La resilienza alle alte temperature

 

La comprensione dei processi di danneggiamento del cemento è la chiave per la definizione di nuovi approcci che aumentino la durabilità del cemento e del calcestruzzo.

L’analisi della Resilienza, qui definita come la resistenza alla degradazione delle proprietà meccaniche in casi estremi di incendi, rappresenta un elemento molto interessante nello studio del processo.

In tali condizioni, nella pasta di cemento si verificano trasformazioni fisiche e chimiche, con meccanismi di base non ancora molto conosciuti.

Inoltre, è plausibile che le alte temperature possano influire sul contenuto di cemento idratato in fase acquosa a livello di nanoscala in maniera sufficiente da alterare la microstruttura e ridurre cosi la resistenza a livello di macroscala.

Nello studio per quantificare gli effetti della temperatura elevata sulle proprietà fisiche e meccaniche della fase legante il gruppo di studio è ricorso alla modellazione e simulazione computazionale.

 

Lo studio si concentra sul silicato di calcio idrato (CSH). Nello studio si è ricorsi alle tecniche di Grand Canonical Monte Carlo per considerare come il contenuto di acqua tra le nanoparticelle  di C-S-H varia in funzione della relativa temperatura T/T*, dove, T* è la temperatura di transizione alla quale la fase liquida e la fase gassosa sono in equilibrio per una determinata pressione (ad esempio , T* = 100° C per una massa d'acqua a temperatura e pressione ambiente).

La coesione tra le particelle C-S-H è legata alla resistenza della fase legante. Per descrivere l'effetto del contenuto d'acqua sulla coesione, è stata calcolata la pressione, dovuta al fluido all’interno dei pori ( acqua e ioni calcio ) perpendicolarmente alla superficie delle particelle. La pressione negativa esprime un comportamento coesivo o di attrazione, mentre una pressione positiva esprime un comportamento di repulsione.

Nello studio si è preso in considerazione una situazione per la quale il fluido è confinato tra due particelle CSH aventi un rapporto Ca/Si pari a 1,65 e separate da una distanza di 1 nm, valori che rappresentano una composizione e una distanza interparticellare tipica delle paste di cemento.

 

 

Dai risultati è emerso che il contenuto di acqua all'interno delle particelle diminuiva con l'aumentare della temperatura relativa fino al T/T* = 2 , e le particelle CSH si addensavano all’aumentare concomitante della capacità termica, della rigidità e della durezza.

Si è notato inoltre che la coesione interparticellare (Figura 1) è aumentata fino ad una temperatura relativa di T/T* = 1.1, per poi diminuire a temperature relativa superiori.

Questo fornirebbe una spiegazione razionale alla diminuzione delle prestazioni meccaniche della pasta di cemento e del calcestruzzo alle elevate temperature, e supporta precedenti affermazioni di picco di durezza del CSH ad un valore intermedio di T/T* tra 1 e 2.6 . Mentre gli ioni di calcio modulano la coesione all'interno della pasta di cemento, questi studi atomistica sottolineano l'importanza del ruolo dell'acqua confinata nel modulare la coesione e, quindi , la struttura e le proprietà della pasta di cemento sottoposta ad situazioni termiche estreme.

 

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 MIT CSHub è un gruppo di ricerca del MIT dedicato a migliorare la sostenibilità nella produzione e nell'uso di calcestruzzo.