Experimental Characterization of Moroccan Phosphate By-Products in Cementitious Mixtures for Potential 3D Concrete Printing Applications

Nel mondo dell'edilizia, i materiali che utilizziamo per costruire le nostre case e le nostre città sono spesso pesanti, permanenti e difficili da modificare. Per decenni, lo standard è stato il calcestruzzo, una miscela di cemento, sabbia e acqua che si indurisce in uno stato solido simile a una roccia. Sebbene sia incredibilmente resistente, la produzione del cemento che lega questa miscela genera una quantità significativa di anidride carbonica, contribuendo al cambiamento climatico. Allo stesso tempo, l'industria mineraria produce enormi quantità di scarti di roccia e fanghi che vengono spesso accumulati in grandi aree di stoccaggio, occupando spazio e ponendo rischi ambientali. Un campo della scienza in crescita cerca di risolvere entrambi i problemi contemporaneamente, cercando modi per trasformare questi scarti industriali in utili blocchi da costruzione. Questo approccio, spesso chiamato economia circolare, mira a impedire che i rifiuti vengano sprecati e a ridurre la necessità di nuove materie prime ad alto consumo energetico. Un'altra innovazione moderna in questo campo è la stampa 3D di calcestruzzo, una tecnologia che utilizza grandi bracci robotici per estrudere strati di calcestruzzo umido, costruendo strutture strato dopo strato senza la necessità di tradizionali stampi in legno. Affinché questa tecnologia funzioni bene, il calcestruzzo deve essere abbastanza fluido da scorrere attraverso una macchina, ma abbastanza rigido da mantenere la sua forma nel momento in cui viene deposto.

Ricercatori in Marocco hanno recentemente esplorato se le vaste quantità di rifiuti prodotti dall'industria mineraria dei fosfati del paese potrebbero essere utilizzate in questi nuovi tipi di miscele edilizie. Il Marocco è un leader mondiale nella produzione di fosfati, un minerale essenziale per i fertilizzanti, ma il processo di estrazione e pulizia di questa roccia genera enormi quantità di sottoprodotti, tra cui scarti di roccia, un materiale chiamato fosfogesso e fango umido. Invece di lasciare che questi materiali restino in cumuli, un team di scienziati dell'Università Politecnica Mohammed VI ha deciso di testare se potessero essere macinati e mescolati con il cemento per creare un materiale adatto alla stampa 3D. Hanno raccolto campioni di questi tre tipi di scarto da un impianto di lavorazione e li hanno sottoposti a una serie di test accurati per comprenderne la composizione chimica, la sicurezza e il comportamento quando mescolati con acqua e sabbia.

Il primo passo è stato garantire che i materiali fossero sicuri da maneggiare e utilizzare. I ricercatori hanno misurato il contenuto di umidità e l'acidità dei rifiuti, riscontrando che i materiali erano generalmente neutri e non contenevano livelli pericolosi di metalli pesanti. Hanno anche controllato la radioattività, una preoccupazione poiché i minerali fosfatici possono talvolta contenere tracce di elementi radioattivi naturali. I test hanno mostrato che i livelli di radioattività erano molto bassi e ampiamente entro i limiti di sicurezza per l'edilizia. Il team ha poi esaminato la composizione chimica degli scarti utilizzando attrezzature avanzate che identificano gli elementi presenti in un campione. Hanno scoperto che lo scarto era ricco di calcio e zolfo, con piccole quantità di altri minerali, confermando che possedeva gli ingredienti giusti per potenzialmente reagire con il cemento e formare un legame forte.

Con la sicurezza e la composizione confermate, i ricercatori sono passati alla creazione di vere e proprie miscele edilizie. Hanno preparato decine di ricette differenti, mescolando gli scarti di fosfati macinati con argilla rossa, sabbia frantumata e tre diversi tipi di cemento. Hanno variato la quantità di acqua e la proporzione di scarto in ogni miscela per vedere quale combinazione producesse i risultati migliori. L'obiettivo era trovare un equilibrio in cui la miscela fosse abbastanza forte da sostenere il peso, ma abbastanza fluida da essere pompata attraverso una stampante. Dopo la miscelazione, hanno versato il materiale umido in piccoli stampi e lo hanno lasciato indurire per diverse settimane, testando quanto diventasse resistente nel tempo.

I risultati hanno mostrato che i materiali di scarto potevano effettivamente essere incorporati con successo nel calcestruzzo. Le miscele si sono indurite in blocchi solidi in grado di resistere a una pressione significativa. La miscela più forte, realizzata con il cemento di grado superiore e una specifica quantità di scarto di fosfati, ha raggiunto una resistenza alla compressione di quasi 47 megapascal, una misura di quanta forza il materiale può sopportare prima di rompersi. Altre miscele che utilizzavano diversi tipi di cemento hanno avuto prestazioni altrettanto buone, con resistenze variabili tra circa 22 e 32 megapascal. Questi numeri suggeriscono che il materiale è abbastanza resistente per molti scopi costruttivi. I ricercatori hanno anche testato come fluiva la miscela umida, misurando la sua viscosità e come cambiava forma sotto sforzo. Hanno scoperto che le miscele esibivano proprietà meccaniche e reologiche che suggeriscono un potenziale per ulteriori sviluppi; tuttavia, l'articolo nota esplicitamente che l'idoneità di queste formulazioni per la stampa 3D basata sull'estrusione deve ancora essere validata sperimentalmente.

Nonostante questi risultati incoraggianti, i ricercatori sono stati cauti nel non dichiarare il problema completamente risolto. Sebbene le miscele mostrassero un grande potenziale in laboratorio, non erano ancora state testate in una stampante 3D reale. Lo studio ha confermato che i materiali sono sicuri, resistenti e possiedono le giuste proprietà fisiche sulla carta, ma la prova definitiva arriverà dal vedere se possono essere stampati con successo in forme complesse che resistano nel tempo. Il team ha osservato che il lavoro futuro deve concentrarsi su prove di stampa diretta per vedere quanto bene gli strati si uniscano tra loro, come il materiale si comporta quando costruito in una struttura reale e per valutare la coesione tra gli strati e la costruibilità. Hanno inoltre sottolineato la necessità di studi a lungo termine per garantire che i materiali rimangano sicuri e stabili nell'ambiente.

Questo lavoro rappresenta un passo significativo verso la trasformazione di un importante scarto industriale in una risorsa preziosa. Dimostrando che i rifiuti di fosfati marocchini possono essere trasformati in un materiale edilizio forte, sicuro e potenzialmente stampabile, lo studio apre una nuova porta per l'edilizia sostenibile. Suggerisce che i cumuli di scarti di roccia e fanghi, che da tempo rappresentano una sfida ambientale, potrebbero un giorno diventare i mattoni e le travi degli edifici del futuro, riducendo la necessità di nuove materie prime e aiutando a costruire un settore delle costruzioni più pulito ed efficiente. Il percorso che va da un cumulo di rifiuti a una casa stampata in 3D è ancora in fase di mappatura, ma questa ricerca fornisce un punto di partenza chiaro e promettente.