Il Calcestruzzo Nanocomposito "Intelligente" per il monitoraggio delle costruzioni

Prospettive di impiego nell'ingegneria sismica
Il monitoraggio strutturale sta acquistando una rilevanza sempre crescente nell'ingegneria civile. Efficaci strumenti di controllo, soprattutto nelle zone ad elevato rischio sismico, possono permettere di valutare nelle strutture monitorate le condizioni di lavoro ed individuare eventuali anomalie di comportamento dovute a danneggiamenti incipienti. I sensori tradizionali possono essere applicati solo in un limitato numero di punti fornendo una informazione parziale per la successiva fase di diagnosi. Studi recenti sulle nanotecnologie hanno mostrato che l'aggiunta di opportune nanoparticelle conduttive all'interno di una matrice cementizia possono dare origine a materiali compositi capaci di diagnosticare il proprio stato di deformazione e di tensione.
Il presente lavoro riguarda lo studio di un nuovo materiale nanocomposito autodiagnosticante e la realizzazione di sensori intelligenti per il monitoraggio strutturale. Il materiale sviluppato è stato realizzato inserendo nanotubi di carbonio conduttivi all'interno di una matrice cementizia, attraverso opportune modalità di miscelazione. La capacità di autodiagnosi si ottiene correlando la variazione dello stato deformativo del composito con la variazione di alcune sue caratteristiche elettriche, come ad esempio la resistenza elettrica. Attraverso la misura di tali caratteristiche elettriche si possono quindi monitorare le prestazioni e le condizioni di lavoro dell'elemento. Per la natura del materiale costituente, questi nuovi sensori possono essere inseriti all’interno di elementi in calcestruzzo e quindi trasformare le strutture stesse in sensori diffusi.
I risultati delle prove sperimentali elettromeccaniche effettuate con carichi lenti e carichi dinamici evidenziano che i nuovi sensori possono essere efficacemente utilizzati per il monitoraggio delle strutture soggette a carichi sismici.

Articolo tratto dagli atti del XVI Congresso ANIDIS.
 
INTRODUZIONE
Il monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring - SHM) sta assumendo un ruolo centrale nell'ingegneria civile poiché un numero sempre crescente di strutture ha raggiunto i limiti teorici della propria vita utile (Brownjohn 2007, Harms et al. 2010) . Risulta pertanto essenziale controllare il comportamento effettivo delle costruzioni, al fine di individuare precocemente eventuali segnali di danno incipiente.
Il monitoraggio strutturale permette inoltre di potenziare e velocizzare le operazioni di ispezione e manutenzione, con conseguente aumento della sicurezza delle strutture e delle persone che le utilizzano.
Il monitoraggio tradizionale evidenzia tuttavia alcuni problemi, se applicato a superfici estese. I sensori tradizionali, infatti, sono solitamente posizionati in un numero limitato di punti e sono collegati ad unità centrali di raccolta e conversione dei dati.
La gestione e la manutenzione di tali sistemi sono molto delicate e di fatto ne limitano il numero di applicazioni reali. Inoltre, osservando la risposta strutturale in un numero limitato di punti, si ricava solo una informazione parziale per una successiva fase di analisi e di diagnosi. Le limitazioni dei sistemi tradizionali di monitoraggio potrebbero essere superate con l'implementazione di sensori intelligenti di migliore applicabilità a media-larga scala, realizzati con materiali paragonabili a quelli costituenti le strutture e quindi con una durabilità confrontabile.
Studi recenti presenti in letteratura, legati allo sviluppo delle nanotecnologie, hanno mostrato la possibilità di modificare le proprietà dei materiali cementizi allo scopo di renderli sensibili allo stato di deformazione.
Per la natura del materiale con cui sono realizzati, i sensori a base cementizia possono essere inseriti all’interno di elementi in calcestruzzo, trasformando quindi le strutture stesse in sensori diffusi.
Sulla base dei recenti progressi delle nanotecnologie e della disponibilità di sempre nuovi materiali con proprietà intelligenti, gli Autori hanno sviluppato un nuovo sensore a base cementizia nanomodificato capace di autodiagnosticare il proprio stato di tensione e deformazione. In particolare hanno recentemente avviato un programma di ricerca riguardo al comportamento del nuovo sensore ai carichi dinamici per applicazioni al monitoraggio dell'integrità strutturale basato su misure di vibrazione (Ubertini et al. 2014a), pervenendo alla proposta di sensori innovativi costituiti da pasta di cemento additivata con nanotubi di carbonio a parete multipla (Materazzi et al. 2013, Ubertini et al. 2014b).
Il presente lavoro descrive le modalità di realizzazione e le caratteristiche peculiari del nuovo sensore, denominato "Carbon Nanotube Cement-Based Sensor" (CNCTS), le sue capacità elettriche e i principali risultati di una campagna di prove sperimentali volte ad indagare la loro caratterizzazione dinamica e la loro applicabilità al monitoraggio di elementi in c.a.

L'articolo è organizzato come segue: la sezione 2 presenta un sintetico stato dell'arte sui sensori compositi intelligenti realizzati con aggiunta di nanocariche di carbonio, soffermandosi soprattutto sulle tipologie di sensori già sviluppate e sui principali problemi legati alla loro realizzazione.
La sezione 3 riguarda i materiali, i metodi di confezionamento ed il principio di funzionamento dei sensori cementizi nanomodificati oggetto della ricerca.
La sezione 4 descrive la metodologia utilizzata per la caratterizzazione dinamica dei sensori e per l'identificazione dinamica di una trave in calcestruzzo armato attraverso sensori tradizionali e sensori nano-modificati.
La sezione 5 mostra e commenta i risultati sperimentali mentre la sezione 6 riporta le conclusioni.

STATO DELL'ARTE
I materiali cementizi "self-sensing" sono quelli capaci di autodiagnosticare il proprio stato di deformazione e tensione. La capacità di autodiagnosi viene ottenuta tramite l'aggiunta, all'interno della matrice, di micro o nanocariche conduttive, con proprietà piezoresistive e peculiari proprietà elettriche.
I primi materiali cementizi self-sensing ottenuti con l'aggiunta di particolari particelle risale ai primi anni '90 (Muto et al. 1992).
Da allora, diversi studi presenti in letteratura si sono occupati dello studio di materiali a base cementizia con aggiunta di particelle di carbonio, come ad esempio micro e nanofibre di carbonio (Galao et al 2014, Sihai and Chung 2001), carbon black (Li et al. 2006), nanotubi di carbonio (Konsta-Gdoutos et al. 2010, Li et al. 2007), grafene (Chuah et al. 2014) o una combinazione di diverse tipologie (Azhari and Banthia 2012, Cao and Chung 2004).
Tali particelle conduttive modificano le caratteristiche elettriche delle matrici cementizie in cui sono inserite e permettono di rilevare lo stato di deformazione grazie alla loro piezoresistività dovuta al leggero pull-out delle fibre che passano attraverso le microfessure (Wen and Chung 2006).
Le nano particelle possiedono una elevata superficie specifica che le rende particolarmente attive dal punto di vista chimico. Possono inoltre intervenire effetti quantistici, come l’effetto tunneling (Rainieri et al. 2013), che contribuiscono a sviluppare la proprietà di piezoresistività.
Le dimensioni nanometriche e l’elevata superficie specifica ne limitano la solubilità poiché all’aumentare della superficie specifica aumentano anche le forze di attrazione di Van der Waals tra gli aggregati (Lourie and Wagner 1998). In letteratura sono presenti tre differenti metodi per disperdere i nanotubi in acqua (Han et al. 2011): quelli meccanici, basati su l’utilizzo di miscelatori meccanici, quelli fisici, basati sull’utilizzo di disperdenti che operano una modifica superficiale non covalente o con l’utilizzo degli ultrasuoni, e quelli chimici, attraverso una modifica superficiale covalente.
L'aggiunta di disperdenti fisici in una soluzione acquosa con nanotubi risulta a volte importante per evitare la presenza di grandi agglomerati e filamenti (Shah et al. 2009, Cicco et al. 2012), anche se gli ultrasuoni risultano uno strumento di dispersione di grande efficacia ed utilità.
Tra il vari tipi di nanoparticelle, i nanotubi di carbonio (CNT) sono molto promettenti perché possiedono eccellenti proprietà elettriche e meccaniche.
Per questo motivo, attualmente sono impiegati per la realizzazione di materiali compositi intelligenti (Han and Ou 2007, Li et al. 2003, Coppola et al. 2011).
Tuttavia, la dispersione dei CNT in una matrice cementizia è un processo molto delicato a causa della loro idrofobia (Konsta-Gdoutos et al. 2010, Han et al. 2011).
In letteratura sono presenti anche studi riguardo al fenomeno ricorrente nelle misurazioni elettriche dei nuovi materiali cementizi con particelle conduttive, la polarizzazione (Sihai and Chung 2001), causata dalle proprietà dielettriche delle matrici cementizie. Tali materiali, se sottoposti ad un campo elettrico producono un campo elettrico indotto con direzione opposta a quello applicato. Si nota quindi un aumento della resistenza elettrica durante le misure elettriche. La maggiore conduttività elettrica dei materiali con nanoparticelle di carbonio evidenzia inoltre un transitorio dovuto alla polarizzazione più veloce (Cao and Chung 2004).
Rispetto ad altri sensori realizzati con materiali compositi, il nuovo sensore risulta particolarmente indicato per il rilevamento di deformazioni dinamiche. Questo campo di ricerca è quasi del tutto inesplorato in letteratura poiché la maggior parte delle ricerche si è concentrata finora sulla risposta dei sensori a carichi lentamente variabili nel tempo.
Il CNTCS è stato calibrato per essere costituito da un materiale omogeneo e per ottenere una buona sensibilità: a tal proposito i nanotubi sono stati dispersi mediante trattamenti fisici e metodi chimici.
Rispetto agli estensimetri tradizionali, il CNTCS è realizzato con un materiale simile al calcestruzzo strutturale. Esso potrebbe quindi essere facilmente inserito all'interno di un elemento strutturale o applicato come rivestimento esterno. Ciò significherebbe realizzare una diffusione del sistema di monitoraggio e conseguentemente una estensione della superficie di rilevamento. Inoltre, l'uso di matrici cementizie fornisce un miglioramento significativo nella durabilità del sensore, con una vita utile simile a quella della struttura monitorata.

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