Sviluppo di nuove capsule polimeriche per materiali cementizi autoriparanti

Susana Ines Carrillo Gonzales, Giorgia Paganelli

Sviluppo di nuove capsule polimeriche per materiali cementizi autoriparanti.

Rel. Jean Marc Tulliani, Paola Antonaci, Maria del Socorro Escalona. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura Per Il Progetto Sostenibile, 2017

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Abstract:	1 INTRODUZIONE 1.1 DICHIARAZIONE DEL PROBLEMA L'esigenza di conciliare crescita economica ed equa distribuzione delle risorse in un nuovo modello di sviluppo ha iniziato a farsi strada a partire dagli anni '70, in seguito all'avvenuta presa di coscienza del fatto che il concetto di sviluppo classico, legato esclusivamente alla crescita economica, avrebbe causato entro breve il collasso dei sistemi naturali. La crescita economica di per sé non basta, lo sviluppo è reale solo se migliora la qualità della vita in modo duraturo. Questa tematica ha influenzato fortemente l'architettura e le costruzioni, le quali hanno sempre avuto l'esigenza fin dall'inizio di superare la prova del tempo, perché, le architetture rappresentavano una testimonianza tangibile e unitaria della cultura e della civiltà. Una considerazione importante era ed è tutt'ora riservata sia agli aspetti estimativi nella progettazione e realizzazione di un'opera, sia nella corretta esecuzione e nella scelta nei materiali, i quali sono di fondamentale importanza per la durevolezza dell'opera. Questo fondamentale aspetto della durabilità di una struttura era stato già analizzato da Marco Vitruvio Pollione, intorno al 15 a.C., nel suo trattato De architectura, nel quale si evincono i tre requisiti fondamentali che doveva avere qualunque opera architettonica: "utilitas-firmitas-venustas"', in altre parole Vitruvio affermava che una costruzione, per essere definita un'architettura, deve avere oltre ad un'utilità nella funzione (utilitas) e una bellezza estetica (venustas) una solidità nella statica e nei materiali (firmitas). Una delle strade più innovative per affrontare l'attuale emergenza ambientale e rispondere alle mutate esigenze degli esseri umani è proprio la biomimetica. La biomimetica è una disciplina scientifica che si occupa di assumere come modello la natura per scopi tecnici e funzionali; introducendo così nel mondo artificiale la conoscenza e la consapevolezza di essa. Vengono presi quindi come riferimento i principi fondamentali della natura poiché essa non crea materiale di scarto, utilizza il necessario, impiega i rifiuti e gli scarti come risorse e adatta la forma alla funzione. Una delle proprietà più rilevanti degli elementi naturali è la capacità di autorigenerarsi, cioè sostituire parti danneggiate del corpo con copie identiche alle stesse. Al contrario i materiali prodotti dall'uomo sono sviluppati sul concetto di prevenzione al deterioramento e danneggiamento e non possiedono questa proprietà. Il cemento è il materiale più utilizzato al mondo per le costruzioni, con una produzione annua nell'industria italiana nel 2015 pari a 20,8 milioni di tonnellate di cemento. L'Italia conferma la propria posizione di secondo paese produttore di cemento nell'area UE 28, alle spalle della Germania. Questo perché il cemento è un materiale economico, i suoi componenti sono facilmente reperibili e possiede un'elevata resistenza a compressione. Tuttavia, il cemento ha una scarsa resistenza a trazione ed è soggetto a facile fessurazione, questo porta ad una riduzione della sua durabilità perché permette agli agenti esterni e aggressivi di entrare a contatto con il materiale. Sfruttando la metodologia del self-healing è possibile correggere intrinsecamente i danni causati dal normale utilizzo del cemento, portando così ad una riduzione nel tempo dell'inefficienza causata dal degrado, ma soprattutto ad una riduzione dei costi di manutenzione. 4.1.17 costi annuali per la riparazione, difatti, stanno superando i costi di costruzione delle nuove infrastrutture. L'impatto economico annuo sostenuto per il mantenimento, la riparazione o la sostituzione di strutture deteriorate è stimato tra i 18 e 21 miliardi di dollari solo negli Stati Uniti. L'American Society of Civil Engineers stima che per i prossimi cinque anni occorreranno 2,2 trilioni di dollari per la riparazione e l'ammodernamento; un costo di 2 trilioni di dollari è stato stimato, invece, per le infrastrutture dell'Asia. In Europa, il 50% del budget annuale per la costruzione è destinato alla ristrutturazione e alla riparazione di strutture esistenti. Per il Regno Unito, la riparazione e la manutenzione rappresentano quasi il 45% dell'attività nel settore dell'edilizia. Nel caso dei Paesi Bassi, un terzo del budget annuale per le grandi opere di ingegneria civile viene speso per l'ispezione, il monitoraggio, la manutenzione, l'aggiornamento e la riparazione. A peggiorare le cose è la durata delle riparazioni di strutture in calcestruzzo, le quali molto spesso sono di breve durata. Negli Stati Uniti, si stima che metà di tutte le riparazioni sul campo falliscono e richiedono delle riparazioni successive. Le preoccupazioni relative al deterioramento delle infrastrutture civili non si limitano solamente al costo economico della riparazione e della riabilitazione, ma si estendono anche ai costi sociali ed ambientali. Pertanto avere dei calcestruzzi con proprietà autoriparanti permetterebbe di avere notevoli diminuzioni sulla manutenzione delle infrastrutture. Alcune soluzioni sono state ipotizzare e sperimentate presso il Politecnico di Torino mettendo a punto specifiche ricerche volte allo studio di tecnologie idonee all'autoriparazione, in particolare alcune metodologie basate sull'utilizzo di capsule, di forma tubolare a base di cemento. Queste capsule che contengono un agente riparante vengono successivamente inglobate nella matrice di calcestruzzo al fine di consentire l'autoriparazione del materiale sottoposto a fessurazione. I risultati ottenuti sono stati molto soddisfacenti con un buon recupero delle proprietà del calcestruzzo, l'unico problema è che questo procedimento è lento ed artigianale, quindi lo scopo di questa tesi è quello di risolvere il problema rendendo il processo veloce e industrializzabile. In primo luogo è necessario sviluppare delle capsule con diversi materiali plastici utilizzando una stampante 3d, così, avvalendoci di un metodo industriale, rendiamo più rapido il processo di produzione. Successivamente è fondamentale eseguire diverse prove di piegatura a tre punti così da determinare la resistenza a flessione e il modulo elastico per ciascuno dei campioni contenenti le diverse capsule delle quattro plastiche selezionate con, all'interno, i diversi agenti di guarigione proposti. Quando questi risultati sono noti, dovrebbe essere selezionata la capsula polimerica e l'agente riparante con le migliori proprietà, in modo tale che vengano soddisfatte le caratteristiche per un calcestruzzo autoriparante. Il processo di selezione dei diversi agenti di guarigione è stato effettuato presso il Dipartimento di Scienze Applicate e Tecnologia (DISAT) del Politecnico di Torino; e il processo per determinare le proprietà meccaniche e fisiche è stato eseguito nel Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Geotecnica e Edile (DISEG) del Politecnico di Torino. L'obiettivo ultimo di questa ricerca è quello di approfondire gli studi precedentemente svolti, raggiungere uno sviluppo sostenibile in campo economico ed ambientale utilizzando capsule con agente riparante per la produzione del calcestruzzo autoriparante, variando però alcuni fattori; nello specifico il materiale di cui è composta la capsula e gli agenti riparanti. 4.1.18 OBIETTIVI DELLA RICERCA Obiettivo Generale 5.3 Sviluppare nuove capsule polimeriche per materiali cementizi autoriparanti. Obiettivi Specifici 5.4 Valutare la conformazione e le caratteristiche meccaniche, chimiche e termiche dei diversi materiali polimerici selezionati (PLA, PMMA, PET, PETG). 5.5 Sviluppare delle capsule con materiali polimerici (PLA, PMMA, PET, PETG) utilizzando la stampa 3D, con le caratteristiche necessarie per permettere il rilascio effettivo del componente self-healing durante la fessurazione del calcestruzzo. 5.6 Impiegare capsule di materiale cementizio che permettano il rilascio effettivo del componente self-healing al momento della frattura del calcestruzzo. 5.7 Testare diversi agenti healing osservando il loro comportamento all'interno delle diverse capsule proposte e la loro reazione a sforzi meccanici. 5.8 Sperimentare diversi tipi di impermeabilizzazione per le capsule stampate in 3D, valutando la loro capacità di tenuta. 4.1.19 Analizzare il comportamento delle diverse capsule ottenute confrontando anche i differenti agenti healing. (Sforzi a flessione, modulo di recupero elastico, capacita di rilascio e permeabilità). 4.1.20 Osservare la percentuale di recupero degli sforzi a flessione e modulo di recupero elastico nelle diverse capsule nel calcestruzzo autoriparante. 5.9 GIUSTIFICAZIONI ED IMPORTANZA Un problema notevole delle strutture in calcestruzzo è la loro degradazione strutturale nel tempo, costrette a subire diverse riparazione nella loro vita utile. Nei ultimi anni, si sono sviluppate diverse ricerche per trovare una soluzione a questo problema, focalizzandosi in particolare nella realizzazione di materiali autoriparanti. Il problema più comune nelle strutture di calcestruzzo è la formazione di fessure che si creano in seguito al normale uso del materiale, oppure alla sua predisposizione a favorire tale danno da parte d'agenti esterni in determinate condizioni. Perciò, gli sviluppi realizzati finora sulle ricerche dei materiali autoriparanti sono mirati sull'autoriparazione di tali fessure nelle strutture di calcestruzzo. La creazione di un calcestruzzo autoriparante potrebbe avere un impatto positivo nella durata delle strutture, sia a livello economico, riducendo i costi di manutenzione, sia a livello sociale ed ambientale. Questi sistemi cementizi autoriparanti contribuirebbero ad un prolungamento della vita utile delle strutture in calcestruzzo e renderebbero il materiale non solo più duraturo, ma anche più sostenibile. Lo sviluppo di questa tecnologia, quindi, porterebbe il materiale di costruzione più utilizzato a creare infrastrutture civili sostenibili3. Come abbiamo detto prima, la fessurazione è il principale problema delle strutture in calcestruzzo, in quanto compromette la loro resistenza fisica e meccanica. All'insorgere di queste fessure il cemento viene esposto al passaggio di diverse sostanze nocive, che non solo favoriscono il prolungamento della fessura stessa, ma una volta che questa ha raggiunto la matrice e i ferri d'armatura, portano alla corrosione delle armature e alla relativa perdita di resistenza meccanica. Per evitare che venga compromessa la stabilità della struttura è bene tenere sotto controllo questo processo ed intervenire il prima possibile con una riparazione del problema. Pertanto l'utilizzo di un cemento autoriparante permetterebbe un'immediata ed autonoma riparazione della fessura, impedendo così l'ingresso ad agenti esterni, senza bisogno di un'intervento umano. Le ricerche effettuate negli ultimi anni, hanno sviluppato diversi metodi per ottenere un cemento autoriparante; i ricercatori del Politecnico di Torino hanno scelto il metodo dell'incapsulazione, cioè aggiungendo nella malta cementizia delle capsule realizzate in cemento contenenti diversi agenti autoriparanti. Questo sistema della creazione di capsule in materiale cementizio presenta alcuni problemi a livello di realizzazione, in quanto, essendo un processo lungo e manuale, con diverse fasi dall'elaborazione dell'impasto cementizio all'impermeabilizzazione di esse, viene difficile pensare ad una possibile applicazione industriale. Con questa premessa, la presente investigazione si basa sullo studio del cemento autoriparante sempre attraverso l'utilizzazione di capsule, realizzate però, a differenza dei precedenti studi, con materie plastiche (PLA, PET, PETG, PMMA) ottenute con l'utilizzo di una stampante 3D. Esse contengono al loro interno diversi agenti healing, quali Silicato di sodio, resina CarbonStop e batteri Bacillus sphaericus. La realizzazione delle capsule con materiali plastici comporta diversi vantaggi, esse infatti, utilizzando un metodo industriale, riducono notevolmente i tempi di produzione e raggiungono un buon livello di standardizzazione. In aggiunta l'utilizzo della stampante 3D permette di progettare diverse forme delle capsule in modo da ottenere sia una maggiore aderenza alla matrice cementizia, sia di raggiungere spessori minimi per le pareti delle capsule (200 micron). Ci si aspetta che queste ricerche sui calcestruzzi autoriparanti possano portare ad una maggior sostenibilità ambientale, poiché implicando un minor numero di riparazione si ha un minor utilizzo delle risorse del materiale, una riduzione del consumo energetico e una diminuzione dell'emissioni di gas inquinanti prodotti durante la produzione e il trasporto del materiale durante le eventuali riparazione o restaurazione.
Relatori:	Jean Marc Tulliani, Paola Antonaci, Maria del Socorro Escalona
Tipo di pubblicazione:	A stampa
Soggetti:	S Scienze e Scienze Applicate > SE Ecologia S Scienze e Scienze Applicate > SL Scienze T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TA Consolidamento T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TC Protezione degli edifici T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TE Tecnologia dei materiali
Corso di laurea:	Corso di laurea magistrale in Architettura Per Il Progetto Sostenibile
Classe di laurea:	NON SPECIFICATO
Aziende collaboratrici:	NON SPECIFICATO
URI:	http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/6288
Capitoli:	INTRODUZIONE 1.1 DICHIARAZIONE DEL PROBLEMI 1.2 OBIETTIVI DELLA RICERCA Obiettivo Generale Obiettivi Specifici 1.3 GIUSTIFICAZIONI ED IMPORTANZA ASPETTI TEORICI 2.1 BIOMIMETICA 2.1.1 Definizione 2.1.2 Natura come modello misura e mentore 2.1.3 Natura e tecnologia 2.1.4 Principi e precetti 2.1.5 Metodo biomimetico 2.1.6 Imparare dalla natura Mondo vegetale Mondo animale Costruzioni degli animali 2.2 CEMENTO E CALCESTRUZZO 2.2.1 Cenni storici 2.2.2 Cemento Processo di produzione del cemento Tipi di cemento 2.2.3 Calcestruzzo Composizione del calcestruzzo Additivi del calcestruzzo Produzione del calcestruzzo Proprietà del calcestruzzo Prove sul calcestruzzo Tipi di calcestruzzo Deterioramenti del calcestruzzo 2.3 MATERIALI AUTORIPARANTI 2.3.1 Definizione 2.3.2 Classificazione 2.3.3 Self-healing dei materiali cementizi 2.3.4 Processo di guarigione autogeno 2.3.5 Processo di guarigione autonomo 2.3.6 Metodologie di self-healing nei materiali cementizi Riscaldamento selettivo Composito cementizio fibrorinforzato FRCCS Il metodo con i batteri immobilizzati in poliuretano Additivi minerali e geopolimeri Autoriparazione mediante agenti healing 2.6 POLIMERI 2.6.1 Cenni storici 2.6.2 Definizione 2.6.3 Struttura dei polimeri Struttura chimica Struttura fisica Proprietà comuni dei polimeri Proprietà ottica e resistenza chimica Proprietà meccaniche dei polimeri Frattura dei polimeri 2.6.4 Classificazione dei polimeri I polimeri secondo la loro forma I polimeri secondo i loro monomeri I polimeri secondo la loro origine I polimeri secondo il suo comportamento termodinamico Elastomeri Struttura degli elastomeri Proprietà degli elastomeri Polimeri termoindurenti Polimeri termoplastici Proprietà meccaniche dei termoplastici 2.6.5 Acido Polilattico (PLA) Cenni storici Produzione industriale Proprietà fisica e meccanica del PLA Applicazioni del PLA Biodegradabilità e bioassorbimento 2.6.6 Polietilene tereftalato (PET) Cenni storici Produzione del PET Proprietà del PET Applicazioni del PET Riciclaggio 2.6.7 Copoliestere del polietilene tereftalato glicol (PETG) Caratteristiche del PETG Applicazioni del PETG 2.6.8 Polimetilmetacrilato (PMMA) Cenni storici Produzione del PMMA Proprietà del PMMA Applicazioni del PMMA Riciclaggio 2.4.9 Materiali polimerici nel settore civile Materiali per il ripristino o la protezione di strutture in muratura e in cemento armato Trattamenti superficiali per la protezione di strutture in cemento armato 2.5 STAMPANTE 3D 2.5.1 Cenni storici 2.5.2 II processo di stampa 3D con il metodo FDM 2.5.3 Stampante 3D Prusa ¡3 Hephestos Caratteriste tecniche Stampa facile, comoda e sicura Open source e pezzi con disegno personalizzato METODOLOGIA DI RICERCA 3.1 PARADIGMA DELLA RICERCA 3.2 NATURA DELLA RICERCA 3.2 UNITÀ D'ANALISI 3.3 POPOLAZIONE 3.4 CAMPIONE 3.5 PROCESSO DI INVESTIGAZIONE 3.5.1 Processo di esecuzione della pasta cementizia per la produzione delle capsule (maccheroni) 3.5.2 Processo d'impermeabilizzazione, di riempimento e di sigillatura delle capsule cementizie 3.5.3 Processo di produzione delle capsule polimeriche con le diverse plastiche (PMMA, PLA, PET, PETG) 3.5.4 Processo d'impermeabilizzazione, di riempimento di sigillatura delle capsule polimeriche 3.5.5 Processo di esecuzione dei campioni di malta cementizia 3.5.6. Processo di valutazione degli effetti degli agenti healing 3.5.7. Processo di valutazione della permeabilità degli agenti healing 3.5.8 Processo di valutazione della tenuta ad acqua delle diverse capsule polimeriche 3.5.9 Processo di valutazione della composizione chimica dei diversi polimeri (PMMA, PLA, PET, PETG) 3.5.10 Processo di valutazione dell'effettiva funzionalità dei diversi processi di impermeabilizzazione sulle capsule polimeriche (PMMA, PLA, PET, PETG) 3.5.11 Processo di valutazione delle proprietà meccaniche dei diversi polimeri selezionati (PMMA, PLA, PET, PETG) 3.6 APPARECCHIATURE E MATERIALI 3.6.1 Realizzazione della pasta cementizia per la produzione delle capsule (maccheroni) 3.6.2 Realizzazione dell'impermeabilizzazione, del riempimento e della sigillatura delle capsule cementizie 3.6.3 Produzione delle capsule polimeriche con le diverse plastiche (PMMA, PLA, PET, PETG) 3.6.4 Realizzazione dell'impermeabilizzazione, del riempimento e della sigillatura delle capsule polimeriche 3.6.5 Realizzazione dei provini in cemento 3.6.6 Valutazione degli effetti degli agenti riparanti 3.6.7 Valutazione della permeabilità degli agenti healing 3.6.8 Valutazione della tenuta all'acqua delle diverse capsule polimeriche 3.6.9 Valutazione della composizione chimica dei diversi polimeri (PMMA, PLA, PET, PETG) 3.6.10 Valutazione della effettiva funzionalità dei diversi processi di impermeabilizzazione sulle capsule polimeriche (PMMA, PLA, PET, PETG) 3.6.11 Valutazione delle proprietà meccaniche dei diversi polimeri selezionati (PMMA, PLA, PET, PETG) ATTIVITÀ SPERIMENTALE 4.1 ANALISI DEI DATI E RISULTATI 4.1.1 Proprietà delle plastiche selezionate 4.1.2 Produzione e impermeabilizzazione delle capsule polimeriche (modello 1) 4.1.3 Produzione e impermeabilizzazione delle capsule cementizie 4.1.4 Realizzazione dei provini di malta cementizia 4.1.5 Prove meccaniche sui provini (capsule polimeriche modello 1 e cementizie) 4.1.6 Realizzazione e impermeabilizzazione delle capsule polimeriche (batteri Bacillus sphaericus) 4.1.7 Realizzazione e impermeabilizzazione delle capsule cementizie (batteri Bacillus sphaericus) 4.1.8 Realizzazione dei provini di malta cementizia (batteri Bacillus sphaericus) 4.1.9 Prove meccaniche dei provini (capsule polimeriche modello 1 e cementizie con batteri Bacillus sphaericus) 4.1.10 Prove di durabilità dei provini (capsule polimeriche modello 1 e cementizie con batteri Bacillus sphaericus) Prova di risalita capillare Prova di infiltrazione dall'alto con siringa con provini asciutti Prova di infiltrazione dall'alto con siringa con provini saturi 4.1.11 Prove della ritenuta all'acqua delle capsule polimeriche(modello 1 e modello 2) Primo coating Secondo coating Terzo coating 4.1.12 Verifica di impermeabilizzazione sulle capsule polimeriche 4.1.13 Produzione e impermeabilizzazione delle capsule polimeriche (modello 2) 4.1.14 Realizzazione dei provini di malta cementizia con capsule polimeriche (modello 2 e coating 3) 4.1.15 Prove meccaniche sui provini contenenti capsule polimeriche (modello 2 e coating 3) 4.1.16 Valutazione della capacità di rilascio delle differenti capsule CONCLUSIONI E RACCOMANDAZIONI 5.1 CONCLUSIONI 5.2 RACCOMANDAZIONI ALLEGATI E SCHEDE TECNICHE Pre-fessurazione dei provini con agente healing Silicato di sodio Pre-fessurazione dei provini con agente healing resina CarbonStop indurita (capsula modello 1 ) Pre-fessurazione dei provini con agente healing batteri Bacillus sphearicus Pre-fessurazione dei provini con agente healing resina CarbonStop (capsula modello 2) Figure Tabelle Note e bibliografia
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