Malte di calce sensibili al danneggiamento con nanotubi di carbonio e microfibre di carbonio per il monitoraggio sismico delle murature storiche

La ricerca sulle malte intelligenti rappresenta una delle frontiere più avanzate nell’ambito del monitoraggio strutturale applicato alle murature, in particolare a quelle storiche. L’integrazione di materiali conduttivi all’interno di matrici a base di calce consente di trasformare elementi tradizionali in sensori diffusi, capaci di rilevare deformazioni e danni. Questo approccio apre nuove prospettive per la diagnosi precoce e la prevenzione dei dissesti, soprattutto in contesti sismici. L’obiettivo è coniugare innovazione tecnologica e compatibilità con il costruito esistente. In questo quadro si inserisce lo studio presentato ad ANIDIS 2025.

Monitoraggio edifici in muratura: il sensore non è più un dispositivo esterno, ma parte integrante della materia costruttiva

Nel contesto della ricerca presentata da Antonella D’Alessandro ad ANIDIS 2025, emerge con chiarezza una visione evoluta della muratura, non più concepita come semplice elemento resistente ma come sistema capace di “sentire” e restituire informazioni sul proprio stato tensionale e di danneggiamento. L’idea centrale è quella di sviluppare un elemento murario innovativo – il cosiddetto “mattone intelligente” – in grado di rilevare variazioni di tensione e deformazione attraverso l’effetto piezoresistivo, integrandosi con malte funzionalizzate capaci di intercettare l’insorgenza e la propagazione delle fessure.

Questo approccio si inserisce nel più ampio filone dello Structural Health Monitoring (SHM), ma introduce una discontinuità significativa: il sensore non è più un dispositivo esterno applicato alla struttura, bensì parte integrante della materia costruttiva. I mattoni intelligenti possono essere collocati in posizioni strategiche per monitorare il campo deformativo, mentre le malte conduttive, diffuse su porzioni più estese della muratura, permettono una lettura distribuita del danno. La prospettiva applicativa è ampia e comprende sia le nuove costruzioni sia il patrimonio esistente, inclusi gli edifici storici, dove la compatibilità materica ed estetica diventa un requisito imprescindibile.

La presente relazione è stata presentata ad ANIDIS 2025 (Assisi, 7-11 settembre) e gli autori sono: Antonella D'Alessandro, Israel Nolton Lopes Sousa, Daniel Andres Triana-Camacho e Filippo Ubertini.

Materiali conduttivi e soglia di percolazione: il cuore del comportamento sensibile

Il fulcro tecnologico della ricerca risiede nella modifica controllata delle malte, in particolare a base di calce, mediante l’inserimento di filler conduttivi. La scelta si è orientata su materiali monodimensionali come microfibre di carbonio e nanotubi di carbonio, apprezzati per la loro configurazione lineare e per la capacità di creare reti conduttive all’interno della matrice.

Un aspetto cruciale è rappresentato dalla cosiddetta soglia di percolazione, ovvero la condizione in cui le particelle conduttive formano una rete continua o quasi continua all’interno del materiale. Quando si opera in prossimità di questa soglia, la sensibilità piezoresistiva risulta amplificata: piccole variazioni di deformazione producono significativi cambiamenti nella resistività elettrica. Al contrario, per il monitoraggio del danno e delle fessure è necessario superare la soglia di percolazione, creando una rete conduttiva più stabile e omogenea, capace di registrare le discontinuità indotte dalla formazione e dall’evoluzione delle lesioni.

Questa duplice esigenza implica un attento bilanciamento del contenuto di filler conduttivo. Se da un lato è necessario aumentare la percentuale di additivo per intercettare le fessure, dall’altro occorre preservare le caratteristiche meccaniche ed estetiche della malta, soprattutto in contesti storici. La ricerca ha quindi esplorato diverse soluzioni, includendo anche materiali alternativi come le microfibre di acciaio o il biochar, con l’obiettivo di individuare combinazioni compatibili e performanti.

Un ulteriore elemento di complessità riguarda le modalità di dispersione dei filler. Le microfibre possono essere introdotte come un additivo tradizionale, mentre i nanotubi richiedono processi più sofisticati, come la sonicazione, spesso accompagnata da agenti disperdenti che tuttavia possono ridurre la sensibilità del sistema. Questo aspetto ha un impatto diretto sulla qualità della rete conduttiva e, di conseguenza, sulle prestazioni di monitoraggio.

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Sperimentazione e risultati preliminari: tra potenzialità e criticità

La fase sperimentale è stata condotta su provini standard di malta (4×4×16 cm), sottoposti a prove di flessione a tre punti per indurre e controllare l’apertura delle fessure. La variazione di resistività elettrica è stata misurata mediante il metodo dei quattro elettrodi, una scelta metodologica che consente di minimizzare gli effetti della resistenza di contatto e ottenere dati più affidabili.

I risultati preliminari hanno evidenziato comportamenti significativamente differenti tra microfibre e nanotubi. Le microfibre di carbonio, con un dosaggio dello 0,5%, hanno mostrato una chiara capacità di individuare l’insorgenza della prima fessura, con variazioni evidenti della resistenza elettrica. Questo comportamento si riflette anche nell’andamento dell’indice di danneggiamento, definito attraverso la variazione del modulo elastico durante cicli di carico progressivi: la risposta risulta sensibile e coerente con l’evoluzione del danno, includendo anche effetti interessanti come il “bridging” delle fibre.

Al contrario, i nanotubi di carbonio, utilizzati all’1%, hanno mostrato una risposta molto simile a quella della matrice di base, senza evidenziare una sensibilità significativa né alla formazione delle fessure né al danneggiamento progressivo. Questo risultato, inizialmente inatteso, è stato ricondotto a problematiche legate alla dispersione e alla porosità del materiale, che influenzano negativamente la conducibilità elettrica.

Queste evidenze hanno orientato le successive fasi di ricerca verso due direzioni principali. Da un lato, l’ottimizzazione del materiale, attraverso la modifica della matrice di calce e del mix design, al fine di ridurre la porosità e migliorare la formazione della rete conduttiva. Dall’altro, lo sviluppo di sistemi di misura più adatti alle malte di calce e alle applicazioni in situ, privilegiando soluzioni semplici, economiche e facilmente integrabili nella muratura.

Dalla ricerca al cantiere: prospettive applicative e sfide aperte

Uno degli aspetti più interessanti della ricerca riguarda la sua forte vocazione applicativa. L’obiettivo dichiarato è quello di arrivare alla realizzazione di pannelli murari intelligenti, in cui sensori e materiali strutturali coincidono. In questo scenario, emerge anche il tema dell’integrazione degli elettrodi, fondamentale per la lettura dei segnali elettrici. Tra le soluzioni esplorate vi è la possibilità di integrare gli elettrodi direttamente nei giunti di malta, anche attraverso tecniche di stampa, rendendo il sistema parte integrante del processo costruttivo.

La sfida è quindi duplice: da un lato garantire prestazioni affidabili e ripetibili in condizioni reali, dall’altro sviluppare tecnologie compatibili con le pratiche di cantiere e con i vincoli del patrimonio costruito. In particolare, per gli edifici storici, è essenziale che le soluzioni proposte non alterino l’aspetto né il comportamento meccanico delle murature esistenti.

In definitiva, il lavoro presentato ad ANIDIS 2025 rappresenta un passo significativo verso una nuova generazione di materiali da costruzione, capaci di integrare funzioni strutturali e sensoriali. Se le criticità emerse richiedono ulteriori approfondimenti, i risultati ottenuti indicano chiaramente la direzione: una muratura che non solo resiste, ma comunica il proprio stato di salute, aprendo nuove prospettive per la sicurezza, la manutenzione e la conservazione del costruito.

IN SINTESI
-La ricerca introduce il concetto di muratura “intelligente”, con mattoni e malte capaci di monitorare deformazioni e danni in tempo reale.
-Le malte di calce vengono funzionalizzate con filler conduttivi (microfibre e nanotubi di carbonio) per ottenere proprietà piezoresistive.
-Il comportamento del materiale dipende dalla soglia di percolazione, fondamentale per distinguere tra monitoraggio delle deformazioni e rilevamento delle fessure.
-I test sperimentali mostrano una maggiore efficacia delle microfibre rispetto ai nanotubi nel rilevare l’innesco e la propagazione del danno.
-Le prospettive future riguardano l’ottimizzazione dei mix, lo sviluppo di sistemi di misura integrati e l’applicazione su murature reali, anche storiche.

DI SEGUITO LA RELAZIONE INTEGRALE DI ANTONELLA D'ALESSANDRO.

Il testo è stato elaborato mediante la videoregistrazione dell'intervento con l'aiuto dell'IA.