Per contro, il cemento è un materiale molto energivoro: il suo ciclo produttivo è composto da molte fasi quali estrazione, trasporto, preomogeneizzazione e macinazione delle materie prime, produzione, omogeneizzazione e stoccaggio della "farina" prodotta, cottura (ad altissime temperature), stoccaggio e macinazione del clinker, stoccaggio ed insaccatura del prodotto finito. Per una tonnellata di cemento si calcola una produzione media di 679 kg di C02 equivalente. I materiali cementizi hanno, inoltre, altri tipi di impatti, tra i quali:

consumo di materie prime

- inquinamento dell'aria

- inquinamento del suolo

- inquinamento dell'acqua

- produzione di rifiuti

Questo crea l'interesse da parte della comunità di professionisti che lavora in questo contesto di creare materiali più durevoli dal punto di vista strutturale e compositivo, in modo da risparmiare sui costi di manutenzione e limitare tutti gli impatti elencati.

concetto di durabilità viene inteso, infatti, come la capacità dell'opera prodotta di soddisfare i requisiti prestazionali richiesti, nell'ambito delle condizioni di utilizzo e a fronte delle azioni previste, per tutta la vita di servizio, senza richiedere interventi di manutenzione e/o ripristino non programmati.

La durabilità del calcestruzzo è principalmente legata al rapporto acqua/cemento: più basso è questo, più alta è la sua resistenza agli attacchi chimico-fisici a cui le armature potrebbero essere soggette.

Tale parametro comunque non è il solo responsabile della durabilità dell'opera: la stessa progettazione, la messa in opera e la successiva stagionatura sono altrettanto importanti per le caratteristiche di vita utile della struttura.

Con il passare del tempo, però, ¡I calcestruzzo può subire un progressivo indebolimento, causato dal suo normale deterioramento: l'esposizione ad agenti atmosferici, le variazioni di temperatura, l'acqua, gli agenti chimici e biologici portano ad un peggioramento del calcestruzzo stesso, riducendo in questo modo la resistenza della struttura ed aumentandone i costi di manutenzione e riparazione.

In particolar modo, in condizioni di elevata umidità, le microfratture presenti nel materiale portano ad un ingresso di acqua, decisamente dannoso specialmente per le armature interne in acciaio, le quali corrodendosi riducono la stabilità della struttura.

La manutenzione legata a tutte queste problematiche ha dei costi esorbitanti: in Italia i costi di manutenzione di gallerie, autostrade e ponti superano i 40 milioni di euro l'anno, inclusi i monitoraggi effettuati periodicamente sugli stessi.

Per tutta questa serie di ragioni, occorre intervenire direttamente sui composti costitutivi del calcestruzzo, e di conseguenza sul cemento, creando materiali in grado di auto-rigenerarsi e auto-ripararsi in caso di rottura: è da qui che nasce il concetto di materiali cementizi self- healing.

L'utilizzo di materiali cementizi con tecnologia self-healing, infatti, potrebbe essere un buon compromesso tra le elevate prestazioni meccaniche tipiche del calcestruzzo e la riduzione degli impatti economici, sociali ed ambientali minimizzati dalle caratteristiche auto-riparanti di questa tipologia di materiale.

Programma e svolgimento della tesi

In questa tesi si analizzeranno i materiali cementizi con particolare attenzione alla tematica self-healing data dall'utilizzo di capsule cilindriche cementizie inserite in campioni di malta: ne verranno analizzati i pro, ¡ contro, le classificazioni, i meccanismi di funzionamento, le loro peculiarità e i possibili recuperi meccanici ottenibili.

L'attività sperimentale si compone principalmente di due parti: la prima legata allo studio dell'impermeabilizzazione (detta rivestimento o coating) della capsula cementizia e la seconda costituita dalla ricerca, attraverso prove specifiche, di un agente healing (riparante) che garantista la perfetta riparazione dei provini fessurati.

Precedentemente alla spiegazione delle prove affrontate, verrà effettuata un'introduzione ai materiali cementizi, relativi degradi e tecniche self-healing finora studiate.

La tesi si concluderà con le considerazioni finali in merito alle prove effettuate e le proposte future attuabili in questo campo di sperimentazione in modo da perfezionare la tecnica e ottenere risultati migliori.

2.2.1 Ciclo produttivo del cemento Portland

2.2.2 Composizione chimica del cemento Portland

2.2.3 Proprietà del cemento Portland

2.2.4 Idratazione del cemento Portland

2.3 Calcestruzzo

2.3.1 Ciclo produttivo del calcestruzzo

2.3.1.1 Mix design

2.3.2 Proprietà del calcestruzzo

2.3.2.1 Proprietà del calcestruzzo fresco

2.3.2.2 Proprietà del calcestruzzo indurito

2.4 Degradi dei materiali cementizi

2.5 Consolidamento dei materiali cementizi

2.5.1 Consolidanti organici

2.5.2 Consolidanti inorganici

2.5.3 Consolidanti a base cementizia

2.5.4 Consolidanti a base polimerica

2.6 Normative sui cementi

2.6.1 Tipologie di cemento

2.6.2 Classe di resistenza dei cementi

3 MATERIALI CEMENTIZI SELF-HEALING

3.1 Concetto di auto-rigenerazione

3.2 Metodologie self-healing

3.2.1 Self-healing autogeno

3.2.2 Self-healing autonomo

3.2.2.1 Riscaldamento selettivo

3.2.2.2 Utilizzo di batteri endolitici

3.2.2.3 Utilizzo di additivi minerali espandenti

3.2.2.4 Malte con additivi

3.2.2.5 Cementi fibro-rinforzati

3.2.2.6 Tecnologie miste

3.2.2.7 Utilizzo di agenti incapsulati

3.2.2.7a Sistemi microvascolari

3.2.2.7b Capsule in vetro

3.2.2.7c Capsule estruse in cemento

3.3Vantaggi e svantaggi delle metodologie self-healing

4 ATTIVITÀ SPERIMENTALE

4.1 Obiettivi e finalità

4.2 Premesse

4.3 Prodotti utilizzati

4.3.1 Coating

4.3.2 Idrorepellenti

4.3.3 Agenti healing

4.4 Prove preliminari su coating ed idrorepellenti

4.4.1 Prove di compatibilità tra silicato di sodio, Peneseal FH® e Vetrofluid®

4.4.2 Prove di impermeabilità all'acqua di Peneseal FH® e Vetrofluid®

4.4.3 Prove di impermeabilità all'acqua di Mapecrete Stain Protection® e di Mapecrete Crt Protection®

4.5 Prove preliminari su agenti healing

4.5.1 Test curing di CarboStop U®

4.5.2 Prove di reazione tra silicato di sodio e cloruro di magnesio

4.5.3 Prove di reazione tra silicato di sodio e latte di calce

4.5.4 Prove di reazione tra silicato di sodio e acqua di mare

4.6 Preparazione dei componenti

4.6.1 Preparazione delle capsule

4.6.2 Preparazione dei provini in pasta di cemento

4.6.3 Preparazione dei provini in malta cementizia con capsula incorporata

4.7 Prove di durabilità di coating ed agenti healing

4.7.1 Monitoraggio di capsule impermeabilizzate

4.7.2 Prove di tenuta all'acqua di monconi in malta cementizia riadesi

4.8 Prove meccaniche

4.8.1 Prove meccaniche preliminari su provini in pasta di cemento riadesi

4.8.1.1 Modalità di riadesione dei monconi di cemento

4.8.1.2 Risultati prove meccaniche preliminari

4.8.1.3 Normalizzazione dei risultati

4.8.2 Prove meccaniche su provini in malta cementizia con capsula incorporata

4.9 Analisi microscopiche

4.9.1 Analisi SEM

4.9.1.1 Funzionamento del SEM

4.9.1.2 Analisi SEM di cristalli di silicato di sodio e cloruro di magnesio

5 CONCLUSIONI

5.1 Analisi dei risultati

5.2 Proposte future

6 BIBLIOGRAFIA

6.1 Monografia

6.2 Articoli

6.3 Normative

6.4 Tesi

6.5 Sitografia

6.6 Slide

Ghosh S., Self-healing materials: fundamentals, design strategies, and applications, ed. by Swapan Kumar Ghosh, Weinheim, 2009

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Articoli

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Normative

ASTM D1141/98 (riedizione 2013)

Tesi

Robella, R. 2015, Produzione di capsule estruse per materiali cementizi autoriparanti, tesi di laurea specialistica, relatore Jean Marc Tulliani, Politecnico di Torino

Taeb, D. 2016, Valutazione delle capacità di autoriparazione nei materiali cementizi attraverso prove meccaniche e permeabilità all'acqua, tesi di laurea specialistica relatore Jean Marc Tulliani, Politecnico di Torino

Tabusso, E. 2012, Applicazione degli insegnamenti della biomimetica all'achitettura: cemento self- healing, stato dell'arte e studio sperimentale, tesi di laurea specialistica, relatore Jean Marc Tulliani, Politecnico di Torino

Terranova, S. 2012, La natura come Baumeister: studio di nuove tecnologie auto-rigeneranti per il calcestruzzo, tesi di laurea magistrale, relatori Jean Marc Tulliani, Roberto Pagani, Giacomo Chiesa, Politecnico di Torino

Sitografia

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www.wikipedia.it (consultato il 18 giugno 2016)

www.penetron.it (consultato il 19 giugno 2016)

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www.unirc.it (consultato il 3 agosto 2016)

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www.crosfield.it (consultato il 8 agosto 2016)

www.tekva.it (consultato il 8 agosto 2016)

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www.chimica.unipv.eu (consultato il 20 agosto 2016)

per le immagini di copertina:

www.casamedeo.com

www.shutterstock.com

www.laltrasciacca.it

www.erboristeriaarcobaleno.com

www.adpersonam.pr.it

www.lametalferramente.it

Slide

Lezione 9 - Cls e cementi sostenibili, Prof.ssa Simonetta Pagliolico, Politecnico di Torino, Corso di Sostenibilità di processi e prodotti nei materiali per l'architettura