Materiali cementizi self-sensing per il monitoraggio strutturale: risultati sperimentali su malte con nanotubi di carbonio

Il monitoraggio strutturale delle costruzioni in calcestruzzo è sempre più centrale per garantire sicurezza, durabilità e gestione del patrimonio edilizio. Accanto ai sistemi tradizionali basati su sensori esterni, la ricerca sta esplorando materiali cementizi in grado di “auto-monitorarsi” grazie a proprietà elettriche intrinseche. In questo scenario si collocano i compositi cementizi self-sensing, ottenuti mediante l’aggiunta di additivi conduttivi a scala nanometrica. La relazione presentata ad ANIDIS 2025 da Paolino Cassese (CNR-ITC) approfondisce il ruolo del rapporto acqua/cemento nella risposta piezoresistiva di malte con nanotubi di carbonio, contribuendo a chiarire alcuni aspetti ancora dibattuti in letteratura.

Come funzionano i materiali cementizi "self-sensing"

Il monitoraggio strutturale rappresenta oggi uno strumento fondamentale per la gestione della sicurezza e della durabilità delle opere civili. I sistemi tradizionali si basano sull’impiego di sensori esterni, disponibili in un’ampia varietà di soluzioni commerciali, che tuttavia presentano ancora alcune criticità ben note in letteratura, come problemi di durabilità nel lungo periodo e una compatibilità non sempre ottimale con strutture in calcestruzzo armato. In questo contesto si inserisce la crescente attenzione verso i materiali cementizi “intelligenti” o self-sensing, in grado di integrare direttamente nel materiale strutturale la funzione di misura, eliminando la necessità di sensori aggiuntivi.

I compositi cementizi self-sensing sfruttano l’introduzione, in fase di produzione, di additivi conduttivi a scala micro o nanometrica, capaci di conferire al materiale proprietà piezoresistive. Le variazioni di deformazione indotte dal carico si traducono così in variazioni misurabili della resistenza elettrica. Nonostante l’elevato interesse scientifico e l’intensa attività di ricerca degli ultimi anni, le più recenti revisioni di letteratura evidenziano come permangano diversi aspetti ancora aperti, legati in particolare alla dispersione degli additivi nanostrutturati, alla modalità di alimentazione elettrica e all’influenza dei parametri di mix design sulle prestazioni di self-sensing.

Obiettivi dello studio e scelte sperimentali

Lo studio presentato ad ANIDIS 2025 da Paolino Cassese, ricercatore dell’Istituto ITC del CNR, si inserisce nell’ambito delle attività del progetto PRIN 2022 “SUCCESS” e affronta in modo mirato tre delle principali criticità individuate in letteratura. Il primo aspetto riguarda la dispersione dei nanotubi di carbonio a pareti multiple, che per loro natura idrofoba tendono ad agglomerarsi durante la fase di miscelazione, compromettendo la continuità della rete conduttiva. Il secondo tema è legato alla tipologia di input elettrico: sebbene la maggior parte degli studi utilizzi la corrente continua, essa può introdurre errori di misura dovuti a fenomeni di polarizzazione, mentre la corrente alternata, pur garantendo misure più accurate, comporta una maggiore complessità di gestione e di elaborazione del segnale. Il terzo elemento analizzato è il rapporto acqua/cemento, parametro chiave che influenza simultaneamente la risposta meccanica e quella elettrica del composito, con risultati non sempre univoci nei lavori precedenti.

Alla luce di queste considerazioni, la ricerca ha adottato nanotubi di carbonio a pareti multiple funzionalizzati con gruppi carbossilici, al fine di migliorare la dispersione nella matrice cementizia. L’alimentazione elettrica è stata effettuata in corrente alternata, mentre la variabile sperimentale principale è stata il rapporto acqua/cemento, considerato in due valori rappresentativi: 0,42, corrispondente al rapporto stechiometrico del cemento Portland, e 0,50, valore più elevato potenzialmente favorevole alla dispersione ma penalizzante dal punto di vista della durabilità.

Le malte sono state realizzate con una ricetta semplice e controllata, comprendente cemento, acqua, un additivo per il controllo del ritiro e una percentuale di nanotubi pari allo 0,75% in peso sul cemento. La fabbricazione ha seguito il metodo di first-hand mixing, con sonicazione della soluzione acqua-nanotubi per favorire una distribuzione più uniforme dell’additivo conduttivo. I provini sono stati equipaggiati con elettrodi in rete di rame e con estensimetri tradizionali, in modo da confrontare direttamente la risposta elettrica self-sensing con la misura meccanica convenzionale.

XX Convegno ANIDIS: focus su sicurezza sismica e vulnerabilità del costruito
Ad Assisi si è svolto il XX Convegno ANIDIS, principale appuntamento per la comunità dell’ingegneria sismica. Al centro del dibattito: vulnerabilità del costruito, tecniche di rinforzo, monitoraggio strutturale, nuovi materiali, strategie multi-hazard e politiche di riduzione del rischio. INGENIO segue l’evento con video e interviste ai protagonisti.
LEGGI L'APPROFONDIMENTO

Risposta elettrica e influenza del rapporto acqua/cemento

I provini sono stati sottoposti a carichi ciclici di compressione e la risposta elettrica è stata analizzata attraverso il rapporto FCR, definito come variazione relativa della resistenza elettrica rispetto al valore iniziale. In entrambi i casi si osserva una buona corrispondenza qualitativa tra l’andamento del carico applicato, le deformazioni misurate dagli estensimetri e il segnale elettrico, a conferma della capacità del materiale di seguire le variazioni di sollecitazione.

Tuttavia, il confronto tra i due rapporti acqua/cemento mette in evidenza differenze significative. Il provino con rapporto 0,50 mostra un segnale più rumoroso e frastagliato, con un intervallo di variazione dell’FCR relativamente contenuto ma accompagnato da un drift temporale marcato e di segno opposto rispetto a quello rilevato dagli estensimetri. Al contrario, il provino con rapporto 0,42 presenta curve più regolari e “pulite”, un’ampiezza di variazione dell’FCR maggiore e un drift coerente, per andamento e segno, con la risposta meccanica. Questi risultati suggeriscono che un rapporto acqua/cemento stechiometrico favorisca una rete conduttiva più stabile ed efficace nel tradurre la deformazione in segnale elettrico.

L’analisi della sensibilità, condotta tramite il calcolo del gauge factor mediante regressione lineare, conferma ulteriormente questo trend. Entrambi i provini mostrano una risposta sostanzialmente lineare nel range di carico considerato, ma il materiale con rapporto acqua/cemento pari a 0,42 evidenzia valori di gauge factor più elevati e una dispersione dei dati sensibilmente ridotta, come indicato dai migliori coefficienti di determinazione.

Considerazioni finali e prospettive di ricerca

I risultati presentati indicano che, con la ricetta adottata, è possibile ottenere una risposta di self-sensing pressoché lineare e ripetibile per malte cementizie additivate con nanotubi di carbonio funzionalizzati. Il rapporto acqua/cemento emerge come parametro decisivo nel controllo del rumore, del drift e della sensibilità del segnale elettrico, con prestazioni nettamente migliori associate a un rapporto stechiometrico pari a 0,42.

Si tratta tuttavia di risultati preliminari, che richiedono ulteriori approfondimenti sperimentali per consolidare i trend osservati. Le prospettive future includono l’analisi dell’influenza della concentrazione dei nanotubi, dei livelli di carico applicati e di altre fonti di variabilità tipiche dei materiali cementizi. In questa direzione, la ricerca contribuisce a chiarire alcuni nodi ancora aperti nel campo dei compositi cementizi intelligenti, avvicinando la tecnologia self-sensing a possibili applicazioni concrete nel monitoraggio strutturale delle opere esistenti e di nuova realizzazione.

IN SINTESI
-I materiali cementizi self-sensing consentono il monitoraggio strutturale integrato, eliminando la necessità di sensori esterni e migliorando la compatibilità con il calcestruzzo.
-Lo studio presentato ad ANIDIS 2025 analizza malte cementizie additivate con nanotubi di carbonio funzionalizzati, focalizzandosi su dispersione, alimentazione elettrica e rapporto acqua/cemento.
-L’impiego della corrente alternata permette una lettura più stabile della risposta elettrica, riducendo gli effetti di polarizzazione tipici della corrente continua.
-Il rapporto acqua/cemento influenza in modo significativo la qualità del segnale self-sensing in termini di rumore, drift e sensibilità.
-Un rapporto acqua/cemento stechiometrico (0,42) garantisce prestazioni migliori rispetto a valori più elevati, mostrando una risposta più lineare, stabile e sensibile.