Additive manufacturing of geopolymers filled with end-of-life materials

Environmentally related problems caused by the uncontrolled industrialization in developed as well as in emerging countries, such as greenhouse gases emissions and waste disposal, are becoming of paramount importance. As a consequence, both political and technological solutions must be found as soon as possible, to deal with these global issues. Concrete industry is addressed as the cause of 5-7% of the overall human-related carbon emissions. Furthermore, its environmental impact, due to the large quantity of highly pollutant material implied, the ordinary Portland cement, is expected to grow because of the worldwide increasing request of constructions. In this work, possible alternatives in terms of materials and processes are investigated, also taking into account the possibility of valorising wastes in a circular economy perspective. Therefore, geopolymers are selected as a greener cementitious binder in formulations optimised for liquid deposition modelling additive manufacturing technology, which is chosen for its disruptive potential of changing the paradigms of the traditional building and construction sector. In the framework of the European projects SaltGae and FiberEUse, end-of-life microalgae used for innovative wastewater treatments and recycled glass fibres are valorised as fillers in the 3D printed materials. A comprehensive study is developed, following the evolution stages of the material, which is prepared and printed as a liquid paste and then hardens thanks to an inorganic polymerization reaction (geopolymerization). Thus, the characterization techniques adopted encompasses rheometry, mechanical tests performed on fresh and hardened material, scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Structure-properties relationships are found and discussed in sight of the applications. Finally, printing process is scaled-up to assess the feasibility of obtaining large-scale structures. Objects with different features are printed to understand possibilities and limitations of this technology.

Temi come il cambiamento climatico e il problema dello smaltimento dei rifiuti sono sempre più al centro di ogni agenda politica e del dibattito pubblico, poiché la necessità di trovare soluzioni per salvaguardare l’intero pianeta sta promuovendo azioni legislative, iniziative sociali ed avanzamenti tecnologici. Uno dei settori maggiormente d’impatto sulle emissioni di gas serra è l’industria del cemento, che da sola è responsabile del 5-7% delle emissioni di carbonio legate ad attività umane. Il processo di produzione del cemento tradizionale Portland presenta intrinsecamente l’emissione di grandi quantità di CO2, che va moltiplicata per la sempre crescente quantità di materiale richiesto per applicazioni edili ed infrastrutturali. In questa tesi vengono proposte ed analizzate delle alternative agli schemi tradizionali dell’industria del cemento sia in termini di materiali, sia per quanto riguarda i processi. In sostituzione al cemento Portland è stato scelto un cemento geopolimerico a base metacaolino, più ecosostenibile, formulato per l’uso nella stampa 3D da liquido (LDM – Liquid Deposition Modelling), tecnologia che ha le potenzialità di rivoluzionare i paradigmi dei processi industriali tradizionali. Inoltre, materiali a fine vita, considerati rifiuti, sono stati impiegati come filler. In particolare, nel contesto dei progetti europei SaltGae e FiberEUse, diversi tipi di microalghe usate per il trattamento di acque reflue e di fibre di vetro riciclate sono stati forniti e valorizzati all’interno delle formulazioni preparate. L’applicazione di materiali cementizi, in particolare geopolimeri, nella stampa LDM presenta vari aspetti da controllare ed ingegnerizzare. Di fondamentale importanza è il comportamento reologico della miscela fresca, che deve essere pseudoplastico con soglia di scorrimento per garantire la regolarità del flusso, il recupero della deformazione applicata durante l’estrusione e la possibilità di sostenere i layer che vengono progressivamente depositati. In seguito alla deposizione, il materiale evolve nel tempo, andando ad indurirsi grazie alla reazione di geopolimerizzazione, che porta alla formazione di un network amorfo basato su strutture di alluminosilicati. Il tempo di indurimento è pertanto un altro fattore critico nel considerare processi che impiegano questo tipo di materiali. Infine, le proprietà meccaniche del materiale indurito sono condizionate sia dalla composizione chimica che dalla microstruttura che viene ottenuta. Pertanto, al fine di studiare in modo completo questo tipo di materiali e l’effetto degli additivi utilizzati su tutte le proprietà sopraelencate, varie formulazioni sono state preparate e caratterizzate. La maggior parte delle stampe, tramite cui sono stati prodotti i campioni per le prove meccaniche, è stata condotta utilizzando una stampante desktop 3DRag (volume di stampa 20 cm x 20 cm x 20 cm), adattata alla tecnologia LDM. Una volta ottimizzato il processo, si è proceduto ad uno scale-up con una stampante WASP Delta 40100 (volume di stampa 40 cm x 40 cm x 100 cm), per verificare la fattibilità di stampare strutture a scala maggiore.