Studio sull'aderenza tra microcalcestruzzi fibrorinforzati e substrati esistenti per applicazioni strutturali

Nell’ambito della riparazione e del rinforzo di elementi in calcestruzzo esistenti, la tecnica di sovrapposizione mediante overlay è una pratica ampiamente utilizzata. Essa presenta una vasta gamma di applicazioni, quali ad esempio, interventi di ripristino di solai, pilastri, travi, pile ed impalcati da ponte. Il principale scopo di questa tecnica è ripristinare la capacità strutturale di un elemento in calcestruzzo, nonché di prolungare la vita utile della struttura.

Il legame di aderenza tra il supporto e il rivestimento è un fattore importante per quanto riguarda la funzionalità di un elemento composito costituito da calcestruzzo di età diverse.

Attraverso un programma di prove sperimentali, questo lavoro si pone come obiettivo la valutazione della forza di adesione all’interfaccia tra il calcestruzzo esistente e il rivestimento in calcestruzzo fibrorinforzato, studiando come la resistenza del calcestruzzo di supporto e della rugosità della superficie influenza tale legame.

I risultati indicano che la forza di adesione incrementa con un aumento della resistenza a compressione del substrato ed evidenziano, per le classi di resistenza del calcestruzzo di base considerate, che la rugosità della superficie del substrato non influenza la forza di adesione dell'interfaccia.

Riparazione e riabilitazione di elementi in calcestruzzo: cos'è l'aderenza all’interfaccia

Il legame di aderenza tra due superfici a contatto è la forza che si oppone allo scorrimento relativo. Esso garantisce il trasferimento orizzontale del taglio tra due elementi.

Il legame di aderenza tra il rivestimento in calcestruzzo fibrorinforzato (overlay) e il calcestruzzo di supporto (substrato) gioca un ruolo importante nel successo dei lavori di riparazione e riabilitazione di elementi esistenti. Nell'applicazione e nell'esecuzione delle riparazioni degli elementi in calcestruzzo è importante che il legame di adesione all’interfaccia tra i due materiali sia resistente e duraturo. Una buona adesione, infatti, è un fattore chiave per fornire un comportamento monolitico dell’elemento composito. La forza e l’integrità del legame di aderenza dipendono dalle proprietà meccaniche e dalle condizioni del substrato, nonché dalla preparazione della superficie e dalla pulizia del supporto in calcestruzzo. La preparazione della superficie comprende la rimozione di parti danneggiate e/o deteriorate del vecchio calcestruzzo e la rimozione di particelle sciolte e contaminanti sulla superficie conferendo un certo valore di rugosità.

Metodo di prova per valutare la resistenza allo scorrimento all'interfaccia: il programma sperimentale condotto

La campagna sperimentale oggetto di questo lavoro ha riguardato lo sviluppo un metodo di prova per valutare la resistenza allo scorrimento all'interfaccia tra due diversi materiali: un calcestruzzo ordinario, che simula il supporto esistente, e un microcalcestruzzo fibrorinforzato, che riproduce il rinforzo applicato. Nella campagna sperimentale sono stati considerati due diversi materiali di riparazione, entrambi prodotti da Mapei S.p.A. I provini, divisi in due serie sulla base del materiale di rinforzo applicato, sono caratterizzati da tre differenti calcestruzzi di supporto e tre differenti indici di rugosità della superficie di contatto, per un totale di 72 provini. I campioni sono stati realizzati presso Mapei S.p.A. e le prove sono state condotte presso il Laboratorio “Pietro Pisa” dell'Università degli Studi di Brescia.

Geometria, materiali e test set-up

I provini (rappresentati in Figura 1) sono costituiti da due prismi di calcestruzzo armato, con armature longitudinali e staffe del diametro di 6 mm (Ø6), ciascuno delle dimensioni di 200 x 100 x 100 mm, i quali simulano il substrato esistente. Ai lati dei prismi in calcestruzzo sono stati applicati due prismi di microcalcestruzzo fibrorinforzato, ciascuno dei quali misura 300 x 100 x 100 mm; quest’ultimi riproducono il materiale di rinforzo. L'area delle quattro superfici di contatto misura 100 x 100 mm². Prima di eseguire il getto del microcalcestruzzo fibrorinforzato le superfici di contatto sono state opportunamente preparate per garantire tre diversi indici di rugosità: liscia (3.0 mm), in accordo con il fib Model Code 2010 (2013). La Figura 2 mostra la preparazione dei provini e della superficie di interfaccia.

Figura 1: a) geometria dei provini, b) set-up di prova.

Figura 2: a) getto dei prismi di substrato; b) preparazione della superficie del supporto; c) pulizia dei prismi di substrato; d) getto del microcalcestruzzo fibrorinforzato.

I supporti in calcestruzzo scelti per le indagini sono rappresentativi dei calcestruzzi solitamente impiegati per la costruzione di strutture in c.a. nel settore civile. I calcestruzzi utilizzati sono identificati dalle seguenti classi di resistenza: C12/15, C16/20 e C20/25. Per quanto riguarda il materiale di overlay, i due prodotti selezionati sono qui denominati PHF e PHF46. Entrambi sono costituiti da malte strutturali, dette anche microcalcestruzzi, ad elevatissime prestazioni meccaniche (High Performance Concrete) e fibrorinforzate con fibre strutturali di acciaio, sviluppate per il rinforzo in basso spessore delle strutture in calcestruzzo armato. Grazie alla presenza delle fibre strutturali, questi microcalcestruzzi fibrorinforzati rientrano nella tecnologia degli FRC (Fibre Reinforced Concrete). La resistenza cubica a compressione, calcolata in accordo con la norma UNI EN 12390-3, di PHF e PHF46 è rispettivamente 108 e 101 MPa; entrambi i materiali, in accordo con il CVT n° 264/2020, rientrano nella classe di tenacità 8c, particolarmente performante.

Le prove sono state condotte applicando una forza di compressione ad entrambe le estremità dei provini mediante due piastre in acciaio (Figura 1). All’interfaccia campione-piastra in acciaio è stato posizionato un sottile strato di neoprene per prevenire problemi di contatto relativi ad eventuali irregolarità e per distribuire equamente il carico verticale totale (P) sulla superficie. Durante la prova sono stati misurati gli scorrimenti relativi tra substrato e rivestimento.

La resistenza al taglio all'interfaccia è poi stata calcolata nell’ipotesi di sforzo tangenziale uniformemente distribuito, con la seguente equazione:

τ_a  =  P /2A

dove: τ_a è lo sforzo di taglio medio, P è il carico applicato e A è l’area di interfaccia (10 000 mm²).

Risultati sperimentali

I risultati sperimentali indagano l’influenza della resistenza del calcestruzzo di substrato e della rugosità della superficie di contatto tra substrato e overlay. I risultati vengono presentati per ciascun metodo di preparazione della superficie, ovvero campioni lisci, ruvidi e molto ruvidi. I risultati sperimentali sono suddivisi nelle due serie: PHF e PHF46. La Figura 3 riporta i valori di sforzo di taglio all’interfaccia (in MPa) calcolati per ogni tipologia di supporto e rispettiva rugosità.

Figura 3: Sforzo di taglio all’interfaccia per i provini PHF (a) e PHF46 (b).

Dai risultati sopra riportati si può osservare che la forza di adesione aumenta all’aumentare della resistenza a compressione del calcestruzzo di supporto, per ogni indice di rugosità e per entrambi i materiali di rinforzo. Tuttavia, i risultati suggeriscono un’indipendenza tra le diverse rugosità e la resistenza a taglio. Inoltre, dalle prove sperimentali è stato riscontrato che i piani di rottura interessano principalmente il substrato e solamente in alcuni casi specifici l’interfaccia, ma mai il microcalcestruzzo fibrorinforzato. Il valore della forza di aderenza è da considerarsi come valore effettivo solo nel caso di rottura all’interfaccia; diversamente, nei casi in cui la superficie di rottura interessa il materiale di substrato, esso rappresenta un limite inferiore. La rottura del calcestruzzo di supporto spiega i valori simili di resistenza media a taglio registrati durante le prove indipendentemente dalla rugosità. Infatti, la resistenza a trazione del calcestruzzo di substrato, rappresenta l’anello debole della catena del materiale composito. Si può quindi dedurre che sia la resistenza a taglio all’interfaccia che, ovviamente, la resistenza a trazione del calcestruzzo fibrorinforzato sono superiori. La Figura 4 mostra le due tipiche modalità di rottura che si sono presentate nei provini oggetto della campagna sperimentale.

Figura 4: Tipica modalità di rottura: a) distacco e cedimento del materiale nelle regioni vicine all'interfaccia del substrato in calcestruzzo; b) rottura del substrato in calcestruzzo.

Sulla base dei risultati sperimentali ottenuti è possibile trarre le seguenti conclusioni principali:

• L'influenza della resistenza a compressione del calcestruzzo di supporto è un parametro significativo che influenza lo sforzo di taglio all'interfaccia tra calcestruzzi con età diverse. In particolare, è stato osservato un maggiore incremento della forza di adesione per il calcestruzzo C20/25.
• L'influenza della rugosità superficiale del substrato non è particolarmente significativa nel determinare la forza di adesione all'interfaccia, per le classi di resistenza del substrato indagate. Nonostante i diversi indici di rugosità nei campioni testati il comportamento dei provini è stato simile.
• La modalità di rottura dominante è caratterizzata dalla fessurazione del substrato in zone vicine all'interfaccia, indipendentemente dalla resistenza a compressione del substrato, dalla rugosità superficiale o dal materiale fibrorinforzato di rinforzo.

Sarebbero certamente utili prove simili realizzate su substrati di resistenze maggiori, per simulare l’aderenza in situazioni più critiche, quali travi da ponte.

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