Cool Concrete, ecco il muro di cemento intelligente stampato in 3D per le autostrade del futuro

L'Università di Cambridge – uno degli istituti più antichi e rinomati al mondo – ha sviluppato un cemento intelligente e stampabile in 3D da inserire all'interno del programma della National Highways.

Accanto alla struttura fisica vi è una sorta di "gemello virtuale" in grado di mostrare in tempo reale non solo le condizioni del muro, ma anche di fornire dati riguardo al traffico e al meteo.

"Rendere il muro digitale significa che può parlare da solo e che possiamo utilizzare i nostri sensori per comprendere meglio queste strutture stampate in 3D e accelerare la loro accettazione nell'industria" ha dichiarato Abir Al-Tabbaa, a capo del gruppo di ricerca.

Negli ultimi sei anni, il team del professor Al-Tabbaa - del Dipartimento di Ingegneria - ha sviluppato, oltre a diversi tipi di calcestruzzo "intelligente" ed auto-riparante, nuove tecnologie di sensori per ottenere informazioni di migliore qualità dall'infrastruttura.

In particolare, i ricercatori hanno perfezionato un tipo di sensore noto come PZT (Piezoceramic Lead-Zirconate-Titanate), in grado di misurare la risposta dell'impedenza elettromeccanica e monitorare i cambiamenti di queste misurazioni nel tempo, al fine di rilevare eventuali debolezze o cedimenti prima che diventino danni.

Inoltre, questi sensori intelligenti mostrano come la malta stampata in 3D si indurisce nel tempo, controllando costantemente la salute della struttura ospite.

Il muro intelligente, installato sulla A30 della Cornovaglia, è alto circa due metri e largo tre metri e mezzo e ha già iniziato a fornire preziose informazioni in tempo reale sullo stato di salute della struttura, traffico e meteo.

La struttura è stata stampata nel giro di un'ora nel Gloucestershire, presso la sede della società di ingegneria avanzata Versarien, utilizzando una stampante per calcestruzzo basata su un braccio robotico.

Durante le fasi di stampa il cemento a presa rapida ha sviluppato molto calore e il team ha deciso di monitorare l'andamento della temperatura durante il processo di creazione, inserendo subito i sensori.

"Poiché è necessario un cemento a presa estremamente rapida per la stampa 3D, il processo genera un'enorme quantità di calore", ha affermato Al-Tabbaa. "Abbiamo incorporato i nostri sensori nel muro per misurare la temperatura durante la costruzione e ora continuiamo a ricevere dati da loro".

Al fine di creare una perfetta copia digitale del muro fisico, è stato utilizzato un sistema LiDAR per scansionare l'headwall mentre veniva stampato, creando una "nuvola" di punti 3D su cui è stato "costruita" la versione virtuale.

Otto sensori PZT sono stati incorporati all'interno degli strati della parete in diverse posizioni durante il processo di stampa 3D per catturare le reazioni di carico e deformazione, sia durante il processo di costruzione che durante la vita utile dopo l'installazione.

Il team, che comprende esperti in materiali intelligenti, automazione, robotica e scienza dei dati, ha anche sviluppato un sistema di acquisizione dati wireless su misura. Questo consentirà di continuare a raccogliere i dati di risposta elettromeccanica multifrequenza dei sensori incorporati in remoto da Cambridge.

Normalmente, inoltre, i muri di testa sono realizzati in calcestruzzo che deve essere versato dentro un involucro (la cassaforma) cui successivamente verrà annegata un'armatura in acciaio.

In questo caso non è stato necessario utilizzare questo procedimento perché, per rafforzare la struttura di cemento stampato, è stato eseguito un preciso calcolo geometrico, in modo da sfruttare la stabilità stessa del muro. A supervisionare il lavoro del team universitario è stata Costain, azienda britannica specializzata in ingegneria edile.

La stampa 3D si sta letteralmente facendo strada nel settore edilizio in forza dei suoi numerosi vantaggi: costi più bassi, risparmio di materiali ed emissioni di carbonio molto limitate

"Questo progetto fungerà da laboratorio vivente, generando dati preziosi per tutta la sua durata", ha affermato Al-Tabbaa.

"I dati dei sensori e il 'gemello digitale' aiuteranno i professionisti delle infrastrutture a comprendere meglio come la stampa 3D può essere utilizzata e adattata per stampare materiali a base di cemento più grandi e complessi per la rete stradale strategica".