Synthesis and characterization of artificial aggregates and their potential applications in road construction

L’obiettivo del progetto è stato quello di realizzare ed analizzare aggregati artificiali creati attraverso geopolimerizzazione e macro-incapsulazione di paraffina in aggregati leggeri espansi, discutendo i loro possibili impieghi nelle pavimentazioni stradali. Dopo un'accurata calibrazione delle miscele geopolimeriche, sono stati realizzati degli aggregati artificiali, in seguito caratterizzati in accordo con la norma UNI EN 10343, con l'intento di sostituire materiali stradali vergini. Contemporaneamente, sono stati prodotti aggregati leggeri impregnati di paraffina (PCM), in grado di cambiare fase una volta raggiunti all'incirca i 3 °C, e successivamente rivestiti da due strati di resina poliestere e polvere di granito, denominati PLA: sfruttandone le proprietà termiche, si è valutato il loro possibile utilizzo come soluzione anti-icing. L’ultima fase della ricerca è stata incentrata nella realizzazione di aggregati geopolimerici espansi e molto porosi che potessero contenere una elevata quantità di PCM, sostituendo l'argilla espansa utilizzata nella produzione degli PLA.

Comportamento fuori piano di pareti in muratura rinforzate con FRCM

Nella presente Tesi è affrontata l’analisi sperimentale e teorica del comportamento di pareti in muratura rinforzate con FRCM e sollecitate da azioni di taglio fuori piano. Lo schema statico adottato per i campioni sperimentati consiste in uno schema appoggio-appoggio, mentre le forze esterne di taglio sono state applicate secondo uno schema di carico a quattro punti. Durante il corso della prova, i pannelli murari sono inoltre stati soggetti ad un carico di precompressione verticale costante, che simula l’effetto della presenza del solaio in un edificio in muratura. Dopo una descrizione teorica delle principali caratteristiche dei materiali compositi e dei loro costituenti, all’interno della Tesi sono richiamati alcuni studi scientifici relativi al comportamento fuori piano di elementi strutturali rinforzati con FRCM. In seguito vengono presentati i materiali impiegati per la campagna sperimentale e le prove di caratterizzazione meccanica eseguite. Vengono poi riportati i risultati sperimentali delle prove a taglio fuori piano in termini di spostamenti, di deformazioni e di scorrimenti, affrontando infine un confronto tra i risultati ottenuti per i campioni esaminati e riportando alcune considerazioni circa la strumentazione impiegata. L’ultima parte della Tesi è dedicata all’analisi teorica delle pareti. Viene proposto un modello teorico per stimare la resistenza fornita dai muri rinforzati, ipotizzando tre possibili modalità di rottura: rottura a trazione della fibra, rottura per distacco tra FRCM e supporto in muratura e rottura per delaminazione interna. Infine, viene riportata la modellazione agli elementi finiti svolta mediante il codice di calcolo MidasFea, che consente di attribuire ai materiali legami costitutivi adeguati per la modellazione di strutture in muratura, cogliendone il comportamento non lineare e il progressivo danneggiamento.

Strength development of single beech wood veneers considering different climate conditions

La tesi di laurea è stata svolta presso l’Università di Scienze Applicate di Rosenheim, in Germania; il progetto di ricerca si basa sulla tecnica di rinforzo conosciuta come “Soil Nailing”, che consiste nella costruzione di un’opera di sostegno nella realizzazione di pareti di scavo o nel consolidamento di versanti instabili. L’obiettivo principale dell’elaborato sarà quello di valutare la fattibilità dell’impiego di tubi fabbricati con legno di faggio, in sostituzione dei chiodi d’acciaio comunemente utilizzati; la scelta di questo tipo di legno è dettata dalla larga disponibilità presente in Germania. La sollecitazione principale su tali tubi sarà di trazione parallela alla fibratura, tramite test sperimentali è stato possibile valutare tale resistenza nelle diverse condizioni in cui si verrà a trovare il tubo dopo l’installazione nel terreno. A tal proposito è necessario specificare che, l’indagine per risalire all’influenza che le condizioni ambientali esercitano sull’elemento, verrà condotta su provini costituiti da un singolo strato di legno; in tal modo si può apprezzare l’influenza direttamente sull’elemento base e poi risalire al comportamento globale. I dati ottenuti dall’indagine sperimentale sono stati elaborati tramite la teoria di Weibull, largamente utilizzata in tecnologia dei materiali per quanto riguarda materiali fragili come il legno; tali distribuzioni hanno permesso la determinazione della resistenza caratteristica dei provini per ogni condizione ambientale d’interesse. Per quanto riguarda la valutazione della fattibilità dell’uso di tubi in legno in questa tecnica di consolidamento, è stato eseguito il dimensionamento del tubo, utilizzando i dati a disposizione ottenuti dall’indagine sperimentale eseguita; ed infine sono state eseguite le verifiche di stabilità dell’intervento.

Processi di trasporto conservativo in acque sotterranee ed interpretazione di esperimenti a scala di laboratorio

Preservare la qualita delle acque sotterranee e di primaria importanza nel contesto della gestione delle risorse idriche. Al fine di interpretare in modo corretto i processi di trasporto di contaminanti all'interno di mezzi porosi saturi, e utile analizzare esperimenti a scala di laboratorio, in cui le condizioni al contorno e iniziali sono sufficientemente controllate. In questo lavoro, si e interpretato un esperimento di trasporto conservativo presente in letteratura, al fine di valutare l'accuratezza di un modello advettivo-dispersivo e di individuare tecniche appropriate per la stima dei parametri chiave del modello stesso.

Studio sperimentale sulla rottura a fatica in regime fessurato di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche

Nello studio sperimentale oggetto della tesi è stato indagato il comportamento a fatica policiclica, in regime fessurato, di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche. Per tale tipologia di prova non esiste una procedura standardizzata; occorre anche osservare come in letteratura le testimonianze di prove policicliche su FRC siano piuttosto limitate soprattutto in riferimento a calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche in regime fessurato. A tale scopo è stata messa a punto una procedura di prova a flessione su tre punti finalizzata a valutare il comportamento a fatica del materiale. Sono stati testati calcestruzzi con lo stesso dosaggio e con la stessa tipologia di fibre sottoposti a carichi ciclici con diversi ampiezza e stress level. La sperimentazione ha riguardato anche prove di flessione su tre punti di tipo monotono condotte sul medesimo materiale e su calcestruzzi non fibrorinforzati. I dati sperimentali ottenuti dalle prove monotone sono stati impiegati come input per una procedura di analisi inversa finalizzata alla definizione della relazione tensione-apertura di fessura per i materiali testati.

Characterization of moisture susceptibility of asphaltic bitumen

La ricerca riguarda lo studio delle modifiche indotte dalla diffusione di acqua e umidità nelle pavimentazioni stradali con riferimento ai materiali bituminosi. Lo scopo è stato quello di analizzare le implicazioni che si sviluppano a livello chimico e reologico in vari bitumi. In questo progetto oltre alla fase sperimentale, è stato utilizzato un software per la simulazione agli elementi finiti. Per quanto concerne la fase di laboratorio, è stato sviluppato un nuovo protocollo di condizionamento. Tre diversi bitumi sono stati soggetti alla diffusione di acqua in forma liquida o vapore, a determinate condizioni ambientali e per svariati intervalli temporali. Grazie a l’utilizzo di due camere climatiche il condizionamento è stato realizzato in modo uniforme a precisi valori temperatura e umidità mantenuti stabili. I materiali analizzati: un bitume soft, uno hard, ed infine uno modificato con l’aggiunta di polimeri. Il dispositivo FTIR-ATR è stato utilizzato per la caratterizzazione chimica, mentre il comportamento reologico è stato analizzato tramite test eseguiti con il DSR. Le avanzate tecnologie presenti nel laboratorio della TU Delft hanno consentito di ottenere notevoli risultati. L’analisi è stata condotta con l’obiettivo di evidenziare i diversi cambiamenti indotti dalla diffusione di acqua liquida o vapore e per analizzare l’influenza della temperatura, del tipo del bitume e dell’incremento del tempo di condizionamento. Una analisi analoga è stata condotta parallelamente, con lo scopo di investigare la correlazione tra il processo di invecchiamento e la diffusione di umidità. Infine, la simulazione agli elementi finiti è stata sviluppata tramite il software CAPA-3D per analizzare il comportamento del bitume in periodi più estesi di diffusione di umidità. Inoltre, il comportamento dei bitumi è stato studiato anche in presenza di particelle di riempitivo. Particelle granitiche e calcaree sono state aggiunte ai bitumi in differenti percentuali.

Metodi per la stima spaziale della temperatura in territori ad orografia complessa e parametrizzazione di un modello idrologico semi-distribuito su alcuni bacini appenninici

I bacini idrografici appenninici romagnoli rappresentano una fonte idropotabile di essenziale importanza per la Romagna, grazie alla regolazione stagionale svolta dall’invaso artificiale di Ridracoli. Nel presente elaborato si è implementato un modello per lo studio e la valutazione del regime idrologico dei bacini idrografici allacciati all’invaso, affrontando sia gli aspetti relativi alla miglior spazializzazione dei dati metereologici in ingresso al modello (in particolare in relazione alla stima della temperatura, fondamentale per la rappresentazione dei processi di evapotraspirazione e dei fenomeni di accumulo e scioglimento nevoso), sia gli aspetti di calibrazione dei parametri, confrontando le simulazioni ottenute a partire da diverse configurazioni del modello in termini di rappresentazione spaziale e temporale dei fenomeni. Inoltre si è eseguita una regionalizzazione del modello su due sezioni fluviali che sono al momento oggetto di indagini idrologiche, fornendo supporto alla valutazione della possibilità di realizzazione di una nuova opera di presa. A partire dai dati puntuali dei sensori termometrici disponibili si è ricercata la migliore tecnica di interpolazione della temperatura sull’area di studio, ottenendo una discreta precisione, con un errore in procedura di ricampionamento jack-knife raramente superiore al grado centigrado. La calibrazione del modello TUWien in approccio semi-distribuito, sia quando applicato a scala oraria sia quando applicato a scala giornaliera, ha portato a buoni risultati. La complessità del modello, dovuta in gran parte alla presenza di uno specifico modulo per la gestione di accumulo e scioglimento nivale, è stata ripagata dalle buone prestazioni delle simulazioni ottenute, sia sul periodo di calibrazione sia su quello di validazione. Tuttavia si è osservato che l’approccio semi-distribuito non ha portato benefici sostanziali rispetto a quello concentrato, soprattutto in relazione al forte aumento di costo computazionale.

Studio teorico e numerico delle tecniche di sopraelevazione di edifici esistenti con strutture in legno tipo xlam

In questo elaborato si affronta lo studio della tecnica di sopraelevazione di edifici esistenti in muratura con strutture in legno di tipo XLAM. Le sopraelevazioni, sebbene non siano una tipologia di intervento ancora così diffusa in Italia, offrono numerosi vantaggi e, in tale contesto, le caratteristiche del legno si prestano perfettamente a rendere vantaggioso e pratico questo sistema costruttivo. Partendo dall’analisi delle diverse caratteristiche e proprietà meccaniche che contraddistinguono la muratura e il legno, viene trattata l’interazione tra i due materiali all’interno della medesima struttura, concentrandosi sulla corretta progettazione degli elementi di collegamento. Vengono creati una serie di modelli agli elementi finiti per riprodurre il comportamento di un edificio esistente in muratura allo stato di fatto e a seguito degli interventi di sopraelevazione, analizzando le sollecitazioni che la parte di struttura sopraelevata genera sulla sottostruttura. Lo studio prevede la variazione dell’input sismico, prendendo in considerazione diversi valori di accelerazione di picco (da 0,35g a 0,05g). Particolare attenzione viene riservata per i collegamenti metallici tra sopraelevazione lignea e sottostruttura in muratura. Si propongono due diverse tecniche di sopraelevazione in XLAM: a parete unica e a pareti separate.

Transistor elettrochimici organici per biosensoristica

I transistor elettrochimici a base organica (OECT) hanno attratto sempre maggior interesse e sono oggetto di molti studi dagli anni '70 no ai nostri giorni. Questo lavoro di tesi ha come oggetto la realizzazione e la caratterizzazione di OECT a base di poli(3,4-etilen-diossi-tiofene) complessato con l'acido stirensolfonico (PSS). Questi dispositivi sono stati costruiti utilizzando solamente semiconduttori organici come materiali conduttivi ovvero senza l'uso di metalli, quindi risultano essere biocompatibili, economici e di semplice realizzazione. Questo tipo di sensori presenta un elevata sensibilità agli analiti e necessita di un'elettronica di controllo molto più semplice rispetto a metodi elettrochimici tradizionali che utilizzano un potenziostato ed un elettrodo di riferimento. Sono state studiate diverse geometrie e spessori di polimero depositato per ottimizzare le condizioni di lavoro per avere alta sensibilità e guadagno in corrente attraverso l'uso di misure di corrente di drain in funzione del tempo con aggiunte successive di analita. Questi dispositivi sono stati utilizzati come sensori di analiti quali la dopamina, l'acido ascorbico e l'acido urico. Attraverso scansioni in transcaratteristica, si è studiata la risposta dei transistor relativa agli analiti ed attraverso lo studio della transconduttanza si è ottenuta una nuova metodologia di lavoro in grado di separare i contributi relativi ai vari composti. Inoltre, in questa modalità, è stato possibile ottenere una selettività dei sensori ai vari analiti, problema principale dell'utilizzo di transistor elettrochimici, ed attraverso la modulazione della velocità di scansione dello strumento, è stata ottenuta una risposta alla sola dopamina, analita di maggior interesse per applicazioni biosensoristiche. In conclusione si può affermare che questo tipo di dispositivo possiede ottime proprietà e caratteristiche per ulteriori studi e sviluppi in applicazioni reali.

Caratterizzazione flessionale del rinforzo di pavimentazioni bituminose con interstrati sintetici

Uno degli aspetti fondamentali della circolazione stradale è rappresentato dalla conservazione della qualità, in termini di comfort e sicurezza trasmessa all’utente, della sovrastruttura stradale. L’obiettivo della manutenzione stradale è di garantire un livello soddisfacente delle caratteristiche funzionali lungo tutto l’arco della vita utile dell’infrastruttura. Le ridotte disponibilità economiche di enti ed amministrazioni pubbliche, spingono i ricercatori ed i tecnici del settore ad individuare soluzioni tecniche e progettuali, in grado di coniugare economicità e durabilità degli interventi. Negli ultimi decenni, si è cercato di studiare l’effetto prodotto dall’eventuale inserimento di un interstrato di rinforzo all’interno della sovrastruttura. Lo studio, sviluppato e descritto nel presente documento, ha l’obiettivo di migliorare la comprensione dell’effettivo contributo che i materiali di rinforzo possono produrre all’interno degli strati legati di una pavimentazione flessibile. Gli obiettivi dell’indagine sperimentale, descritta nel presente documento, possono essere sintetizzati in tre punti fondamentali: - caratterizzazione flessionale di pavimentazioni bituminose con interstrati sintetici, in particolare lo scopo dell’indagine verte a quantificare il miglioramento del comportamento meccanico della pavimentazione dotata di rinforzo; - analisi del comportamento a fessurazione della pavimentazione, rinforzata e non, con particolare attenzione nei confronti del reflective cracking; - valutazione del collegamento tra i due strati bituminosi in presenza di interstrato sintetico. Per raggiungere tali obiettivi sono state eseguite due serie di prove di flessione su 3 punti (3PB) e prove di taglio Leutner.

Fabrication of high-k dielectric thin films for spintronics

Lo scopo di questa tesi è la fabbricazione di ossidi complessi aventi struttura perovskitica, per mezzo della tecnica Channel Spark Ablation (CSA). Più precisamente sono stati depositati film sottili di manganite (LSMO), SrTiO3 (STO) e NdGaO3 (NGO). Inoltre nel laboratorio ospite è stata effettuata la caratterizzazione elettrica e dielettrica (spettroscopia di impedenza), mentre per l'analisi strutturale e chimica ci si è avvalsi di collaborazioni. Sono stati fabbricati dispositivi LSMO/STO/Co e se ne è studiato il comportamento magnetoresistivo e la bistabilità elettrica a seconda del carattere epitassiale od amorfo dell'STO. I risultati più promettenti sono stati ottenuti con STO amorfo. Sono stati costruiti diversi set di condensatori nella configurazione Metallo/Isolante/Semiconduttore (MIS), con M=Au, I=STO o NGO ed S=Nb:STO, allo scopo di indagare la dipendenza delle proprietà dielettriche ed isolanti dai parametri di crescita. In particolare ci si è concentrati sulla temperatura di deposizione e, nel caso dei film di STO, anche sulla dipendenza della costante dielettrica dallo spessore del film. Come ci si aspettava, la costante dielettrica relativa dei film di STO (65 per un film spesso 40 nm e 175 per uno di 170 nm) si è rivelata maggiore di quella dei film di NGO per i quali abbiamo ottenuto un valore di 20, che coincide con il valore del bulk. Nonostante l'elevata capacità per unità di area ottenibile con l'STO, la costante dielettrica di questo materiale risulta fortemente dipendente dallo spessore del film. Un ulteriore aspetto critico relativo all'STO è dato dal livello di ossidazione del film: le vacanze di ossigeno, infatti, possono ridurre la resistività dell'STO (nominalmente molto elevata), ed aumentarne la corrente di perdita. Al contrario l'NGO è meno sensibile ai processi tecnologici e, allo stesso tempo, ha un valore di costante dielettrica più alto rispetto ad un tipico dielettrico come l'ossido di silicio.

Studio di conglomerati bituminosi drenanti contenenti polverino di gomma da Pneumatici Fuori Uso (PFU)

Gli odierni sviluppi delle reti stradali nel territorio italiano e l’aumento della propensione all’utilizzo del veicolo hanno portato ad una continua ricerca nello stesso ambito volta sì a mantenere alti i livelli prestazionali e di sicurezza sulla rete stradale ma anche ad aprirsi ad uno scenario ecosostenibile, dato il continuo scarseggiare di materie prime per proseguire con le usuali tecniche di produzione. In tutti i campi riguardanti l’ambito delle costruzioni civili, che siano esse strutturali o infrastrutturali, numerose sono state le tecnologie introdotte per la realizzazione di materiali sostenibili ma anche e soprattutto il recupero di materiale di scarto, andando così incontro oltre che a una costruzione sostenibile anche ad un recupero di ciò che sarebbe destinato a discariche, ufficiali o abusive che siano. Nell’ottica dell’introduzione di “nuovi” materiali una posizione di rispetto interessa gli Pneumatici Fuori Uso (PFU) il cui recupero sotto forma di granulato e di polverino in gomma costituiscono, nell’ambito delle pavimentazioni stradali, una notevole opportunità di riutilizzo all’interno dei conglomerati bituminosi. Il presente lavoro sperimentale è stato svolto nell’ottica di analizzare dapprima le caratteristiche delle pavimentazioni drenanti, del polverino di gomma da PFU e dell’interazione tra i due, a supporto delle sperimentazioni effettuate sulle miscele realizzate in laboratorio. In particolare, sfruttando la tecnologia dry, che permette l’inserimento del polverino nella fase di miscelazione degli aggregati, dopo un’attenta analisi preliminare della composizione delle miscele da realizzare e il successivo confezionamento dei provini e loro addensamento, si è proceduto all’esecuzione di diverse prove al termine delle quali sono state analizzate le differenze meccaniche e reologiche tra miscele ottenute con aggiunta di polverino e miscele prive di PFU.

Morphological characterization of ZnS thin films for photovoltaic applications

Le celle solari a film sottile sono tra le alternative più promettenti nel campo fotovoltaico. La ricerca di materiali non tossici ed economici per la passivazione delle superfici è di fondamentale importanza. Il presente è uno studio sulla morfologia di film sottili di ZnS. I campioni analizzati sono stati cresciuti tramite DC sputtering a diversa potenza (range 50-150W) per studiare le connessioni tra condizioni di deposizione e proprietà strutturali. Lo studio è stato condotto mediante acquisizione di mappe AFM. E' stata effettuata un'analisi dei buchi (dips) in funzione della potenza di sputtering, per individuare il campione con la minore densità di dips in vista di applicazioni in celle solari a film sottile. I parametri strutturali, quali la rugosità superficiale e la lunghezza di correlazione laterale sono stati determinati con un'analisi statistica delle immagini. La densità e dimensione media dei grani sono state ricavate da una segmentazione delle immagini. Le analisi sono state svolte su due campioni di ZnO per fini comparativi. Tramite EFM sono state ottenute mappe di potenziale di contatto. Tramite KPFM si è valutata la differenza di potenziale tra ZnS e un layer di Al depositato sulla superficie. La sheet resistance è stata misurata con metodo a quattro punte. Dai risultati la potenza di sputtering influenza la struttura superficiale, ma in maniera non lineare. E' stato individuato il campione con la minore rugosità e densità di dips alla potenza di 75 W. Si è concluso che potenze troppo grandi o piccole in fase di deposizione promuovono il fenomeno di clustering dei grani e di aumentano la rugosità e densità di dips. E' emersa una corrispondenza diretta tra morfologia e potenziale di contatto alla superficie. La differenza di potenziale tra Al e ZnS è risultata inferiore al valore noto, ciò può essere dovuto a stati superficiali indotti da ossidi. Il campione risulta totalmente isolante.

Electronic properties of Van der Waals heterostructures

L’interazione spin-orbita (SOI) nel grafene è attualmente oggetto di intensa ricerca grazie alla recente scoperta di una nuova classe di materiali chiamati isolanti topologici. Questi materiali, la cui esistenza è strettamente legata alla presenza di una forte SOI, sono caratterizzati dall’interessante proprietà di avere un bulk isolante ed allo stesso tempo superfici conduttrici. La scoperta teorica degli isolanti topologici la si deve ad un lavoro nato con l’intento di studiare l’influenza dell’interazione spin-orbita sulle proprietà del grafene. Poichè questa interazione nel grafene è però intrinsecamente troppo piccola, non è mai stato possibile effettuare verifiche sperimentali. Per questa ragione, vari lavori di ricerca hanno recentemente proposto tecniche volte ad aumentare questa interazione. Sebbene alcuni di questi studi abbiano mostrato un effettivo aumento dell’interazione spin-orbita rispetto al piccolo valore intrinseco, sfortunatamente hanno anche evidenziato una consistente riduzione della qualità del grafene. L’obbiettivo che ci si pone in questa tesi è di determinare se sia possibile aumentare l’interazione spin-orbita nel grafene preservandone allo stesso tempo le qualità. La soluzione proposta in questo lavoro si basa sull’utilizzo di due materiali semiconduttori, diselenio di tungsteno WSe2 e solfuro di molibdeno MoS2, utilizzati da substrato su cui sopra verrà posizionato il grafene formando così un’eterostruttura -nota anche di “van der Waal” (vdW)-. Il motivo di questa scelta è dovuto al fatto che questi materiali, appartenenti alla famiglia dei metalli di transizione dicalcogenuri (TMDS), mostrano una struttura reticolare simile a quella del grafene, rendendoli ideali per formare eterostrutture e ancora più importante, presentano una SOI estremamente grande. Sostanzialmente l’idea è quindi di sfruttare questa grande interazione spin-orbita del substrato per indurla nel grafene aumentandone così il suo piccolo valore intrinseco.

Stochastic dynamics on infinite and finite transport capacity networks: an operatorial approach

Nella tesi viene studiata la dinamica stocastica di particelle non interagenti su network con capacita di trasporto finita. L'argomento viene affrontato introducendo un formalismo operatoriale per il sistema. Dopo averne verificato la consistenza su modelli risolvibili analiticamente, tale formalismo viene impiegato per dimostrare l'emergere di una forza entropica agente sulle particelle, dovuta alle limitazioni dinamiche del network. Inoltre viene proposta una spiegazione qualitativa dell'effetto di attrazione reciproca tra nodi vuoti nel caso di processi sincroni.