COMPORTAMENTO FESSURATIVO DI CALCESTRUZZI CON FIBRE IN PVA ED ADDITIVO SRA: comp
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Argomento: Articoli di ingegneria strutturale


 Molteplici sono i motivi che possono portare il calcestruzzo alla fessurazione, tuttavia l’instabilità volumetrica generata dal ritiro della matrice cementizia è sicuramente una delle più usuali e frequenti cause dell’apparizione delle fessure in una struttura in calcestruzzo armato. Questo avviene perché la presenza di vincoli nella struttura impedisce il movimento di contrazione generando tensioni di trazione all’interno del materiale. Siccome il calcestruzzo è caratterizzato da una scarsa resistenza nei confronti degli sforzi di trazione, molto frequentemente le deformazioni da ritiro portano alla fessurazione. 
 1. INTRODUZIONE
L’entità delle tensioni di trazione che si sviluppano per effetto dell’impedimento delle variazioni volumetriche del calcestruzzo è direttamente proporzionale al ritiro lineare, quindi la riduzione di questa deformazione consentirebbe un miglioramento del comportamento fessurativo. Una diminuzione del ritiro del calcestruzzo può essere conseguita attraverso l’impiego di additivi SRA (Shrinkage Reducing Admixture). Questi speciali additivi sono attualmente disponibili sul mercato in una grande varietà di tipi. Anche se non della stessa composizione, questi prodotti sono simili per natura e provocano tutti la riduzione della tensione superficiale della soluzione presente nei pori capillari della matrice cementizia. 

Da Enco Journal n. 47 - 2009


 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.

5 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

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