La stampa 3D in calcestruzzo rappresenta una rivoluzione nel settore delle costruzioni digitali, ma il successo strutturale e duraturo del pavimento stampato dipende criticamente dalla gestione termica durante la solidificazione stratificata. La segmentazione termica controllata non è solo una variabile operativa, ma un fattore determinante nella prevenzione di fessurazioni da ritiro termico, nella minimizzazione della porosità residua e nel raggiungimento di una porosità interfacciale superiore al 90%, essenziale per prestazioni a lungo termine, soprattutto in contesti esposti a cicli gelo-disgelo come quelli settentrionali italiani.
Questo articolo approfondisce, con un livello esperto di dettaglio, la metodologia avanzata per implementare una segmentazione termica stratificata, integrando caratterizzazione materiale, modellazione FEM, controllo PID in tempo reale con sensori embedded, e validazione empirica tramite micro-CT, illustrando ogni fase con procedure azionabili e basate su casi studio reali in contesti architettonici italiani.
1. Fondamenti della Stampa 3D in Calcestruzzo – Il Ruolo Critico della Segmentazione Termica
a) La variazione termica controllata durante la solidificazione influisce direttamente sulla microstruttura del pavimento stampato: gradienti termici troppo elevati generano tensioni interne, favorendo microfessurazioni e degradazione della coesione tra strati. Il calcestruzzo idraulico, in particolare i cementi idraulici innovativi, sviluppa una rete di idratazione termicamente dipendente; una distribuzione non uniforme del calore provoca differenze locali nella contrazione, compromettendo la tenuta interfacciale. La segmentazione termica stratificata interviene precisamente per mitigare questi gradienti, stabilendo profili di raffreddamento e riscaldamento controllati per strato, riducendo il rischio di stress termici cumulativi.
b) Il coefficiente di dilatazione termica (CTE) del calcestruzzo idraulico varia con la fase di idratazione e la composizione del mix. Valori tipici oscillano tra 9–12 × 10⁻⁶ /°C, con incrementi significativi durante le prime 72 ore post-mescolazione. Questo comportamento anisotropo è fortemente influenzato dalla porosità interfacciale: porosità elevata riduce la conducibilità termica e amplifica le fluttuazioni locali di temperatura, poiché i vuoti agiscono come “cuscini” termici. La segmentazione termica deve quindi considerare non solo la temperatura assoluta, ma anche il profilo spaziale e temporale del flusso termico, evitando variazioni brusche che generano gradienti di tensione superiori a 15 MPa/m.
c) La segmentazione termica è fondamentale per prevenire fessurazioni da ritiro termico, fenomeno critico in pavimenti stampati strato per strato, dove la solidificazione non uniforme induce contrazioni differenziali. Senza controllo, queste fessure possono propagarsi lungo i piani interfaciali, compromettendo la continuità strutturale e l’impermeabilità. Una profilazione stratificata a gradini di 0,5°C per passata garantisce una diminuzione graduale del calore residuo, uniformando la velocità di idratazione e minimizzando le tensioni termiche locali.
2. Metodologia Avanzata: Progettazione e Controllo Termico Stratificato
a) La definizione del profilo termico stratificato richiede una modellazione stratigrafica dettagliata: ogni strato di estrusione deve lasciare un residuo termico controllato, minimizzando il raffreddamento rapido. Si calcola il gradiente termico desiderato per ogni passata in funzione della viscosità del mix (che varia con temperatura e umidità ambientale), utilizzando equazioni di conduzione termica con termine di generazione di calore per idratazione:
\[
\frac{\partial T}{\partial t} = \alpha \nabla^2 T + \frac{q_h}{k}
\]
dove \( \alpha \) è la diffusività termica, \( q_h \) il calore generato per idratazione (W/m³), \( k \) la conducibilità termica (W/m·K), e \( T \) temperatura locale. Il modello FEM (Metodo degli Elementi Finiti) simula questi gradienti in tempo reale, integrando la geometria 3D stampata, la distribuzione spaziale di termoresistenze distribuite (DTRs), e le proprietà termofisiche misurate.
b) Il controllo PID termico in anello chiuso, alimentato dai dati dai DTRs incorporati nel pavimento stampato, regola dinamicamente la temperatura di estrusione. L’algoritmo correge in tempo reale la posizione dell’ugello e la velocità di avanzamento, mantenendo un profilo termico target con precisione sub-0,3°C. Questo sistema previene surriscaldamenti locali o raffreddamenti troppo rapidi, garantendo omogeneità microstrutturale.
c) Il monitoraggio in tempo reale tramite DTRs consente un feedback continuo: i segnali termici vengono analizzati per rilevare deviazioni dal profilo previsto, attivando correzioni automatiche. Questa integrazione riduce il rischio di discontinuità microstrutturali e permette la validazione post-stampa della distribuzione termica effettiva.
3. Fase 1: Caratterizzazione Termo-Fisica del Calcestruzzo Innovativo
a) Per determinare il CTE anisotropo del calcestruzzo a base di cementi idraulici avanzati, si eseguono test su cubi standardizzati (EN 196-1) in cui si misura la deformazione termica lungo tre assi ortogonali con termocoppie distribuite a 5 mm di intervallo. La procedura prevede:
– Esposizione dei cubi a cicli controllati di temperatura (−10°C a +40°C) per 72 ore.
– Registrazione continua della deformazione con estensimetri a filamento resistivo.
– Calcolo del CTE anisotropo come tensore:
\[
CTE_{x,y,z} = \frac{\Delta \varepsilon}{L \cdot \Delta T}
\]
con errore massimo inferiore al 3%.
Il valore tipico misurato oscilla tra 8,2 e 10,8 × 10⁻⁶ /°C, a seconda della miscela.
b) La conducibilità termica \( k \) viene misurata in funzione della fase di idratazione (0, 24, 72 ore post-mescolazione) tramite tecnica transitoria (TPS – Transient Plane Source), ottenendo valori che variano da 1,1 a 1,6 W/m·K. Questi dati sono cruciali per il calcolo del profilo termico, poiché influenzano la dissipazione del calore generato durante idratazione.
c) Esiste una relazione empirica chiave tra porosità totale e diffusività termica \( D_t \):
\[
D_t = \frac{k}{\rho c_p}
\quad \text{con} \quad
\rho = 2400\,\text{kg/m}^3,\quad c_p = 1,7\,\text{kJ/kg·K}
\]
Questa equazione consente di calcolare la diffusività termica a partire da misure sperimentali di \( k \) e densità, permettendo di definire il profilo di raffreddamento ottimale per minimizzare la porosità residua e massimizzare la densità del prodotto stampato.
4. Fase 2: Progettazione del Profilo Termico Stratificato
a) **Metodo A: Segmentazione Termica a Gradini (Step-Thermal Layers)**
Ogni passata di estrusione è associata a un incremento termico controllato di ΔT = 0,5°C, riducendo il gradiente interfacciale e promuovendo una solidificazione più uniforme. Questo approccio limita il rischio di shock termico, particolarmente efficace in miscele ad alta viscosità o in ambienti freddi.
*Esempio pratico:* per un estrusore a 0,3 mm di passo, il profilo termico si stabilisce come:
\[
T_{strato}_{i} = T_{\text{amb}} + \sum_{j=1}^{i} 0,5^\circ\text{C} \quad \text{per } i=1..n
\]
La temperatura ambiente è ambiente controllato (20±2°C).
b) **Metodo B: Gradiente Termico Continuo (Linear Interpolation)**
Utilizza un modello predittivo basato su equazioni differenziali per interpolare linearmente il raffreddamento tra strati consecutivi, calcolando un profilo termico “a gradiente morbido” che simula il raffreddamento naturale ma con controllo attivo. Questo metodo riduce le discontinuità termiche, favorendo una transizione più graduale tra gli strati, minimizzando la formazione di microfessure.