Experimental and theoretical investigation of self-sensing CNTs-based cementitious composites [Indagine sperimentale e teorica sui compositi cementizi self-sensing a base di CNTs]
L’incorporazione dei nanotubi di carbonio (CNT) nelle matrici cementizie rappresenta una strategia promettente per lo sviluppo di materiali da costruzione multifunzionali dotati di capacità auto-rilevanti, in grado di consentire un monitoraggio autonomo dello stato di salute strutturale. Tuttavia, nonostante i significativi progressi compiuti in questo ambito, rimangono irrisolte diverse criticità, in particolare riguardo alla riproducibilità dei risultati sperimentali e all’influenza delle procedure di prova sulle proprietà elettriche ed elettromeccaniche misurate, problematiche ulteriormente aggravate dall’assenza di protocolli di test standardizzati. Questa tesi affronta tali questioni attraverso la progettazione, l’indagine sperimentale e la modellazione analitica e numerica di compositi cementizi self-sensing a base di CNTs. È stata condotta un’ampia campagna sperimentale per valutare in modo sistematico gli effetti di differenti tipi di matrice e agenti disperdenti sul comportamento meccanico, elettrico ed elettromeccanico dei compositi rinforzati con CNT. Particolare attenzione è stata dedicata al confronto tra metodologie di prova alternative, al fine di comprendere come le procedure di misura influenzino le risposte registrate – un fattore spesso trascurato ma cruciale per interpretare le discrepanze nei risultati riportati in letteratura e stabilire protocolli di caratterizzazione affidabili. Parallelamente, è stato sviluppato un modello micromeccanico per descrivere il complesso comportamento piezoelettrico dei compositi cementizi a base di CNT. In particolare, il modello tiene conto non solo dei principali meccanismi di conduzione – rete conduttiva e hopping elettronico – ma anche della geometria dei nanotubi e di fattori morfologici quali ondulazione, agglomerazione e segregazione. L’elemento innovativo del modello risiede nell’introduzione di un approccio quantistico per stimare lo spessore della regione di matrice interposta tra i nanotubi, ottenuto incorporando esplicitamente la fisica del tunnelling elettronico. Le previsioni fornite dal modello hanno mostrato un forte accordo con i risultati sperimentali, confermando la solidità dell’impianto teorico e la sua efficacia come strumento a supporto della progettazione e ottimizzazione dei compositi cementizi self-sensing. In maniera complementare, è stato implementato un modello semplificato agli elementi finiti per simulare la risposta elettrica dei sensori a base cementizia durante la fase di polarizzazione. Questo approccio di modellazione consente di valutare la capacità del modello di riprodurre lo stadio in cui il potenziale elettrico si stabilizza e la corrispondente resistenza elettrica raggiunge un valore stazionario. Confrontando i risultati simulati con i dati sperimentali, è possibile valutare criticamente l’accuratezza del modello nel descrivere la risposta transiente. Complessivamente, i risultati di questa ricerca avanzano la conoscenza dei calcestruzzi self-sensing a base di CNT integrando indagini sperimentali sistematiche con modelli analitici e numerici. Oltre a confermare il potenziale multifunzionale di questi materiali compositi, il lavoro fornisce indicazioni metodologiche su come le tecniche di dispersione e i protocolli di prova influenzino le prestazioni osservate. Tali contributi gettano le basi per la progettazione razionale e l’implementazione affidabile di compositi cementizi auto-rilevanti nei sistemi infrastrutturali intelligenti.
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