Sviluppo di calcestruzzi fibrorinforzati autocompattanti ad alte prestazioni (HPFRC)

L'uso di fibre corte nel calcestruzzo, come rinforzo strutturale discontinuo, si è dimostrato ampiamente efficace. Nel presente studio due nuovi calcestruzzi rinforzati con fibre ad alte prestazioni (HPFRC) sono stati studiati e sviluppati in laboratorio.

Sono state considerate miscele diverse per valutare l'influenza dei componenti nella reologia e nella lavorabilità allo stato fresco. Sono stati combinati diversi tipi di fibre per valutare l'influenza in entrambi i test di flessione e di compressione. Le fibre utilizzate in questa ricerca includono acciaio e polimero con le loro rispettive proprietà meccaniche; le loro dimensioni longitudinali e il loro rapporto d’aspetto. Il grado di resistenza alla compressione è stato confermato pari a 100 MPa.

L'elevata quantità di fibre sintetiche (PVA e polipropilene) o acciaio ha prodotto una maggiore resistenza alla compressione. Secondo il "Codice modello fib per le strutture in calcestruzzo 2010" è stato calcolato il comportamento in tensione.

Articolo presentato in occasione degli Italian Concrete Days 2018 di aicap e CTE

I calcestruzzi fibrorinforzati autolivellanti

L’utilizzo di materiali compositi come calcestruzzi fibrorinforzati destinati ad applicazioni strutturali sta diventando sempre più diffuso nel mondo.

I calcestruzzi fibrorinforzati autolivellanti sono calcestruzzi cementizi additivati con fibre di diversa natura e lunghezza, in grado di scorrere sotto l’azione del proprio peso.

I calcestruzzi autocompattanti sono caratterizzati allo stato fresco da alta fluidità e stabilità reologica.

La loro applicazione principale si scorge nei casi di forme complesse e presenza di una fitta armatura di rinforzo, dove il calcestruzzo deve essere in grado di scorrere tra i ferri di armatura e autolivellarsi senza la necessità di vibrazione.

L’aggiunta di fibre nei calcestruzzi autocompattanti rappresenta un vantaggio nei riguardi delle pre-stazioni allo stato fresco, in quanto viene garantita una uniforme dispersione di fibre, che in caso contrario risulterebbe difficilmente ottenibile.

La sinergia esistente tra i calcestruzzi autocompattanti e le fibre di rinforzo permette l’eliminazione della vibrazione, nonché la riduzione parziale o totale di armatura di rinforzo, Bertolini et al. (2013), Spiesz et al. (2014), Li et al. (1992).

In un’ottica prettamente industriale naturalmente questo aspetto risulta rilevante, in virtù della maggiore velocità di costruzione dell’opera, della ridotta dipendenza dalla qualità della manodopera, e della riduzione delle malattie professionali correlate.

Tra i vantaggi apportati dall’inserimento delle fibre al calcestruzzo, noto come materiale fragile, ricordiamo il miglioramento della duttilità.

La presenza delle fibre conferisce al calcestruzzo, dopo la fessurazione, una significativa resistenza residua e una capacità plastica oltre alla notevole miglioria in termini di durabilità, Li et al. (2002), Felekoglu et al. (2009).

L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di diversa natura (polimeriche e in acciaio), lunghezza e in diversi dosaggi semplici e combinati.

Si potrà vedere come il dosaggio di fibre sia regolato dal mix design e dipendente dalla natura delle materie prime impiegate per il confezionamento del calcestruzzo.

Per quanto concerne la scelta dell’aggregato, esistono raccomandazioni sulla massima dimensione del diametro dell’aggregato e sul rapporto tra diametro dell’aggregato fine e grosso, allo scopo di ottenere la massima densità di compattazione.

Nella calibra-zione del mix design verranno presi in esame due diversi approcci: uno statistico attraverso codici di calcolo numerico e l’altro basato sull’ottimizzazione dell’impaccamento granulometrico.

La curva granulometrica sarà definita in funzione del calcolo modificato di Andreasen, un modello esponenziale che permette di tener conto della condizione autolivellante del calcestruzzo e delle due dimensioni minima e massima del diametro dell’aggregato. Di ogni miscela presa in esame, saranno individuate le relative proprietà allo stato fresco e allo stato indurito.

Per quanto riguarda le proprietà meccaniche sono state condotte prove di compressione su provini cubici e di flessione in tre punti su provini prismatici.

L’analisi in questo caso ha lo scopo esclusivo di confronto dei dati.Le Nuove Norme Tecniche 17 gennaio 2018, prevedono l’aggiunta di una sezione dedicata al Calcestruzzo Fibrorinforzato (FRC).

Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) è caratterizzato dalla presenza di fibre discontinue nella matrice cementizia; tali fibre possono essere realizzate in acciaio o materiale polimerico.

La miscela del calcestruzzo fibrorinforzato deve essere sottoposta a valutazione preliminare con determinazione dei valori di resistenza a trazione residua fR1k per lo Stato limite di esercizio e fR3k per lo Stato limite Ultimo determinati secondo UNI EN 14651:2007.

Per la qualificazione del calcestruzzo fibrorinforzato e la progettazione delle strutture in FRC si dovrà fare esclusivo riferimento a specifiche disposizioni emanate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.

Nel seguente caso di studio, l’analisi dei dati ottenuti dalle prove è stata condotta in accordo al “fib Model Code for Concrete Structures 2010”, al fine di calcolare le resistenze a trazione residue e momenti rispettivamente allo stato limite di esercizio e stato limite ultimo.

2 METODOLOGIE

2.1 Mix Design e Miscele

Come già anticipato nel paragrafo precedente, verranno esaminati due diversi approcci volti all’ottimizzazione di miscele di calcestruzzo ad alte prestazioni, delle quali sono note le formule nominali.

I due approcci interessano rispettivamente due tipi di calcestruzzi distinti principalmente per il tipo di materie prime impiegate e definiti nel seguente articolo come: HPFRC1 e HPFRC2.

Nel caso del calcestruzzo HPFRC1, nota la formula nominale iniziale, è stato condotto uno studio finalizzato al miglioramento delle proporzioni tra i componenti. Si stabilisce quindi un intervallo di variabilità nel quale far variare i componenti e si esegue l'elaborazione mediante il software Minitab (DOE-Design of Experiments) che permette di ottenere una serie di mix design differenti.

Le suddette miscele sono sviluppate in laboratorio e di queste viene studiata la reologia attraverso la misura dello spandimento al fine di avere un parametro di confronto.

Il DOE viene ottenuto attraverso un software che consente di progettare esperimenti per ottenere dei mix design e capire l'influenza delle variabili sul risultato durante la fase sperimentale svolta in laboratorio.

Esistono diverse metodologie: Full factorial design, Fractional factorial design, Metodo Taguchi, Mixture design. Il Mixture design viene utilizzato nel caso di analisi delle miscele, permettendo di analizzare l'effetto delle proporzioni tra le componenti, con la possibilità di imporre dei limiti alle proporzioni e delle relazioni tra le variabili (es: intervallo di variabilità della quantità di cemento e sabbia nella miscela, mantenendo costante la somma dei due).

L’analisi del mix design che interessa il secondo calcestruzzo in esame, HPFRC2 è stata svolta in funzione dell’ottimizzazione della curva granulometrica,considerando la presenza di tutte le polveri in accordo al modello modificato di Andreasen(1). Lo scopo è quello di ottenere una curva granulometrica continua e prossima a quella ideale definita dal modello, in modo da avere una densità di compattazione elevata.

Dove P(d) rappresenta la frazione del passante cumulativo rispetto all’apertura d; dmax è il diametro massimo dell’aggregato e dmin il diametro minimo.

L’esponente “q” è un fattore correttivo dipendente dal tipo di calcestruzzo considerato. Il suo valore varia in funzione della granulometria propria degli aggregati: nel caso di aggregati grossi questo assume valori superiori a 0.5, nel caso di aggregati fini valori inferiori a 0.5. In presenza di calcestruzzi autocompattanti questo assume valori compresi nell’intervallo 0.22- 0.25, Ferrara et al. (2007), Hannawi et al. (2016).

2.2 Lavorabilità

Lo studio dei calcestruzzi allo stato fresco è stato svolto in laboratorio secondo due tipologie di prove: Slump flow Test e V-Funnel Test. Le seguenti prove sono state condotte al fine di avere un parametro di confronto immediato tra le miscele sviluppate.

Lo slump flow test è stato condotto attraverso l'impiego di un cono piccolo, di dimensioni dimezzate rispetto al cono di Abrams, Fig. 1. In laboratorio è stata condotta un’analisi di confronto tra le misure ottenute attraverso i due strumenti, pervenendo ad una relazione pari a 1:3 per calcestruzzi fluidi, di classe S5.

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO

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