Focus: CALCESTRUZZO

(formazione) Cemento "macro" dotato di nano struttura

Il settore delle costruzioni è stato tra i primi, sin dall’inizio degli anni ’90, ad essere identificato come promettente area applicativa per le nanotecnologie. Ad oggi, tuttavia, le innovazioni prodotte non hanno ancora raggiunto i risultati attesi e si tratta di un comparto tuttora ancora in una fase embrionale di sviluppo, soprattutto dal punto di vista delle applicazioni concrete. 
Gli obiettivi dichiarati dei soggetti impegnati nella ricerca su nanomateriali e nanosistemi riguardano principalmente il passaggio da uno sviluppo dei materiali basato sullo sfruttamento di risorse, ad uno basato sulla conoscenza, in grado di trasformare il settore dell’industria delle costruzioni in un settore ad alto potenziale tecnologico, centrato su innovazione, competitività, rispetto dell’ambiente e sicurezza sociale, attraverso alcuni punti chiave, quali un utilizzo più razionale delle materie prime, la riduzione dei costi nel ciclo di vita dei prodotti, la produzione di nuovi materiali con elevati livelli prestazionali, il miglioramento dell’efficienza e della durabilità dei prodotti.
Questo quadro restituisce uno scenario a breve e medio termine (5-15 anni), in cui l’accresciuta familiarità con i prodotti e i sistemi basati su nanotecnologie, nonché una prova della loro affidabilità a partire dallo sviluppo di progetti pilota, consentirà di ampliare le applicazioni in ambito architettonico. 
Allo stato attuale, le applicazioni più promettenti riguardano i rivestimenti nanostrutturati: vernici, sigillanti, trattamenti superficiali antimacchia e antinquinamento, resistenti all’abrasione e agli agenti aggressivi, fotoreattivi, isolanti, trasparenti e anti UV. Significative innovazioni riguardano anche la capacità di strutturare alla nanoscala i materiali convenzionali – in particolare acciaio, ceramica, calcestruzzo e materiali compositi – sia attraverso l’aggiunta di nanomateriali in fase di produzione, sia semplicemente osservando il comportamento delle nanostrutture responsabili delle proprietà finali dei materiali e modificando le tecnologie produttive in modo da minimizzare le imperfezioni del prodotto finito (cfr. Glossario nanotecnologico).
A fronte di tali promettenti innovazioni, sono tuttavia da segnalare le numerose incertezze in relazione ai potenziali rischi per l’ambiente e per la salute umana connessi con la diffusione di nano particelle nell’atmosfera, tema sul quale la comunità scientifica non è ancora in grado di dare risposta, anche per il sostanziale ritardo con cui sono state avviati filoni di ricerca specifici. I fattori di rischio potrebbero essere anzi aggravati in seguito alla diffusione delle nanotecnologie in settori produttivi di ampio consumo, come appunto quello edilizio, considerata anche la difficoltà di garantire adeguati sistemi di controllo e certificazione dei prodotti. 
Tra le varie tipologie di materiali che è possibile ripensare alla luce dello sviluppo delle nanotecnologie applicate ai materiali da costruzione, i materiali cementizi nanostrutturati costituiscono uno dei settori di ricerca più stimolanti. Nonostante infatti il cemento sia così diffuso, i meccanismi fondamentali che ne regolano il comportamento sono acquisiti in maniera ancora limitata nella comune prassi progettuale e costruttiva. I criteri di progettazione delle strutture in c.a. sono in gran parte desunti dai comportamenti osservati, secondo un approccio tradizionalmente empirico piuttosto che orientato dal punto di vista scientifico. La maggior parte delle reazioni chimiche che regolano le proprietà finali dei materiali cementizi avvengono infatti alla scala nanometrica mentre, paradossalmente, la ricerca si è sempre concentrata al livello macroscopico. 
Essendo il cemento un “macro-materiale” fortemente influenzato dalle “nano-proprietà” espresse dalla sua struttura cristallina, i processi chimici che si innescano sin dal momento della reazione del cemento con l’acqua possono influire sulla micro e nanostruttura del conglomerato e, di conseguenza, sulle prestazioni del materiale. Le nanotecnologie permettono ad esempio di analizzare, modificare e controllare l’idratazione del cemento presente in malte e calcestruzzi, migliorando le prestazioni globali in relazione alla massa, così da ottenere eccellenti proprietà meccaniche e chimico-fisiche con minore quantità di materiale. Inoltre, la struttura di calcio-silicato-idrato (C-S-H) generata dalla reazione tra i diversi componenti chimici in fase di idratazione del cemento – responsabile delle proprietà fisiche e meccaniche (incluso ritiro, creep, porosità, permeabilità ed elasticità) – può essere modificata per ottenere una durabilità più elevata o per realizzare impasti caratterizzati da una migliore lavorabilità nel tempo. Lo studio del comportamento delle particelle che compongono il gel C-S-H, di dimensioni nell’ordine dei 2 nm, rappresenta uno dei principali settori della ricerca nanotecnologica legata ai materiali cementizi, riconoscendo come in queste nanostrutture si trovi una sorta di “codice genetico” del cemento, l’impronta delle caratteristiche nanomeccaniche che si traducono nelle proprietà finali del materiale.
L’applicazione di nanotecnologie per l’osservazione – quali risonanza magnetica nucleare, microscopio elettronico a scansione (SEM) o a trasmissione (TEM), microscopio a forza atomica (AFM) – e il testing dei materiali – nano-indentation e synchrotron radiation – consente di modificare e controllare la struttura del
materiale ottenendo cementi e calcestruzzi nano-ingegnerizzati con prestazioni su richiesta. L’aggiunta di nanomateriali di vario tipo all’impasto cementizio (e la creazione quindi di nanocompositi a base cementizia) permette invece di introdurre proprietà anche inedite, come la capacità di degenerare sostanze
inquinanti o di auto-monitorare il proprio comportamento nel tempo. Rispetto agli additivi tradizionali, l’aggiunta quantità minime di nanoparticelle nell’impasto cementizio consente modificare il comportamento reologico e di incrementare specifiche proprietà del materiale.  

Autore: Mattia Federico Leone
Pubblicato su Modulo 365/2010