Bioreceptive concrete: a material investigation for designing urban surfaces to foster biological colonization

This thesis investigates the development of bioreceptive materials designed to promote the spontaneous growth of living organisms in urban environments. The primary objective of the research is to create a substrate capable of encouraging the colonization of algae, mosses and lichens, thus helping to mitigate the negative impacts of urbanization, such as the urban heat island and loss of biodiversity. The research focuses on the analysis of moss and lichen species present in urban contexts, with the aim of understanding how a substrate, through its composition and properties, can satisfy the ecological needs of these organisms. By manipulating the intrinsic properties of a material, it is possible to increase its bioreceptivity, making it a favourable environment for the settlement of living organisms. To this end, 34 typologies of concrete were made with different compositions, varying the binders, porous aggregates (crushed expanded clay or cork granules), natural fibers (coconut or hemp) and fillers, which include biomineralized compounds obtained from industrial waste, such as eggshells and mollusk shells. The water/binder ratio was also modulated. Then, intrinsic properties such as the material’s ability to retain water, surface porosity, pH and compressive strength were analyzed on each sample. Subsequently, their bioreceptivity was evaluated through an accelerated algal biofouling experiment and through outdoor exposure to assess their potential for natural colonization. The sample with the best bioreceptive and mechanical properties was finally used as the basis for the construction of a surface with macro- and micro-levels of geometry, designed to enhance bioreceptivity and shift the perception of biological growth as an aesthetic element, rather than as a sign of degradation in the urban landscape.

Questa tesi indaga lo sviluppo di materiali biorecettivi, concepiti per promuovere la crescita spontanea di organismi viventi in ambienti urbani. L’obiettivo primario della ricerca è la creazione di un substrato capace di favorire la colonizzazione di alghe, muschi e licheni, contribuendo così a mitigare gli impatti negativi dell’urbanizzazione, quali l’isola di calore urbana e la perdita di biodiversità. La ricerca si focalizza sull’analisi delle specie di muschi e licheni presenti in contesti urbani, con lo scopo di comprendere come un substrato, attraverso la sua composizione e le sue proprietà, possa soddisfare le esigenze ecologiche di tali organismi. La manipolazione delle proprietà intrinseche di un materiale consente di incrementarne la biorecettività, rendendolo un ambiente favorevole all’insediamento di organismi viventi. A tal fine, sono stati realizzati 34 campioni di calcestruzzo con differenti composizioni, variando i leganti, gli aggregati porosi (argilla espansa frantumata o sughero in granuli), le fibre naturali (cocco o canapa) e i riempitivi, che includono composti biomineralizzati ottenuti da scarti industriali, come gusci d’uovo e conchiglie di molluschi. È stato inoltre modulato il rapporto acqua/legante. Su tali campioni sono state analizzate le proprietà intrinseche, quali la capacità del materiale di ritenere acqua, la porosità superficiale, il pH e la resistenza a compressione. Successivamente ne è stata valutata la biorecettività attraverso un esperimento accelerato di biocolonizzazione algale e attraverso l’esposizione in ambienti esterni, per valutare il potenziale di colonizzazione naturale. Il campione con le migliori proprietà biorecettive e meccaniche è stato infine utilizzato come base per la costruzione di una superficie con macro- e micro-livelli di geometria, progettata per valorizzare la percezione della crescita biologica come elemento estetico, piuttosto che come segno di degrado nel paesaggio urbano.