Calcestruzzo “bio” stampato in 3D che cattura più CO₂ e usa meno cemento

Calcestruzzo 3D a diatomite: meno cemento, più cattura CO₂

L’Università della Pennsylvania ha messo insieme design computazionale, scienza dei materiali e stampa 3D per ripensare il calcestruzzo: una miscela alleggerita con farina di diatomite (gusci silicei fossili di microalghe), capace di assorbire molta più CO₂ del normale e di reggere il carico con meno materiale grazie a geometrie ottimizzate.

Il cuore della ricerca non è solo “cosa” si stampa, ma come lo si progetta e come lo si cura.

La diatomite, materiale poroso e finemente siliceo, svolge due funzioni: migliora la reologia durante l’estrusione (la “pasta” è più stabile in uscita dall’ugello) e offre siti interni dove, in ambiente ricco di CO₂, precipita carbonato di calcio. Risultato: durante la carbonatazione la microstruttura si rinforza invece di indebolirsi, ribaltando il trade-off classico tra porosità e resistenza.

Parallelamente, la stampa 3D permette di costruire elementi con TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces): reticoli continui senza spigoli, simili a ossa o coralli, che massimizzano la superficie esposta all’aria e minimizzano la massa senza perdere rigidezza.

Con un progetto strutturale funicolare e cavi di post-tensione integrati, i provini si autosostengono in stampa e a fine cura lavorano in compressione dove serve.

La ricerca UPenn integra diatomite, TPMS e post-tensione per un calcestruzzo stampabile che riduce materiale e impronta climatica senza sacrificare le prestazioni

Questi i risultati principali registrati nel corso della sperimentazione (dati di laboratorio).

• Assorbimento di CO₂: fino a +142% rispetto alle miscele standard; 489 g CO₂/kg di cemento come efficienza di assorbimento della miscela. Nel cubo TPMS, il tasso di uptake è +175% rispetto a un cubo “pieno” tradizionale. 
• Uso di materiale: –68% di volume rispetto a blocchi pieni; +500% di rapporto superficie/volume, cioè molta più area per la carbonatazione.
• Prestazioni meccaniche: la geometria TPMS mantiene circa il 90% della resistenza a compressione del solido comparabile; la miscela stampabile raggiunge ~40 MPa in compressione e ~3 MPa a trazione diretta. 
• Efficienza per unità di legante: +32% di CO₂ assorbita per kg di cemento nel caso del cubo TPMS, grazie alla combinazione di miscela e forma.

Il principio 

La diatomite agisce come spugna reattiva: la sua rete di pori facilita la diffusione della CO₂ all’interno del getto e fornisce nucleazione al carbonato di calcio che si forma durante la carbonatazione; questo densifica la pasta e aumenta la resistenza nel tempo.

La forma (TPMS) fa il resto: più superficie = più scambio con l’aria, meno materiale dove non lavora, spessori continui che diffondono gli sforzi; la post-tensione chiude il cerchio garantendo stabilità sia in stampa sia in esercizio. 

Le prospettive

Il team sta portando il concetto su pannelli portanti, solai e facciate prefabbricati stampati e post-tesi; le stesse geometrie ad alta superficie potrebbero favorire ripristino marino (reef artificiali, letti di ostriche), dove la crescita biologica e la carbonatazione procedono di pari passo. Studi LCA interni indicano, a parità di funzione, forti riduzioni dell’impronta GWP del sistema strutturale rispetto a soluzioni convenzionali, specie se integrato con impianti HVAC elettrificati che sfruttano la massa termica della forma TPMS.

Limiti e questioni aperte

• Standard e norme: oggi non esistono capitolati unificati per il calcestruzzo stampato 3D e per elementi TPMS portanti; serviranno procedure di qualificazione, metodi di prova dedicati (reologia in stampa, aderenza dei cavi, durabilità alla carbonatazione accelerata) e regole di progetto per forme non tradizionali.
• Durabilità: la carbonatazione controllata qui è un alleato; in opera andranno studiate penetrazione dei cloruri, cicli gelo-disgelo, ritiro fessurativo, e l’interazione con armature/post-tensione.
• Supply chain: la diatomite è diffusa e low-cost, ma va verificata la variabilità del materiale e l’impatto su disponibilità locale e logistica.
• Scala e produttività: robotica, qualità di estrusione e tempi ciclo devono dimostrare competitività in cantiere e prefabbricazione.

Conclusioni

Come per altre sperimentazioni svolte in tutto il mondo non stiamo parlando di un “cemento magico” che assorbe CO₂: anche in questo caso c’è ingegneria dei materiali e c’è ingegneria della forma.

L’insieme permette meno cemento, meno massa, più carbonatazione utile e prestazioni meccaniche compatibili con usi reali. Per un settore abituato a ottimizzare per norme prescrittive, è un invito a progettare per funzioni (resistenza, durabilità, scambio termico, sequestro carbonico) e non solo per “volumi di cls”.

Questo principio, di ragionare più per prestazioni che per quantità in fase di progetto, già discusso ampiamente all'interno di Ingenio, richiede però alcuni salti di qualità che ancora oggi non vediamo realizzarsi: dal punto di vista normativo, passando da una base prescrittiva a una prestazionale, dal punto di vista della conoscenza dei materiali e delle innovazioni tecnologiche, argomento oggi poco seguito da gran parte del mondo dei progettisti, qualifica dell'industria per fornire reali garanzie sulla qualità dei materiali.

Manca quindi una consapevolezza condivisa della necessità di fare evolvere realmente le tecniche costruttive, al fine di utilizzare i materiali più avanzarti nel modo più efficiente possibile.

Non posso concludere senza ricordare che di recente è uscita una prassi, la UNI PDR 176/2025, che si muove in questa direzione, ma è ancora troppo poco.

Fonti principali:

• Penn Today – “Designing cleaner, greener concrete that absorbs carbon dioxide” (08/07/2025)
  https://penntoday.upenn.edu/news/penn-engineering-designing-cleaner-greener-concrete-absorbs-carbon-dioxide
• Advanced Functional Materials – Articolo peer-reviewed “3D Concrete Printing of Triply Periodic Minimum Surfaces for Enhanced Carbon Capture and Storage”
  Abstract: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202509259
  PDF: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.202509259
• Weitzman School of Design (UPenn) – ripresa della notizia
  https://www.design.upenn.edu/post/designing-cleaner-greener-concrete-absorbs-carbon-dioxide
• Penn Environment (UPenn) – ripresa della notizia
  https://environment.upenn.edu/news-events/news/designing-cleaner-greener-concrete-absorbs-carbon-dioxide
• Shu Yang Lab (UPenn Engineering) – nota di laboratorio
  https://shuyang.seas.upenn.edu/designing-cleaner-greener-concrete-that-absorbs-carbon-dioxide/
• Penn Center for Innovation – scheda tech transfer (diatomite come SCM, printabilità)
  https://upenn.technologypublisher.com/technology/54973
• EurekAlert! – press release sull’articolo e la collaborazione Penn
  https://www.eurekalert.org/news-releases/1090625
• 3D Printing Industry – coverage tecnico (dati chiave riassunti)
  https://3dprintingindustry.com/news/university-of-pennsylvania-develops-3d-printable-concrete-to-enhance-co%E2%82%82-capture-and-strength-241977/
• 3DPrinting.com – coverage
  https://3dprinting.com/news/university-of-pennsylvania-researchers-develop-carbon-capturing-concrete/
• VoxelMatters – coverage
  https://www.voxelmatters.com/upenn-engineers-reimagine-concrete-3d-printing-with-algae/
• Interesting Engineering – coverage
  https://interestingengineering.com/innovation/3d-printed-concrete-carbon-capture
• MaterialDistrict – coverage
  https://materialdistrict.com/article/3d-printed-concrete-innovation-captures-co2-and-reduces-material-use/
• New Atlas – coverage
  https://newatlas.com/materials/bio-concrete-carbon-diatomaceous-earth/