Il calcestruzzo stampato in 3D può salvare l’ambiente?

Il calcestruzzo è sempre presente intorno a noi. Dalle case, dagli uffici e dagli edifici scolastici ai negozi, alle dighe, ai ponti, ai marciapiedi e alle strade, il calcestruzzo aiuta a costruire le strutture che usiamo ogni giorno. 

Il calcestruzzo ha una lunga storia. Nel Vicino Oriente sono state trovate antiche pavimentazioni a base di calce; i Romani svilupparono poi miscele utilizzate in numerose opere, alcune delle quali sono ancora in piedi.

Secondo la stima di mercato citata, il settore globale del calcestruzzo valeva 687,2 miliardi di dollari nel 2021 e avrebbe potuto raggiungere 821,6 miliardi nel 2026. Si tratta di una previsione, non di un risultato già conseguito.

Questa espansione è guidata dalla crescita dell’industria delle costruzioni così come dall’aumento degli investimenti in nuovi progetti di costruzione in tutto il mondo. La crescita economica e l’urbanizzazione rapida contribuiscono anche alla crescente domanda di complessi residenziali e commerciali a livello globale. Man mano che le città crescono, cresce anche la necessità di infrastrutture e, con esse, la necessità di calcestruzzo.

Perché il calcestruzzo è così diffuso e quali problemi ambientali comporta?

Calcestruzzo: un materiale essenziale con un costo ambientale

Il calcestruzzo è un materiale composito formato normalmente da cemento, acqua e aggregati come sabbia, ghiaia e pietrisco. Il cemento è il legante, non un sinonimo del calcestruzzo.

Il cemento contiene composti principalmente a base di calcio e silicio, insieme ad altri costituenti. Funziona da legante, mentre l’acqua avvia le reazioni di idratazione che consentono alla miscela di indurire.

Ciò che rende questo materiale composito così prezioso sono le sue proprietà, inclusa la lavorabilità — la possibilità di modellare il calcestruzzo fresco in molte forme — e la durabilità, cioè la capacità di durare per molti anni. Questo materiale relativamente economico può inoltre essere personalizzato per soddisfare diverse esigenze di costruzione.

Il calcestruzzo resiste bene alla compressione. Le prestazioni sotto carichi, terremoti e uragani dipendono però dalla progettazione, dalle armature, dai materiali e dalla qualità di esecuzione.

Possiede inoltre un’elevata massa termica e una buona resistenza al fuoco, pur potendo subire danni alle alte temperature. Anche la riparabilità dipende dal tipo e dalla gravità del degrado.

È uno dei materiali più utilizzati al mondo. Serve a realizzare dighe, ponti, autostrade, aeroporti, canali, serbatoi, pavimentazioni ed edifici residenziali e commerciali.

In parole semplici, il calcestruzzo è un materiale fondamentale nella costruzione, svolgendo un ruolo cruciale nella formazione delle infrastrutture intorno a noi. 

Questi vantaggi si accompagnano a importanti impatti ambientali, soprattutto legati alla produzione del cemento.

La fonte citata attribuisce alla produzione di cemento circa 1,6 miliardi di tonnellate di CO2 legate al processo produttivo. Le stime più ampie, che includono anche l’energia necessaria, collocano spesso il contributo del cemento intorno all’8% delle emissioni globali di CO2. Le due cifre non descrivono necessariamente lo stesso perimetro.

Le stime del contributo del cemento Portland alle emissioni antropogeniche di CO2 variano generalmente tra il 5% e l’8%. Per l’insieme degli edifici e delle costruzioni, la ricerca citata richiama stime storiche vicine al 40% delle emissioni legate all’energia e al 36% dei consumi energetici finali. I valori dipendono dall’anno e dalle attività incluse.

Il dato storico citato per le emissioni globali annue di CO2 è 37,41 gigatonnellate. L’aumento della concentrazione atmosferica di CO2 è una causa fondamentale del riscaldamento globale. La finestra 2030–2052 per il raggiungimento di 1,5 °C sopra i livelli preindustriali proviene dal rapporto speciale IPCC del 2018 e va intesa nel suo scenario e contesto, non come una nuova previsione del 2024.

Con un consumo annuo di calcestruzzo stimato nell’ordine di 30 miliardi di tonnellate, ridurne l’impatto richiede interventi su leganti, materiali, progettazione e processi produttivi.

Far progredire l’edilizia con la stampa 3D

Il calcestruzzo è fondamentale per molte infrastrutture, ma la produzione dei suoi componenti e il loro uso su vasta scala comportano emissioni e consumo di risorse.

Per questo si studiano tecnologie capaci di ridurre l’impatto mantenendo prestazioni e sicurezza adeguate.

Tra le opzioni in esame figurano nuovi leganti, materiali compositi e tecniche di cattura del carbonio. Grafene e canapa trovano applicazioni specifiche nei materiali da costruzione. Nessuna di queste soluzioni rende automaticamente il cemento privo di emissioni: occorre valutare l’intero ciclo di vita.

Un’altra possibilità è la stampa 3D, già impiegata in molti settori, dalla prototipazione alle protesi, e ora applicata anche alla costruzione.

La stampa 3D o manifattura additiva, che consiste nel creare oggetti tridimensionali da un file digitale depositando strati di materiale, ha suscitato crescente interesse per i suoi potenziali vantaggi di prototipazione rapida, personalizzazione, risparmio sui costi, riduzione degli sprechi di materiale, promozione dell’innovazione e sostenibilità. 

Questa tecnologia viene utilizzata anche nell’edilizia. Le sue origini sperimentali risalgono a diversi decenni fa. Negli ultimi anni l’interesse è cresciuto per la possibilità di accelerare alcune lavorazioni, ottimizzare il materiale e realizzare forme complesse. I benefici dipendono dal progetto e dal processo.

La produzione in cantiere può accorciare alcune filiere e ridurre l’esposizione dei lavoratori a operazioni rischiose. Restano necessarie supervisione, manutenzione e misure di sicurezza.

Nel 2024, un quartiere texano di cento abitazioni con pareti stampate in 3D era vicino al completamento dopo circa due anni di lavori. Il progetto impiegava la tecnologia di ICON.

ICON è una società privata attiva nell’edilizia residenziale, in progetti per la difesa e nello sviluppo di tecnologie per costruzioni extraterrestri. Nel 2022 aveva raccolto complessivamente 451 milioni di dollari, secondo il resoconto citato, con una valutazione di circa 2 miliardi di dollari.Una sua collaborazione con la NASA riguarda lo sviluppo di tecnologie per future piattaforme di allunaggio, ripari e altre infrastrutture lunari nell’ambito delle attività legate ad Artemis. Non si tratta di strutture già costruite sulla Luna.

Nel 2018 ICON presentò negli Stati Uniti un prototipo autorizzato di circa 350 piedi quadrati, la cui stampa richiese circa due giorni. Il tempo di stampa non comprende necessariamente tutte le lavorazioni necessarie a completare una casa. L’amministratore delegato Jason Ballard descrisse il calcestruzzo come:

«Uno dei materiali più resistenti sulla Terra».

Per il quartiere texano l’azienda utilizza Vulcan, un grande sistema che deposita una miscela cementizia strato dopo strato. La macchina descritta misura circa 45 piedi in larghezza e pesa 4,75 tonnellate.

Il materiale cementizio viene miscelato con sabbia, acqua e additivi e pompato verso la testina. La miscela viene estrusa attraverso un ugello lungo un percorso programmato, formando progressivamente le pareti.

Il progetto comprende cento abitazioni con pareti stampate in 3D. Secondo ICON, il sistema può migliorare l’efficienza, ridurre gli scarti e richiedere meno addetti in determinate lavorazioni. Ciò non significa che ogni componente della casa venga stampato.

Il settore potrebbe crescere ulteriormente. La sua espansione viene stimata dalla società di ricerca citata a partire da un mercato di 5,5 miliardi di dollari nel 2023. Il mercato delle costruzioni stampate in 3D è previsto in crescita a un tasso annuo composto del 105,8%, fino a 3.300 miliardi di dollari nel 2032. È una previsione particolarmente aggressiva, soggetta a notevole incertezza.

La carenza di alloggi può favorire l’interesse per nuove tecniche costruttive, ma non garantisce il raggiungimento di queste proiezioni. Terreni, autorizzazioni, infrastrutture e costi complessivi restano determinanti.

In questo contesto, i ricercatori della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore hanno studiato come ridurre l’impatto del calcestruzzo stampato in 3D.

Hanno sviluppato un processo che integra l’immissione di CO2 durante la stampa, con l’obiettivo di immagazzinarne una parte nel materiale.

Scopri se la stampa 3D può contribuire ad affrontare la carenza di alloggi.

Stampa 3D di calcestruzzo che cattura la CO2

Nel 2024 i ricercatori della NTU hanno pubblicato uno studio intitolato «Carbon capture and sequestration with in-situ CO2 and steam-integrated 3D concrete printing».

Il lavoro studia un processo di stampa che integra CO2 e vapore. La riduzione dell’impatto complessivo richiede anche di considerare la produzione dei materiali e l’energia utilizzata.

Nella letteratura viene inoltre ipotizzato che lo sviluppo sostenibile della stampa del calcestruzzo possa contribuire al risparmio energetico. La stima citata del 5% non è un risparmio globale dimostrato da questo esperimento. I vantaggi ambientali sono potenziali e vanno valutati insieme all’efficienza del processo e alle prestazioni del materiale. 

L’impiego di CO2 nel calcestruzzo non nasce con questo studio: è già stato esaminato per migliorare alcune proprietà e ridurre l’impatto del cemento.

Ricerche precedenti hanno studiato sia la miscelazione diretta con CO2 sia la maturazione in camere di carbonatazione. Le reazioni possono formare carbonati e modificare le proprietà del materiale.

Gli studi richiamati riportano, in condizioni specifiche, una resistenza alla penetrazione quasi quindici volte maggiore e un assorbimento di carbonio fino all’1,16% dopo mezz’ora di miscelazione della malta con CO2. Altri trattamenti di maturazione accelerata riportano valori dell’1,98–25,5%. Metodi, basi di calcolo e condizioni differenti impediscono confronti diretti semplicistici.

Molte ricerche sulla stampa del calcestruzzo si concentrano su miscele cementizie a minore impatto. Il nuovo studio considera invece anche le tecniche di processo per aumentare la cattura e lo stoccaggio del carbonio nel volume del materiale.

Secondo gli autori, la profondità raggiunta dalla carbonatazione e la necessità di camere chiuse possono ostacolare l’applicazione su larga scala. Attrezzature ed energia aggiuntive possono ridurre i vantaggi della stampa automatizzata in cantiere e comprometterne l’efficienza.

Questo motiva lo sviluppo di un processo di carbonatazione integrato nella stampa, oltre alle tecniche tradizionali di maturazione.

Il gruppo NTU ha quindi sviluppato e valutato un processo per incorporare CO2 durante l’estrusione.

Il sistema integra due passaggi di estrusione e introduce CO2 e vapore nella miscela. Una parte della CO2 reagisce e viene trattenuta nel materiale. Gas e vapore possono essere recuperati come sottoprodotti di processi industriali; la provenienza e la purificazione influenzano il bilancio ambientale.

Nei test dello studio, l’assorbimento di carbonio nel volume del materiale è aumentato del 38,2% rispetto alla maturazione accelerata in ambiente confinato usata come confronto. Questo valore relativo non significa che il calcestruzzo contenga il 38,2% del proprio peso in CO2.

L’accessorio della testina regola l’iniezione di additivi gassosi e liquidi. Mira a integrare la carbonatazione nella costruzione automatizzata e a controllare l’indurimento secondo le esigenze della stampa.

Le prove hanno mostrato anche miglioramenti di alcune proprietà meccaniche.Questi risultati indicano prestazioni migliori rispetto ai campioni di riferimento nelle condizioni sperimentali, senza garantire automaticamente la stessa resistenza per ogni struttura.

Gli autori riportano incrementi fino al 50% nella stampabilità, al 45,3% nella resistenza a flessione e al 36,8% nella resistenza a compressione, rispetto ai riferimenti considerati nello studio.

I campioni sottoposti alla stampa con CO2 e vapore e successivamente maturati all’aria hanno mostrato il maggiore assorbimento di carbonio. Secondo gli autori:

«La soluzione presentata offre un percorso promettente verso costruzioni decarbonizzate, ampliando le opzioni praticabili per la cattura e lo stoccaggio del carbonio oltre i tradizionali metodi di maturazione in ambiente confinato».

Ulteriori ricerche potrebbero ottimizzare le configurazioni di stampa, le miscele e l’iniezione di gas di scarico, riducendo lo spreco di CO2 pura.

Una società quotata nel settore della stampa 3D

Stratasys opera nel più ampio mercato della stampa 3D, che la stima citata valuta a 17,5 miliardi di dollari nel 2024, con una previsione di crescita annua composta del 16,4%, fino a 37,4 miliardi in cinque anni. Queste cifre riguardano una previsione di mercato, non ricavi garantiti per la società.

1. Stratasys Ltd.

Stratasys fornisce sistemi, materiali e servizi di stampa 3D, soprattutto per polimeri, a diversi settori. La sua presenza qui non implica che commercializzi il processo di stampa del calcestruzzo descritto nello studio NTU.

La rilevazione di mercato riportata nell’articolo indicava una capitalizzazione di circa 689,5 milioni di dollari e un prezzo di 9,66 dollari, in calo del 32,35% da inizio anno. Sono dati storici del 2024. Con un utile per azione negativo di 1,32 dollari sui dodici mesi, un rapporto prezzo/utili negativo di −7,30 non rappresenta un normale multiplo di valutazione degli utili.

Per il terzo trimestre del 2024, Stratasys ha comunicato ricavi di 140 milioni di dollari, in calo rispetto a 162,1 milioni un anno prima. I ricavi ricorrenti da materiali di consumo sono invece cresciuti su base annua per l’ottavo trimestre consecutivo.

Il margine lordo GAAP è salito al 44,8%. La perdita netta GAAP è stata di 26,6 milioni di dollari, a fronte di un utile netto rettificato non-GAAP di 0,4 milioni. L’attività operativa ha assorbito 4,5 milioni di dollari di cassa, mentre il flusso operativo cumulato dall’inizio dell’anno restava positivo.

A novembre 2024 la società ha mantenuto la previsione di ricavi annuali di 570–580 milioni di dollari e alzato le attese sui margini e sulla redditività. Indicava un utile netto non-GAAP di 2,1–5 milioni e investimenti in capitale di 15–20 milioni. Erano previsioni, non risultati annuali definitivi.

«Abbiamo iniziato con successo a trasformare l’azienda attraverso l’ottimizzazione dei costi e concentrandoci sulle opportunità a maggiore crescita».

— Yoav Zeif, amministratore delegato, nel commento ai risultati

Zeif ha inoltre segnalato interesse per la piattaforma F3300 e lo sviluppo delle attività nei settori aerospaziale, automobilistico e sanitario.

Il piano di ristrutturazione mirava a risparmi annui di 40 milioni di dollari a partire dal primo trimestre del 2025.

«Siamo ben posizionati per aumentare ricavi, redditività e flusso di cassa nel 2025, rispondendo alla domanda accumulata quando le condizioni di mercato miglioreranno».

— Yoav Zeif

Scopri di più sull’investimento in Stratasys Ltd.

Conclusione

Il calcestruzzo è essenziale per molte costruzioni, ma il suo impatto ambientale richiede soluzioni migliori. Il processo studiato dalla NTU esplora una possibilità per immagazzinare CO2 durante la stampa e migliorare alcune proprietà del materiale.

La stampa 3D potrebbe contribuire a soddisfare alcune esigenze dell’edilizia e ridurne determinati impatti. Prima di un’adozione estesa occorre però affrontare problemi di scala, standardizzazione, sicurezza e valutazione dell’intero ciclo di vita.

Consulta l’elenco dei principali titoli della produzione additiva e della stampa 3D.