Quanto ossido di graphene serve davvero in un impasto cementizio? Una ricerca condotta presso l’Università di Melbourne, firmata da Pasadi Devapura, Thusitha Ginigaddara, Kyle Hearn e Priyan Mendis e pubblicata su Construction Materials (doi: 10.3390/constrmater6040045), fornisce una risposta quantitativa: il dosaggio ottimale risulta pari allo 0,035% in peso di cemento, valore al quale la resistenza a compressione raggiunge il massimo e l’idratazione prosegue in modo più sostenuto fino a 28 giorni.
Risonanza magnetica nucleare per seguire l’acqua nel tempo
Il punto critico nell’uso del GO nelle matrici cementizie è la scarsa quantificazione dei meccanismi di idratazione, in particolare il suo ruolo di sito di nucleazione. Lo studio affronta il problema con un approccio non distruttivo basato sulla spettroscopia NMR nel dominio del tempo dell’idrogeno, applicata a paste cementizie addizionate con tre percentuali di GO: 0,035%, 0,065% e 0,08% bwoc.
Il monitoraggio si estende da 4 ore fino a 28 giorni di stagionatura e consente di tracciare separatamente l’evoluzione di quattro fasi acquose distinte: acqua capillare, acqua inter-idrato, acqua nei pori del gel e acqua interstrato. Una disaggregazione di questo tipo, difficile da ottenere con tecniche tradizionali, permette di collegare direttamente la mobilità dell’acqua allo sviluppo dei prodotti di idratazione.
I dati NMR sono stati affiancati da analisi termogravimetriche, da prove di ritenzione d’acqua in condizioni di umidità controllata e da misure di resistenza a compressione, in modo da incrociare evidenze meccaniche e microstrutturali.
Doppio ruolo dell’ossido di grafene: nucleazione e rilascio di acqua
Dai risultati emerge un comportamento in due fasi. Nelle prime ore il GO trattiene acqua libera all’interno della sua struttura stratificata, favorendone la redistribuzione all’interno della pasta. Segue poi un rilascio ritardato ma protratto nel tempo, che alimenta la prosecuzione dell’idratazione e sposta progressivamente l’acqua verso ambienti porosi meno mobili nelle età avanzate di cura.
Sul piano della microstruttura, le analisi TGA confermano una maggiore formazione di prodotti idratanti nei sistemi contenenti GO. Il dosaggio di 0,035% bwoc si distingue per l’idratazione più persistente e per la resistenza a compressione più elevata tra le formulazioni testate.
I limiti dei dosaggi elevati
L’aumento della percentuale di addizione produce un effetto opposto nella fase avanzata della reazione. Con lo 0,065% e lo 0,08% bwoc l’idratazione precoce risulta accelerata, ma a lunga età viene penalizzata: i prodotti idratanti si accumulano attorno alle particelle di GO formando barriere alla diffusione che ne limitano l’ulteriore sviluppo.
Un comportamento che conferma come, nel campo dei compositi cementizi nano-ingegnerizzati, il rapporto tra dosaggio del nanomateriale e beneficio meccanico non sia monotono, e come dosaggi eccessivi possano ribaltare il segno del contributo atteso.
Implicazioni per dosaggio e specifiche
Lo studio fornisce una base meccanicistica per l’ottimizzazione del dosaggio del GO nei compositi cementizi, distinguendo esplicitamente il suo duplice ruolo di agente di nucleazione per l’idratazione e di regolatore del rilascio di acqua. Per il progettista interessato a matrici ad alte prestazioni, i risultati suggeriscono che la definizione della percentuale di addizione andrà fondata sull’intera curva di idratazione e non sul solo comportamento a breve termine, dove i dosaggi più alti mostrano apparenti vantaggi che a 28 giorni non si mantengono.
I dati derivano da paste cementizie in laboratorio monitorate fino a 28 giorni; la ricerca è consultabile integralmente su Construction Materials.
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