DURABILITÀ DI MALTE FIBRORINFORZATE AL VARIARE DELLA TEMPERATURA

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1 DURABILITÀ DI MALTE FIBRORINFORZATE AL VARIARE DELLA TEMPERATURA I.Iacobini*, S.Candamano*, F.Crea* * Dipartimento di Ingegneria per l'ambiente e il Territorio e Ingegneria Chimica - DIATIC, Università della Calabria, via P.Bucci, Arcavacata di Rende, Cosenza Nel presente lavoro sperimentale si è provveduto al confezionamento di diverse miscele di malta cementizia fibrorinforzata mediante l aggiunta agli impasti di fibre di basalto e fibre di vetro. Le fibre di vetro sono comuni fibre corte allo zirconio che ordinariamente sono utilizzate per il confezionamento di manufatti cementizi. L utilizzo delle fibre di basalto nell ambito dell edilizia è, invece, attualmente, in fase di sperimentazione e verifica. Ai fini della valutazione comparativa dei due tipi di fibre, sono state realizzate numerose miscele utilizzandone un volume pari allo 0.1% - 0.2% - 0.4% e 0.8% sul volume totale della miscela. Le miscele così ottenute sono state caratterizzate mediante lo studio di alcune proprietà allo stato fresco, delle proprietà meccaniche e di resistenza alla temperatura. Gli impasti sono stati caratterizzati allo stato fresco tramite nuove tipologie di prove finalizzate ad un utilizzo sul campo per valutare il diverso grado di tixotropicità al variare della percentuale di fibre, mentre allo stato indurito si è provveduto ad eseguire prove termiche per valutare la resistenza al degrado indotto da un incremento di temperatura. L avanzamento del fenomeno di degrado nei provini durante i cicli è stato valutato eseguendo opportuni test di tipo non distruttivo - ultrasonico. I provini sono stati inoltre caratterizzati meccanicamente a flessione ed a compressione prima ed alla fine dei test termici condotti a 50 C, 100 C, 150 C, 200 C e 250 C. Il dosaggio ottimale di fibre di basalto all interno degli impasti di malta è risultato essere compreso tra lo 0,2% e 0,4% sul volume totale della miscela e le fibre di basalto hanno prodotto manufatti più resistenti ai cicli termici rispetto a quelli contenenti le fibre di vetro. Autore di riferimento : Fortunato Crea Ente di appartenenza: Dipartimento di Ingegneria Chimica e dei Materiali, Università della Calabria, Arcavacata di Rende, (CS) , tel., fax: f.crea@unical.it, , Tematica: Controlli e Caratterizzazione Meccanica dei Materiali Compositi

2 Introduzione È noto che l aggiunta di fibre in un materiale fragile consente di migliorarne la duttilità, originando in questo modo un nuovo materiale capace di lavorare sia a compressione che a flessione. Nell ambito dei materiali compositi, una delle più interessanti applicazioni riguarda gli interventi di consolidamento strutturale tramite polimeri fibrorinforzati (FRP). Ma agli ormai classici FRP, realizzati con fibre di carbonio o fibre di vetro accoppiate a matrici organiche (resine epossidiche), si affiancano gli FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), realizzati con fibre di qualsiasi tipologia compatibile con la matrice. Le principali fibre adoperate attualmente nel confezionamento di compositi cementizi sono le fibre di carbonio, di vetro, polimeriche e metalliche. Tuttavia, sono in fase di sperimentazione anche nuove tipologie di fibre con elevate caratteristiche di ecocompatibilità ambientale come le fibre di basalto. In base a studi preliminarmente compiuti, sembrerebbe che manufatti cementizi realizzati con fibre di basalto possano avere prestazioni simili a quelle ottenute con manufatti realizzati con fibre di vetro [1-8]. Per verificare la possibilità di utilizzare le fibre di basalto in contesti edilizi ordinari, nel presente lavoro sperimentale, si è provveduto al confezionamento di diverse miscele di malta cementizia somministrando agli impasti fibre di basalto e di vetro, in diverse percentuali. Allo stato fresco gli impasti sono stati caratterizzati tramite prove mirate soprattutto a valutare il diverso grado di tixotropicità al variare della percentuale di fibre, mentre allo stato indurito si è provveduto ad eseguire prove termiche per valutare la resistenza al degrado indotto da un incremento di temperatura. La tixotropia è una particolare caratteristica di alcuni materiali che fa si che questi sotto azione meccanica fluidificano più velocemente, tornando al loro stato originario, una volta finita la causa del turbamento. Le mate tixotropiche sono attualmente molto utilizzate in commercio per le operazioni di ripristino edilizio ed è composta fondamentalmente da premiscelati a base di cemento, sabbia e additivi specifici. Aggiunta al premiscelato dell acqua si ottiene un prodotto tixotropico che funge da collante con elevato potere adesivo sui manufatti di calcestruzzo, sui ferri d armatura e sui laterizi. Materiali e metodi Per il confezionamento delle malte cementizie è stato utilizzato un premiscelato prodotto dalla Personal Factory s.r.l. (RESTAUROMIX TX 60) conforme alla norma UNI-EN , costituito da: CEM II/A-LL 42,5R conforme alla UNI EN 197/1 (29 % in peso); sabbia conforme alla norma UNI EN con diametro massimo 2,8mm (66% in peso); additivi per malta (resine, cellulose, ritentori d acqua, 5% in peso). Inoltre, negli impasti, oltre all acqua di impasto (conforme alla norma UNI 1008), sono state aggiunte fibre di basalto e fibre di vetro. La fibra di basalto utilizzata è prodotta in filamento continuo, presenta modulo di elasticità pari a MPa, densità pari a g/cm 3, diametro 18 µm, lunghezza 10 mm ( fig. 2 (a) e (b)). Le fibre di vetro sono tagliate con un

3 processo e controllato (Sistema di Gestione Qualità Approvato a ISO 9001). Esse presentano una lunghezza che varia da 10 a 12 mm, con un diametro di 14 μm e modulo elastico compreso tra MPa, densità pari a g/cm 3 ( fig. 2 (c) e (d)). Ciascuna tipologia di fibra è stata aggiunta inserita alla miscela nei dosaggi 0,1% 0,2%, 0,4 % e 0,8 %, percentuali calcolate sul volume totale della miscela (premiscelato e acqua) in condizioni s.s.a. Figura 1 Analisi granulometrica del premiscelato RESTAUROMIX a b Figura 2 Fibre di basalto: fotografia (a) e scansione al SEM (b) a b Figura 3 Fibre di vetro: fotografia (a) e scansione al SEM (b) Prima della realizzazione delle miscele definitive sono state effettuate diverse miscele di prova ai fini di ottimizzarle al meglio in termini di prestazioni. Il rapporto a/c è stato

4 fissato a 0,52. La procedura di rottura meccanica dei provini è stata eseguita seguendo la norma UNI EN Risultati In tabella 1 è riportato il mix-design delle varie miscele. MISCELA SABBIA (kg) CEMENTO (kg) ACQUA (kg) a/c FIBRE (kg) TQ 60,00 26,36 13,64 0,52 0,000 BAS 0,1 60,00 26,36 13,64 0,52 0,160 BAS 0,2 60,00 26,36 13,64 0,52 0,319 BAS 0,4 60,00 26,36 13,64 0,52 0,638 BAS 0,8 60,00 26,36 13,64 0,52 1,277 VTR 0,1 60,00 26,36 13,64 0,52 0,150 VTR 0,2 60,00 26,36 13,64 0,52 0,300 VTR 0,4 60,00 26,36 13,64 0,52 0,601 VTR 0,8 60,00 26,36 13,64 0,52 1,201 Tabella 1 Miscele definitive: dosaggi per 100kg di miscela di malta Le miscele realizzate sono state caratterizzate allo stato fresco ed allo stato indurito. Le prove allo stato fresco sono state condotte subito dopo la procedura di impasto al fine di determinare la tixotropicità delle stesse utilizzando strumentazioni e metodi di prova semplici ed economici, in modo tale da renderne possibile la ripetibilità anche in cantieri edili. Le prove allo stato indurito sono state eseguite previa la formatura e stagionatura, a temperatura e umidità controllata, di provini di malta di dimensioni 40 x 40 x 160mm. Prove allo stato fresco Le prove effettuate sulle malte realizzate allo stato fresco per valutare il grado di tixotropicità hanno visto la messa a punto di un sistema di prova sperimentale (non codificato) riportato in fig. 4. La prova effettuata mira a misurare la tixotropicità in termini di spessore di adesione. Lo strumento utilizzato è composto da: telaio costituito da braccio verticale lungo 80 cm e da un supporto per imbuto; imbuto di diametro maggiore pari a 15 cm e diametro inferiore di 5 cm; supporto piano quadrato di dimensioni 25 cm x 20cm x 5cm con superficie anteriore scabrosa. La distanza tra il supporto e la parte inferiore dell imbuto è di 60 cm. Il supporto piano, che si trova in basso, è ribaltabile fino a 90 mediante un sistema di cerniere. Modalità di esecuzione della prova: la prova si svolge introducendo con una spatola 200 gr di miscela all interno dell imbuto che, successivamente, cade sul supporto. Questo viene ribaltato di un angolo di 90 e misurato lo spessore di adesione della miscela. Se la miscela si aggrappa senza cadere si introduce nell imbuto un altro campione di 200 gr che

5 cadrà successivamente su quello che precedentemente ha aderito al supporto; si ribalta nuovamente il piano per verificare lo spessore totale di adesione. Vantaggi della prova: ha durata breve (pochi secondi) poiché oltre un certo spessore tutte le miscele non aderiscono più scivolando. Presenta estrema semplicità, economicità, ripetibilità e affidabilità. Di seguito nella tabella 2 si riportano i risultati ottenuti. Per ogni caduta è stato possibile valutare uno spessore fino al distacco del materiale dal supporto. In base ai risultati ottenuti è stato possibile valutare una positiva influenza delle fibre in termini di aumento dello spessore di adesione al supporto. Tuttavia, appare opportuno non superare la percentuali dello 0,2-0,4% di fibra negli impasti, in quanto l incremento di tixotropicità non giustificherebbe il maggior costo dovuto alle fibre ed alla perdita di lavorabilità generale dell impasto valutabile ad esempio tramite la prova della tavola a scosse. Tra le due differenti tipologie di fibra, quella di basalto permette l ottenimento, a parità di dosaggio, di spessori di adesione più elevati Legenda: 1. Telaio 2. Braccio ad anello 3. Imbuto h c =60cm 4. Supporto ribaltabile 4 Figura 4 Attrezzatura utilizzata per la misura di Tixotropicità. Numero BAS 0,1 BAS 0,2 BAS 0,4 BAS 0,8 VTR 0,1 VTR 0,2 VTR 0,4 VTR 0,8 cadute 1 1,0 2,5 1,5 2,0 2,0 1,0 2,0 2,5 2 2,5 3,0 3,0 3,5 2,5 2,0 4,0 3,5 3 3,0 4,0 4,5 5,0 3,0 3,0-4,5 4-4, ,0 - - TOT 3,0 4,5 4,5 5,0 3,0 4,0 4,0 4,5 Tabella 2 Spessori medi, in cm, di adesione misurato in funzione del numero di cadute

6 Prove allo stato indurito Dopo la formatura dei provini, a 2, 7, 28 e 90 giorni di stagionatura in condizioni di umidità e temperatura controllata, sui provini prismatici di malta sono state eseguite delle prove meccaniche di resistenza a flessione e compressione, previo rilevamento del peso. In fig. 5 si riporta l andamento del peso medio dei provini (in grammi) per le diverse miscele realizzate. Figura 5 Peso medio (gr) dei provini di malta fibro-rinforzata Valutando i dati relativi al peso medio dei provini per le diverse miscele eseguite si evince una sostanziale regolarità dello stesso al variare della tipologia e percentuale di fibra aggiunta all impasto. Per cui, si può desumere che il peso dei provini non sia influenzato in maniera significativa dalla tipologia di fibra (basalto o vetro) e dalla percentuale di fibra (0%, 0,1%, 0,2%, 0,4% e 0,8%). Le lievi variazioni in aumento di peso registrate durante le diverse fasi di stagionatura sono imputabili alla progressiva saturazione d acqua subita dai provini. Per l esecuzione delle prove meccaniche, ogni provino prismatico è stato soggetto prima a prova di flessione e, poi, a prova di compressione. In tabella 3 si riportano i valori medi di resistenza a flessione registrati per le diverse serie di provini, al variare dei giorni di stagionatura. 2 gg 7 gg 28 gg 90 gg TQ 4,1 5,7 7,0 7,0 BAS 0,1 4,1 6,0 7,0 7,5 BAS 0,2 3,9 5,4 7,1 7,5 BAS 0,4 4,6 6,3 7,3 8,7 BAS 0,8 5,5 6,5 7,4 8,3 VTR 0,1 4,5 5,9 6,8 7,2 VTR 0,2 3,7 5,6 6,4 7,1 VTR 0,4 4,2 5,9 6,3 7,8 VTR 0,8 5,2 6,9 7,7 8,1 Tabella 3 Valori medi di resistenza meccanica a flessione

7 In questo caso, la presenza di fibre negli impasti consente di migliorare i valori di resistenza a flessione. L incremento di resistenza a trazione è tendenzialmente proporzionale alla percentuale di fibra aggiunta. La percentuale di fibra ottimale da aggiungere all impasto risulta essere compresa tra 0,2% e 0,4%. Percentuali superiori non apportano significativi miglioramenti delle prestazioni, ma al contrario pregiudicano le prestazioni delle miscele soprattutto allo stato fresco. Tra le diverse fibre utilizzate, quella di basalto consente l ottenimento di prestazioni meccaniche a flessione tendenzialmente superiori rispetto a quelle di vetro. ( aggiungere qualche nota di letteratura e perché si ha questo comportamento con relative citazioni) In tabella 4 sono riportati i valori medi di resistenza a compressione valutati per i provini di malta realizzati. 2 gg 7 gg 28 gg 90 gg TQ 16,5 29,0 33,3 36,0 BAS 0,1 15,1 26,6 30,5 34,7 BAS 0,2 12,2 23,0 31,4 35,3 BAS 0,4 15,0 26,6 33,7 35,2 BAS 0,8 14,6 26,6 31,5 35,3 VTR 0,1 16,3 26,1 30,0 34,0 VTR 0,2 12,4 23,3 30,6 33,1 VTR 0,4 12,9 25,2 34,2 35,4 VTR 0,8 12,5 22,4 32,8 34,8 Tabella 4 Valori medi di resistenza meccanica a compressione Dai dati sopra riportati si evince che non c è sostanziale differenza tra i valori di compressione ottenuti sui manufatti confezionati con fibre di basalto e di vetro. All aumentare della percentuale di fibra, però, si verifica un incremento della perdita di resistenza. Un elevato numero di provini non sottoposti a test meccanici, a 90 giorni di stagionatura, è stato, inoltre, sottoposto a cicli termici. Tra un ciclo termico ed il successivo, al fine di indagare il decadimento delle proprietà dei provini durante l esposizione alle alte temperature, sono state eseguite delle prove ultrasoniche. Prima di iniziare i cicli, i provini sono stati pesati. Per ogni provino la procedura effettuata ad ogni ciclo termico è stata: pesatura dei provini; rilevamento della velocità di transito delle onde ultrasoniche; trattamento in forno per 12 ore alla temperatura mantenuta costante prevista dal ciclo; prelievo dal forno evitando brusche escursioni termiche; pesatura a secco; esposizione a temperatura ambiente per 12 ore. Al termine dell ultimo ciclo, ovvero al raggiungimento dei 250 C, dopo aver misurato i pesi e rilevato le velocità ultrasoniche, i provini sono stati sottoposti alle prove meccaniche per misurarne la resistenza a flessione e a compressione residua. In figura 6 è riportata la perdita percentuale di peso valutata durante i cicli termici per le diverse miscele realizzate. Come si evince dal grafico di figura 6, tutti i provini subiscono una perdita di peso in funzione del ciclo termico a cui sono sottoposti. La maggior perdita si verifica tra 100 C e

8 150 C a causa della evaporazione dell acqua presente nei pori della struttura cementizia. A 250 C la perdita di peso per tutti i provini realizzati è dell ordine del 11% - 16%. Non vi è essenzialmente differenza in termini di perdita di peso tra i manufatti realizzati con fibra di vetro e di basalto. Figura 6 Perdita media percentuale di peso In tabella 5 è riportata, invece, l abbassamento percentuale di velocità ultrasonica media valutata sui provini esposti a cicli termici. L indice ultrasonico è fortemente influenzato dai cicli termici. Prima del primo ciclo i provini di malta, mediamente, presentano buoni valori di velocità ultrasonica ( 4000m/s); durante i cicli termici è stato verificato un abbassamento della velocità ultrasonora proporzionale al carico termico subito dai provini. Al termine dei cicli la perdita di velocità è stata dell ordine del 30% - 40%. Tutti i provini realizzati con fibra hanno evidenziato perdite di velocità inferiori a quelle riscontrate per i provini della serie TQ (senza fibre). I manufatti realizzati con basalto hanno evidenziato, a parità di dosaggio, perdite di velocità inferiori rispetto ai manufatti realizzati con vetro. MISCELA Vm dopo C 100 C 150 C 200 C 250 C gg (m/s) VTR 0, ,9-1,2% -9,9% -10,9% -19,2% -33,8% BAS 0, ,9 0,0% -8,3% -10,9% -18,6% -31,1% VTR 0, ,9-0,4% -9,9% -13,5% -20,8% -35,8% BAS 0, ,1 0,0% -8,1% -11,4% -24,4% -34,4% VTR 0, ,8-0,8% -9,2% -15,6% -21,8% -36,7% BAS 0, ,4-0,3% -8,3% -16,4% -26,2% -30,5% VTR 0, ,0-0,8% -6,8% -14,1% -30,4% -38,5% BAS 0, ,4-0,4% -7,3% -13,5% -30,7% -36,3% TQ 4.054,2-2,0% -8,7% -11,4% -18,2% -39,7% Tabella 5 Perdita di velocità ultrasonica media subita dai provini

9 Nelle tabelle 6 e 7 sono riportati rispettivamente le perdite di resistenza a flessione e a compressione percentuali rispetto ai valori ottenuti a 90giorni di stagionatura. Dosaggi (%) 0,10% 0,20% 0,40% 0,80% MISCELE ΔRf (%) VTR 32,1 31,4 30,4 27,7 BAS 29,6 28,7 28,2 26,7 TQ 43,2 Tabella 6 Perdita percentuale di resistenza meccanica a flessione subita dai provini Dosaggi (%) 0,10% 0,20% 0,40% 0,80% Fibre ΔRc (%) VTR 15,4 17,9 24,2 27,4 BAS 11,5 15,1 17,1 26,1 TQ 29,6 Tabella 7 Perdita percentuale di resistenza meccanica a compressione subita dai provini Dall analisi dei grafici sopra riportati emerge chiaramente che le fibre consentono l ottenimento di minori perdite di resistenza a compressione e soprattutto a flessione, rispetto alle miscele confezionate senza fibre. Tra le diverse fibre utilizzate, quella di basalto consente la realizzazione di manufatti cementizi più resistenti alle alte temperature. L effetto dovrebbe essere ancora più marcato all aumentare delle temperature. Inoltre, si può notare come per le percentuali di fibre più elevate si assista ad un peggioramento della perdita di resistenza a compressione dovuto alle difficoltà di confezionamento degli impasti allo stato fresco. Conclusioni Nel presente lavoro sperimentale, sono state confezionate delle malte cementizie con diverse percentuali e tipologie di fibra. Le indagini sono state finalizzate alla verifica della possibilità di inserimento nel mercato della fibra di basalto per la produzione di malte cementizie fibro-rinforzate. Le miscele sono state caratterizzate sia allo stato fresco che allo stato indurito. Allo stato fresco è stata verificata la possibilità di realizzazione di malte tixotropiche confezionate con fibra di basalto aventi prestazioni addirittura superiori rispetto ad analoghe miscele realizzate con fibra di vetro. Il dosaggio ottimale di fibre di basalto all interno degli impasti di malta rientra nell intervallo compreso tra 0,2% e 0,4% sul volume totale della miscela: dosaggi inferiori non riescono ad evidenziare significativi miglioramenti rispetto alle prestazioni iniziali delle miscele, dosaggi superiori, invece, non apportano miglioramenti tali da giustificarne il relativo impiego, anzi in alcune

10 sperimentazioni sono comparse difficoltà di confezionamento degli impasti e conseguenti decadimenti delle prestazioni allo stato indurito. Allo stato indurito è stata verificata la possibilità di realizzazione di manufatti cementizi caratterizzati da buone proprietà meccaniche con valori a flessione e a compressione, anche in questo caso, superiori ai valori ottenuti con analoghe miscele confezionate con fibre di vetro. Altro aspetto positivo riguarda la possibilità di realizzazione con le fibre di basalto di manufatti durevoli in quanto resistenti ai cicli termici. In base ai risultati ottenuti è possibile affermare che le fibre di basalto possono essere utilizzate per la realizzazione di malte fibrorinforzate, anche in sostituzione delle tradizionali fibre di vetro. Bibliografia [1] B. Wei, H. Caoa, S. Song, Degradation of basalt fiber and glass fiber/epoxy resin composites in seawater, Corrosion Science 53 (2011), ; [2] C. Scheffler, T. Förster, E. Mäder, G. Heinrich, S. Hempel, V. Mechtcherine, Aging of alkali-resistant glass and basalt fibers in alkaline solutions: Evaluation of the failure stress by Weibull distribution function, Journal of Non-Crystalline Solids 355 (2009), ; [3] B. Wei, H. Caoa, S. Song, Environmental resistance and mechanical performance of basalt and glass fibers, Materials Science and Engineering A 527 (2010), ; [4] F. N. Rabinovich, V. N. Zueva and L. V. Makeeva, Stability of basalt fibers in a medium of hydrating cement, Glass and Ceramics 58 (2001), 11 12; [5] J.Sim, C. Park, D. Y. Moon, Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures, Composites: Part B 36 (2005), [6] M. Zhu, D. Chung, Improving brick-to-mortar bond strength by the addition of carbon fibers to the mortar, Composite Materials Research Laboratory, [7] The British Society of Rheology, Rheology of fresh cement and concrete, School of the Built Environment, Heriot-Watt University Edinburgh, [8] K. Van de Velde, P. Kiekens, L. Van Langenhove, Basalt fibres as reinforcement for composites, Ghent University, Zwijnaarde, 2006.