Interazione tra reti in GFRP e malte strutturali nei sistemi di rinforzo con intonaco armato CRM. Indirizzi per la progettazione

Analisi sperimentale sui fenomeni di interazione interfaccia malta-rete nei sistemi CRM: premessa

La ricerca è stata condotta attraverso un’estesa campagna di prove a sfilamento di elementi costituenti le reti contenuti all’interno di provini prismatici di malta, con lo scopo di indagare i fenomeni di interazione in termini di adesione all’interfaccia malta-rete per definire quali parametri governano tale legame.

I risultati ottenuti hanno evidenziato una proporzionalità diretta tra la resistenza allo sfilamento e la resistenza a compressione delle malte indagate, prodotte da CVR S.p.A., le quali hanno mostrato una perfetta omogeneità nelle resistenze a garanzia della qualità dei materiali testati e dell’attendibilità delle prove stesse.

I risultati ottenuti, distinti per elementi “trama” e “ordito”, potranno essere di riferimento anche per le progettazioni, essendo peraltro cautelativi rispetto alle resistenze della rete nel suo insieme.

Considerata la corposità dello studio di ricerca condotto, si è deciso di pubblicarne i risultati sul portale Ingenio in due parti distinte:

In questo articolo, che si configura come la prima parte dell’analisi, sono riportate le intenzioni della ricerca ed i risultati dei test a sfilamento eseguiti utilizzando le malte prodotte da CVR SpA quali: Ecosan R50 , Ecosan R150 , Intofort F , Intofort F300 e Spritz Beton .

Nella seconda parte saranno esposti i risultati delle prove eseguite sulla malta Ecosan R150 , additivata con fibre polipropileniche con l’obiettivo di testare l’influenza di queste ultime sul legame di aderenza malta-rete.

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Rinforzo strutturale: in cosa consiste la tecnica CRM?

Nell’ambito degli interventi di consolidamento strutturale degli edifici in muratura, diffuse sono le tecniche che prevedono l’impiego di sistemi compositi costituiti da intonaci rinforzati, armati con reti a base di fibre, che differiscono tra loro per la diversa natura e formato delle stesse e per il tipo e lo spessore della malta.

In questo contesto, ha trovato largo impiego la tecnica dell’intonaco armato CRM (Composite Reinforced Mortar) che prevede l’applicazione sulla superficie muraria di uno strato di malta cementizia o a base calce e cemento, con contenuta al suo interno una rete preformata in materiale polimerico fibrorinforzato (FRP). Gli spessori di malta che caratterizzato tale sistema sono tipicamente variabili tra 3 e 5 cm e, a differenza di quanto accade con altre tecniche di rinforzo come quella FRCM (Fiber Reinforced Composite Mortar), l’adesione tra matrice e rete di armatura è affidata interamente all’interfaccia malta-rete e al suo comportamento fisico-meccanico, così come avviene nel caso dell’intonaco armato tradizionale con rete metallica e malte a base cementizia.

A questo proposito, nonostante siano state condotte approfondite campagne di prova per la validazione sperimentale dell’efficacia della tecnica di rinforzo CRM (Composite Reinforced Mortar), indagini limitate sono state finora eseguite per investigare la natura dell’interazione esistente tra i materiali tipicamente utilizzati, le reti in GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) e le malte strutturali a base calce e cemento.

 

 

Gli obiettivi della ricerca sperimentale

La ricerca condotta ha avuto l’obiettivo, attraverso un’estesa campagna di prove sperimentali, di indagare i fenomeni di interazione in termini di adesione all’interfaccia malta-rete per definire quali parametri governano tale legame.

Trattandosi di sistemi compositi, in analogia con quanto avviene anche nel calcestruzzo armato tra barre in acciaio e calcestruzzo, l’attenzione è stata rivolta allo studio del legame tra i singoli elementi che costituiscono le reti in GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer), appartenenti ai sistemi NETFIX CRM di CVR S.p.A. , e le malte strutturali proposte in abbinamento ad essi.

È stato appositamente progettato e sviluppato un metodo di indagine, basato su prove di sfilamento di singole barre costituenti le maglie delle reti di armatura, “trame” e “orditi”, contenute nel getto di provini di malta, standardizzando metodi e tecniche esecutive, per garantire un’analisi ed un confronto critico dei risultati rimanendo coerenti con gli stati di sollecitazione dei materiali quando in opera.

I risultati ottenuti rappresentano il punto di partenza per una successiva fase della ricerca mirata all’ottimizzazione dell’efficacia dei materiali nell’ambito della tecnica CRM.

  

Metodo di indagine e programma sperimentale

La ricerca si è configurata quale studio preliminare all’avvio di un processo sperimentale, caratterizzato da prove di complessità via via crescente, che ha avuto come obiettivo ultimo l’ottimizzazione dell’efficacia dei materiali nell’ambito della tecnica CRM (Composite Reinforced Mortar).

La fase preliminare, necessaria all’attivazione del processo, è stata finalizzata a confinare il campo di indagine per individuare le variabili in gioco e caratterizzare i parametri che maggiormente influenzano il funzionamento dei sistemi in esame. Sono stati eseguiti test di aderenza che hanno interessato i singoli componenti delle reti da CRM, per ottenere una semplificazione del sistema reale (caratterizzato da un comportamento bidimensionale) e soddisfare requisiti di fattibilità legati alla necessità di realizzare un numero elevato di prove, al variare delle condizioni al contorno. Il campione statistico dei risultati ottenuti, costituisce una base deterministica per sviluppi futuri della campagna sperimentale di CVR S.p.A.

La campagna di prove è stata suddivisa in due fasi:

• fase 1, caratterizzazione del fenomeno di aderenza malta composito con l’utilizzo delle malte Ecosan R50 , Ecosan R150 , Intofort F , Intofort F300 e Spritz Beton ;
• fase 2, ottimizzazione dell’aderenza malta-rete, indagando l’effetto dell’aggiunta alla malta Ecosan R150 , di fibre polipropileniche in percentuali pari allo 0,30% e 0,60% in peso nella miscela.

 

Nota: Il presente articolo, “Parte 1” della ricerca, riporta i risultati ottenuti dalle prove eseguite nella fase 1 mentre la Parte 2, oggetto di un documento che verrà pubblicato a seguire, sarà dedicata alla trattazione dei risultati ottenuti dalle prove effettuate nella fase 2.

 

Caratteristiche dei materiali testati

Reti in GFRP

I campioni delle barre di armatura utilizzati nei test sono stati estratti dalla rete NETFIX CRM 490 , rete preformata in GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymers) realizzata con fili in fibra di vetro ECR impregnati con resina termoindurente epossidica, appartenente al sistema  NETFIX CRM di CVR S.p.A.

La rete NETFIX CRM 490 che ha un peso di 490 g/m² è prodotta in rotoli da 40 m² (altezza 2,00 m e lunghezza 20 m), con maglie quadrate di dimensione pari a 80x80 mm.

La tessitura della rete è costituita da due sistemi di barre disposte secondo direzioni ortogonali: barre pultruse prefabbricate con filo rettilineo denominate in seguito “trame” e barre con filo ritorto in corrispondenza dei nodi dette “orditi” (Figura 1).

 

 

Le “trame” sono caratterizzate da un profilo superficiale liscio e regolare, mentre gli “orditi” hanno un profilo irregolare derivante dal processo di “tessitura” che prevede l’avvolgimento delle fibre attorno alle trame in corrispondenza dei nodi.

Nell’ambito della campagna sperimentale, in luogo della diversa configurazione geometrica degli elementi che costituiscono la tessitura della rete, è stato indagato il diverso comportamento delle due direzioni principali, al variare delle restanti condizioni al contorno (tipologia di malta e lunghezza della barra annegata all’interno della malta).

 

Le malte

La realizzazione dei provini è stata eseguita utilizzando malte premiscelate cementizie o a base calce e cemento conformi alle norme UNI EN 998-2 o 1504-3 e selezionate tra quelle disponibili nella linea prodotti per il rinforzo delle strutture in muratura di CVR S.p.A..

La caratterizzazione meccanica delle malte è stata ottenuta contestualmente alla realizzazione dei provini per le prove di sfilamento, prelevando il materiale da testare secondo le procedure previste dalla norma UNI EN 998-2 e, per quanto attiene i metodi di campionamento e di prova, alla EN 1015 nelle sue parti.

Ogni campionatura è stata effettuata con la realizzazione di una terna di prismi di malta 4x4x16 cm, stagionati secondo le procedure riportate nelle norme suddette, poi utilizzati per la caratterizzazione delle resistenze a flessione e a compressione della malta. La procedura seguita ha previsto un primo test su uno dei prismi dopo 14 giorni di maturazione ed una seconda prova sui restanti due prismi a 28 gg dal confezionamento. In questo modo è stata assicurata una corrispondenza diretta tra i risultati ottenuti dai campioni utilizzati per le prove a sfilamento, eseguite dopo 14 giorni di maturazione dei provini, ed i parametri meccanici delle malte utilizzate nel confezionamento degli stessi.

 

Progettazione e confezionamento dei provini

I provini utilizzati nei test di sfilamento erano costituiti da prismi di malta di dimensioni pari a 80x50x300 mm all’interno dei quali è stata inserita una barra di materiale composito di “trama” o “ordito”, estratta da campioni delle rete NETFIX CRM 490 appartenente ai sistemi NETFIX CRM di CVR S.p.A.

I campioni di rete sono stati confezionati eseguendo il prelievo di una porzione di barra singola (“trama” o “ordito”) tagliata a misura secondo le lunghezze previste per l’ancoraggio all’interno della malta, senza la presenza di elementi trasversali. All’estremità libera di ciascuna barra è stato applicato un tallone di afferraggio in alluminio (Figura 2) per consentire la messa in trazione della stessa, attraverso le pinze di afferraggio della macchina di prova.

 

 

Nella fase di confezionamento, la “barra” è stata centrata rispetto allo spessore del prisma ed inserita all’interno del provino per una determinata lunghezza. Ai fini della ricerca sono state individuate tre lunghezze di riferimento pari a 10 cm, 15 cm e 20 cm, ritenute rappresentative per il funzionamento meccanico della rete nei sistemi CRM.

Le dimensioni del provino sono state definite sulla base di valutazioni che hanno tenuto in considerazione gli spessori di intonaco tipicamente utilizzati nell’esecuzione del rinforzo CRM e la dimensione della maglia della rete. Immaginando il prisma come un elemento estratto da una porzione di intonaco armato, il suo spessore pari a 50 mm è associato agli spessori di intonaco normalmente realizzati in opera ed indicati dalla linea guida (*), mentre la larghezza pari a 80 mm corrisponde all’interasse tra le barre che realizzano la tessitura della rete. Sulla base di queste considerazioni, la sezione trasversale del prisma (80x50 mm) rappresenta l’area di influenza della singola barra di rete all’interno della malta in direzione del suo sviluppo. La lunghezza del prisma (pari a 300 mm) è stata invece definita, in modo da contenere le lunghezze di ancoraggio ipotizzate e massimizzata in funzione delle dimensioni massime consentite dalla macchina utilizzata per eseguire le prove.

Ciascun campione di prova, costituito da una terna di provini aventi le stesse caratteristiche in termini di malta, tipologia di barra e lunghezza della barra contenuta nel provino, è stato confezionato mediante una cubettiera in acciaio appositamente progettata per la ricerca (figura 3).

 

 

(*) Linea Guida per la identificazione, la qualificazione e il controllo di accettazione dei sistemi a rete preformata in materiali compositi fibrorinforzati a matrice polimerica da utilizzarsi per il consolidamento strutturale di costruzioni esistenti con la tecnica dell’intonaco armato CRM (Composite Reinforced Mortar).

 

La preparazione della malta per il confezionamento dei prismi è stata condotta in conformità a quanto previsto dalla norma EN 1015-2 e la procedura di maturazione dei provini è stata effettuata secondo quanto previsto dalla norma UNI EN 998-2 per le malte idrauliche (Figura 4).

Ciascuna terna di provini è stata successivamente identificata attraverso una sigla univoca che ha consentito di definire le caratteristiche dei campioni di prova.

 

 

A titolo di esempio prendendo la terna siglata “490-T-R150-10”, risulta:

• 490 - Rete NETFIX CRM 490 ;
• T - Elemento della rete testato, “trama”;
• R150 - Malta Ecosan R150 ;
• 10 - Lunghezza di ancoraggio della barra all’interno della malta, pari a 10 cm

       

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nei prossimi paragrafi è descritto nel dettaglio il metodo di prova e i risultati conseguiti.