Caratterizzazione meccanica delle barre d’armatura Dual-Phase

Per limitare i problemi di durabilità e gli effetti della corrosione, sono state sviluppate nuove tipologie di acciai d’armatura con microstruttura Dual-Phase, analizzandone la fattibilità da un punto di vista produttivo e caratterizzandone in maniera approfondita il comportamento meccanico.

Nel presente articolo sono mostrati i risultati di prove sperimentali eseguite su barre DP sotto carichi monotoni e ciclici, in condizioni di riferimento e in presenza di corrosione, riprodotta artificialmente in laboratorio. I risultati sono presentati in maniera comparativa rispetto al TempCore®, evidenziando la migliore durabilità del DP in presenza di ambienti aggressivi.

In presenza di fenomeni di corrosione le barre d'armatura mostrano significativi decadimenti

Le strutture di calcestruzzo armato sono frequentemente soggette a fenomeni di degrado dovuti all’esposizione ad ambienti aggressivi, il cui effetto si riscontra sia sul calcestruzzo sia sulle barre d’armatura. In presenza di fenomeni di corrosione – nel caso carbonatazione e/o in presenza di cloruri – le barre d’armatura mostrano significativi decadimenti delle caratteristiche meccaniche, soprattutto in termini di capacità di deformazione.

Recenti studi di letteratura (Apostolopoulos 2006; Apostolopoulos & Papadakis 2008; Caprili & Salvatore 2015; Imperatore et al. 2017; Caprili et al. 2015) hanno evidenziato decrementi della duttilità delle barre d’armatura (valutata prevalentemente attraverso il parametro Agt –deformazione a carico massimo) fino al 50% rispetto ai valori originari di progetto, i cui minimi sono imposti in accordo con le attuali normative tecniche per le costruzioni, nazionali ed internazionali (D.M.17/01/2018; EN1998-1:2005).

Il soddisfacimento dei requisiti minimi di deformazione è necessario ai fini della progettazione sismica delle costruzioni moderne, che segue il ben noto approccio della progettazione in capacità. Al fine di garantire buone prestazioni strutturali in presenza di azioni sismiche, il progettista impone il raggiungimento di un meccanismo di collasso globale da parte dell’edificio (funzione, ovviamente, della sua tipologia strutturale) attraverso una serie di regole di progetto e di dettaglio che garantiscono la massima dissipazione dell’energia immagazzinata durante il sisma.

La dissipazione avviene attraverso la deformazione, oltre il limite elastico, di determinate zone note come ‘cerniere plastiche’ che, nel caso di strutture di c.a. a telaio (MRF) coincidono con le estremità delle travi e, in ultimo, con la base delle colonne del piano terra. I meccanismi fragili sono altresì protetti attraverso la determinazione delle azioni di progetto tenendo conto dello sviluppo del comportamento dut- tile globale della costruzione.

Tutti questi principi risultano soddisfatti purché si adottino accortezze specifiche sia per quanto riguarda i dettagli costruttivi degli elementi strutturali (i.e. numero, diametro e disposizione delle armature longitudinali e trasversali, lunghezza delle zone dissipative, ecc.) sia per quanto riguarda i materiali.

Ad esempio, a seconda della classe di duttilità adottata in fase di progettazione, è consentito l’impiego di barre d’armatura aventi maggiore o minore duttilità, in termini di Agt e rapporto di incrudimento Rm/Re.

Ad oggi, i requisiti minimi imposti dal D.M.17/01/2018 a livello nazionale e dall’Eurocodice 8 (EN1998-1:2005) a livello internazionale, sono soddisfatti solitamente con l’impiego di armature tipo TempCore^®.

Il processo TempCore^®, diffusosi a partire dagli anni ’70, grazie alle due fasi successive di tempra e auto-rinvenimento consente di raggiungere buone caratteristiche di resistenza e duttilità (compatibili con quanto previsto dalle norme) e buona saldabilità, a fronte di costi di produzione relativamente contenuti che le rendono pertanto più impiegate degli acciai micro-legati. Recenti studi di letteratura (Caprili & Salvatore, 2015; Caprili et al. 2015; ecc.) hanno altresì dimostrato le problematiche del TempCore^® in presenza di fenomeni di corrosione, con valori residui della capacità di deformazione talvolta inferiori a quanto richiesto dalle norme di progetto.

Ovviamente, tale decremento deve essere valutato tenendo presente l’entità medesima della corrosione e i tempi richiesti per raggiungere tale livello di danneggiamento, ad esempio in termini di perdita di massa riferita alla sezione effettivamente esposta.

Le problematiche menzionate possono essere risolte sostanzialmente in due diversi modi. Il primo, più comune e ad oggi ben noto poiché già previsto dalle attuali normative tecniche consiste nel corretto dimensionamento dello spessore del copriferro e nella scelta della resistenza del calcestruzzo in funzione della classe di esposizione del manufatto considerato, limitando in tal modo gli effetti della corrosione.

Il secondo metodo, di più recente investigazione, consiste altresì nell’impiego di materiali che, grazie alle loro medesime caratteristiche meccaniche e micro-strutturali, risultano meno esposti alle conseguenze della corrosione e che pertanto meno risentono dei suddetti decrementi di duttilità.

In questo contesto si collocano le ricerche, tutt’ora in corso, finalizzate alla determinazione, produzione e caratterizzazione degli acciai d’armatura con micro-struttura Dual-Phase (DP). Tali acciai, già ampiamente impiegati nel settore automobilistico, sono dotati di eccellenti caratteristiche meccaniche e, soprattutto, di durabilità, motivo per cui il loro uti- lizzo si è progressivamente diffuso negli ultimi decenni tentando di ottimizzarne prestazioni e composizione chimica.

L’eccellente durabilità degli acciai DP è legata alla loro particolare microstruttura, in cui ferrite e marten- site convivono in un’unica matrice senza netta sepa- razione. L’inglobamento della martensite all’interno della microstruttura ferritica è il principale responsabile dell’eccellente durabilità di questi acciai: studi di letteratura (Sarkar et al. 2005; Sarwar & Priestner 1996) hanno infatti dimostrato come un maggior quantitativo martensite comporti, al contempo una più elevata resistenza meccanica ed una maggiore esposizione ai problemi di degrado da corrosione.

Questo è quanto – semplificando – succede nel caso degli acciai tipo TempCore^®, dove lo strato esterno martensitico è responsabile di una maggiore sensibilità nei confronti dei fenomeni di corrosione.

Nel presente articolo sono brevemente riassunti i risultati raggiunti all’interno del progetto di ricerca NEWREBAR “New Dual-Phase steel reinforcing bars for enhancing capacity and durability of anti-seismic moment resisting frames” (2015-2019), coordinato dall’Università di Pisa e finanziato dal Research Fund for Coal and Steel (RFCS) della Commissione Europea, finalizzato a sviluppare e promuovere nuove tipologie di acciai da calcestruzzo armato con microstruttura Dual-Phase provvisti di caratteristiche meccaniche e di durabilità migliorate rispetto a quanto ad oggi in commercio.

L’articolo sintetizza, in particolare, le fasi essenziali delle analisi eseguite per la determinazione del processo produt- tivo e la caratterizzazione meccanica completa in condizioni di riferimento ed in presenza di corrosione, il tutto con riferimento alle prestazioni delle barre d’armatura B450C, con microstruttura TempCore®.

Barre d'armatura Dual-Phase

Come già accennato, gli acciai DP sono caratterizzati da una microstruttura ferritico/martensitica con mar- tensite direttamente inglobata all’interno della matrice ferritica. La fase martensitica è responsabile della resistenza meccanica, mentre la matrice duttile garantisce elevata lavorabilità; tra le altre caratteristiche fondamentali si elencano l’assenza di un tratto elastico ben definito nel legame tensione/deformazione e l’ottima duttilità, che rendono i DP particolarmente impiegati nel settore industriale (Mohaved et al.), per il quale sono comunemente prodotti sotto forma di lamiere.

La produzione di barre d’armatura con microstruttura DP è, d’altronde, attualmente limitata a causa delle necessità di modifica del processo produttivo e dei costi ad esso associati. Esistono due metodi principali per la produzione di barre DP: il primo consiste nell’adozione di un processo continuo, che risulta tuttavia particolarmente costoso e pertanto non conveniente per l’impiego in un settore relativamente povero quale quello delle costruzioni; il secondo consiste nell’applicazione, in post-produzione, di un trattamento di tempra intercritica (IQ), con tempera- tura opportunamente selezionata, che garantisce l’ot- tenimento della microstruttura desiderata.

Ovviamente, le caratteristiche meccaniche del prodotto ottenuto dal ciclo termico sopra detto sono funzione dei parametri di trattamento impiegati: l’incremento, ad esempio, della temperatura di tempra intercritica da 760°C a 820°C comporta, ad esempio, l’aumento della resistenza a snervamento delle barre e, contemporaneamente, la diminuzione – di circa il 3% - della capacità di deformazione (Zhang et al. 2012).

Parallelamente, le caratteristiche in termini di durabilità si riducono progressivamente con l’incremento del quantitativo di martensite presente a livello micro-strutturale, indicando pertanto la necessità di bilanciare accuratamente i vari parametri di produzione (Trejo et al. 1994; Keleştemur & Yıldız 2009).

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

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