Sistemi in fibra di canapa per il rinforzo sismico di edifici esistenti in muratura

Rinforzo di intonaci e murature con fibre di canapa: un'alternativa efficace alle fibre artificiali

La ricerca si focalizza sull’esecuzione di due campagne sperimentali per la caratterizzazione di intonaci rinforzati con fibre di canapa. Nella prima campagna, le fibre di canapa sono incorporate nella matrice con una disposizione casuale, mentre nella seconda tali fibre vengono impiegate sotto forma di reti. Successivamente, è stata condotta un'analisi numerica su un edificio esistente in muratura rinforzato con sistemi a base di fibra di canapa. I risultati ottenuti dimostrano, in tutti i casi, interessanti prospettive per l'uso delle fibre di canapa come alternativa alle fibre artificiali.

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Principali vantaggi legati all’impiego delle canapa nei prodotti da costruzione

Il tema della sostenibilità ambientale sta assumendo un interesse sempre maggiore con il passare degli anni in tutti i settori, in particolare in quello delle costruzioni. È infatti noto come il settore edile sia uno dei principali responsabili nei confronti delle emissioni di CO₂ e dei consumi di energia primaria.

La consapevolezza del peso eccessivo che le costruzioni hanno sull’ambiente sottolinea l’importanza di promuovere l’impiego di materiali sostenibili e riciclabili per contribuire alla riduzione dell’impatto ambientale. La sostenibilità dei materiali da costruzione può essere migliorata intervenendo sul processo produttivo per ridurre le emissioni di anidride carbonica, o sostituendo alcune materie prime con componenti eco-compatibili. Per tale motivo, negli ultimi decenni, la comunità scientifica ha sperimentato l’impiego di materiali alternativi ottenuti impiegando componenti derivati da fonti rinnovabili o con un processo di smaltimento biodegradabile. In questo contesto, un argomento di grande interesse è lo studio delle prestazioni meccaniche delle fibre naturali nei materiali compositi per il loro ridotto impatto ambientale e basso costo.

Le fibre naturali sono specialmente indicate per le applicazioni strutturali grazie alle loro proprietà meccaniche (Li et al., 2020). L’impiego di fibre vegetali, in particolare, permette di ottenere materiali da costruzione efficienti con minore impatto ambientale e di soddisfare il concetto sostenibile “Riutilizzare-Ridurre-Riciclare” (Awwad et al., 2012).

La canapa presenta numerosi vantaggi rispetto ad altre fibre naturali grazie alle sue eccellenti proprietà di isolamento termico e acustico, alla bassa densità e alla resistenza meccanica.

Essa, infatti, presenta una resistenza a trazione di circa 690 MPa, un modulo di Young compreso tra 30 MPa e 60 MPa e una deformazione a rottura di circa 1,6% (Prasad&Sain, 2016; Fan, 2010).

La fibra di canapa, ottenuta dalla macerazione del fusto della pianta Cannabis Sativa, a seguito di semplici lavorazioni, può essere impiegata in campo edile nella produzione di mattoni, blocchi, pannelli, intonaci, cappotti e massetti sia in edifici nuovi che in quelli esistenti (Jones&Brischke, 2015). L’impostazione della campagna sperimentale proposta nella presente ricerca si basa su attenti studi di letteratura e sulle sperimentazioni esistenti riguardanti in particolare intonaci e calcestruzzi rinforzati con fibre in canapa. Alcuni studi hanno confermato l’efficacia dell’impiego delle fibre di canapa nel migliorare le prestazioni meccaniche degli intonaci sia se inglobate sotto forma di fibre corte con disposizione discontinua nella matrice, sia sotto forma di reti.

Le fibre di canapa corte inglobate in malte a base di cemento in basse percentuali (1%-2%) possono consentire un incremento di resistenza a compressione e flessione della malta di partenza (Comak et al. 2018). D’altro canto, le reti in fibra di canapa inglobate in intonaci a base di calce idraulica naturale o pozzolana possono comportare un incremento di resistenza a taglio di murature realizzate sia con blocchi di tufo giallo sia con mattoni di argilla (Menna et al., 2015).

Infine, è stata investigata la possibilità di impiegare fibre di canapa per ridurre la percentuale di aggregati grossi nel calcestruzzo riducendo il consumo di risorse naturali. Tale soluzione comporta una riduzione della lavorabilità e delle resistenza a compressione del calcestruzzo, senza influire in maniera significativa sulla sua resistenza a flessione.

Il contributo più significativo è stato riscontrato nell’incremento di duttilità del calcestruzzo grazie all’effetto di cucitura delle fibre (Awwad et al., 2012).

 

Intonaco a base di calce rinforzato con fibre di canapa corte

La prima campagna sperimentale proposta riguarda un intonaco a base di calce rinforzato con fibre di canapa corte disposte in maniera discontinua nella matrice. La sperimentazione ha visto l’esecuzione di prove fisiche e meccaniche per valutare l’influenza delle fibre di canapa sul comportamento di un intonaco antisismico.

I risultati, infatti, sono stati confrontati con quelli ottenuti per il campione non rinforzato denominato “TAL”.

Inizialmente è stata indagata la capacità di assorbimento d’acqua delle fibre di canapa per determinare il quantitativo d’acqua da aggiungere all’impasto per evitare di alterare il rapporto acqua/calce della miscela. In seguito, le miscele rinforzate e non rinforzate sono state sottoposte a prove di lavorabilità e di caratterizzazione meccanica a flessione e a compressione.

 

Materiali

I campioni di controllo sono stati realizzati impiegando un premiscelato a grana fine costituito da pura calce naturale NHL 3.5 e geo-legante. La malta appartiene alla classe di resistenza M15 secondo la norma EN988-2 che corrisponde ad una resistenza a compressione a 28 giorni non inferiore a 15 MPa. Le fibre di canapa incluse nella matrice sono costituite da trecce derivanti da un tessuto in canapa prodotto in Italia da coltivazioni locali (Figura 1). Le fibre hanno diametro di 0,4 mm e sono state tagliate in elementi di due diverse lunghezze, pari a 2 e 3 cm, che sono stati aggiunti nella miscela in diverse percentuali in peso di premiscelato.

 

 

Prove fisiche

Prova di assorbimento d’acqua

La fase preliminare della ricerca prevede la valutazione del quantitativo d’acqua assorbito dalle trecce di canapa per identificare la percentuale d’acqua da aggiungere all’impasto per non alterare il rapporto acqua/calce fornito dal produttore e garantire un’adeguata lavorabilità e resistenza. La prova è stata eseguita pesando un quantitativo secco di fibre di 10 g che sono state poi immerse in un recipiente pieno d’acqua. A intervalli di tempo fissati, le fibre sono state pesate dopo aver rimosso l’acqua in eccesso. Per le prime due ore di immersione le fibre sono state pesate ogni 15 minuti, poi dopo 12 ore e ogni giorno per 6 giorni. Il quantitativo d’acqua assorbito dalle fibre è stato valutato come differenza tra i valori registrati durante la prova e il peso iniziale secco. I risultati sono riportati in Figura 2.

 

 

La curva si stabilizza assumendo un andamento orizzontale dopo le prime 24 ore di immersione, che corrisponde al punto in cui le fibre hanno raggiunto la completa saturazione con un quantitativo di acqua assorbita pari a circa il 440% del peso iniziale. Tuttavia, è interessante notare come il maggior quantitativo d’acqua è assorbito nelle prime due ore di immersione. Pertanto, in fase di preparazione delle miscele, è stato scelto di includere le trecce di canapa già sature a seguito di almeno due ore di immersione in acqua, in modo da non alterare il quantitativo d’acqua suggerito dal produttore del premiscelato.

 

Prova di lavorabilità su tavola a scosse

L'intonaco fibrorinforzato è stato investigato considerando diverse percentuali di trecce di canapa inserite in diverse lunghezze nella miscela. Tutti i risultati ottenuti dalle predette prove sono stati confrontati con la miscela di controllo, ossia senza l’aggiunta di fibre. Prima dell’esecuzione della prova di lavorabilità sono stati ipotizzati dei mix design di primo tentativo che prevedevano l'aggiunta di fibre nella miscela con due diverse lunghezze (2 e 3 cm) e con cinque percentuali in peso di materiale premiscelato (0,25%, 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,50%). Tuttavia, sulla base dei risultati delle prove di lavorabilità, le miscele con alcune percentuali di fibre sono state scartate e non sono state sottoposte a prove di caratterizzazione meccanica.

La lavorabilità delle miscele è stata valutata in accordo alla norma UNI EN 1015-3 determinando il diametro di spandimento (Sp) della malta utilizzando la tavola a scosse. Il procedimento consiste nell’imprimere 15 scosse in 15 secondi a un campione di malta di forma tronco-conica e misurare lo spandimento della malta come media di due diametri ortogonali. Lo spandimento della malta è correlato alla lavorabilità della stessa. In particolare, per una malta da intonaco, la normativa UNI 998-1/2:2016 suggerisce il seguente range per una buona lavorabilità:

140 mm (± 10 mm) ≤ Sp ≤ 180 (± 10 mm)

I risultati ottenuti per ciascuna percentuale di fibra investigata sono riportati in Figura 3, nella quale sono illustrati anche i limiti suggeriti dalla normativa di riferimento. (a) (b)

 

 

Il diametro di spandimento del provino di controllo (Control) è stato valutato pari a 140 mm, che rappresenta il limite inferiore per una buona lavorabilità degli intonaci. Per percentuali di canapa inferiori allo 0,5%, la lavorabilità delle miscele è superiore rispetto a quella del provino di controllo. Tuttavia, all’aumentare della percentuale di fibre, la lavorabilità si riduce eccessivamente, non consentendo di inserire i sistemi esaminati nel range contemplato dalla normativa UNI per gli intonaci.

  

Prove di caratterizzazione meccanica

Le proprietà meccaniche sono state investigate solo per le miscele che hanno mostrato caratteristiche fisiche ritenute accettabili in termini di lavorabilità.

Sono stati quindi esaminati solo i campioni contenenti lo 0,25% e lo 0,50% di fibre di canapa aventi entrambe le lunghezze esaminate (2 e 3 cm). Per ciascuna miscela sono stati realizzati tre provini prismatici (40x40x160 mm) per le prove di caratterizzazione meccanica a flessione e tre provini cubici (40x40x40 mm) per la prova di caratterizzazione meccanica a compressione, secondo le procedure descritte nella norma UNI EN 196-1.

Ciascuna miscela è stata etichettata con un codice identificativo che ne riassume le caratteristiche principali: classe di resistenza della malta, lunghezza e percentuale delle fibre di canapa. Ad esempio, gli impasti realizzati con malta M15 con lo 0,50% di fibre di canapa di lunghezza pari a 2 cm sono stati etichettati come M15_2_0,50%. Il campione di controllo (senza fibre) è stato identificato come M15_CNTL.

   

Prova di flessione su tre punti

La prova di caratterizzazione meccanica a flessione su tre punti è stata eseguita in accordo alla normativa UNI EN 772-2 sui provini prismatici 40x40x160 mm. I risultati della prova sono rappresentati da una curva forza – tempo dalla quale è stato possibile ricavare il valore di resistenza ultima a trazione per flessione di ciascun provino (f_cf). In Figura 4 sono sintetizzati i risultati della prova a flessione su ciascun provino evidenziando il valore medio della resistenza (f_{cf, av}) e il relativo coefficiente di variazione (CV) per ciascuna miscela.

   

 

Dai risultati della prova risulta evidente come le fibre di canapa consentono di incrementare la resistenza a flessione dell’intonaco. Il maggior incremento di resistenza è stato registrato per i provini con lo 0,5% di fibre di canapa di lunghezza pari a 2 cm, per il quale la resistenza a trazione è risultata superiore di circa l'81% rispetto alla resistenza a flessione della geo-malta tradizionale.

Nelle altre miscele l'incremento della resistenza a trazione dovuto alla flessione è pari al 38% (M15_2_0,25%), 52,3% (M15_3_0,25%) e 33% (M15_3_0,50%). Inoltre, grazie all’effetto di cucitura generato dalle trecce di canapa, le miscele fibro-rinforzate hanno mostrato anche un incremento di duttilità rispetto all’intonaco di controllo.

 

Prova di compressione

La prova di caratterizzazione meccanica a compressione è stata eseguita in accordo alla normativa UNI EN 772-2 sui provini cubici 40x40x40 mm.

I risultati della prova sono rappresentati da una curva forza – spostamento dalla quale è stato possibile ricavare il valore di resistenza ultima a compressione di ciascun provino (σ_c).

In Figura 5 sono sintetizzati i risultati della prova a flessione su ciascun provino evidenziando il valore medio della resistenza (σ_{c, av.}) e il relativo coefficiente di variazione (CV) per ciascuna miscela.

 

 

Come per la prova di flessione, le fibre di canapa consentono un incremento di resistenza anche a compressione dell’intonaco rinforzato. L’incremento percentuale della resistenza è stato registrato tra l’11% e il 23% a seconda dei diversi mix design e le migliori performance sono state riscontrate nei provini realizzati con fibre da 2 cm. Inoltre, un interessante contributo delle fibre di canapa è l’effetto di confinamento della malta che consente di raggiungere anche deformazioni più elevate a rottura rispetto ai provini non rinforzati.

 

..Continua la lettura nel PDF.

Nel pdf si continua parlando di:

• Intonaco rinforzato con rete in fibra di canapa
• Prove preliminari sulle trecce di canapa
• Prova di compressione su muretti
• Rinforzo sismico di un edificio esistente con reti in fibra di canapa (Caratteristiche geometriche e meccaniche, criteri di modellazione, analisi della struttura non rinforzata, analisi della struttura rinforzata)