Calcestruzzi self-sensing per il monitoraggio continuo delle strutture

È possibile trasformare il calcestruzzo in un sensore capace di monitorare lo stato delle strutture nel tempo? Grazie ai calcestruzzi self-sensing, ai materiali innovativi come il grafene e ai calcestruzzi ad altissime prestazioni (UHPC e UHPFRC), si aprono nuove prospettive per il monitoraggio strutturale continuo di edifici e infrastrutture. Un approfondimento sulle tecnologie che stanno guidando la transizione digitale delle costruzioni.

In Italia come anche in altri paesi, è spesso all’ordine del giorno la considerazione sullo stato delle strutture. Seppure il calcestruzzo possa mostrare prestazioni molto elevate, in particolare relative alla durabilità oltre che per le caratteristiche meccaniche (ad esempio per i calcestruzzi HPC, UHPC e UHPFRC), l’avanzare delle conoscenze permette nuove opportunità di monitoraggio delle strutture, in tal modo ad esempio permettendo di segnalare attivamente la necessità di interventi di ripristino. Eppure, nel campo delle costruzioni, sistemi di monitoraggio strutturale sono frequenti principalmente nelle grandi opere.

Lo sviluppo tecnico collegato alle approfondite conoscenze sui materiali, congiuntamente alla diponibilità di materiali innovativi, offrono ulteriori opportunità in relazione alla grandezza tecnica che si intende monitorare.

Si profila una transizione digitale per le strutture di calcestruzzo, per alcuni versi già in atto ma con ancora molti spazi di sviluppo, secondo cui il tradizionale concetto di elementi costruttivi saltuariamente sottoposti a verifica lascia il passo ad un monitoraggio continuo, con maggiori opportunità di identificare e ottimizzare tempistiche e modalità di interventi di ripristino. Il tema è di grande attualità: numerosi studi sono disponibili nella recente letteratura e le opportunità di sviluppo sono notevoli.

È possibile pensare al calcestruzzo stesso come un sensore distribuito, in cui la “capacità senziente” sia intrinseca della matrice cementizia, non necessitando della presenza di sensori concentrati sulla superficie o inglobati in punti specifici della struttura. Questa evoluzione consentirebbe una conoscenza continua dello stato della struttura, nello spazio e nel tempo, piuttosto che esclusivamente in punti e momenti specifici, dunque una conoscenza più completa e possibilmente relativa a un insieme di sollecitazioni possibili (meccaniche, termiche, fenomeni di degrado etc.). Sulla base delle informazioni collezionate, la struttura potrebbe rispondere attivamente per ottimizzare le proprie prestazioni, ad esempio, così come il monitoraggio dei parametri ambientali può essere utilizzato dagli edifici per ottimizzare la prestazione energetica dell’edificio tramite un intervento attivo che adegui il consumo di energia. In ultima analisi, questo renderebbe la struttura parte meglio integrata e attiva nell’ambiente circostante.

Come esempio si può pensare a un ponte il cui calcestruzzo possa “sentire” la progressione della posizione dei veicoli o anche a un edificio che “sente” le deformazioni cui è sottoposto nei vari punti della struttura nel corso degli anni segnalando eventuali sovraccarichi, eccessivo degrado o necessità di ulteriore rinforzo in punti specifici. Ancora, nell’ambito del processo costruttivo, un calcestruzzo che può rilevare lo stato di avanzamento dell’idratazione del cemento e in ultima analisi il progredire della maturazione del calcestruzzo sulla base di modifiche microstrutturali effettive (non solo indirettamente sulla base degli effetti termici), di fatto consentirebbe ottimizzazioni nel processo costruttivo e di identificare eventuali ostacoli dovuti ad esempio alle impreviste escursioni termiche o di problemi di esecuzione.

In termini semplificati è altamente desiderabile un calcestruzzo “senziente”, capace di interagire digitalmente con l’ambiente in cui la struttura è collocata.

È utile osservare che la capacità di consentire conduzione elettrica rende il calcestruzzo intrinsecamente interessato da un’attitudine sensoriale. Infatti, la conduzione elettrica si sviluppa principalmente a partire dal sistema poroso di cui il calcestruzzo è costituito. Nella conduzione giocano un ruolo essenziale la presenza di specie conduttive. L’acqua sempre presente contribuisce a una conduzione “di base” collegata alla presenza di sostanze (ioni) disciolte. Inoltre, la presenza come costituenti di specie elettronicamente conduttive (es. fibre metalliche) può introdurre ulteriori connotazioni specifiche alla conduzione elettrica. Inoltre, si ritiene rilevante la caratteristica intrinseca del calcestruzzo di consentire di inglobare dei sensori nell’impasto fresco, garantendo in questo modo un contatto ottimale tra sensore e materiale, aspetto di particolare utilità nelle misure elettriche.

È infine utile osservare che, in particolare nel caso di inclusione di specie con potenzialità di incrementare notevolmente la conducibilità elettrica, quali ad esempio elementi conduttivi elettronicamente finemente dispersi nella matrice cementizia in quantità, è essenziale un accurato controllo del contenuto in relazione all’entità e variabilità prestazione di conducibilità ottenuta per il calcestruzzo, onde evitare fenomeni corrosivi indesiderabili; è infatti noto che i principali meccanismi corrosivi che interessano il rinforzo ferroso nelle strutture di calcestruzzo sono favoriti da elevata conducibilità elettrica. La conoscenza di questo aspetto e la corretta comprensione dei meccanismi su cui si basa il comportamento elettrico è fondamentale per consentire in ultima analisi una maggiore accuratezza nella progettazione delle proprietà elettriche della struttura finale.

Nel proseguio si riportano alcuni esempi di tali sviluppi, sulla base di cui la conoscenza delle strutture potrebbe nel prossimo futuro migliorare radicalmente. Gli studi qui presentati descrivono le risultanze prodotte in esperienze di laboratorio, recentemente pubblicati su prestigiose riviste internazionali di settore, contribuendo a una descrizione del comportamento e potenziale utilizzo di calcestruzzi ad altissime prestazioni finalizzato a mettere le strutture di calcestruzzo in comunicazione attiva con l’esterno. I calcestruzzi trattati (UHPC, UHPFRC) hanno carattere particolarmente innovativo in ragione dell’uso di grafene.

Il primo dei lavori riportati tratta del monitoraggio della conducibilità elettrica in corso di maturazione del calcestruzzo. In questo esempio, sono studiate le proprietà di conduzione elettrica del calcestruzzo in fase di maturazione. Nello studio sono stati utilizzati sensori concentrati inglobati nel calcestruzzo per la misura della conducibilità elettrica. La metodica presentata offre l’opportunità, tramite monitoraggio remoto, di identificare l’occorrenza di passaggi chiave nell’evoluzione microstrutturale, in dipendenza delle specifiche condizioni ambientali a priori ignote, in corrispondenza di cui si manifestano fenomeni di particolare rilevanza per la struttura. Essendo la conducibilità elettrica un indicatore sensibile all’evoluzione del sistema poroso, questa metodica può consentire ad esempio di identificare eventuali criticità nel normale sviluppo delle proprietà del calcestruzzo relative alla durabilità.

Il secondo lavoro riguarda il calcestruzzo “senziente” (detto “self-sensing”), ossia proponendosi una caratterizzazione del tutto innovativa di calcestruzzi ad altissime prestazioni contenenti elementi conduttivi (fibre metalliche e grafene), secondo cui il calcestruzzo è connotato da parametri tipicamente sensoristici (fattore di gauge). Nello studio sono utilizzati elettrodi esterni, utilizzati al fine di effettuare misure di resistività che caratterizzano l’intero volume del provino calcestruzzo in fase di sollecitazione meccanica. Sulla base di tali risultanze, per un certo elemento di calcestruzzo, risulteranno strettamente collegate le variazioni dimensionali con la variazione delle proprietà elettriche, consentendo, allorché siano puntualmente monitorate le seconde, di determinarne le prime. Nello studio è stata contestualmente applicata la metodologia degli ultrasuoni per il monitoraggio dei fenomeni fessurativi.

Il terzo studio ha consentito di approfondire la conoscenza del ruolo del grafene sulla conduzione elettrica del calcestruzzo ad altissime prestazioni, al fine di un più accurato controllo della conducibilità elettrica. È stato evidenziato che l’inclusione di grafene, seppure tale costituente sia intrinsecamente conduttivo, non necessariamente conduce a incrementi della conducibilità del calcestruzzo, ad esempio in relazione ad effetti di agglomerazione particellare o ad altri effetti secondari (es. inglobamento d’aria). Questo induce, come evidenziato anche nella letteratura tecnica e a maggior ragione nella valutazione della produzione industrializzata, un elemento di incertezza su quale sia la prestazione di conducibilità effettivamente attesa in relazione a un certo quantitativo di grafene utilizzato (o anche quale sia il quantitativo necessario, per una certa prestazione). Più specificamente il problema affrontato era relativo all’evidenza che le caratteristiche conduttive del grafene sono strettamente collegate al grado di dispersione degli agglomerati particellari di grafene nella matrice cementizia (aspetto questo non direttamente quantificabile) più che nel la dispersione mezzo d’apporto utilizzato per introdurre tale costituente (es. sospensione acquosa). In altri termini una elevata dispersione del grafene nel mezzo di apporto non necessariamente garantisce un’elevata dispersione anche nella matrice cementizia indurita essendo i quantitativi in gioco relativamente piccoli e la necessaria dispersione richiesta, relativamente alta. Nel lavoro è introdotta una metodologia innovativa, basata su misure di conducibilità elettrica superficiale e modellazione numerica, mirate all’accertamento del livello di dispersione effettiva degli agglomerati di grafene all’interno della matrice cementizia.

Di seguito si riportano maggiori dettagli dei tre studi e i rispettivi riferimenti bibliografici.

Le prove di conducibilità elettrica su UHPC e UHPFRC contenenti grafene sono state utilizzate per monitorare i cambiamenti che avvengono nel calcestruzzo come risultato dell’idratazione del cemento, dalle fasi iniziali nello stato liquido fino allo stato indurito. È stata dimostrata la possibilità, mediante attrezzature idonee a misure in campo, di monitoraggio dell’evoluzione di UHPC/UHPFRC con grafene, consentendo di formulare ipotesi robuste sull’evoluzione corrispondente delle caratteristiche microstrutturali del calcestruzzo.

La presa e l’indurimento del calcestruzzo ad altissime prestazioni (UHPC) e del calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni (UHPFRC) sono stati monitorati mediante misure di conducibilità elettrica in esperimenti di laboratorio, utilizzando un’attrezzatura idonea al monitoraggio remoto in campo. È stato possibile determinare parametri chiave che consentono di identificare le fasi principali dell’idratazione del cemento, ipotizzando un collegamento con due specifici eventi di estrema rilevanza per lo sviluppo delle proprietà meccaniche e di durabilità del calcestruzzo:

1. (a) percolazione della fase solida (primo evento chiave), collegata alla presa del cemento;
2. disconnessione della porosità capillare (secondo evento chiave), collegata al progredire delle reazioni di idratazione, a seguito di cui i fenomeni di trasporto nella matrice cementizia risultano ostacolati.

Tra i due eventi chiave si è registrata una brusca diminuzione della conducibilità elettrica secondo una legge di potenza, attribuita alla progressiva disconnessione della porosità riempita d’acqua; nella fase di indurimento avanzato, la conducibilità elettrica è diminuita seguendo una legge di potenza nel tempo, attribuita al raffinamento della struttura porosa. Durante lo stato fluido, la conducibilità elettrica ha mostrato variazioni lievi, mantenendosi su livelli relativamente elevati. Durante la presa e le prime fasi di indurimento, è stata osservata una transizione netta verso valori di conducibilità molto più bassi. La conducibilità elettrica di UHPC e UHPFRC è diminuita significativamente passando dallo stato fluido al calcestruzzo maturo. Ciò è coerente con quanto atteso in relazione al progredire dell’idratazione del cemento, che porta alla presa e all’indurimento (ossia al ruolo della matrice cementizia), indipendentemente dalla presenza di fibre o grafene. Nella fase di indurimento avanzato si è verificata un’ulteriore riduzione della conducibilità. È stato individuato un picco di temperatura, correlato alla cinetica delle reazioni.

Confrontando UHPC e UHPFRC corrispondenti è stato rilevato l’effetto delle fibre nell’aumentare la conducibilità elettrica nello stato fluido e ai tempi corrispondenti agli eventi chiave individuati. L’effetto dell’inclusione del grafene, sia nel caso dell’UHPC sia dell’UHPFRC, è stato quello di accelerare la transizione da stato fluido a stato solido. Nella fase di indurimento avanzato, fibre e grafene hanno portato a una mitigazione della riduzione nel tempo della conducibilità di base.

Sono state studiate le proprietà self-sensing del calcestruzzo ad alte prestazioni (UHPC) e del calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni (UHPFRC) contenenti grafene (contenuto di grafene ≤ 1% in peso sul cemento). Sono stati stimati i fattori di gauge per UHPC/UHPFRC misurando la resistività elettrica durante prove di carico in compressione.

L’inclusione di grafene ha prodotto effetti differenti sulla conducibilità elettrica e sui fattori di gauge, a seconda della specifica fonte di grafene e della presenza o meno di fibre d’acciaio. Nel caso dell’UHPC, l’aumento del contenuto di grafene ha generalmente comportato una riduzione dei fattori di gauge. Sempre per l’UHPC, la conducibilità ha mostrato un andamento percolativo. Nel caso dell’UHPFRC, l’inclusione di grafene ha consentito un aumento dei fattori di gauge (fino a circa il 50%), per contenuti di grafene prossimi a quelli che permettono la percolazione delle particelle di grafene (il fattore di gauge ha raggiunto il valore massimo alla percolazione del grafene nell’UHPFRC). È stato inoltre effettuato il monitoraggio mediante ultrasuoni con l’obiettivo di studiare il processo di fessurazione. Il metodo a ultrasuoni ha permesso di analizzare l’avanzamento del processo di fessurazione.

Sono stati studiati il ruolo dell’inclusione del grafene nel calcestruzzo ad altissime prestazioni (UHPC) e nel calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni (UHPFRC), nonché il ruolo delle fibre d’acciaio (utilizzate nell’UHPFRC). Le proprietà elettriche superficiali si sono dimostrate uno strumento utile per approfondire le caratteristiche dell’UHPFRC contenente grafene.

A causa dell’inclusione delle fibre, nell’UHPFRC è stato osservato un marcato aumento della conducibilità superficiale rispetto all’UHPC. La conducibilità superficiale è stata stimata essere circa il 20% inferiore rispetto alla conducibilità di volume nell’UHPFRC maturo.

È proposto un metodo per la valutazione del grado di dispersione del grafene nel calcestruzzo basato su misure elettriche superficiali e modellazione numerica sulla base di uno studio che evidenzi soglie percolative di conduzione al variare del contenuto di grafene nella specifica miscela di calcestruzzo in esame.

Nel caso dell’UHPC maturo, è stato osservato un aumento della conducibilità superficiale al crescere del contenuto di grafene. Nel caso dell’UHPFRC, il grafene, nell’intervallo di contenuti investigati (≤ 1% in peso sul cemento), non è risultato influenzare in modo significativo la conducibilità superficiale.

Con l’inclusione del grafene è stata stimata una riduzione del disordine microstrutturale, mentre l’inclusione delle fibre è risultata aumentare il disordine microstrutturale.

Bibliografia

1. Antonio Princigallo, Electrical Monitoring of Setting and Hardening of UHPC/UHPFRC with Graphene, Journal of Advanced Concrete Technology, 2024, Volume 22, Issue 10, Pages 650-663, Released on J-STAGE October 25, 2024, Online ISSN 1347-3913, https://doi.org/10.3151/jact.22.650
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2. Antonio Princigallo, Self-sensing properties of UHPC/UHPFRC including graphene, Journal of Building Engineering, Volume 126, 2026, 116260, ISSN 2352-7102, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2026.116260
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3. Antonio Princigallo, Surface electrical properties of UHPFRC with graphene, Journal of Building Engineering, Volume 98, 2024, 111057, ISSN 2352-7102, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.111057
   (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352710224026251)

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