Influenza di variazioni moderate di temperatura su fibre per calcestruzzi fibro-rinforzati

I calcestruzzi fibrorinforzati sono oggi ampiamente impiegati in alcuni settori dell’industria delle costruzioni. La loro diffusione è stata supportata da numerosi studi scientifici che hanno consentito la de- finizione di protocolli di prova condivisi e di line guida per la progettazione.

Nonostante ciò, alcuni aspetti del comportamento di tali materiali non sono ancora stati del tutto compresi; in particolare alcuni aspetti che riguardano la loro durabilità. Tra questi si può certamente annoverare l’effetto della temperatura sulle proprietà meccaniche delle fibre polimeriche. In questo contesto la presente memoria illustra i risultati di una campagna sperimentale nella quale macro-fibre polimeriche sono state sottoposte a prove di trazione a diverse temperature, nell’intervallo 20 °C – 80 °C, per analizzarne gli effetti in termini di variazioni di resistenza a trazione e di modulo elastico. Inoltre, è stato valutato l’effetto della velocità di prova sui medesimi parametri.

Focus sugli effetti di variazioni moderate di temperatura sulle prestazioni meccaniche di fibre in polipropilene

Una corretta progettazione di strutture in calcestruzzo dovrebbe includere anche l’effetto delle condizioni ambientali. Diversi studi in letteratura esaminano l’effetto della temperatura (caldo e freddo) sulla resistenza del calcestruzzo, dimostrando come essa diminuisca all’aumentare della temperatura (El- Kareem, 2019). Tipicamente, negli studi presenti in letteratura, ci si riferisce a condizioni estreme, ovvero resistenza al fuoco (Arioz, 2007; Li, Q., Li, Z., & Yuan, 2012).

Nell’ambito dei materiali fibrorinforzati, gli studi sperimentali che tengono conto dell’effetto della temperatura sono ancora limitati, nonostante si sia dimostrato che le deformazioni differite nei materiali FRCs ne siano fortemente influenzate (Buratti & Mazzotti, 2015). In letteratura sono presenti numerosi studi indirizzati all’analisi delle deformazioni differite nel tempo, a diversa scala, di materiali fibrorinforzati, dalla fibra singola a travi inflesse (Babafemi, 2015; Buratti & Mazzotti, 2012; MacKay & Trottier, 2004; Monetti et al., 2019; Vasanelli et al., 2011; Vrijdaghs et al., 2017), ma essi sono stati condotti in condizioni standard di laboratorio.

Sotto carichi di lunga durata, infatti, le fibre mostrano le loro proprietà viscoelastiche, elasticità del solido e viscosità del fluido, mantenendo una deformazione residua nel momento in cui sono scaricate (Houshyar et al., 2005). L’influenza della temperatura è stata evidenziata per deformazioni differite di fibre in polipropilene, sottoposte a carico di trazione sostenuto, simulando le condizioni di servizio (Del Prete et al., 2022).

Nel presente contesto si colloca lo studio sviluppato e descritto in questo articolo, che concerne gli effetti di variazioni moderate di temperatura sulle prestazioni meccaniche di fibre in polipropilene. La ricerca si colloca in un’ottica più ampia ovvero lo studio di effetti termici sul materiale composito fibro-rinforzato, nella sua completezza. Lo studio globale vede la realizzazione di prove di trazione in temperatura sulla singola fibra per studiare le variazioni di prestazione del rinforzo, l’effetto della temperatura sull’aderenza fibra-matrice tramite prove di trazione diretta su cilindri in FRC e combinazione degli effetti tramite prove di flessione su travetti fibro-rinforzati.

Campagna sperimentale

Materiali utilizzati

Le fibre oggetto della campagna sperimentale descritta nella presente memoria sono macro-fibre in polipropilene caratterizzate da un profilo ondulato (Fig.1). Le proprietà geometriche e meccaniche, dichiara- te dall’azienda produttrice, sono riportare in Tabella 1.

La campagna sperimentale eseguita ha visto la realizzazione di prove di trazione diretta sulle fibre in polipropilene descritte nel precedente paragrafo. Il sistema di prova utilizzato è mostrato in Figura 2, dove, come si può vedere, la fibra viene afferrata alle estremità per una lunghezza pari a circa 15 mm, ambo i lati, per una lunghezza libera pari a 24 mm.

La prova viene svolta tramite una macchina servo- idraulica, dotata di morse idrauliche, all’interno del- le quali viene inserita ed ammorsata la fibra. Essa viene afferrata indirettamente tramite dei piatti in al- luminio rivestiti di carta abrasiva a grana grossa (in modo da aumentarne l’attrito).

È importante specificare che le morse della macchina di prova vengono serrate con la pressione minima possibile ammessa, in modo che in questa fase non venga compromessa l’integrità della fibra stessa. Questo è dimostrato dal- la tipologia di rottura della fibra (mostrata nei para- grafi successivi) che avviene lungo la sua lunghezza libera e non in corrispondenza delle estremità ammorsate.

Inoltre, la macchina di prova è dotata di una camera ambientale, che permette di svolgere le prove a temperatura controllata.

In questo studio, le temperature analizzate sono: 23°C (temperatura ambiente), 40°C, 60°C, 80°C. in aggiunta, i test vengono svolti a diverse velocità di prova: 1mm/min e 3 mm/min, al fine di valutare quanto gli effetti viscoelastici della fibra polimerica influiscano sul risultato di prova. I risultati sono interpretati sottoforma resistenza a trazione e modulo elastico.

Risultati

Curve sperimentali

Durate la prova di trazione sulla singola fibra, sono misurati forza e spostamento; i risultati sono esposti sottoforma di curve tensione – deformazione, la prima calcolata sulla base del diametro equivalente riportato in Tabella 1 e la seconda valutata dividendo l’allungamento misurato dalla macchina alla lunghezza libera della fibra, misurata come distanza tra le morse in cui è inserita. In Figura 3 è riportato un esempio di una curva tensione – deformazione per una fibra provata alla temperatura ambiente di 20 ± 3°C utilizzando una velocità di prova di 3 mm/min. Con la stessa velocità di prova sono stati svolti i test a temperature di 40°C e 80°C, le cui curve sono ri- portate in Figura 3. Per ogni temperatura sono stati provati 10 campioni.

Esaminando le tre curve di esempio, è possibile notare una diminuzione della resistenza a trazione massima con la temperatura, ma anche una diminuzione della rigidezza, suggerita da una graduale pendenza del primo ramo delle curve in Figura 3. Questa relazione viene evidenziata anche dalla regressione lineare elaborata sui valori di tensione massima con la temperatura (Fig. 4).

Da ciascuna curva è stato calcolato il modulo elastico seguendo la procedura descritta nella normati- va UNI EN 14889-2 (UNI EN 14889-1:2006, 2006).
Secondo la procedura descritta nella normativa, il modulo elastico viene calcolato utilizzando i valori tensione – deformazione in corrispondenza del 10% e 30% della resistenza di picco. Considerando i valori di modulo elastico ottenuti, in Figura 5, è rappresentata la curva di regressione che suggerisce una diminuzione del modulo elastico con l’aumentare della temperatura.

I risultati puntuali riportati, di tensione massima e modulo elastico, presentano una dispersione nei valori, questa può essere dovuta in parte alla capacità della macchina di prova (100 kN) rapportata ai valori di forza misurati, ma anche alla prova stessa svolta su campioni, le fibre, molto piccoli. Quest’ultimo aspetto può causare delle leggere imprecisioni in fase di prova, ad esempio, per il posizionamento.



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

L'ARTICOLO CONTINUA NEL PDF IN ALLEGATO...