Tecniche neutroniche per la caratterizzazione avanzata di materiali cementizi

A seguito dei recentissimi tragici eventi sismici, numerose sono le riflessioni che s’impongono sulla ricostruzione delle zone colpite e sulle ristrutturazioni anti-sismiche, coinvolgendo anche confronti sui diversi materiali utilizzabili (cemento, legno…).

Tra i parametri che influiscono sulla solidità degli edifici, quelli relativi alla resistenza a flessione dei materiali cementizi, che negli ultimi anni è assai accresciuta grazie agli studi sulla microstruttura e sulla possibile diminuzione dei difetti interni dei materiali coinvolti, è da alcuni decenni valutata determinante ^[1].

Mentre il calcestruzzo tradizionale è fragile e possiede un basso livello d’energia di frattura, materiali cementizi innovativi (per esempio, cementi rinforzati con fibre) possono esibire performance notevolmente superiori.

La caratterizzazione avanzata dei materiali cementizi a livello di micro- e nano-scala oggetto del presente articolo (eseguita anche a livelli comparativi su diverse miscele progettate dai produttori), pertanto, si rivela indispensabile per:

• una conoscenza approfondita e completa di tali materiali e dei parametri responsabili dei loro limiti prestazionali;
• la creazione di nuovi materiali cementizi dalla caratteristiche anti-sismiche più avanzate;
• l’individuazione delle più adeguate metodologie di progettazione di tali materiali;
• perfezionare, in definitiva, la progettazione di edifici anti-sismici.

Cemento e calcestruzzo

Il cemento e il calcestruzzo rappresentano oltre il 20% dei consumi totali di materiale nel setto re, e i nuovi limiti prestazionali prospettati per i moderni edifici, insieme alle caratteristiche di stabilità, durata e sicurezza, richiedono la realizzazione di nuovi materiali cementizi con resistenza meccanica e tenacità sempre più elevate, con nuove metodologie di progettazione e conoscenze su durabilità, messa in opera e meccanismi d’additivazione. Mentre il calcestruzzo tradizionale è un materiale fragile, a livello dei materiali ceramici, quello rinforzato consente di raggiungere valori d’energia di frattura assai più alti, con elevata resistenza alla flessione^[2].

L’evoluzione nell’analisi e nello studio dei materiali costitutivi e componenti del settore edilizio è connessa all’impiego di procedimenti adeguati a migliorarne la qualità e stimarne la possibile degradazione che, se non uniforme, può accelerare lo sviluppo di cricche favorendo la riduzione critica della vita del manufatto cementizio. Tale degradazione può determinarsi da varie cause (per esempio, presenza di difetti, particolare distribuzione della porosità, condizioni atmosferiche, tempo) le cui azioni combinate sono in grado di produrre un effetto sensibilmente incrementato rispetto a quello separato degli stessi fattori.

Il problema dell’impiego a lunghissimo termine di tali materiali, perciò richiede l’applicazione di metodi non-distruttivi che facilitino l’esame dello stato del componente prevedendone l’invecchiamento. Le condizioni di sicurezza nel settore delle costruzioni includono il controllo dello stato dei materiali mediante test su campioni di controllo, anche per fornire osservazioni di possibili trend critici insiti nelle variazioni di proprietà e caratteristiche.

Per quanto riguarda i cementi polimerici^[3], è essenziale anche lo studio di parametri quali il grado d’idratazione del legante, l’equilibrio tra fasi cristalline e gel dei composti idratati formati e la morfologia e le dimensioni degli idrati di cristallo. A tale scopo, sono impiegati diversi metodi, tra cui la diffrazione a raggi X, l’analisi termica differenziale, la spettroscopia infrarossa e la microscopia ottica e elettronica.

L’analisi dello stato tensionale e le simulazioni modali, per esempio, possono prevedere il comportamento del cemento dopo l’invecchiamento, con l’obiettivo di migliorare la sicurezza delle costruzioni edilizie. La porosità può essere considerata come fattore principale, in grado di influenzare le proprietà meccaniche e quelle d’isolamento termico.

Le misurazioni di porosità sono solitamente effettuate tramite metodi gravimetrici, gas e porosimetria liquida (per esempio, porosimetria mediante intrusione di mercurio) e metodi acustici-elettrici: questi ultimi stabiliscono la relazione tra porosità e caratteristiche di risposte elettriche e acustiche alla loro eccitazione meccanica impulsiva^[4].

Le ricerche sui meccanismi di frattura dei materiali, tradizionalmente, sono basate su metodi di microscopia ottica ed elettronica, che sono in grado di rilevare solamente danni eccezionali in corrispondenza delle superfici o in strati sottili: tali difetti indicano che la distruzione è già iniziata, mentre gli stadi preliminari della frattura (quelli a livello di nanoscala) rimangono ancora invisibili.

Il problema principale di dover ottenere realmente una prognosi dello stato e delle risorse del materiale cade in contraddizione con l’investigazione normalmente effettuata sui materiali in questione mediante tecniche distruttive, che presentano rilevanti segni di disturbo e che sono basate su test meccanici di carico e frattura.

L’analisi dei precursori della frattura a livello di micro- e nano-scala, a questo punto, si rende indispensabile per poter sviluppare reali criteri sulle performance di tali materiali. Le tecniche neutroniche, a questo fine, sono sempre più adottate nello studio di materiali e componenti industriali, in seguito alla disponibilità di procedure di misurazione e di trattamento dati appositamente sviluppate dallo Studio d’Ingegneria Rogante, riferimento per le Applicazioni Industriali delle Tecniche Neutroniche^[5].

La caratterizzazione non distruttiva di materiali e componenti del settore edilizio mediante tali tecniche è un modo efficace per ottenere informazioni originali, indispensabili quali precursori della possibile rottura di materiali (ad es., cricche, pori, vuoti e dislocazioni), considerando volumi di materiale che rivestono il ruolo di campioni-test rappresentativi dei materiali reali costitutivi sottoposti a esercizio.

L’analisi dei nano- e micro-difetti mediante tecniche neutroniche è in grado di fornire informazioni uniche sulle risorse residue dei materiali studiati, utili per predirne la durata, considerando per esempio uno studio comparativo delle proprietà relative funzionali di vecchi e nuovi materiali.

Tale analisi in scala 1-100 nm delle caratteristiche e dei parametri (distribuzione dimensionale dei difetti e loro concentrazioni totali e locali), congiuntamente ai test macroscopici classici, permette di capire realmente i meccanismi e di determinare le velocità dei processi di degradazione, che sono spesso profondamente mascherati da una varietà di dettagli strutturali presenti nel volume dei materiali di costruzione. Questi livelli avanzati di caratterizzazione dei materiali considerati consentono un notevole approfondimento della loro conoscenza a livello di difettologia e difettoscopia.

Caratterizzazione avanzata: metodi ed esempio applicativo

Le tecniche neutroniche presentano vantaggi considerevoli in confronto alla frattografia e ai metodi classici d’analisi dei materiali, poiché contribuiscono in modo esclusivo alla soluzione d’importanti quesiti e problematiche correlati alle limitazioni metodologiche della caratterizzazione tradizionale, rispetto alla quale forniscono informazioni del tutto complementari. I vantaggi collegati all’impiego possono essere svariati, per esempio:

• alta penetrazione dei neutroni nel volume dei materiali (cementi, acciai, leghe), molto più pronunciato rispetto ai raggi-X. Ciò permette di testare il campione in profondità, eseguendo scansioni attraverso il suo volume;
• sensibilità alle sostanze contenenti idrogeno (acqua, oli, ecc.). Ciò permette di rilevare anche quantità trascurabili (anche con contenuto in volume ≤ 10-4) di micro-cricche o vuoti riempiti di tali sostanze e di ottenere la localizzazione d’idrogeno (distribuzione) nel reticolo di materiali cristallini o in matrici amorfe;
• possibilità di ricavare informazioni sull’ordinamento molecolare e sui nano-difetti sopra elencati presenti nel materiale analizzato;
• possibilità di ricavare immagini radiografiche e tomografiche con visualizzazione tridimensionale dei macro-difetti interni (tipo bolle), e di studiarne la distribuzione.

Gli studi di diffusione neutronica a piccoli angoli (Dnpa^)[6] consentono di compiere in modo efficiente il monitoraggio della struttura nanoscopica, per cui è possibile valutare una durata non alterata dei materiali per un lungo periodo, utilizzando i dati ottenuti mediante la tecnica considerata con riferimento a campioni di controllo (campioni-test). Lo Studio d’Ingegneria Rogante, ha effettuato, per conto del Dipartimento dei Materiali da Costruzione dell’Università degli Urali, un’investigazione di campioni di cementi polimerici a livello di micro- e nano-scala mediante Dnpa ^[7-9].

tabella 1 riporta la composizione e le caratteristiche dei campioni analizzati. La figura 1 mostra i campioni considerati, mentre la figura 2 ne rappresenta sezioni dalle dimensioni 10x10x1 mm³  fissate ai rispettivi portacampioni presso la strumentazione impiegata.

Il campione di controllo S0, privo di additivi, è stato modificato mediante l’aggiunta di sostanze minerali (polvere γAl2O3, campione S5) o copolimeri RDP-22, RDP-23 (campioni S6, S7) e, infine, sono stati introdotti entrambi gli additivi (γAl2O3 + RDP-22 o γAl2O3 + RDP- 23) miscelando a secco (campioni S8 e S10) e in umido (campioni S9 e S11). I due metodi di miscelazione utilizzati sono: a secco, miscelando per 2-3 minuti polvere di copolimero e γAl2O3 aggiunti al cemento; in umido, macinando congiuntamente copolimero e γAl2O3 in d’acqua mediante mulino planetario^[9].

La struttura dei materiali cementizi e del calcestruzzo presenta di solito un carattere frattale: le dimensioni frattali sono correlate alle proprietà meccaniche dei cementi, in particolare alla resistenza meccanica, ma riflettono anche la qualità dell’interfaccia, il grado di porosità e l’apertura della struttura.

A seguito della variazione della dimensione frattale aggiungendo al materiale di base componenti diversi (minerale e/o sostanze polimeriche), si può comprendere come l’introduzione degli additivi influenza i cambiamenti superficiali interni, il che è collegato alle proprietà meccaniche del materiale.

Tali composti cementizi ad alto peso molecolare (dispersioni acquose) sono stati studiati in quanto si è ipotizzato che i copolimeri modificano la struttura del calcestruzzo allorché l’agente legante e l’acqua formano la pietra di cemento che congiunge insieme le particelle per formare il monolite. Durante la rimozione d’acqua dal cemento, il copolimero forma uno strato sottile sulla superficie di pori, cemento e noduli aggregati, che possiede un buon comportamento adesivo.

Per verificare tale concetto la caratterizzazione è stata eseguita ricavando le peculiarità strutturali delle interfacce all’interno della pietra di cemento. In particolare, sono stati determinati i parametri che riflettono le capacità di diffusione nella pietra da parte di disomogeneità su scala nanometrica, e il carattere frattale di tali entità. Sono state quindi paragonate tra loro le qualità delle interfacce (rugosità, bordi dei grani) dovute all’aggiunta di γAl2O3 e di copolimeri.

I valori del parametro D (che presenta un carattere frattale di queste disomogeneità) mostrati nella figura 3 indicano, in generale, un cambiamento della qualità dell’interfaccia (rugosità) dovuta a tale aggiunta. Tra i risultati conseguiti, per i campioni modificati (5, 6, 8, 9 e 11) si è riscontrato che l’introduzione di piccole quantità di minerale e/o sostanze polimeriche rende l’interfaccia più sviluppata. Nei campioni S7 e S10, la struttura dimensionale si riduce fortemente, e la sua dimensione frattale corrisponde a un’entità altamente ramificata (nastriforme).

La modifica del cemento, di conseguenza, crea preferibilmente una compattazione del sistema granoporo, legata a una resistenza meccanica maggiore. I pori più piccoli e la maggiore rugosità superficiale conferiscono una migliore stabilità strutturale del sistema. Ciò può considerarsi un fattore positivo per le proprietà funzionali dei materiali, e in particolare per la durabilità.

Per tutti i campioni esaminati, sono stati trovati grani globulari con raggi di correlazione pari a circa 10-12 nm, che in approssimazione sferica corrispondono a diametri di 60-80 nm. L’aggiunta di γAl2O3 e/o di copolimeri produce in definitiva una diminuzione di circa il 20% della dimensione dei grani.

Si deduce inoltre che quando viene applicata la miscelazione a secco, l’aggiunta di minerale è necessaria per ottenere nel cemento i cambiamenti strutturali ottimali, in particolare per produrre la deposizione del polimero sulla superficie interna dei pori, aumentando la resistenza meccanica del materiale. Simili studi possono essere effettuati riguardo a svariate altre tipologie di cementi e materiali cementizi, fornendo informazioni sostanziali per il settore edilizio.

Bibliografia
[1] L. Cassar, Materiali cementizi innovativi, Rivista Politecnico n. 0, settembre 1977, pp. 37-40.
[2] L. Cassar, Atti del Convegno .Materia e Strutture per il nuovo millennio., Politecnico di Milano, n. 0 (1997), pp. 37-40.
[3] M. Rogante, I.K. Domanskaya, E.S. Gerasimova, Il Nuovo Cantiere, Tecniche Nuove, Ed., Milano, Vol. 1 (2016), pp. 66-68.
[4] T.V. Fursa, A.P. Surzhikov, K.Yu. Osipov, Russian Journal of Nondestructive Testing, Volume 43, Issue 2 (2007), pp 95-99.
[5] M. Rogante, Atti del 1Åã Workshop Nazionale per l’Industria .Applicazioni Industriale delle Tecniche Neutroniche.., Civitanova Marche, Italy, 12-14 giugno 2008, pp. 40-120.
[6] [Pagina Web http://www.roganteengineering.it/pagine_servizi/servizi2.pdf
[7] M. Rogante, A. Selezneva, Proc. 2nd Int. Conf. .Mechanical Technologies and Structural Materials. MTMS 2011, Split, Croatia, 29-30 Sept. 2011, D. Živkovic, Ed., Croatian Society for Mechanical Technologies, Split, Croatia (2011), ISSN 1847- 7917, pp. 39-45.
[8] M. Rogante, I.K. Domanskaya, E.S. Gerasimova, E. Vladimkrova, Universal Journal of Applied Science, Vol. 1, Issue 1 (2013), pp. 11-17.
[9] M. Rogante et al., Science and Engineering of Composite Materials (2015), ISSN 0792-1233, DOI: 10.1515/secm-2015-0013.

Ing. Massimo Rogante