Una metodologia sperimentale di verifica delle capacità di autoriparazione autogena e stimolata di calcestruzzi fibrorinforzati ad alte prestazioni

Durability and sustainability are two principles on which the design of building structures and infrastructures is based. These factors are closely related and are becoming increasing relevant nowadays. Climate change is one of the primary challenges to deal with, for which CO2 emissions are the main responsible. The construction industry is in a critical position: Portland cement production is responsible for 5-8% of CO2 emissions. The increasing CO2 concentration causes an acceleration of the deterioration of concrete structures. Repairing interventions are henceforth necessary, leading to the increase of operating costs and maintenance. The interventions require the use of large amounts of materials, that need to be extracted, processed and transported, consequently producing pollution, using Earth’s resources and energy. Since the beginning of 2000s, the idea of designing concrete structures which are able to self-repair themselves without human intervention emerged as a possible solution to the aforementioned issue, allowing to extend the service life of concrete structures, in an as as eco-friendly as possible fashion. In this context the COST-Action SARCOS (Self-healing As preventive Repair of COncrete Structures), funded by the European Commission in the framework of the Horizon 2020 programme, provides its contribution, arising from the desire to develop innovative and sustainable technologies with the purpose to extend the service life of concrete structures. Self-healing of cement-based construction materials represents a valuable and cutting edge asset because of their inborn capacity to repair damages once they occur. This work deals with the autogenous and stimulated self-repairing capabilities of high-performance fiber-reinforced concrete. The synergy with the fibers allows to limit the width of the cracks that physiologically form during the service life of the structure. By reducing the width of the cracks, the access of aggressive agents is limited and the self-healing process is promoted, which is more effective in smallwidth cracks. Experimental methodology aims at studying the self-healing abilities and the recovering of the mechanical properties of samples subjected to cracking, alternated with periods of continuous immersion in water. For this purpose, parameters such as the crack-closure index (IR), the index of recovery of mechanical strength (ISR) and two indexes of recovery of stiffness (IDaR0 and IDaR *) have been introduced. The investigated mixtures (P and NP) consist of Portland cement, blast furnace slag, fine aggregates, water and superplasticizer additive. In one of the two mixtures (P) a crystalline additive (Penetron Admix) was added in order to stimulate the self-healing. Experimental data show a reduced effect of the crystalline additive after the first test cycle; the advantages of its action become manifested in the long term both on the mechanical recovery indices and on the crack-sealing indicators.

Tra i principi su cui si basa la progettazione di strutture e infrastrutture vi sono durabilità e sostenibilità, fattori che risultano essere fortemente correlati e che stanno assumendo un ruolo di rilevanza crescente negli ultimi anni. Una delle sfide prioritarie da affrontare è il cambiamento climatico, di cui le emissioni di CO2 sono le principali responsabili. A tal proposito l’industria delle costruzioni si trova in una posizione critica, in particolare a motivo della produzione del cemento, che provoca l’immissione in atmosfera di circa il 5-8% di anidride carbonica di origine antropogenica. L’aumento della concentrazione di CO2 provoca l’accelerazione dei processi di degrado delle strutture in calcestruzzo armato, che richiedono interventi di ripristino il cui risultato è l’aumento dei costi di esercizio e di gestione delle opere. A loro volta, gli interventi richiedono l’utilizzo di grandi quantità di materiali, che devono essere estratti trasformati e trasportati, sfruttando le risorse del pianeta e con ulteriore produzione di inquinanti ed energia. A partire dagli anni 2000 è emersa l’idea di progettare infrastrutture in calcestruzzo capaci di ripararsi senza intervento umano come possibile rimedio al dilagante degrado e per estendere la vita utile delle opere di ingegneria civile, realizzando strutture più sostenibili. In questo contesto si colloca la COST-Action SARCOS (Self-healing As preventive Repair of COncrete Structures), finanziata dalla Commissione Europea nell’ambito del programma H2020, e che nasce dalla volontà di sviluppare tecnologie innovative e sostenibili al fine di estendere la vita utile delle strutture in calcestruzzo. I calcestruzzi in grado di ripararsi autonomamente una volta che si verifica un danno, rappresentano una risorsa preziosa. In questo elaborato vengono studiate le capacità di autoriparazione (self-healing) autogena e stimolata di calcestruzzi fibrorinforzati ad alte prestazioni. La sinergia con le fibre consente di limitare l’ampiezza delle fessure che si formano fisiologicamente durante la vita utile della struttura. Riducendo le dimensioni delle fessure si limitano gli accessi degli agenti aggressivi e si favorisce il processo di autoguarigione, molto efficace in fessure dalle dimensioni ridotte. La metodologia sperimentale prevede di studiare le capacità di self-healing e di recupero delle proprietà meccaniche di campioni sottoposti a cicli di fessurazioni, alternati a periodi di immersione continua in acqua. A tale scopo sono stati introdotti parametri come l’indice di richiusura (IR), l’indice di recupero della resistenza meccanica (ISR) e due indici di recupero della rigidezza (IDaR0 e IDaR*). Le miscele studiate (P ed NP) sono costituite da cemento Portland, loppa d’altoforno, aggregati fini, acqua e additivo superfluidificante. In uno dei due impasti (P) è stato aggiunto un additivo cristallino (Penetron Admix) al fine di stimolare le proprietà di autoriparazione. Dai dati sperimentali emerge un ridotto effetto dell’additivo cristallino dopo il primo ciclo di prove, laddove i vantaggi della sua azione si manifestano in maniera chiara su tempi più lunghi, sia sugli indici di recupero meccanico sia sugli indicatori di richiusura delle fessure.