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.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2026

Author dc:creator

• LAMBIASE, ANNAVIRGINIA

Contributors dc:contributor

• CONTRAFATTO, Loredana Caterina

• Carbon Nanotube
• Smart concrete
• Structural Health Monitoring
• Intrinsic Self-Sensing Concrete
• Micromechanical model
• FEM model
• Nanotubi di carbonio
• Calcestruzzo intelligente
• Monitoraggio dello stato di salute strutturale
• Calcestruzzo auto-diagnosticante
• Modello micromeccanico
• Modello FEM

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/706292

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/706292