Capacità di auto-riparazione di compositi cementizi ad elevate prestazioni : sinergia fra additivi cristallini e nano-particelle

The design standards establish that the nominal life of an ordinary reinforced concrete structure must be at least 50 years. However, in all cases involving particularly aggressive environments, for example marine environments or environments subject to acid attack, in which premature degradation of materials is more likely to occur, this requirement can be difficult to satisfy. In all these situations, in order to avoid expensive maintenance and repair activities, it is necessary to adopt preventive solutions or protective systems. In this regard, a better understanding of the complex structure and potential of nano-scale components can certainly help to develop a new generation of cement-based materials that are not only more resistant but, more importantly, more durable and equipped with innovative "smart" features. In fact, nanotechnology, with its potential, offers innovative products that can be applied successfully in the production of high-performance cementitious composites. The application of nano-materials and nano-components opens a new and very promising path to improve the performance of cement-based materials and especially to increase their durability. The main purpose of this experimental work is to develop a new generation of cement-based materials called Ultra High Durability Concrete (UHDC), that are Ultra High Performance Concrete (UHPC) characterized not only by high mechanical performance but also by excellent durability. To achieve this aim, different types of nano-materials were used, in particular alumina nano-fibers (ANF), cellulose nano-crystals (CNC), cellulose nano-fibrils (CNF), nano-silica (NS) and nano-calcium oxide (NCaO), and a series of experimental tests have been carried out in order to study the effects produced by the addition of the nano-materials on the mechanical properties, such as compressive and flexural strength, on the physical characteristics, such as porosity, total shrinkage, autogenous shrinkage and expansion, on the chemical characteristics and finally on the Self-Healing capability of fiber-reinforced cementitious composites and cement-based pastes, evaluated in terms of self-sealing of the cracks and recovery of impermeability. The results obtained from the experimental tests have shown that the nano-materials used in this experimental work are able to increase the compressive and flexural strength, to reduce the total and autogenous shrinkage and especially to improve the Self-Healing capability of fiber-reinforced cementitious composites and cement-based pastes, in terms of self-sealing of the cracks and recovery of impermeability.

Le norme di progettazione stabiliscono che la vita nominale di una struttura in calcestruzzo armato ordinaria debba essere pari ad almeno 50 anni. Tuttavia, in tutti i casi che coinvolgono ambienti particolarmente aggressivi, ad esempio ambienti marini oppure ambienti soggetti ad attacco acido, in cui è più probabile che si verifichi un degrado prematuro dei materiali, questa prescrizione può essere difficile da soddisfare. In tutte queste situazioni, al fine di evitare costose attività di manutenzione e riparazione, è necessario adottare delle soluzioni preventive oppure dei sistemi protettivi. A tale proposito, una migliore comprensione della complessa struttura e delle potenzialità dei componenti su nano-scala può sicuramente aiutare a sviluppare una nuova generazione di materiali a base cementizia che non solo risultino più resistenti ma, ancora più importante, più durevoli e dotati di un’intera gamma di funzionalità “intelligenti” innovative. La nanotecnologia infatti, con le sue potenzialità, offre prodotti innovativi che possono essere applicati efficacemente nella produzione di compositi cementizi ad elevate prestazioni. L’applicazione di nano-materiali e nano-componenti apre una strada nuova e molto promettente per migliorare le prestazioni dei materiali a base cementizia e soprattutto per incrementarne la durabilità. L’obiettivo principale del presente lavoro di ricerca sperimentale è quello di sviluppare una nuova gamma di materiali a base cementizia chiamati Ultra High Durability Concrete (UHDC), ovvero dei calcestruzzi ad alte prestazioni caratterizzati, oltre che da elevate prestazioni meccaniche, anche da una eccellente durabilità. Per raggiungere tale scopo sono state utilizzate diverse tipologie di nano-materiali, nello specifico nano-fibre di allumina (ANF), nano-cristalli di cellulosa (CNC), nano-fibrille di cellulosa (CNF), nano-silice (NS) e nano-ossido di calcio (NCaO), e sono state effettuate una serie di prove sperimentali al fine di studiare gli effetti prodotti dall’aggiunta dei suddetti nano-materiali sulle caratteristiche meccaniche, quali resistenza a compressione e resistenza a flessione, sulle caratteristiche fisiche, quali porosità, ritiro totale, ritiro autogeno ed espansione, sulle caratteristiche chimiche ed infine sulla capacità di Self-Healing di compositi cementizi fibro-rinforzati e paste a base di cemento, valutata in termini di auto-guarigione delle fessure e di recupero di impermeabilità. I risultati ottenuti dalle prove sperimentali hanno mostrato che i nano-materiali utilizzati nel presente lavoro di ricerca sperimentale sono in grado di incrementare la resistenza a compressione e la resistenza a flessione, di ridurre il ritiro totale e il ritiro autogeno e soprattutto di migliorare la capacità di Self-Healing dei compositi cementizi fibro-rinforzati e delle paste a base di cemento, sia in termini di auto-guarigione delle fessure sia in termini di recupero di impermeabilità.