Influenza dei trattamenti termici ad elevate temperature sulle caratteristiche meccaniche dei sistemi di rinforzo in FRCM

Gli FRCM garantiscono durabilità e facilità di installazione

Negli ultimi anni, i materiali fibrorinforzati a matrice cementizia (FRCM) sono stati largamente utilizzati come sistema di rinforzo di strutture degradate in muratura e calcestruzzo armato (c.a.), grazie alla loro durabilità, al buon rapporto resistenza/peso e alla facilità di installazione (Triantafillou & Papanicolau 2006, De Caso y Basalo et al. 2012, Ombres 2011). Inoltre, rispetto ai materiali compositi tradizionali come quelli a matrice polimerica (FRP, Fiber Reinforced Polymers), gli FRCM presentano diversi vantaggi nei confronti del fuoco, come la traspirabilità, la non infiammabilità e l'incombustibilità- dovuti principalmente alla natura inorganica della loro matrice (Nanni 2012).

Nonostante ciò, le prestazioni meccaniche dei sistemi di rinforzo esposti agli effetti di temperature elevate o al fuoco non sono ancora adeguatamente definite. Sebbene il comportamento meccanico dei materiali FRCM al variare della temperatura sia stato recentemente oggetto di studi e ricerche sperimentali, la comprensione di alcuni aspetti è ancora limitata.

Tale situazione si riflette anche negli attuali codici normativi che non forniscono adeguate indicazioni relative all’analisi e alla progettazione in caso di incendio delle strutture in calcestruzzo armato rinforzate con i sistemi FRCM. La maggior parte degli studi disponibili in letteratura sul comportamento meccanico dei compositi FRCM in presenza di elevate temperature, analizza la loro risposta meccanica a trazione (Donnini et al. 2017, Silva et al. 2016, Ombres et al. 2022, TIaji et al. 2020). Uno dei limiti principali di questi studi è legato alle differenze nelle procedure sperimentali (in termini di velocità di riscaldamento, geometria del provino, velocità di carico e rivestimento delle fibre), che spesso non consentono un confronto diretto dei risultati.

Le ricerche evidenziano come la resistenza a trazione dei provini FRCM si riduce progressivamente con l’aumento della temperatura e dipende soprattutto dalle condizioni della prova e dalla finitura delle fibre (rivestite o non rivestite) più che dalla tipologia di rinforzo (Polypara-phenylene-benzo-bisthiazole (PBO), vetro, basalto etc.).

Gli studi relativi all’influenza delle elevate temperature sull’aderenza tra i compositi FRCM ed il calcestruzzo (Ombres 2015, Raoof & Bournas 2017, Al Jaberi 2019, Silva et al. 2014) sono molto limitati; inoltre, le differenze nelle procedure di prova e nella geometria dei provini hanno fornito risultati contraddittori dai quali non è stato possibile definire la variazione dell’aderenza con la temperatura. Le modalità di rottura dei sistemi FRCM al variare della temperatura, nella maggior parte dei casi, sono caratterizzate dallo scorrimento delle fibre all'interno della matrice.

In questo scenario appare necessario eseguire ulteriori studi sperimentali i cui risultati possano contribuire ad una migliore comprensione della risposta meccanica dei compositi FRCM esposti ad elevate temperature.
Nel presente lavoro vengono riportati i risultati di una sperimentazione condotta su provini in PBO- FRCM esposti a temperature comprese tra 20°C (temperatura ambiente) e 300 °C. I provini sono stati condizionati termicamente attraverso il riscaldamento graduale fino al raggiungimento della temperatura prefissata e il successivo raffreddamento.

Sono state condotte prove di trazione diretta su provini in PBO- FRCM e prove di aderenza PBO- FRCM/calcestruzzo. I risultati delle prove hanno consentito di valutare l’influenza del trattamento termico sulla risposta meccanica del sistema di rinforzo. La definizione dei legami costitutivi e dei criteri di rottura in funzione della temperatura, possono risultare utili per le simulazioni termomeccaniche e per la progettazione in situazione di incendio delle strutture in calcestruzzo armato rinforzate con sistemi FRCM.

Programma sperimentale

Materiali

Il sistema FRCM utilizzato nella presente sperimentazione consiste in una rete di PBO non bilanciata (denominazione commerciale PBO-MESH 70/18) inserita in una matrice inorganica a base cementizia, prodotta da Ruregold and Co, (denominazione commerciale MX-calcestruzzo). Le proprietà mec- caniche dei materiali costituenti il sistema FRCM, ovvero la rete di PBO e la malta cementizia, sono state determinate dagli autori in una precedente campagna sperimentale (Ombres & Verre, 2020). La resistenza a trazione ft e il modulo elastico Ef della rete in PBO a temperatura ambiente sono risultati rispettivamente pari a 3400 MPa (CoV del 3%) e 211 GPa (CoV del 4%). Per quanto riguarda la matrice inorganica, la resistenza a compressione fcm e la resistenza a trazione fctm (a 28 giorni) sono risultate rispettivamente pari 43.11 MPa (CoV del 3%) and 6.73 MPa (CoV del 5%).

Preparazione dei provini

Le prove di trazione diretta (DT) sono state eseguite su provini PBO-FRCM di dimensioni 40 × 500 × 6 mm (larghezza × lunghezza × spessore) – la geometria dei provini è stata definita secondo i criteri di accettazione e le indicazioni progettuali per il rinforzo in muratura e calcestruzzo con sistemi compositi a matrice cementizia fibra rinforzata (AC434 e RILEM TC 232-TDT). I campioni sono stati realizzati con uno strato di rete di PBO posizionato tra due strati di matrice cementizia di 3 mm di spessore.

La rete in PBO è composta da 4 yarns disposti in due direzioni ortogonali con una distanza media di 10 mm tra i filamenti. Lo spessore equivalente in direzione longitudinale e trasversale è rispettivamente pari a 0,0455 mm e 0,012 mm. Le prove di aderenza sono state eseguite su prismi di calcestruzzo rinforzati con il sistema PBO FRCM aventi dimensioni nominali di 100 × 200 × 400 mm.

Nella fase iniziale di preparazione, la superficie dei prismi in calcestruzzo è stata resa scabra mediante la tecnica del “sandblast” in modo da (i) migliorare l’aderenza tra il substrato di calcestruzzo e il composito FRCM e (ii) rimuovere eventuali difetti sulla superficie del calcestruzzo.

Successivamente è stata applicata una striscia di PBO su ciascun lato del prisma. Le strisce di rinforzo larghe 40 mm sono state incollate su una lunghezza di 300 mm e posizionate tra due strati di matrice avente uno spessore di circa 3 mm; è stato così ottenuto uno spessore totale del composito pari a 6 mm. L’inserimento delle fibre in PBO è avvenuto senza alcun trattamento di impregnazione preliminare.

Condizionamento termico dei provini

Prima delle prove, tutti i campioni (provini PBO- FRCM e prismi di calcestruzzo rinforzati con PBO- FRCM) sono stati riscaldati attraverso una camera termica, dotata di una resistenza elettrica, a temperature comprese fra 20 °C e 300 °C (massima temperatura raggiungibile) e poi raffreddati fino a temperatura ambiente (20°C).

È bene menzionare che con questa strumentazione, il calore viene prodotto dal riscaldamento di una resistenza e non per combustione del gas (i.e. non vi è la formazione del fuoco). Al centro del composito PBO-FRCM (a diretto contatto con la rete di PBO) e all’interfaccia tra il rinforzo e il substrato dei prismi in calcestruzzo è stata misurata la temperatura utilizzando termocoppie di tipo K aventi 0,25 mm di diametro; una ulteriore termocoppia è stata inserita nella camera termica per monitorare la temperatura dell'aria.

I campioni sono stati riscaldati ad una velocità media pari a 2 °C/min. Al fine di ridurre il tempo di riscaldamento del provino, la temperatura della camera termica è stata impostata 10 °C al di sopra della temperatura desiderata. Una volta raggiunta la temperatura desiderata, i provini sono stati lasciati raffreddare all’interno della camera termica secondo un processo naturale. Il condizionamento termico è stato eseguito alle temperature di 20°C (temperatura ambiente), 100°C, 200 °C e 300 °C.

La Figura 2 mostra le curve temperatura-tempo per due temperature target (100 °C e 200 °C), misurate dalle termocoppie: le differenze tra le temperature misurate al centro del composito FRCM e all'interfaccia sono risultate nulle, per questo motivo le prime non vengono riportate nel grafico. Si noti che durante le fasi di riscaldamento e di raffreddamento non è stata imposta alcuna restrizione meccanica ai provini; pertanto, la loro espansione termica è stata libera.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Conference - Napoli, 12-15 ottobre 2022
Evento organizzato da aicap e CTE