È, tuttavia, necessario anche tener conto che la fessurazione del calcestruzzo è
il risultato della scadente capacità di questo materiale di resistere agli
sforzi ed alle relative deformazioni di trazione. Aggiungendo alla fragile
matrice cementizia un materiale che sia in grado di resistere alle
sollecitazioni di trazione è possibile ridurre la vulnerabilità alla
fessurazione di questo materiale. Quindi, la presenza di fibre disperse
all’interno della matrice cementizia potrebbe migliorare il comportamento
fessurativo del calcestruzzo, dal momento che le fibre creano una sorta di
cucitura interna della matrice cementizia, assorbendo e trasferendo gli sforzi
di trazione attraverso la fessura1,2.
L’analisi comparativa della tendenza alla fessurazione di calcestruzzi soggetti
a ritiro vincolato in presenza o meno di additivo riduttore di ritiro (SRA), di
fibre sintetiche in PVA e della loro combinazione è stato argomento di studio
del dottorato di ricerca dell’autrice sotto la guida degli altri autori di
questo articolo. Il lavoro integrale3 comprendeva
l’analisi di diversi parametri che caratterizzano il comportamento fessurativo
del calcestruzzo; tuttavia, in questo articolo sono riportati i risultati
ottenuti per quanto riguarda il tempo di apparizione della fessura e
l’evoluzione della sua apertura nel tempo.
2. CAMPAGNA SPERIMENTALE
2.1 Materiali
È stato utilizzato un cemento del tipo HS secondo la normativa americana4.
In base alle caratteristiche di questo cemento, è stato possibile classificarlo,
in conformità alla normativa europea5, come cemento al calcare del
tipo CEM II-A/LL 42,5R.
Come additivo SRA è stato impiegato un prodotto a base di glicole propilenico
reperibile in commercio.
Inoltre, sono state utilizzate fibre sintetiche in poli-vinil-alcol (PVA)
caratterizzate da due diverse geometrie, riportate in Tabella 1 insieme alle
caratteristiche meccaniche.
Infine, quando necessario al fine di mantenere il più simile possibile la classe
di consistenza dei calcestruzzi, è stato impiegato un superfluidificante del
tipo policarbossilato con sostanza attiva del 17%.
2.2 Proporzionamento delle miscele
La composizione delle miscele è riportata in Tabella 2. Allo scopo di garantire
che il ritiro fosse prevalentemente imputabile a fenomeni di natura igrometrica,
il rapporto acqua/cemento è stato mantenuto costante al valore di 0,5, tenendo
conto dei contributi derivanti dall’additivo SRA e dall’additivo
superfluidificante nella determinazione dell’acqua d’impasto.
2.3
Metodi
Il comportamento fessurativo dei calcestruzzi è stato valutato attraverso la
prova dell’anello (Ring Test), basata sostanzialmente sulla rilevazione delle
deformazioni di un’anello di calcestruzzo vincolato da un’anello interno di
acciaio. La metodologia di prova ha seguito le raccomandazioni della normativa
americana6, anche se si sono rese necessarie alcune modifiche dimensionali per
tener conto delle caratteristiche dei materiali utilizzati.
Per ogni miscela sono stati confezionati due anelli di calcestruzzo, mantenuti
in condizioni protette dall’evaporazione dell’acqua per 24 ore dopo il getto.
Subito dopo la rimozione del cassero esterno, la superficie superiore degli
anelli è stata impermeabilizzata con silicone. All’interno ed a mezz’altezza di
ogni anello d’acciaio sono stati fissati due estensimetri per la misura delle
deformazioni indotte (Figura 1), collegati direttamente ad un elaboratore
programmato per la registrazione dei dati ogni 30 minuti.
Per tutto il tempo di prova, i provini sono stati conservati in una camera
climatica con temperatura di 23±1°C ed umidità relativa di 50±5% (Figura 2).
Dopo l’innesco della fessura, la sua apertura è stata determinata utilizzando un
microscopio portatile con precisione di 0,01 mm. L’apertura della fessura è
stata ricavata dalla media di 3 misure effettuate lungo l’altezza dell’anello.
Questa procedura è stata ripetuta ogni giorno fino ad un minimo di 2 settimane
dopo l’apparizione della fessura.
La prova di ritiro libero (Figura 3) è stata eseguita tenendo conto delle
raccomandazioni della normativa americana7. Tuttavia, per ricreare in
entrambi i tipi di prove (ritiro libero e ritiro vincolato) condizioni simili di
ritiro è stato necessario modificare il rapporto tra il volume e l’area
superficiale esposta all’aria del campione prismatico. È stato applicato sulla
superficie del campione lineare due strati di una pellicola adesiva di
alluminio, lasciando libere per l’evaporazione soltanto due facce opposte dal
provino (Figura 4).
3. RISULTATI E DISCUSSIONE
3.1 Ritiro libero
Secondo le aspettative, l’aggiunta dell’additivo riduttore di ritiro ha ridotto
sostanzialmente il ritiro libero del calcestruzzo (Figura 5). La miscela
contenente 1% di SRA, pari a 4 kg/m3, ha mostrato una riduzione del ritiro di
circa il 45% rispetto al calcestruzzo di riferimento.
I calcestruzzi fibrorinforzati, invece, non hanno mostrato una simile
sostanziale riduzione, essendo stato possibile riscontrare in queste miscele
solo una leggera diminuzione del ritiro libero. Per quanto riguarda il
calcestruzzo F 200 (Mix 3), la lieve riduzione di ritiro potrebbe essere
imputata all’aggiunta dell’1% di additivo superfluidificante, dal momento che
gli additivi fluidificanti di nuova generazione possono comportare una riduzione
del ritiro del calcestruzzo, anche a parità di acqua d’impasto8.
Tuttavia, nel calcestruzzo F 45 (Mix 4) la riduzione del ritiro è stata
leggermente maggiore di quella avvenuta nel calcestruzzo con le microfibre,
anche se l’additivo superfluidificante non è stato aggiunto in questa miscela.
Una possibile spiegazione della maggiore riduzione del ritiro libero nel Mix 4
potrebbe essere fornita da una modifica della fuoriuscita d’acqua provocata
dalle macrofibre di PVA9. La notevole dimensione delle macrofibre di
PVA (30 mm di lunghezza e 0,66 mm di diametro) potrebbe aver accentuato la
tortuosità dei capillari della matrice cementizia provocando una modifica delle
condizioni di evaporazione dell’acqua durante il ritiro del calcestruzzo.
Inoltre, si può ipotizzare che la grande affinità con l’acqua, caratteristica
delle fibre in PVA, possa aiutare a trattenere una piccola quantità di acqua in
più all’interno della matrice cementizia, che potrebbe giustificare la leggera
riduzione di ritiro.
La prova di ritiro libero non è stata eseguita sui calcestruzzi in cui le fibre
sono state aggiunte in combinazione con l’additivo riduttore di ritiro,
ritenendo che la piccola riduzione (< 10%) del ritiro libero riscontrata nei
calcestruzzi fibrorinforzati non sarebbe stata in grado di comportare ulteriori
modifiche alla significativa riduzione del ritiro avvenuta a causa dall’aggiunta
di SRA.
3.2 Ritiro
vincolato (Ring Test)
I risultati di deformazione dell’anello di acciaio a causa del ritiro del
calcestruzzo sono presentati nelle figure 6-8.
In queste figure è possibile constatare che le deformazioni degli anelli di
acciaio iniziano subito dopo il primo giorno dal getto, momento in cui i
calcestruzzi vengono esposti ad un ambiente insaturo di vapore ed iniziano a
subire il ritiro. Parte della deformazione di ritiro è impedita dall’anello di
acciaio provocando sollecitazioni di trazione nell’anello di calcestruzzo.
Quando il calcestruzzo non ha più la capacità di assorbire le deformazioni e le
sollecitazioni di trazione generate dal ritiro vincolato superando la resistenza
a trazione del calcestruzzo, si apre una fessura, rilevabile attraverso il
rilassamento delle deformazioni nell’anello di acciaio.
Per il calcestruzzo di riferimento (Mix 1) la fessurazione è avvenuta dopo 10
giorni dal getto mentre per il calcestruzzo con SRA (Mix 2) la fessura è apparsa
dopo 20 giorni (Figura 6). Il ritardo nel tempo della fessurazione del
calcestruzzo con SRA è dovuto al minore ritiro subito da questa miscela che ha
rilassato le sollecitazioni di trazione, fornendo al calcestruzzo un tempo più
lungo per consentire un maggiore sviluppo della sua resistenza meccanica.
L’aggiunta di fibre nelle miscele di calcestruzzo, in presenza o meno di SRA
(Figure 7-8), non ha portato a notevole ritardi nel tempo della fessurazione. La
presenza delle fibre, infatti, non dovrebbe modificare il tempo dell’apparizione
della prima fessura nel calcestruzzo10. Il loro ruolo, invece, sarebbe quello di
contenimento dell’apertura della fessura dopo la sua apparizione, conferendo
alla fragile matrice cementizia una maggiore duttilità e permettendo una
maggiore deformazione prima della rottura completa. La piccola differenza nel
tempo di fessurazione rilevata per i calcestruzzi contenenti le macrofibre (Mix
4 e Mix 6) potrebbe essere molto probabilmente imputata semplicemente alla
inevitabile variabilità delle prove sperimentali. Tuttavia, nei calcestruzzi
contenenti le microfibre (Mix 3 e Mix 5), il ritardo della fessurazione è
risultato più evidente, suggerendo che la presenza delle fibre potrebbe, invece,
comportare una leggera tendenza a posticipare nel tempo l’insorgere della
fessurazione. Infatti, il meccanismo di apertura della fessura nel calcestruzzo
fibrorinforzato è abbastanza complesso e la presenza delle fibre potrebbe
produrre variazioni nella localizzazione del punto più fragile della matrice
cementizia durante il meccanismo che porta alla fessurazione.
Diversamente da quanto riscontrato nelle miscele senza fibre, i calcestruzzi
fibrorinforzati non hanno mostrato un totale rilassamento delle deformazioni,
mettendo in evidenza uno stato di compressione residua nell’anello di acciaio
dopo la fessurazione. Tale confinamento residuo è dovuto alla tensione di
aderenza delle fibre alla matrice cementizia, che permette di assorbire e
trasferire gli sforzi di trazione11. Il calcestruzzo con microfibre
(Mix 3) ha messo in evidenza una seconda fessura dopo 18 giorni dal getto.
L’apparizione di molteplici fessure nei calcestruzzi fibrorinforzati11, 12 è
dovuto alla creazione di vincoli interni nella matrice cementizia proprio a
causa della presenza di fibre. Questo comportamento appare interessante dal
punto di vista fessurativo, dal momento che l’apertura totale di fessurazione
viene suddivisa tra le diverse fessure che appaiono.
I risultati dell’evoluzione nel tempo dell’apertura delle fessure sviluppatesi
negli anelli di calcestruzzo sono riportati nelle Figure 9-10. Il ritardo della
fessurazione provocato dall’aggiunta di 1% di SRA (Mix 2) ha prodotto anche la
riduzione dell’apertura di fessura. Questo accade perché la diminuzione della
velocità di sviluppo del ritiro consente al calcestruzzo condizioni migliori per
sviluppare la resistenza alle deformazioni ed alle sollecitazioni di trazione
generate dal ritiro vincolato. La riduzione dell’apertura a causa dell’aggiunta
di SRA non è risultata molto marcata nel momento in cui la fessura si è
innescata; tuttavia, tale differenza è significativamente aumentata nel tempo,
con una percentuale di riduzione di circa il 40% nel momento in cui la prova è
stata sospesa.
Peraltro, è possibile verificare l’eccezionale riduzione dell’apertura della
fessura rilevata nei calcestruzzi con fibre. Con riferimento ai calcestruzzi
fibrorinforzati senza SRA, nessuna differenza è stata riscontrata nel valore
dell’apertura della fessura nel momento in cui la fessura è apparsa, ma con il
trascorrere del tempo è stata osservata un’apertura di fessura più ridotta nel
calcestruzzo con microfibre. Infatti, le fibre di elevato rapporto d’aspetto
generalmente sono più efficaci nel controllo della fessurazione rispetto alle
macrofibre12. Questo accade perché, a parità di dosaggio, le microfibre sono
presenti in maggiore numero all’interno della matrice cementizia e pertanto,
dopo la fessurazione, possono impedire più facilmente la crescita della fessura
stessa. Inoltre, grazie alle piccole dimensioni, possono agire anche sulla
microfessurazione.
Vale la pena di far notare, comunque, che l’apertura della fessura nel
calcestruzzo fibrorinforzato con microfibre (Mix 3) si riferisce alla prima
fessura avvenuta in questa miscela, e che la seconda fessura apparsa nel
diciottesimo giorno ha presentato la stessa apertura di fessura. In questo modo,
entrambi i calcestruzzi fibrorinforzati (Mix 3 e Mix 4) hanno presentato la
stessa apertura totale di fessurazione; tuttavia, nel calcestruzzo con
microfibre l’apertura di fessura è risultata divisa in due, e questo evento
appare sicuramente più favorevole in termini di durabilità del materiale, dal
momento che in uno spessore più ridotto risulta più difficile l’ingresso di
sostanze aggressive per il calcestruzzo.
Dalla Figura 10 è possibile dedurre ulteriori benefici in relazione al
comportamento fessurativo quando le fibre e l’additivo SRA sono utilizzati
contemporaneamente. L’aggiunta di SRA al calcestruzzo con macrofibre ha portato
ad una ulteriore riduzione dell’apertura di fessura, mentre il calcestruzzo
fibrorinfrozato con microfibre ha mantenuto lo stesso comportamento fessurativo,
anche se il dosaggio di fibre è stato dimezzato rispetto alle miscele senza SRA.
La Tabella 3 riporta un confronto riassuntivo tra il tempo di apparizione della
fessurazione e l’apertura della fessura dopo 30 giorni dal getto. Dopo tale
tempo i calcestruzzi fibrorinforzati con un basso dosaggio di fibre in PVA
(0,25% sul volume totale) ed aggiunta di SRA (1% sul peso di cemento), hanno
mostrato una apertura della fessura minore di 0,2 mm, consentendo una
percentuale di riduzione superiore al 75% per il calcestruzzo con macrofibre e
di circa 90% nel caso delle microfibre. Il costo delle fibre in PVA in Italia è
compresso tra 9 e 13 Euro/kg, mentre l’additivo SRA costa 3-5 Euro/kg. Il
raggiungimento dello stesso comportamento fessurativo attraverso la sostituzione
di 3,25 kg/m3 di fibre in
PVA con 4 kg/m3 di SRA comporta un risparmio minimo di circa 17 Euro/m3.
Inoltre, con la riduzione del dosaggio delle microfibre è possibile dimezzare
anche il dosaggio dell’additivo superfluidificante (Tabella 2), comportando un
ulteriore risparmio senza penalizzazione della qualità del calcestruzzo.
4. CONCLUSIONI
Secondo le aspettative, la presenza di SRA ha posticipato l’apparizione della
fessurazione, mentre l’aggiunta di fibre non ha provocato una sostanziale
modifica del tempo di apparizione della fessurazione.
L’aggiunta di 4 kg/m3 di
SRA ha ridotto di circa il 40% l’apertura della fessura. Tuttavia, la presenza
di 6,5 kg/m3 di fibre in
PVA ha ridotto tale apertura di circa il 70% nel caso delle macrofibre, e di
quasi il 90% per le microfibre.
L’aggiunta dell’additivo riduttore di ritiro (SRA) al calcestruzzo
fibrorinforzato con fibre in PVA ha consentito di dimezzare il dosaggio delle
fibre per ottenere lo stesso comportamento fessurativo della matrice cementizia,
con conseguente beneficio sulla lavorabilità dell’impasto e sul costo finale del
calcestruzzo.
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