Self Sensing Concrete: il calcestruzzo intelligente che monitora lo stato di salute delle strutture grazie al grafene

Il grafene, ormai noto come materiale delle meraviglie, dopo aver mutato le proprietà elettriche del calcestruzzo facendolo diventare un conduttore di corrente elettrica, oggi grazie alle ultime ricerche Italcementi diventa anche Self Sensing Concrete. La materia grigia del calcestruzzo, quindi, diventa intelligente a tal punto da essere in grado di dare informazioni sul suo stato deformativo e fessurativo per dar luogo a nuove e importanti opportunità nell’ambito del monitoraggio dell’integrità strutturale. 

Lo stato di degrado e sicurezza delle abitazioni e infrastrutture è un tema sempre più attuale, non solo per renderle efficienti e sostenibili ma anche per far sì che esse siano soprattutto sicure e senza pericolo di collasso improvviso. Il Self Sensing Concrete potrebbe così facilitare un monitoraggio h24 della struttura e aiutarci a capire se essa ha bisogno di un ripristino immediato o meno.

Le ricerche condotte sull’utilizzo del nano-materiale “Grafene”, da tempo noto sia per le sue straordinarie proprietà meccaniche di resistenza e flessibilità che per l’eccellente conduzione elettrica e termica, hanno oggi permesso di trasmettere parte delle sue eccellenti proprietà a un “mega-materiale” come il calcestruzzo, materiale largamente utilizzato nell’edilizia strutturale e infrastrutturale, facendolo diventare high tech.

La scoperta del Grafene è avvenuta quasi per caso nel 2004. Due fisici russi dell’Università di Manchester, Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov, cercavano di ottenere uno strato di grafite più sottile esfoliando manualmente la grafite con un metodo molto semplice noto come “metodo scotch-tape”. In poche parole, attaccando lo scotch su uno strato di grafite per poi staccarlo e attaccarlo più volte su un supporto in silicone, i due fisici sono riusciti a separare gli strati di grafene fino a ottenere un singolo strato il cui spessore atomico è circa 0,4 nm.

Quanti e quali tipi di grafene utilizzare per applicazioni in calcestruzzo?<
Attualmente il termine “Grafene” viene spesso usato in modo generico e non in modo preciso e descrive molti materiali correlati al grafene (GRM= Grafene Related Materials). Ad esempio, tra i più importanti si possono distinguere i seguenti tipi di grafene:

•    Ossido di grafene (GO, per lo più a strato singolo).
•    Grafeni a strato singolo e con pochi strati (2-10).
•    Nanopiastrine di grafite esfoliata (GNPs, più di 10 strati di grafene ma di spessore inferiore a 100 nm).

L’Ossido di grafene (GO) viene prodotto mediante ossidazione della grafite attraverso forti ossidanti; questo trattamento introduce nella struttura della grafite gruppi chimici ossigenati che non solo espandono la separazione degli strati ma conferiscono un carattere idrofilo al GO (nel senso che possono essere dispersi in acqua), riducendone però fortemente la conduttività elettrica.

Il Grafene con 2-10 strati è prodotto con i vari metodi di esfoliazione della grafite, e nonostante sia il candidato ideale per applicazioni in cui occorre avere un’elevata conduzione elettrica, nell’ambito delle applicazioni in materiali cementizi come il calcestruzzo, è fuori dalle logiche economiche perché ancora troppo oneroso.

Le Nanopiastrine di grafite esfoliata (GNPs), anche se sono costituite da più di 10 strati di grafene, sono attualmente i costituenti di nanocarbonio più economicamente convenienti per applicazioni con materiali cementizi. I GNPs sono costituiti da piccole pile sovrapposte di grafene con una distanza interplanare simile a quella della grafite madre. Di seguito un’immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di GNPs commerciali in cui è visibile la struttura a strati del materiale.

Inoltre, molte prestazioni sono state attribuite ai materiali compositi contenenti GNPs, ad esempio leggerezza, conduttività elettrica e termica, proprietà meccaniche come rigidità particolare, resistenza alla flessione, resistenza alla trazione e tenacità, impermeabilità e ritardante di fiamma.

Applicazioni elettricamente conduttive rivoluzionarie
La nanotecnologia gioca un ruolo fondamentale nello sviluppo di materiali multifunzionali e da pochi anni è un tema emergente nel campo dell’ingegneria civile. Nel settore del calcestruzzo, ad esempio, offre buone opportunità per migliorare durabilità, sostenibilità, autorigenerazione, mitigazione del rischio di corrosione, risanamento ambientale, ecc.

Come noto, i materiali cementizi hanno una scarsa conduttività elettrica, al confine tra isolanti e semiconduttori, ma molteplici sono le applicazioni che richiedono un calcestruzzo conduttivo. Ad esempio, possiamo citare il notevole interesse che ha lo sbrinamento-decongelamento di superfici esterne innevate/ghiacciate (rampe di garage, percorsi pedonali, tetti, strade…) per evitare blocchi temporanei ed evitare lo spargimento di sali disgelanti che non sono ottimali per l’ambiente. Un’altra applicazione richiesta è quella di realizzare un riscaldamento a pavimento/murale in abitazioni/strutture storiche con limitati spazi per centrali termiche.

Diversi interessi vi sono, poi, nel poter realizzare delle schermature alle interferenze elettromagnetiche dell’involucro edilizio, come anche quelli di poter realizzare dei rivestimenti per la protezione catodica delle barre di rinforzo nel calcestruzzo in strutture armate. Recenti disastri succeduti per collassi improvvisi di strutture hanno rafforzato il grado di attenzione nel monitoraggio delle stesse, e in particolare la richiesta di avere un materiale che sia di per sé autosensibile alle deformazioni e fessurazioni sviluppate durante la vita di esercizio. Il Self Sensing Concrete, soddisfa infatti tale richiesta e contribuirebbe sia alla sicurezza, all’efficienza dell’opera che alla sua sostenibilità.

La base di partenza di queste applicazioni è il calcestruzzo elettricamente conduttivo (ECC= Electrically Conductive Concrete) a cui si aggiungono ulteriori requisiti e proprietà come, ad esempio, caratteristiche fisico meccaniche e reologiche del calcestruzzo per applicazioni di Self Sensing Concrete.

Calcestruzzo autosensibile (Self Sensing Concrete)
Il calcestruzzo autosensibile “Self Sensing Concrete” è un materiale strutturale in grado di monitorarsi da solo senza la necessità di sensori incorporati, attaccati o remoti. Questa tipologia di calcestruzzo funziona grazie alla speciale incorporazione di Grafene Related Materials che modifica la sua resistenza elettrica ed è in grado di fornire delle variazioni di resistenza elettrica in base allo sforzo-deformazione. Il Self Sensing Concrete inoltre è in grado di rilevare deformazioni strutturali molto piccole e in punti talvolta non accessibili a sensori esterni. Tali materiali biomimetici ridurrebbero quindi significativamente l’onere dell’ispezione e della manutenzione delle infrastrutture interrate e di conseguenza l’affidabilità della struttura sarebbe migliorata.

Un esempio importante viene dal Regno Unito dove è stato stanziato un finanziamento per il programma Resilient Materials for Life (RM4L) per importo di 4,9 milioni di sterline dedicato allo sviluppo di materiali cementizi biomimetici (Resilient Materials 4 Life, 2019).

La ricerca Italcementi sul grafene per il settore delle costruzioni
Italcementi nel 2014 ha instaurato una collaborazione con una delle più importanti iniziative di ricerca avviate dall’Unione Europea, Consorzio Graphene Flagship. Da allora ha iniziato a studiare le possibili applicazioni del Grafene nel mondo delle costruzioni e in particolare nel calcestruzzo, concentrandosi prima nella possibilità di combinare due materiali con caratteristiche molto diverse, ad esempio due dimensioni diverse, nanomateriale contro mega materiale, due diverse affinità chimiche, uno idrofobo con uno idrofilo, infine un superconduttore con uno materiale piuttosto isolante proprio come grafene e calcestruzzo.

Dopo aver raggiunto il primo fondamentale passo, ha investigato su come poter raggiungere la soglia di percolazione elettrica per trasfondere le proprietà elettriche del grafene in quelle quasi isolanti del calcestruzzo senza compromettere le proprietà fisico-meccaniche, da ultimo ha studiato le principali applicazioni del calcestruzzo elettricamente conduttivo, come il riscaldamento, il de-icing e Self Sensing Concrete.

Le attività straordinarie di ricerca condotte hanno di fatto trasformato il materiale cementizio tipicamente isolante in uno conduttivo tale da permettere il passaggio della corrente elettrica anche a basso voltaggio.

Questo importante successo si basa sul principio della “percolazione elettrica” in base al quale la conduttività composita aumenta notevolmente di diversi ordini di grandezza quando il contenuto della fase conduttiva raggiunge un valore critico di “soglia”. Tale processo che può sembrare di facile portata in realtà risulta molto difficile da raggiungere con i due materiali sopra descritti. Verosimilmente è come miscelare olio con acqua, dopo le prime gocce si ha una marcata soluzione eterogenea.

Il calcestruzzo elettricamente conduttivo precedentemente sviluppato e brevettato da Italcementi aggiunge così a quelle che erano le proprietà base del calcestruzzo come la plasmabilità e resistenza meccanica, nuove e rivoluzionarie proprietà high tech. Questo consentirà l’utilizzo del calcestruzzo per il riscaldamento a pavimento e murale degli edifici/abitazioni, offrirà delle soluzioni per il de-icing di superfici esposte al gelo e innevamento (es. rampe dei garage, tetti, percorsi pedonali, piste ciclabili) e per studi recentemente completati e infine esso potrà essere utilizzato come Self Sensing Concrete, cioè potrà monitorare da solo le deformazioni e fessurazioni generatesi sulle strutture a seguito di sollecitazioni esterne. Tale importante applicazione potrà quindi permettere di monitorare costantemente lo stato di salute delle strutture nuove ed esistenti, e migliorarne la loro efficienza e sostenibilità nel tempo. 

Le applicazioni di uno smart concrete elettricamente conduttivo
L’ultimo lavoro di ricerca concluso con una tesi magistrale in Ingegneria Civile dal titolo Self Sensing Concrete – Graphene Related Materials Application ha praticamente studiato ogni singolo dettaglio per rendere possibile l’applicazione del calcestruzzo elettricamente conduttivo brevettato precedentemente da Italcementi come Self Sensing Concrete su due macro tipologie di supporto in calcestruzzo a loro volta progettate e studiate per simulare i diversi tipi di supporti di strutture attualmente esistenti.

Il raggiungimento del Self Sensing Concrete e quindi la fusione di due materiali totalmente diversi, GRM e Calcestruzzo, per generare un calcestruzzo sensibile alle deformazioni e fessurazioni è stato possibile grazie al know-how maturato negli anni da Italcementi.

Il calcestruzzo al grafene sensibile alle deformazioni, Self Sensing Concrete, potrà far parte presto delle nuove ed esistenti strutture oltreché di quelle “rigenerate” sia come sensore integrato che come sensore applicato sulla superficie dell’elemento/concio in calcestruzzo. Questo notevole passo in avanti consentirà di avere con largo anticipo avvisi riguardo a situazioni di iniziale attenzione che minano alla stabilità strutturale e consentirà inoltre, previo intervento di ripristino, di allungare la vita utile della struttura, la sostenibilità ed evitare blocchi di agibilità della stessa.

L’accurato studio ha permesso inoltre di ottimizzare i volumi di applicazione del Self Sensing concrete limitandolo a un sottile strato che viene posto nelle zone tese e compresse degli elementi, oltreché nelle zone soggette con minori deformazioni. Tale integrazione/accoppiamento, consentirà quindi di avere un prodotto con più funzionalità, sia portante che strumentale.