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Concrete2014 - Progetto e Tecnologia per il Costruito
Tra XX e XXI secolo
CONCRETE 2014
PROGETTO E TECNOLOGIA PER IL COSTRUITO
Tra XX e XXI secolo
Termoli
25 e 26 settembre 2014
Claudia Sicignano
Ingegnere Edile – Architetto
Dottoranda di Ricerca
Università degli Studi di Napoli - Federico II, Italia
e-mail: [email protected]
[email protected]
Key word: cement, nanotechnologies, composites, rehabilitation, technology
Abstract
Today nanotechnology is one of the most active areas of research, which includes
a range of disciplines such as engineering and construction materials. Other
sectors are equally active such as electronics, biomechanics, etc... The interest in
nanotechnology for cement composites is growing. The cement produced and
processed with nanostructured particles is starting a large number of opportunities
in the field of performances, far beyond those traditionally known. The word
"nanotechnology" formed by the words "nano" and "technology", indicates the
technology of the very small and defined by Drexler as "the ability to control
matter based on the design of products and by-products for molecular-scale
systems through high-precision and processes of "molecular manufacturing”. It is,
in fact, of the 'engineering materials and structures ranging in size from 1 to 100
nanometers (1 nanometer=1 millionth of a millimeter).To understand
schematically the order of magnitude, 10 nanometers are a thousand times
smaller than the diameter of a human hair. Numerous materials are already on
the market but there is still much to do in the field of research in order to better
understand the most of the phenomena that govern the relationships between the
various physical and chemical particles, identifying responses to new demands.
The use of carbon nanotubes in reinforced concrete structures enable the use of
extremely small sections, employing a quantity of concrete material up to 10
times lower. Nanotechnology applied to concrete materials are also the answer to
environmental issues, with the ability to save resources, reduce the volume of
waste and emissions, to produce cement products for more specific uses. Recently
in the field of construction new high performance products are protagonist thanks
to qualified companies which have been operating for decades; products and
materials, whose main characteristics are the density and improved water
resistance, improved tensile strength, the tendency to reduce cracking, improved
thixotropic properties, ease of application and cost reduction.
Claudia Sicignano
Nanotecnologie e conglomerato cementizio
Quello delle nanotecnologie è un campo di ricerca molto attivo e che ha
applicazioni in una serie di settori. Attualmente questa tecnologia viene utilizzata
per la creazione di nuovi materiali, dispositivi e sistemi a livello molecolare al nano
ed al micro livello.
La parola “nanotecnologia” formata dalle parole "nano" e "tecnologia", indica la
tecnologia dell'estremamente piccolo e definito da Drexler come "capacità di
controllo della materia basata sulla strutturazione dei prodotti e dei sottoprodotti
alla scala molecolare attraverso sistemi ad alta precisione e processi di “molecular
manufacturing".
Si tratta, in effetti, dell' ingegneria dei materiali e delle strutture con dimensioni
variabili da 1 a 100 nanometri (1 nanometro = 1 milionesimo di millimetro).
Per comprendere schematicamente l’ordine di grandezza, 10 nanometri sono mille
volte più piccoli del diametro di un capello.
Le nanotecnologie sono state introdotte nella manipolazione dei prodotti a livello
atomico dapprima nei settori aerospaziale, militare e biomedico, poi in quelli
dell'elettronica, dei cosmetici, degli articoli sportivi, dell'abbigliamento, dei
rivestimenti superficiali e anche dell'edilizia. Numerosi sono già i materiali in
commercio ma c’è ancora tanto da fare nel campo della ricerca al fine di meglio
comprendere al meglio i fenomeni che regolano i rapporti chimico-fisici tra le varie
particelle, individuando risposte alle rinnovate esigenze.
Figura 1: tabella comparativa delle grandezze di scala
Dal punto di vista operativo le nanotecnologie si attuano attraverso due distinti
processi: top down il quale prevede il controllo dei processi di miniaturizzazione
sui materiali macroscopici e bottom down che considera la realizzazione dei
materiali attraverso l’ assemblaggio delle nanoparticelle mediante legami chimici,
sfruttando principi di riconoscimento molecolare. Per quanto riguarda l'approccio
top down, il processo più comune, impiegato soprattutto nel campo dell'elettronica
e delle tecnologie per l'informazione; esso è legato alla litografia a fasci di
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elettroni, ioni o raggi X, che tendono a ridurre le dimensioni dei reticoli cristallini.
Per quanto riguarda il mondo delle costruzioni, le nanotecnologie modificano le
proprietà di qualsivogila materiale alla piccola scala per migliorarne il
comportamento ed incrementarne le prestazioni alla macroscala: un materiale
nano strutturato viene modificato nella sua nanostruttura al fine di determinarne,
ad esempio, le proprietà meccaniche e termiche ma anche il colore, la forma ecc.,
dando origine a un prodotto del tutto nuovo o modificando quello già esistente.
Sono classificati in base alle dimensioni.
Si distinguono in: quantum dots (strutture zero dimensionali) come le
nanoparticelle, quantum wires (strutture monodimensionali o come i nano tubi di
carbonio, quantum wells (strutture bidimensionali) come i film sottili,
nanocompositi (strutture tridimensionali). Varie poi sono le sperimentazioni
avviate che hanno portato alla messa a punto di prodotti già disponibili in
commercio, dai rivestimenti nanostrutturati antiusura, anticorrosione, termici e
fotocatalitici, ai vetri autopulenti, fotocromici e
termocromici, ai
materiali
organici per la conversione fotovoltaica agli isolanti trasparenti nano strutturati;
questo solo per indicarne alcuni. Ma la domanda nel settore pare destinata a un
forte sviluppo.
Si ampliano in tal modo le possibilità a disposizione del progettista il quale potrà
disporre di conoscenze aggiuntive nella definizione delle opere di architettura.
Le nanotecnologie consentono infatti di formulare componenti e sistemi più piccoli,
più leggeri, più rapidi e più efficaci, che prefigurano per il prossimo futuro
l'ottimizzazione delle prestazioni, l'introduzione di nuove proprietà, come ad
esempio la capacità di disintegrare sostanze inquinanti o l'automonitoraggio del
comportamento nel tempo. Quest'ultima caratteristica potrà essere attuata
mediante l'integrazione, entro i materiali da costruzione, di dispositivi intelligenti
di dimensioni nanometriche in grado di misurare le caratteristiche nel tempo, di
monitorare gli sforzi di sollecitazione e gli eventuali danni delle strutture stesse.
Grazie alle nanotecnologie sarà possibile anche individuare delle soluzioni a una
serie di problemi, quali i micro difetti e l'incostanza delle proprietà fisiche, e sarà
possibile trovare risposta alle questioni relative ai fattori ambientali.
Un candidato eccellente per la manipolazione e il controllo attraverso la
nanotecnologia è proprio il conglomerato cementizio perché contiene la complessa
nanostruttura di cemento e suoi idrati.
In realtà si tratta di uno dei segmenti di ricerca più interessanti, soprattutto per
ciò che riguarda la risposta a una produzione industriale ecoefficiente e la
definizione di elevati standard prestazionali in termini di resistenza e durabilità e
questo anche perché nonostante gli studi sul materiale si siano concentrati per lo
più sul livello macroscopico, le reazioni chimiche responsabili delle caratteristiche
dei prodotti finali, peraltro note tuttora solo in minima parte, avvengono alla
scala nanometrica.
Sono infatti i processi che si innescano dalla reazione dell'impasto cementizio
con l'acqua a condizionare fortemente le prestazioni del materiale finale. Recenti
progressi nelle nanostrumentazioni hanno già reso possibile la conoscenza delle
proprietà della struttura, il silicato di calcio idrato che costituisce l'80-90% della
pasta di cemento ed è responsabile delle caratteristiche fisiche e meccaniche degli
impasti. Il processo di idratazione si manifesta in due forme differenti, a bassa
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e ad alta densità, nonostante entrambe le forme siano costituite dalla stessa unità
fondamentale. Le particelle di C-S-H ad alta densità si addensano
moltissimo,creando una struttura ordinata che presenta una resistenza pari quasi
a due volte quella di una struttura C-S-H a bassa densità, nel quale caso le
particelle
si dispongono in forma disordinata. Controllare
l'idratazione del
cemento permette di ridurre i difetti del materiale e di aumentare la resistenza
meccanica e la durabilità. Anche l'impiego di ridotte quantità di nano
particelle. in sostituzione o in aggiunta agli additivi tradizionali, influenza
notevolmente le prestazioni del conglomerato, permettendo di limitare l'uso di
risorse materiali ed energetiche e di ottenere una migliore lavorabilità o specifiche
proprietà aggiuntive.
Conglomerato cementizio e nano materiali
L’aggregazione di materiali al livello della scala nanometrica consente lo sviluppo
di nuovi additivi come nanoparticelle e nanofibre (o nanotubi).
In confronto agli additivi tradizionali, l’aggiunta di quantità minime di nano
particelle nel conglomerato cementizio, consente di incrementare specifiche
proprietà del materiale, quali la viscosità del materiale, il riempimento dei vuoti
tra i granuli di cemento, la creazione di “centri di nucleazione” dei componenti di
idratazione accelerandone il processo, la partecipazione alle reazioni pozzolaniche,
l’ addensamento alla struttura della zona interfacciale di transizione, la
creazione di un migliore legame tra aggregati e legante cementizio. Un
inconveniente può essere rappresentato dalla effettiva dispersione di tutte le
particelle, problematica presente sia per le alte che per le basse concentrazioni.
L’esperienza mostra che ci sono problemi di aggregazione delle nanoparticelle che
porterebbero ad una riduzione dei benefici legati alle piccole dimensioni delle
particelle, poiché ci potrebbero essere parti di cemento non reagito e quindi sedi di
potenziali concentrazioni di tensione.
Nano legante e nano cemento
Nell’ottica di elevare le prestazioni del cemento e per diminuire le emissioni di
CO2, è stato proposto l’utilizzo di nanoparticelle di cemento per la cui produzione
sono state proposte due modalità: la macinazione ad alta energia detta anche
“top-down approach” oppure la sintesi chimica detta anche “bottom-up approach”.
Gli impasti cementizi sviluppati con nanoparticelle di cemento, hanno mostrato un
aumento della resistenza a compressione molto più rapida rispetto alla paste
preparate con comuni cementi disponibili in commercio. Di recente è stato anche
proposto il concetto di nano-legante. Questo concetto riguarda l’attivazione
chimico-meccanica che si ottiene attraverso la macinazione del cemento con
aggiunte minerali nei frantoi.
Alterazioni chimico-meccaniche del cemento con grandi volumi di scorie
d’altoforno hanno mostrato un aumento della resistenza a compressione fino al
62% .
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Biossido di Titanio - TiO2
Il biossido di titanio si è dimostrato molto efficace nel problema dell’inquinamento
nelle grandi aree urbane, grazie alla sua azione di disinquinamento ambientale e
di pulizia del calcestruzzo. Il biossido di titanio, miscelato con il cemento
prevalentemente nella forma cristallografica detta “anatasio” per produrre leganti
idraulici fotocatalitici, è in grado di attivare la fotocatalisi, ossia un processo di
smaltimento delle sostanze inquinanti evitandone l’accumulo e agevolandone lo
smaltimento.
Ossido di Alluminio - Al2O3
L’ossido di alluminio è molto efficace nell’incrementare il modulo di elasticità delle
malte da cemento. Le sperimentazioni infatti hanno dimostrato che con
un’aggiunta del 5% di nano-Al2O3 il modulo di elasticità aumenta del 143% dopo
28 giorni, ma non c’è un analogo incremento della resistenza a compressione. In
ogni caso, per garantire l’aderenza delle nanoparticelle di alluminio alla
superficie
della
sabbia,
è necessario compiere un’adeguata procedura di
miscelazione. Si ritiene infatti che, durante l’idratazione del cemento, queste
nanoparticelle agiscano come riempitivo dei pori all’interfaccia sabbia-pasta di
cemento e creino una densa zona interfacciale di transizione. Tutto ciò porta
all’aumento del modulo di elasticità. Con l’aumento del contenuto di nano Al2O3, il
modulo di elasticità aumenta fino a quando il contenuto delle nanoparticelle è
inferiore al 5%. Infatti, un quantitativo più alto, porta alla formazione
di
agglomerati di nanoparticelle e quindi si ha un decremento del modulo di
elasticità.
Biossido di Silicio - nano SiO2
Si sa che le resistenze a compressione ed a flessione delle malte di cemento
contenti nanoparticelle di SiO2 e Fe2O3 sono entrambe più alte delle resistenze
delle malte con cemento semplice. Inoltre, le resistenze a compressione delle
malte con nano-SiO2 sono maggiori di quelle contenenti fumo di silice dopo 7 e 28
giorni. Un’aggiunta del 10 % di NS con agenti disperdenti ha prodotto un aumento
del 26% della resistenza a compressione rispetto all’aumento del 10% ottenuto
con un’aggiunta del 15% di fumo di silice. Invece, l’aggiunta di piccole quantità di
NS ha portato ad un aumento del 10% della resistenza a compressione e del 25%
della resistenza a flessione dopo 28 giorni.
L’analisi microstrutturale al SEM dei campioni di malta con e senza nanoparticelle,
ha mostrato quali sono i fenomeni che consentono l’aumento delle prestazioni
delle malte con NS; quando una piccola quantità di nanoparticelle è dispersa in
maniera uniforme nella pasta di cemento, i prodotti di idratazione del cemento si
depositano sulle nanoparticelle che agiscono come “centri di nucleazione”. La
nucleazione dei prodotti di idratazione sulle nanoparticelle favorisce e accelera
l’idratazione del cemento. L’aggiunta di silice colloidale, inoltre, accelera la
reazione di idratazione del silicato tricalcico e porta ad una rapida formazione della
fase di C-S-H nella pasta di cemento. Altri fenomeni che portano all’aumento delle
prestazioni delle malte con NS sono il filler effect, le nanoparticelle riempiono i pori
Claudia Sicignano
di dimensioni nanometriche della pasta di cemento e la reazione pozzolanica, le
nanoparticelle di SiO2 reagiscono con l’idrossido di calcio generando strati
addizionali di C-S-H.
In altri studi è stato dimostrato che l’aumento della resistenza, dovuta all’aggiunta
delle nanoparticelle di silice, non è stata una conseguenza della reazione
pozzolanica ma della formazione di una microstruttura più densa dovuta alla
crescita delle catene di silice nel C-S-H.
La dispersione delle nanoparticelle è la chiave per ottenere tutti i benefici relativi
all’aggiunta di nanoparticelle nei sistemi cementizi. L’aggregazione delle
nanoparticelle, specialmente in alti dosaggi, può portare allo sviluppo di una
microstruttura non omogenea e di conseguenza a cattive prestazioni del materiale.
L’uso di un superfluidificante e di un dispersore molto veloce potrebbe
rappresentare una soluzione efficace per un’adeguata dispersione delle
nanoparticelle di silice. Ed inoltre i test di permeabilità all’acqua hanno mostrato
che il calcestruzzo con nano-SiO2 ha una resistenza alla permeabilità all’acqua
migliore dei calcestruzzi tradizionali, con conseguente aumento della durabilità e
della vita di servizio delle strutture in calcestruzzo.
Nanofibre di carbonio e nano tubi
I nanotubi/nanofibre di carbonio (CNTs/CNFs) sono i potenziali candidati per l’uso
come nanorinforzi nei materiali a base di cemento.
I conglomerati cementizi hanno bassa resistenza
a
trazione
e
sono
particolarmente inclini alla rottura di tipo fragile. L’aggiunta di fibre nei
materiali cementizi è una pratica comune per incrementare la resistenza a
trazione, la duttilità e la durabilità. Le interazioni di interfaccia tra i nanotubi di
carbonio e i prodotti di idratazione del cemento producono dei forti legami e,
inoltre, i nanotubi di carbonio agiscono come “ponti” attraverso le fessure e i pori,
garantendo il trasferimento dei carichi.
E’ noto che la resistenza a flessione e la rigidezza dei materiali cementizi possono
essere significativamente incrementate dall’aggiunta di basse quantità di nanotubi
di carbonio dispersi in maniera omogenea.
Figura 2: immagine di un materiale alla scala nanometrica
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L’impiego di nanotubi di carbonio in strutture in calcestruzzo armato consentirebbe
l’utilizzo di sezioni estremamente ridotte, impiegando una quantità di materiale
cementizio fino a 10 volte inferiore. Il maggiore ostacolo per un effettivo impiego,
però, oltre al costo per ora molto elevato dei nanotubi, è rappresentato dalla
difficoltà di disperdere in maniera omogenea e direzionata i nanotubi nell’impasto
cementizio, poiché i nanotubi tendono ad aggregarsi formando microstrutture
intrecciate, mentre, per sfruttarne le proprietà meccaniche, sarebbe necessario
orientarli esattamente secondo la direzione delle forze, andando contro le naturali
modalità di aggregazione casuale del materiale. Altre ricerche hanno posto poi
l’attenzione sulle particolari caratteristiche elettriche dei nanotubi di carbonio, al
fine di ottenere un materiale in grado di interagire con l’ambiente esterno
attraverso segnali elettrici.
Ad esempio, per definire gli stati tensionali interni o la consistenza del
conglomerato; si sente il bisogno infatti di monitorare le strutture lesionate per
prevenire gli incrementi dei quadri fessurativi.
Nano Sensori
E’ in corso di studio e di valutazione la fattibilità di Cyberliths o aggregati
intelligenti quali sensori wireless incorporati nel conglomerato cementizio. Si
prevede che in futuro questi micro sensori possano essere ridotti alla dimensione
di particelle di polvere, con la possibilità per rivestire un intero ponte con Smart
Dust, al fine di offrire la massima capacità di monitoraggio attraverso una fitta,
diffusa, complessa e continua rete di sensori intelligenti. I dati offerti da questi
sensori possono essere visionati, analizzati e valutati anche da remoto, per
monitorare lo stato del calcestruzzo e gli interventi di ripristino e riabilitazione
senza danneggiare le strutture stesse.
Conglomerati cementizi nanostrutturati come
risposta al tema dell’ inquinamento ambientale
coadiuvante
e
come
Le nanotecnologie applicate ai conglomerati cementizi sono anche la risposta al
tema ambientale, grazie alla possibilità di risparmiare risorse, di ridurre il volume
dei rifiuti e delle emissioni, di realizzare prodotti cementizi per usi più specifici. Tra
le applicazioni attualmente più promettenti, condotte a questo proposito, si
individuano i cementi nella cui matrice sono dispersi dei fotocatalizzatori
nanocristallini basati sul biossido di titanio (Ti02) che, in presenza di energia
solare e grazie al forte potere ossidativo, sono in grado di decomporre le sostanze
organiche depositate e di purificare aria e acqua. Sperimentazioni condotte
ricercando modelli comprendenti cemento e anastasio (una forma cristallina di
biossido di titanio) hanno portato alla messa a punto di una gamma di materiali
fotocatalitici: malte, pitture,intonaci, calcestruzzi, pavimentazioni, cementi,
nell'ambito di una strategia finalizzata alla riduzione dell'inquinamento ambientale.
Il principio foto catalitico coperto da brevetto depositato da una nota e prestigiosa
azienda italiana che opera a livello internazionale, è già stato impiegato in
numerose opere di edilizia e di architettura.
Claudia Sicignano
Tra gli interventi e le realizzazioni con conglomerati cementizi nano strutturati, si
segnalano, oltre alla ben nota Chiesa Dives In Misericordia a Roma, anche l'Hotel
de Police a Bordeaux, l'edificio The Commodore a Ostenda, la sede Ciments du
Maroc a Casablanca ed altre ancora che qui si omette di citare solo per brevità ed
esigenze editoriali.
Figura 3: Hotel de Police a Bordeaux
Figura 4: Hotel de Police a Bordeaux
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Figura 5: Chiesa Dives in Misericordia a Roma
Figura 6: Chiesa Dives in Misericordia a Roma
Claudia Sicignano
Nanotecnologie nelle riparazioni e nei ripristini strutturali di opere in
conglomerato cementizio armato
Ingenti sono le risorse che annualmente vengono sostenute in tutto il mondo nelle
riparazioni e nei ripristini strutturali di opere in conglomerato cementizio armato
(fabbricati,viadotti,ponti acquedotti, grandi coperture, ecc… Le cause di degrado
del calcestruzzo sono essenzialmente dovute alla carbonatazione (perdita della
alcanilità intorno all’armatura), le piogge acide, l’ anidride carbonica, l’ anidride
solforosa e gli inquinanti atmosferici. Altri fattori sono la scarsa qualità del
calcestruzzo o l’insufficiente spessore del copriferro, l’ assenza di manutenzione, le
condizioni climatiche e l’ età della struttura. Le cause invece di corrosione
dell’armatura metallica sono i cloruri che possono causare seri danni e la perdita
dell’ integrità strutturale anche quando il copriferro non è soggetto a fenomeni di
carbonatazione. Influenzano molto negativamente ancora l’ambiente marino, il
contatto diretto con l’acqua marina portata dal vento ed altri fattori quali la scarsa
qualità del calcestruzzo, l’elevata porosità, l’eventuale presenza di quadri
fessurativi del calcestruzzo stesso, la direzione dei venti prevalenti, nonché la
durata e l’esposizione delle strutture a tali fattori aggressivi.Il degrado fisico del
calcestruzzo è dovuto anche al ritiro durante l'indurimento, all’ abrasione o all’
erosione da vento o agli agenti a base d'acqua, al danno sismico, alla cattiva
progettazione dei dettagli e dei particolari costruttivi, all’ attacco di sostanze
chimiche aggressive, all’ attacco biologico nelle fognature per le fondazioni, alle
correnti vaganti, ecc…Le strategie di ripristino delle opere in conglomerato
cementizio armato, prevedono un'attività specializzata che richiede personale
altamente qualificato e competente in tutte le fasi del processo. Fino ad oggi non
c'è stato alcun standard comune europeo o regolamentazione di sorta in Europa.
La prima norma europea è la EN 1504 del 31.12.2008, la quale ha standardizzato
le attività di riparazione e ripristino, precisando che occorre definire i principi della
riparazione stessa, la necessità di una diagnosi accurata delle cause, l’indicazione
del metodo di riparazione, la comprensione dettagliata, la conoscenza dei requisiti
prestazionali del prodotto, i metodi di prova, il controllo della produzione materiale
e la valutazione della conformità.
Figura 7: degrado fisico ed ammaloramento della struttura a cavalletto di un
viadotto
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Recentemente nel mondo delle costruzioni sono entrati prodotti dalle elevate
prestazioni ad opera di qualificate aziende che operano nel settore da decenni;
prodotti e materiali, le cui principali caratteristiche sono la migliorata densità e
impermeabilità, il miglioramento della resistenza alla trazione, la tendenza a
ridurre le fessurazioni, il miglioramento della tixotropia, la facilità di applicazione e
la riduzione dei costi. Anche il settore della manutenzione e del ripristino del
calcestruzzo armato quindi, si è mosso in questa direzione, favorendo l'incremento
di materiali innovativi che rispondessero attivamente all'esigenza di migliorare la
durabilità delle strutture cementizie esistenti.A questo proposito molto
incoraggiante è la sperimentazione di calcestruzzi auto-riparanti: nel momento in
cui vengono interessati da fessurazione, una microcapsula contenuta nel materiale
rilascia una sostanza
che, a contatto con un catalizzatore, attiva una
polimerizzazione che chiude la frattura. Tra essi si segnala una malta cementizia
nanocomponente polimero modificata, con fibre in poliacrolonitrìle per riparazioni
strutturali ad alto spessore, una malta cementizia monocomponente
polimeromodificata a presa rapida, per riparazioni e riprofilatura degli elementi
ammalorati ed un passivante attivo per la protezione dei ferri d'armatura. I
principi impiegati nel definire queste formulazioni hanno consentito di ottenere un
miglioramento del legame tra aggregati e supporto ed un'elevata resa per
contrastare la fessurazione da ritiro plastico, nonché una totale resistenza agli
agenti aggressivi.
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