Un calcestruzzo ad alte prestazioni per la protezione di strutture da urti ed impatti

In this work a granular cementitious composite has been developed whose performance has to be characterized by low compressive strength and high deformation and energy dissipation capacity. This can be achieved by uniform grain size distribution, paste content as low as minimum theoretical void ratio and low paste strength, so to allow for energy dissipation after paste cracking due to both rearrangement of grain meso-structure and, in case, grain crushing. This study details the optimization of the material composition, in terms of w/c ratio, content of air entraining agent, mixing protocol, paste volume fraction, grain size distribution of the lightweight clay aggregate (LWA), and the static characterization.
 

Una delle maggiori necessità della nostra società è legata allo sviluppo di strategie atte a garantire un'adeguata protezione di strutture ed infrastrutture, specialmente se socialmente sensibili, nei confronti di eventi eccezionali quali ad esempio impatti, esplosioni, etc. anche se non necessariamente legati ad attacchi terroristici. Dal punto di vista della progettazione strutturale, tale concetto può essere evidentemente declinato secondo differenti punti di vista.

Da un lato infatti, la concezione della struttura e la scelta del materiale dovranno fondarsi sui concetti di resilienza e tolleranza del danneggiamento.

Ad esempio, si privilegeranno schemi strutturali fortemente iperstatici, progettati in maniera tale da consentire, anche nel caso di improvvisa rimozione di uno o più elementi resi-stenti, una adeguata redistribuzione delle solle-citazioni e dunque l’instaurarsi di un nuovo percorso dei carichi e del relativo schema resi-stente. Inoltre può raccomandarsi l’utilizzo di materiali ad elevate prestazioni, tanto per la realizzazione di nuove strutture quanto per la riparazione/protezione di quelle esistenti.

Tale categoria di materiali, fra i quali, ad esempio, si citano i compositi cementizi ad elevate prestazioni (High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites – HPFRCCs) è in grado di subire notevoli deformazioni sotto livelli di sforzo non trascurabile e praticamente costante, il che com- porta una elevata capacità di assorbire e dissipare energia, certamente richiesta per le applicazioni di cui si è detto [01].

Inoltre, come è stato di recente dimostrato da appositi studii [02], tali materiali sono in grado di mantenere una significativa aliquota del loro livello prestazionale “vergine” anche a fronte di condizioni di esposizione estreme, quali elevate temperature ed elevate velocità di deformazione, che pure caratterizzano le sollecitazioni indotte dagli eventi accidentali quali impatti, urti, esplosioni.

Accanto al suddetto concetto di “resistenza attiva”, per il quale la struttura, in virtù della propria concezione e del materiale con il quale è realizzata è in grado di far fronte all’evento accidentale e possiede una intrinseca capacità di limitarne gli effetti disastrosi, può implementarsi utilmente anche un concetto di resistenza passiva, ad esempio realizzando, ad una certa distanza, muri di protezione che impediscano ad un veicolo esplosivo di avvicinarsi. Il muro di protezione non deve però diventare una parte del problema [03], ad esempio nel caso in cui un veicolo, esplodendo ad una certa distanza da esso lo riduca in frammenti di dimensioni tali da diventare proiettili pericolosi per la struttura e per i suoi occupanti.

Ciò ha portato, nello studio citato [03], a sviluppare una particolare categoria di composito cementizio ad elevate prestazioni denominato “frangible concrete”, capace di rompersi in frammenti di minuscole dimensioni, tali da essere facilmente dispersi senza pericolo, e comunque capace di assorbire e dissipare energia attraverso il diffuso processo di frammentazione.

In questo studio si è seguito un percorso concettuale simile per sviluppare il cosiddetto “collapsible concrete”, capace di dissipare una significativa quota parte dell’energia generata da una esplosione.

Ciò, come sarà nel seguito illustrato in dettaglio, lo si ottiene “progettando” un materiale caratterizzato da un basso “sforzo di prima frammentazione” e quindi capace di sviluppare notevoli deformazioni sotto sforzo praticamente costante, assorbendo e dissipando energia, attraverso un riarrangiamento della propria meso-struttura granulare (Figura 2).

Tale materiale potrà essere utilizzato per schermi protettivi sacrificali [04-07] in conci prefabbricati di tunnel, concepiti come illustrato in Figura 1. Grazie alla capacità del materiale di assorbire e dissipare energia, grazie a meccanismi di frammentazione interna e riarrangiamento meso-strutturale, lo schermo protettivo sarà in grado di  assorbire e dissipare una significativa quota parte dell’input energetico generato dall’esplosione, evitando dunque che esso venga trasmesso alla struttura e limitando il danno conseguente. Ciò consentirà anche di intervenire, a seguito dell’evento, in maniera assai più rapida ed economica, limitandosi alla sostituzione del pannelli protettivi danneggiati.

In questo studio si procederà dapprima ad illustrare nel dettaglio la concezione del materiale e quindi ad una verifica della prestazione attraverso un’ ampia campagna sperimentale di caratterizzazione del comportamento del collapsible concrete sotto sollecitazioni di com-pressione statica. In tale ambito verrà discussa anche l’influenza delle diverse variabili di mix-design (granulometria aggregati, volume di pasta cementizia, rapporto acqua/cemento) [08-09].

CONCEZIONE DEL MATERIALE

L’obiettivo fondamentale, che sottende alla concezione del materiale sviluppato in questo lavoro, consiste nell’avere un composito a matrice cementizia il cui comportamento sia caratterizzato da una bassa resistenza e da una elevata capacità di dissipare energia. Al fine di contemperare i due suddetti, e per alcuni aspetti contraddittori, requisiti è necessaria una elevata capacità di deformazione, sotto modesti livelli di sforzo: ciò, secondo quanto perseguito in questo studio, può ottenersi grazie ad un riarrangiamento della mesostruttura dello scheletro solido del composito, conseguente alla rottura di deboli legami intergranulari (Figura 2). Ciò è possibile solo mediante una distribuzione granulometrica degli aggregati caratterizzata da un indice dei vuoti sufficientemente elevato.

Onde dunque di perseguire gli obiettivi sopra illustrati, in termine di prestazione del materiale, la composizione dello stesso è stata “progettata” sviluppando i seguenti tre concetti fondamentali:

• pasta cementizia caratterizzata da una bassa resistenza, per mantenere corrispondentemente bassa la resistenza del composito, ma allo stesso tempo da una tenacità non trascurabile, onde comunque contribuire, attraverso quest’ultima, alla globale capacità di dissipazione energetica del materiale. Ciò può ovviamente conseguirsi adottando un rapporto acqua/cemento elevato ma altresì attraverso l’aggiunta di un quantitativo, quanto più possibile elevato, di additivo aerante: quest’ultimo, grazie al sistema di micro bolle che genera nella pasta cementizia, da un lato contribuisce al decremento di resistenza ma dall’altro, costituendo le bolle comunque un ostacolo alla propagazione delle fessure, può comportare un incremento della tenacità:
• scheletro solido caratterizzato da una distribuzione granulometrica il più “stretta” possibile, al fine di avere un indice dei vuoti quanto più possibile elevato; i vuoti infatti costituiscono lo spazio libero necessario per consentire, a seguito della rottura dei legami intergranulari creati dalla debole pasta cementizia, il riarrangiamento dello scheletro solido, garantendo in tal modo quella elevata capacità deformativa sotto bassi e costanti livelli di sforzo che è richiesta al composito. Si è inoltre deciso di impiegare aggregati leggeri per la seguente duplice ragione. Da un lato, evidentemente, essi sono meno resistenti dei normali aggregati e, potendosi rompere più facilmente, contribuiscono a mantenere bassa la resistenza ultima del composito, che si raggiunge a causa dello schiacciamento dello scheletro solido finalmente compattato al termine della fase di deformazione sotto sforzo costante. D’altro canto, pensando ad una prefabbricazione di schermi protettivi realizzati con il composito cementizio oggetto del presente studio, è evidente che un ridotto peso del manufatto, conseguibile anche con l’uso di aggregati leggeri, contribuisce ad un loro più agevole montaggio e smontaggio;
• un dosaggio di pasta cementizia nel composito il più basso possibile, al mero fine di garantire un minimo grado di cementazione intergranulare e senza riempire completamente i vuoti dello scheletro solido, cosa che non lascerebbe spazio libero per il riarrangiamento mesostrutturale sotto carico dei grani di aggregatodi cui si è detto in precedenza.
   

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