Studio sperimentale sulle prestazioni a fatica in trazione diretta del calcestruzzo rinforzato con fibra di Basalto

Il tema delle strutture in calcestruzzo rinforzate con fibre è di grande attualità, in particolare in un momento in cui sostenibilità e durabilità sono all'attenzione generale non solo del mondo tecnico.

Nelle nostre ricerche sul web abbiamo trovato un interessante articolo in cui si affronta il tema di calcestruzzo fibrorinforzato con fibre in basalto, pubblicato da Xutao Zhang, Chao Lou & Xikuan Lyu su Nature.

Cite this article
Zhang, X., Lou, C. & Lyu, X. Experimental study on direct tensile fatigue performance of basalt fiber reinforced concrete. Sci Rep 14, 765 (2024).

Considerato l'interesse del tema e il prestigio della testata scientifica ne riprendiamo il riassunto, le premesse e le conclusioni in italiano, lasciando al lettore la facoltà di leggere l'articolo integrale.

Sintesi dell'articolo

La ricerca sulle prestazioni a fatica dei materiali in calcestruzzo è di grande importanza per la progettazione anti-fatica delle strutture in calcestruzzo.

Attualmente, i test di resistenza alla trazione indiretta o alla compressione sono comunemente utilizzati per studiare le prestazioni a fatica del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto, ma ci sono poche ricerche sulle sue prestazioni a fatica in condizioni di trazione diretta.

Utilizzando una macchina per test di fatica e un dispositivo di trazione assiale in calcestruzzo (sviluppato dai ricercatori), sono stati condotti test di fatica a trazione diretta su calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto con diversi contenuti di fibra e livelli di stress.

Basandosi sui dati dei test di fatica, è stato analizzato l'intero processo di trazione a fatica del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto, esplorando gli effetti del contenuto di fibra e del livello di stress sulla durata a fatica dei campioni di calcestruzzo.

Sono state tracciate le curve di vita a fatica a deformazione del calcestruzzo con diversi contenuti di fibra. I risultati sperimentali indicano che la modalità di rottura del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto sotto carico ciclico è una rottura fragile; con l'aumento del contenuto di fibra di basalto, la vita a fatica del calcestruzzo prima aumenta e poi diminuisce.

Quando il contenuto di fibra è dello 0,3%, la vita a fatica del calcestruzzo di fibra di basalto è la più elevata rispetto al calcestruzzo di riferimento.

Quando il contenuto di fibra è lo stesso, la vita a fatica del calcestruzzo diminuisce con l'aumento del livello di stress. Il processo di deformazione a fatica del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto può essere suddiviso in tre fasi: la fase di crescita rapida della deformazione, la fase di crescita uniforme della deformazione e la fase di rapida crescita della deformazione.

Introduzione alla ricerca

Durante il lungo servizio delle strutture in calcestruzzo, oltre a sopportare forze statiche, devono affrontare anche effetti dinamici, come il carico del traffico su ponti da parte di automobili e treni, gli impatti ripetuti delle onde sulle piattaforme di estrazione petrolifera, e gli effetti di terremoti e carichi eolici su strutture di edifici alti.

Questo carico di fatica, con caratteristiche cicliche periodiche, può causare cambiamenti continui e ridistribuzione dei campi di stress interni nei materiali in calcestruzzo, promuovendo l'espansione continua e la derivazione di microcrepe iniziali, causando un deterioramento progressivo e danni da fatica alle proprietà meccaniche dei materiali in calcestruzzo, e infine portando a una rottura fragile dei componenti strutturali al di sotto dello stress consentito. Pertanto, condurre ricerche sulle prestazioni a fatica dei materiali in calcestruzzo è di grande importanza per la progettazione anti-fatica delle strutture in calcestruzzo.

Come nuova generazione di materiali compositi, il calcestruzzo rinforzato con fibre è gradualmente diventato uno dei materiali ampiamente utilizzati nell'ingegneria civile. Aggiungendo materiali fibrosi come fibre d'acciaio, nanotubi di carbonio, fibre di basalto, ecc., si possono migliorare significativamente le proprietà meccaniche e la durabilità del calcestruzzo. Nell'ultimo decennio, studiosi nazionali e internazionali hanno condotto ricerche sperimentali sistematiche sulle prestazioni a fatica del calcestruzzo rinforzato con fibre, ottenendo risultati di ricerca relativamente ricchi7,8. Tra questi, il calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto sta guadagnando sempre più uso grazie alle sue eccellenti proprietà meccaniche.

La fibra di basalto è un tipo relativamente nuovo di fibra inorganica prodotta in modo innocuo attraverso il processo di fusione ecologico di rocce vulcaniche. Possiede eccellenti proprietà complessive, come alta stabilità chimica, basso costo d'uso e buona compatibilità con i silicati, rendendola un materiale candidato ideale per i materiali di rinforzo. Rispetto al calcestruzzo di riferimento, le fibre di basalto non solo migliorano la resistenza e la tenacità alla flessione del calcestruzzo ma aumentano anche la resistenza alla fatica del calcestruzzo.

Negli ultimi anni, studiosi nazionali e internazionali hanno principalmente condotto le seguenti ricerche sul calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto. Sim ha studiato le proprietà meccaniche e di deformazione del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto con diversi contenuti di fibra. Dias ha investigato l'effetto dell'aggiunta di diverse frazioni volumetriche di fibre di basalto sulla tenacità alla frattura del calcestruzzo silicato ordinario attraverso esperimenti estensivi. I risultati indicano che, rispetto al calcestruzzo silicato ordinario, il calcestruzzo con fibre di basalto aggiunte presenta una maggiore energia di frattura. Li ha studiato le prestazioni a fatica del calcestruzzo di sabbia marina rinforzato con aste in polimero e fibra di basalto attraverso test di flessione a quattro punti. Yang ha esaminato l'evoluzione delle strutture di microfessurazione durante il servizio del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto sotto diversi carichi di fatica, esplorando l'influenza della fibra di basalto sulla struttura delle fessure da fatica nel calcestruzzo e stabilendo un modello di correlazione tra resistenza alla flessione e caratteristiche interne delle fessure. Guo20 ha condotto test di fatica su calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto per ponti utilizzando test di flessione a tre punti, esplorando l'effetto inibitorio della fibra di basalto sulle fessure nel calcestruzzo sotto carichi di fatica.

Attualmente, la ricerca sulle prestazioni a fatica del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto, sia nazionale che internazionale, si concentra prevalentemente sulle prestazioni a fatica in flessione e in compressione sotto carichi a tre o quattro punti, e vi è scarsa letteratura sulle sue prestazioni a fatica in trazione diretta. Sulla base di ciò, si è utilizzata una macchina per test di fatica e un dispositivo di trazione assiale in calcestruzzo per condurre test di fatica a trazione diretta su calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto con diversi contenuti di fibra e livelli di stress. Sono stati indagati gli effetti del contenuto di fibra e del livello di stress sulle prestazioni a fatica in trazione del calcestruzzo, e tracciata la curva di vita a fatica a deformazione, fornendo una base teorica e sperimentale per la progettazione della fatica a trazione del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto.

Conclusioni della ricerca sui calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di basalto

1. Con l'aumentare del contenuto di fibra di basalto, la resistenza a trazione del calcestruzzo prima aumenta e poi diminuisce; quando il contenuto di fibra è dello 0,3%, la resistenza a trazione del calcestruzzo è significativamente migliorata.
2. La morfologia di rottura da fatica dei campioni di calcestruzzo con diversi contenuti di fibra è sostanzialmente coerente, rompendosi approssimativamente in due sezioni dal centro; tuttavia, il processo di frattura del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto è relativamente lento rispetto al calcestruzzo di riferimento, e la sua deformazione finale a fatica è anch'essa relativamente grande.
3.  A causa della non uniformità interna dei materiali in calcestruzzo, la vita a fatica del calcestruzzo spesso presenta una certa discrezione. Quando il contenuto di fibra del calcestruzzo di fibra di basalto è lo stesso, la vita a fatica del materiale diminuisce con l'aumento del livello di stress. Allo stesso livello di stress, la vita a fatica del calcestruzzo di riferimento è la minore, e l'aggiunta di fibre di basalto migliora efficacemente la vita a fatica del calcestruzzo; quando il contenuto di fibra di basalto è dello 0,3%, l'effetto di miglioramento della vita a fatica del calcestruzzo è più significativo.
4. Sono stati testati lo stress e la deformazione del calcestruzzo durante il carico ciclico, e sono state tracciate le curve di stress-deformazione a fatica del calcestruzzo rinforzato con fibra di basalto a diversi livelli di stress. Man mano che il livello di stress diminuisce, la curva di stress-deformazione a fatica passa gradualmente da un tipo "alto e fine" a un tipo "basso e largo".
5. Sono state testate la deformazione e la vita a fatica del calcestruzzo durante il carico ciclico, e sono state tracciate le curve di vita a fatica a deformazione del calcestruzzo con diversi contenuti di fibra. Durante il processo di carico ciclico, il processo di deformazione dei materiali in calcestruzzo può essere suddiviso in tre fasi: la fase di crescita rapida della deformazione, la fase di crescita uniforme della deformazione e la fase di crescita rapida della deformazione.

Fonte:

Experimental study on direct tensile fatigue performance of basalt fiber reinforced concrete