Nanotecnologie e conglomerato cementizio

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.

Articolo tratto da "Concrete2014 - Progetto e Tecnologia per il Costruito Tra XX e XXI secolo"

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:

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 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 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.

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