CALCESTRUZZI NANORINFORZATI: la nuova frontiera dell'architettura

INTRODUZIONE.

There's Plenty of Room at the Bottom: "C'è un sacco di spazio giù in fondo".

Sono passati ormai quasi cinquant'anni dalla celebre lezione del fisico Richard Feyman in cui si suggerisce la possibilità di affrontare i processi di trasformazione della materia attraverso la diretta manipolazione degli atomi e delle molecole.

Nel 1986 Kim Eric Drexler utilizzo per primo, nel suo libro del 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, il termine "nanotecnologia" (Wikiperdia: La nanotecnologia è un ramo della scienza applicata e della tecnologia che si occupa del controllo della materia su scala dimensionale inferiore al micrometro, normalmente tra 1 e 100 nanometri, e della progettazione e realizzazione di dispositivi in tale scala).

Da questo momento in avanti, ed in modo sempre più incisivo, la nanotecnologia si affaccerà su ambiti d'investigazione estremamente multidisciplinari: dalla biologia molecolare alla chimica, dalla scienza dei materiali alla fisica, dall'ingegneria meccanica all'elettronica sino ad arrivare alle applicazioni nel campo dell'edilizia.

Un materiale nanostrutturato è un materiale di tipo tradizionale - ad esempio il cemento , acciaio, il vetro o i polimeri - modificato, però, nella sua struttura chimico-fisica mediante l'impiego di nanotecnologie, oppure addittivato nella sua massa o superficialmente, mediante nano materiali. Questo fa si che le caratteristiche originarie dei materiali di base subiscano variazioni e implementazioni al fine di permettere lo sviluppo di specifiche prestazioni, solitamente superiori o comunque non assimilabili a quelle esibite dai materiali nella loro consistenza e struttura ordinaria non nanostrutturata.

Con la nanotecnologia è possibile sia aumentare le qualità e le caratteristiche dei prodotti esistenti, sia creare nuovi materiali compositi in grado di portare a termine specifiche funzioni.

Ad oggi diversi sono i materiali nanostrutturati impiegati nell'edilizia e si dividono in due gruppi: materiali organici (polimeri) ed inorganici (cemento e vetro); questi attraverso processi chimico-fisici, alteranti la loro struttura molecolare originaria su scala nanometrica, vedono aumentate le loro prestazioni convenzionali esprimendo proprietà non possedute in origine.

I sopracitati processi chimici fanno si che i materiali di base si possano legare a diversi nanomateriali a base inorganica (ossidi metallici o ceramiche) oppure organica (carbonio o polimeri) . Obiettivo principale di questo lavoro analizzare e scoprire se suddette nanotecnologie possano fornire, al mondo dell'edilizia, nuovi margini di miglioramento.

Il presente studio si è concentrato esclusivamente sul calcestruzzo al. quale, per implementare le proprietà meccaniche si è cercato di lavorare a livello nanoscopico cercando di controllare l'innesco della nascita di micro-fratture. A tal fine sono stati addizionati durante l'impasto nanotubi di carbonio.

Nell'analisi realizzata si è giunti ad usare nanotubi in carbonio partendo da una posteriore analisi sulle fibre ibride; si vorrà dimostrare che in un composto contenente fibre di diverse dimensioni (partendo da fibre di dimensioni dell'ordine del cm fino ad arrivare ai nm) le caratteristiche di resistenza possano aumentare notevolmente. Partendo dall'analisi dei due materiali base del nostro studio, il calcestruzzo e i nanotubi in carbonio, lo studio si è concentrato sulle analisi meccaniche e poi chimico-fisiche al fine di studiare il comportamento della miscela ottenuta.

Il presente lavoro, però, non si è limitato alla miscelazione di due materiali, cemento e nanotubi, preconfezionati; si è infatti cercato di produrre i nanotubi in laboratorio.

Le crescite dei nanotubi, effettuate presso e con la collaborazione del Dipartimento di Fisica, sono indicate nel seguente lavoro con il codice MWCNT's FCCF 189.

I nanotubi preconfezionati, anch'essi utilizzati per avere un indispensabile confronto tra i due prodotti, provengono dal Giappone e sono indicati nel seguito con il codice MWCNT's ALFA.

La presente analisi prosegue il lavoro di ricerca svolto nel 2007 dall'Arch. Francesco Canepa. In tale iniziale analisi non si sono attenuti gli effetti sperati, di incremento delle proprietà meccaniche del calcestruzzo, ma al contrario un drastico peggioramento di tutte le caratteristiche dei calcestruzzo.

Nella sua sperimentazione l'Arch. Canepa ha prodotto provini, prismatici e cubici, in calcestruzzo addizionati con fibre; in quel caso per ottenere un rinforzo sia a macro sia a micro-scala, sono state utilizzate, per la componente macroscopica, fibre di vetro (FV), mentre sono stati impiegati i nanotubi di carbonio (CNT) per agire a livello microscopico.

La sperimentazione è stata condotta in due fasi differenti: nella prima sono stati preparati sei diversi campioni composti come riportato in tabella 1, nella seconda sono stati realizzati 3 prismi di calcestruzzo tal quale e 4 di calcestruzzo addittivato con nanotubi di carbonio.

Se si considera la tabella 5.1, ovvero quella riguardante la composizione dei provini utilizzati e prodotti nel presente lavoro, tolto il fatto che nel composto siano stati addizionati nanotubi MWCNT's o nanotubi Alfa ma non fibra di vetro, non si notano a prima vista molte differenze, se non un quantitativo maggiore di cemento e minore di sabbia con un rapporto a\c di 0.4-0.5, nei provini qui rispetto agli altri; invece, come proveranno i risultati ottenuti, le diversità sono molte.

Per prima cosa i nanotubi di carbonio utilizzati nella prima sperimentazione erano funzionalizzati ovvero avevano subito un lavaggio con acido nitrico e acido solforico. Durante suddetto lavaggio i legami esistenti tra le molecole di carbonio, componenti i nanotubi, si spezzano creando dei difetti ai quali si vanno ad aggrappare dei gruppi carbossilici (-COOH); codesti gruppi saranno in grado di favorire l'interazione superficiale con la matrice cementizia, aumentando l'efficienza dei legame e perciò apportando un incremento di resistenza.

Il beneficio che teoricamente questi gruppi carbossilici avrebbero dovuto apportare all'intero impasto, invece, non si è verificato ma anzi si è notato una notevole diminuzione delle prestazioni.

Il peggioramento del materiale si è verificato a causa dell'instaurarsi di un legame idrogeno tra le molecole d'acqua e i gruppi -COOH dei nanotubi impedendo, così, la formazione dei legame tra nanotubi di carbonio e il cemento; si è dunque verificato un non corretto assorbimento di acqua da parte dei nanotubi.

Per quanto riguarda la prima sessione di campioni funzionalizzati di forma prismatica, essi sono stati testati a flessione e compressione, i risultati di queste prove hanno evidenziato, in tutti i campioni fibrorinforzati con nanotubi in carbonio, una resistenza meccanica inferiore a quella del calcestruzzo tal quale (Fig.1.1); questo valeva sia per i campioni addittivati con le sole fibre di vetro, che non hanno fornito un apporto positivo, sia per il calcestruzzo addittivato con i nanotubi di carbonio.

Nell'aspetto i suddetti campioni si presentavano estremamente incoerenti come se vi fosse una limitata idratazione del cemento. Nella seconda sperimentazione dell'Arch. Canepa, a seguito dei pessimi risultati ottenuti, si è provato, non solo a eliminare le fibre di vetro, ma si è anche modificata la miscelazione dei nanotubi nell'impasto: i nanotubi non sono più stati uniti direttamente all'acqua, ma con il cemento e la sabbia e solo dopo si è aggiunta l'acqua.

In questa seconda sperimentazione è stato anche modificato il rapporto a\c (da 0,45 a 0,56) per cercare di ovviare all'eccessivo assorbimento di acqua da parte dei CNT.

Come si può notare dal grafico di Fig. 1.2, dalle prove a flessione è emerso un miglioramento del calcestruzzo- fibrorinforzato, con percentuale di acqua pari allo 0,56%, dei 50% giungendo ad un deficit rispetto al calcestruzzo di riferimento solo dell' 8%.

Se si considera il provino con 0,45% di acqua d'impasto, si nota un drastico calo delle prestazioni poiché, seppur un basso rapporto a\c sia fondamentale per un incremento prestazionale, in questo caso il composto si è dimostrato assolutamente non lavorabile.

Per quanto riguarda la resistenza a compressione, se si esaminano i campioni con un rapporto a\c uguale a 0.45, la diminuzione di resistenza tra i campioni, quello in calcestruzzo privo dì nanotubi e quello con, e di c.a. l'80%; considerando i campioni con rapporto a\c pari allo 0.56, invece, si può osservare un miglioramento, rispetto ai prismi con i nanotubi della prima sessione di getto, di quasi il 74%, notando, tuttavia, che il gap con il calcestruzzo di riferimento rimane sempre molto elevato (-26,3%).

La presente tesi è così articolata: nel primo capitolo vengono presentate le caratteristiche chimico-fisiche principali dei calcestruzzi, la loro composizione e le aggiunte addizionate per migliorarne la qualità, nel secondo capitolo vengono analizzati i calcestruzzi fibrorinforzati ibridi, ovvero calcestruzzi nel cui impasto vengono aggiunte fibre di diversa natura e dimensione, nel terzo e quarto capitolo l'attenzione si focalizza su un unico materiale di rinforzo ovvero i nanotubi in carbonio, passando dalla scoperta di questo materiale fino alla sua produzione in laboratorio, si passa poi al quinto capitolo in cui vengono riportati e descritti i risultati ottenuti dalle prove meccaniche realizzate su provini di calcestruzzo al quale sono stati appunto addizionati i sopracitati nanotubi in carbonio, nel sesto capitolo vengono riportate le analisi chimiche realizzate sui medesimi provini delle prove meccaniche, in fine nell'ultimo capitolo vengono confrontati i risultati ottenuti durante questa sperimentazione e quella dell'Arch. Canepa.