrando così la CO₂.

«In un’ottica di sostenibilità, la stessa reazione che fissa la CO₂ può essere definita (ri)carbonatazione. La quantità fissata corrisponde a circa il 43% delle emissioni di CO₂ associate alla produzione di cemento.»

Questo processo di carbonatazione, tuttavia, non è privo di svantaggi. Riduce l’alcalinità della soluzione interstiziale del calcestruzzo, destabilizzando potenzialmente lo strato di passivazione presente sulle armature in acciaio. Ne può derivare la corrosione dell’acciaio, che riduce la vita utile delle normali strutture in calcestruzzo armato.

Questo può rappresentare un problema serio per i calcestruzzi a basse emissioni di carbonio, che tendono a carbonatarsi più rapidamente del normale calcestruzzo Portland.

La stampa 3D del calcestruzzo

Un esempio nel mondo reale

Tra i nuovi metodi di costruzione che impiegano la fabbricazione digitale con il calcestruzzo, la stampa 3D è la tecnologia più diffusa e promettente.

Per valutare l’impronta di carbonio effettiva di questa tecnica, gli autori dello studio hanno sviluppato una metodologia per valutarne dinamicamente il ciclo di vita (LCA, dall’inglese Life Cycle Assessment). Come caso di studio reale hanno scelto la torre «Tor Alva», stampata in 3D e situata nel villaggio di Mulegns, nelle Alpi svizzere, concentrandosi sulle colonne ramificate e sulla cupola stampate in 3D.

Fonte: Cement and Concrete Research

Per prima cosa hanno misurato la carbonatazione con tre metodi diversi: uno basato su prove accelerate (in una camera di carbonatazione mantenuta al 4% di CO₂, con il 67% di umidità relativa e a 20 °C) e due basati sui risultati della carbonatazione naturale: la misurazione diretta della profondità di carbonatazione e la quantificazione dei carbonati e della CO₂ mediante analisi termogravimetrica.

Determinare il tasso effettivo di carbonatazione

Per proiettare gli effetti della carbonatazione osservata, i ricercatori hanno considerato un orizzonte temporale di 50 anni. Hanno inoltre confrontato i risultati relativi alla struttura in calcestruzzo stampato in 3D con quelli di una struttura gettata in opera, dalle dimensioni esterne simili e realizzata con una composizione cementizia analoga.

I ricercatori hanno constatato che, nella zona di calcestruzzo interessata dalla carbonatazione, tutto il materiale disponibile reagiva e assorbiva CO₂.

“Nella zona carbonata, la quantità di CO₂ legato varia tra 44,16 e 51 g CO₂/100 g di legante idratato. Quest’ultimo corrisponde a un sufficiente CO₂ per decalcificare tutto il silicato di calcio idratato disponibile.”

Fonte: Cement and Concrete Research

Quindi, la domanda successiva è capire quanto del calcestruzzo stampato in 3D catturerà effettivamente il carbonio durante la sua vita. Analizzando la penetrazione del processo di carbonatazione con test accelerati, hanno stabilito che entro 50 anni, l’86 % di tutto il malta stampata usata nella torre sarebbe carbonata, per un totale di 32 m³ di calcestruzzo stampato carbonato.

Fonte: Cement and Concrete Research

Quando si confrontano questi risultati con le misurazioni di carbonatazione naturale, la misurazione diretta della profondità di carbonatazione ha dato un numero simile (89 %). I metodi hanno prodotto stime diverse dell’estensione della carbonatazione, ma quelle percentuali non misurano direttamente l’assorbimento totale di CO₂. I ricercatori spiegano che gli indicatori di pH possono trascurare un’assorbimento sostanziale prima che il materiale cambi colore. L’analisi termogravimetrica misura l’assorbimento direttamente e ha supportato una riduzione stimata del 21 % dell’impronta di carbonio del calcestruzzo stampato, rispetto al 14 % ottenuto con le misurazioni di pH di carbonatazione naturale.

Fonte: Cement and Concrete Research

Rispetto alla struttura in cantiere, l’impronta di carbonio di Tor Alva è superiore, grazie al 25 % in meno di calcestruzzo usato, oltre a una migliore carbonatazione.

“Nonostante abbia il 25 % in meno di materiale cementizio, la struttura 3DPC può legare 2,5 volte più CO₂ rispetto al riferimento in cantiere (4,6 tCO₂ per la struttura stampata e 1,9 tCO₂ per quella in cantiere).”

Raffinamento della cattura di carbonio

Questo studio indica che una carbonatazione rapida può portare a una maggiore cattura di carbonio dal calcestruzzo, riducendo notevolmente le emissioni totali di carbonio nel ciclo di vita di un edificio. Ciò è particolarmente vero per le strutture in calcestruzzo senza barre di acciaio e per il calcestruzzo stampato in 3D grazie alla carbonatazione più rapida.

Si dovrebbe inoltre notare che i cicli di gelo e scongelamento, come nell’esempio studiato (Alpi svizzere), probabilmente hanno influenzato sia le condizioni al contorno sia le proprietà di trasporto interno che regolano l’umidità e il movimento di CO₂.

Fonte: Cement and Concrete Research

In pratica, ciò potrebbe significare che il calcestruzzo stampato in 3D in climi più caldi potrebbe agire come un serbatoio di carbonio ancora migliore, ma ciò richiede ulteriori studi per essere dimostrato.

“Il congelamento dell’acqua nei pori potrebbe parzialmente bloccare la rete di pori e quindi ridurre il trasporto effettivo e rallentare la carbonatazione. Questi risultati suggeriscono che gli effetti a basse temperature—che si tratti di blocco parziale dei pori, cambiamenti nello stato di umidità o di una combinazione di entrambi—dovrebbero essere considerati quando si descrive la carbonatazione in tali condizioni ambientali.”

Ciò apre anche una nuova prospettiva su come ottimizzare la stampa 3D del calcestruzzo. L’ottimizzazione della carbonatazione potrebbe diventare un parametro aggiuntivo nell’ottimizzazione geometrica delle strutture in calcestruzzo stampato in 3D, esponendo la superficie alla carbonatazione il più possibile.

Questo non significa che il calcestruzzo stampato in 3D sia un metodo di costruzione privo di emissioni di carbonio. Anche ottimizzando la carbonatazione, le emissioni durante la calcinazione necessaria alla produzione del cemento restano significative. E naturalmente, il carbonio riassorbito nell’arco di 50 anni contribuirà nel frattempo in misura significativa al cambiamento climatico.

Tuttavia, se queste emissioni di carbonio fossero catturate a livello di fabbrica di cemento, la successiva carbonatazione dell’edificio in calcestruzzo potrebbe davvero trasformare tale infrastruttura in un serbatoio di carbonio netto, nonostante sia realizzata in calcestruzzo.

Il calcestruzzo stampato in 3D è molto più probabile che raggiunga tale obiettivo prima, combinando geometria ottimizzata, leganti a basso carbonio e rinforzo adeguato. A sua volta, ciò potrebbe trasformarsi in un’opportunità per i fornitori di materiali da costruzione.

Investire nella tecnologia avanzata del calcestruzzo

CRH

Come uno dei leader mondiali nella produzione di cemento, CRH sarà fondamentale per trasformare la costruzione in cemento in un’industria più sostenibile. È il numero uno per il volume totale di materiali da costruzione forniti sia negli Stati Uniti che nei mercati europei.

Fonte: CRH

L’azienda è attiva in 28 paesi e 3.390 sedi, impiega 78.500 persone, con CRH Americas che rappresenta il 65 % delle sue vendite globali. È inoltre, di gran lunga, la più grande azienda cementizia, una leadership ulteriormente consolidata with its recent acquisition of Arcosa.

“La transazione rafforza la posizione di CRH come leader negli aggregati negli Stati Uniti, così come a livello globale, e aumenta l’esposizione a alcune delle aree statistiche metropolitane (MSA) a più rapido sviluppo negli Stati Uniti.”

Fonte: CRH

CRH prevede una spesa robusta da parte dei governi occidentali per le infrastrutture per aiutare a far crescere il suo business. Le tendenze della reindustrializzazione e del re-shoring della produzione high‑tech dovrebbero inoltre aiutare.

CRH ha compiuto notevoli progressi in materia di sostenibilità grazie a una serie di iniziative:

• È il più grande riciclatore del Nord America: nel 2023 ha riciclato 43,9 milioni di tonnellate di rifiuti e sottoprodotti di altri settori.
• Nel 2023 ha ridotto le emissioni di CO₂ dell’8%, grazie all’impiego di combustibili alternativi per il 36% nei suoi cementifici.
• Punta a ridurre le emissioni del 30% entro il 2030, rispetto ai livelli del 2021.

CRH contribuisce anche a promuovere cambiamenti più profondi nel settore. In particolare, ha investito 75 milioni di dollari nella società di cementi a basse emissioni Sublime, insieme al gigante europeo del calcestruzzo Holcim.

Sublime Systems è nata come spin-off del MIT nel 2020 per utilizzare un elettrolizzatore e produrre cemento a temperatura ambiente, sostituendo i forni ad alto consumo energetico e di combustibili fossili. Consente inoltre di utilizzare fonti di calcio come materia prima, evitando il rilascio di CO₂ derivante dall’impiego del calcare.

Il primo impianto commerciale di Sublime a Holyoke dovrebbe entrare in funzione già nel 2026. Se darà prova di efficacia, potrebbe rappresentare una vera svolta per l’industria del cemento e aprire la strada alla produzione su larga scala di calcestruzzo a basse emissioni.

CRH ha investito anche in altre startup attive nella decarbonizzazione e nella sostenibilità:

• 23,7 milioni di euro in Cool Planet Technologies, che sviluppa soluzioni per la cattura del carbonio nei settori tradizionalmente difficili da decarbonizzare.
• 34,7 milioni di dollari da parte di CRH e altri investitori in Carbon Upcycling Technologies, che utilizza una soluzione di mineralizzazione interamente elettrica per immagazzinare in modo permanente la CO₂ nei sottoprodotti e nei minerali industriali, come quelli impiegati nel cemento, nella plastica, nei beni di consumo, nei fertilizzanti e nei prodotti farmaceutici.
• AICrete, una piattaforma che offre ricette come servizio e collabora con i produttori locali di calcestruzzo, ottimizzando i materiali locali e riducendo la quantità di cemento utilizzata grazie ad analisi basate sull’IA, con una conseguente diminuzione sia dell’impronta di CO₂ sia dei costi di produzione del calcestruzzo.
• Il finanziamento di Serie B di FIDO AI è destinato a una startup che utilizza l’IA per ridurre il consumo idrico e aumentare il risparmio d’acqua.

Infine, CRH investe anche nella stampa 3D del calcestruzzo (3DCP) attraverso la sua controllata Amerimix.

Nel complesso, CRH è un leader redditizio nel settore del calcestruzzo e delle costruzioni e si sta preparando attivamente alla decarbonizzazione del settore, sia intervenendo direttamente negli impianti esistenti sia fornendo capitali a startup innovative che sviluppano tecnologie di nuova generazione per la produzione di cemento e calcestruzzo, comprese quelle dedicate alla decarbonizzazione e alla stampa 3D.

Ultime notizie e sviluppi sul titolo CRH (CRH)

Studio citato

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Ri)carbonatazione: una nuova opportunità per il calcestruzzo sostenibile stampato in 3D. Cement and Concrete Research. Dicembre 2026. Articolo: 108411. Volume 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}