Il calcestruzzo fibrorinforzato:

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1 c e m c e n m t e o n t & o c & a l c a e l s c t r e u s z t r z o u z z o Il calcestruzzo fibrorinforzato: prestazioni e prescrizioni Bruno Rossi*, Paolo Marco Bianco** Lo scopo del presente articolo è quello di definire i requisiti necessari per l utilizzo del calcestruzzo fibrorinforzato. A tal fine si farà riferimento alla ricca normativa, nazionale ed internazionale, nata negli ultimi 30 anni, in massima parte dedicata ai calcestruzzi rinforzati con fibre di acciaio Si definisce calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) un materiale composito costituito da calcestruzzo di base nel quale è inglobato un rinforzo fibroso diffuso ed omogeneamente distribuito. *Me m b r o Co n s o r z i o Te c n i c o Pr o d u t t o r i Fibre Acciaio **Co n s u l e n t e Co n s o r z i o Te c n i c o Produttori Fibre Acciaio L aggiunta di fibre nel calcestruzzo ha [o, quantomeno, dovrebbe avere] lo scopo di ridurne la fragilità, di contrastare gli effetti del ritiro [fornendo, nel contempo, un incremento di risorse per contrastare gli stati coattivi da esso generati] e, in definitiva, di aumentarne la durevolezza (o durabilità). Come sarà più chiaro oltre, la promozione commerciale si è ormai arricchita di prodotti placebo [che non possono avere effetti, se non per via metafisica, ad eccezione di un sicuro ed inutile spreco di denaro] cui sta seguendo, negli ultimi anni, una lotta importante in termini di posologia nel senso che, le proprietà metafisiche di certi prodotti hanno raggiunto livelli tali da bastare in quantitativi sempre inferiori. Il calcestruzzo fibrorinforzato è utilizzato nelle pavimentazioni, industriali e commerciali, nella prefabbricazione e nel set- quarry & construction 113

2 Tabella 1 tore delle gallerie, sia nelle opere provvisionali sia nei rivestimenti finali, dove è utilizzato anche per il rinforzo secondario dei conci prefabbricati. La valutazione delle differenti proprietà tecnologiche del FRC viene effettuata tramite prove normalizzate, alcune delle quali tipiche del calcestruzzo ordinario, altre create appositamente per il fibrorinforzato. Le fibre per il rinforzo del calcestruzzo Esistono sul mercato diversi tipi di fibre per l impiego nel calcestruzzo (tabella 1). È superfluo sottolineare che un rinforzo Tabella 2 necessiti di un adeguato modulo elastico e per questo motivo si è voluto elencare i materiali per valori decrescenti di questa proprietà. Spiegare agli addetti ai lavori l importanza del modulo elastico è quasi offensivo, anche per l analogia con il cemento armato, dove è ben nota a tutti la funzione dell acciaio, il quale, nonostante l elevato modulo in parola, interviene comunque solo post innesco della fessurazione. Pensare, quindi, di rinforzare il calcestruzzo utilizzando materiali aventi un modulo di elasticità addirittura inferiore a quello del calcestruzzo stesso appare a dir poco risibile. In aggiunta, al fine di valutare l appropriatezza a svolgere il compito di contrasto alla fessurazione, sarebbe ben più importante conoscere il valore di resistenza a trazione allo 0,2% di deformazione residua, Rp 0,2, come è normale per le barre di armatura in acciaio per il cemento armato. Curiosamente, queste informazioni sono di difficile reperimento sul mercato. Per le fibre di acciaio, e solo per quelle, in Italia esistono la norma UNI e le Istruzioni CNR_DT204_2006, le quali forniscono una dettagliata classificazione per la resistenza a rottura e per la resistenza allo 0,2% di deformazione residua Rp 0,2 (tabella 2). Anche in questo caso, il materiale pubblicitario dei produttori di fibre è prodigo di informazioni sulla resistenza a rottura (spesso senza specificare con quale deformazione!) ed avaro riguardo al ben più significativo parametro Rp 0,2. In ultimo, si dovrebbe fare cenno al comportamento viscoso dei materiali polimerici, ma su questo argomento vi sarà, prossimamente, una pubblicazione relativa ad una sperimentazione con- 114 quarry & construction

3 c e m e n t o & c a l c e s t r u z z o dotta dall Università di Bologna e finanziata dal Consorzio Italiano Produttori Fibre di Acciaio. Il dosaggio minimo Prima di trattare le prestazioni meccaniche minime, è bene rammentare che le norme nazionali sul calcestruzzo fibrorinforzato prescrivono un dosaggio minimo di fibre nell impasto. È il caso della norma UNI Calcestruzzo rinforzato con fibre d acciaio, la quale fissa un valore minimo di 25 kg/ m 3, ammettendo dosaggi inferiori che siano giustificati attraverso dati sperimentali ottenuti in sede di prequalifica del fibrorinforzato, nei casi seguenti: per rapporti di aspetto delle fibre maggiori di 60; in applicazioni speciali, per esempio getti con spessore paragonabile alla lunghezza delle fibre. Resta inteso che l efficacia delle fibre, quali che siano le caratteristiche geometriche, va dimostrata sperimentalmente. Successivamente si specificherà cosa si intenda per efficacia delle fibre, in termini di duttilità del composito. Secondo le Istruzioni per la Progettazione, l Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato, CNR-DT 204/2006, Il dosaggio minimo di fibre per impieghi strutturali non deve essere inferiore allo 0.3% in volume. Va precisato che il dosaggio volumetrico sarebbe pari a 0,318%, derivando dalla trasformazione del dosaggio minimo di 25 kg di fibre di acciaio per unità di volume (m 3 ) in un dosaggio in percentuale di volume (%), dividendo 25 per La ragione di questo passaggio sta nel fatto che, storicamente, l indicazione dei 25 kg/m 3 è precedente all indicazione dello 0,3% in volume: la prima risale alla norma UNI (anno 2003), la seconda viene riportata nelle Istruzioni CNR DT 204 (anno 2006). È importante sottolineare che SOLO per le fibre di acciaio il dosaggio minimo è una prestazione che trova una giustificazione in una campagna sperimentale condotta parallelamente alla preparazione della norma, e quindi equivale alla garanzia di una prestazione meccanica adeguata, mentre per gli altri tipi di fibre questo non accade, trattandosi di una banale proporzione basata sul rapporto delle densità volumetriche. Il che, in altri termini, significa che, ove pure siano stati inglobati nell impasto un quantitativo di fibre sufficiente a poter dar luogo a meccanismi di interazione fibre/ matrice cementizia, non è detto che macroscopicamente si abbiano risultati apprezzabili. Ove, infatti, le fibre non abbiano caratteristiche e proprietà sufficienti in primis un adeguata rigidezza estensionale l evidenza macroscopica diverrebbe insignificante. La duttilità minima. La norma UNI Tornando alla norma UNI 11039, nella Parte I, particolare rilevanza riveste il prospetto sulle classi di duttilità D 0 e D 1, dove D 0 indica la duttilità del fibrorinforzato nel campo di apertura media di fessura compreso fra 0 e 0,6 mm ed è espresso dal rapporto tra la resistenza equivalente f eq(0-0,6) e la resistenza di prima fessurazione f If, mentre D 1 si riferisce al campo di fessura compreso fra 0,6 e 3,0 mm ed è pari al rapporto tra f eq(0-0,6) e f eq(0,6-3,0). La norma UNI definisce esplicitamente non rinforzati con fibre d acciaio quei calcestruzzi per i quali si abbiano valori dell indice di duttilità D 0 < 0,5. La ragione di tale scelta sta nella constatazione sperimentale che provini di calcestruzzo senza fibre, testati a flessione, per classi di calcestruzzi da C20 a C90, hanno dato valori di duttilità D 0 compresi tra 0,20 e 0,35. Ove per altri tipi di fibre manchino norme specifiche, la UNI costituirebbe un punto di riferimento per la definizione delle caratteristiche meccaniche dei compositi relativi. Da ciò conseguirebbe che un calcestruzzo rinforzato con un altro tipo di fibra, diversa dall acciaio, avente un indice di duttilità D 0 < 0,50 si dovrebbe definire, secondo i criteri di cui sopra, non rinforzato. quarry & construction 115

4 La duttilità minima. Le Istruzioni CNR DT 204/2006 Il criterio descritto viene confermato nella sostanza dalle Istruzioni CNR DT 204/2006, dove si dice che l utilizzo per scopi strutturali di calcestruzzo fibrorinforzato con comportamento degradante è consentito purché sia rispettato il seguente rapporto: f Ftsk /f Ftk > 0.2 Questo requisito può essere espresso in termini di resistenza residua a trazione per flessione (quale quella misurabile nella prova UNI EN 14651), utilizzando le formule f Fts = 0,45 f eq1 (appendice 9.1.1, CNR DT ) ed f Ftsk = 1.2 f Ftk (NTC). Con semplici passaggi si ottiene f eq1 = 0,54 f Ftk, dove f Ftk è la resistenza a trazione per flessione della matrice cementizia: f eq1 /f ctf ~ 0.54 La Marcatura CE delle fibre per il calcestruzzo tore. Per utilizzi strutturali, e per le fibre di acciaio, il produttore di ogni tipo di fibra deve provare la conformità a quanto indicato nella UNI EN ; deve quindi esibire il Certificato di Conformità ed il Marchio CE, rilasciati da un Ente Notificato. Per ottenere il Certificato di Marcatura CE è necessario quindi sottoporre le fibre a determinati test che, oltre a verificare le caratteristiche dimensionali e meccaniche del prodotto, ne valutano anche le prestazioni nel calcestruzzo. Relativamente a quest ultimo requisito, definito al punto 5.8 Effect on strength of concrete, e trattato nella norma UNI EN , Gennaio 2007 Metodi di prova delle fibre nel calcestruzzo. Parte 2: Effetto delle fibre nel calcestruzzo, la norma richiede di dichiarare il dosaggio minimo di fibre necessario per l ottenimento di due resistenze residue a tra- Procedendo in ordine cronologico, si arriva al recente periodo, con l avvento della norma europea armonizzata UNI EN 14889, Dicembre 2006 Fibre per calcestruzzo. Definizioni, specificazioni e conformità. Essa specifica i requisiti relativi alle fibre, per usi strutturali o non strutturali, nel calcestruzzo, nella malta e nella malta per iniezioni. La norma si compone di due parti: la Parte 1 è relativa alle fibre di acciaio, la Parte 2 riguarda le fibre polimeriche. Tale norma detta le regole, nel suo Annex ZA, per la marcatura CE delle fibre, specificando i requisiti ai quali, dal 01/06/2008, esse devono rispondere per essere utilizzate nel settore delle costruzioni. La marcatura CE è importante perché: qualifica il prodotto come strutturale; garantisce il cliente sulla qualità del produttore e del prodotto; definisce ed esplicita parametri tecnici che devono essere dichiarati dal produtzione per flessione per determinati valori di apertura della fessura nel provino. La norma prescrive una resistenza residua media (12 travetti) a trazione per flessione, non inferiore a 1,5 MPa per un CMOD = 0,5 mm ed una resistenza residua non inferiore a 1,0 MPa per un CMOD = 3,5 mm. I provini devono essere confezionati in accordo alla norma UNI EN , Novembre 2007 Metodi di prova delle fibre nel calcestruzzo. Parte 1: Calcestruzzi di riferimento. La norma specifica la composizione e le caratteristiche dei calcestruzzi di riferimento utilizzati per valutare le prestazioni delle fibre nel calcestruzzo, al fine di determinare se una fibra è idonea all utilizzo del calcestruzzo. Le modalità della prova sono definite dalla norma UNI EN 14651, Settembre 2005 Metodo di prova per calcestruzzo con fibre metalliche. Misurazione della resistenza a trazione per flessione [limite di proporzionalità (LOP), resistenza residua]. Le conseguenze di queste prescrizioni sono così riassumibili: le fibre per il calcestruzzo NON possono essere commercializzate nello spazio Europeo senza la marcatura CE; le fibre da utilizzare nelle strutture devono esibire la marcatura CE nella quale sia dichiarata l abilitazione all uso strutturale; l uso strutturale delle fibre è possibile SOLO per dosaggi NON inferiori a quello dichiarato nella marcatura CE. Si riporta di seguito un esempio di Marchio CE, tratto dalla norma UNI EN Conclusioni Da un semplice confronto numerico tra le norme Italiane (UNI e CNR DT 204) e quella Europea (UNI EN ) si può constatare come i livelli prestazionali richiesti dalla Marcatura CE siano davvero modesti, raggiungibili con dosaggi di fibre di acciaio anche inferiori a 25 kg/ m 3. Per avere un idea, basti rapportare la prima delle due resistenze residue (1,5 N/mm quarry & construction

5 c e m e n t o & c a l c e s t r u z z o per CMOD = 0,5 mm) con la resistenza di picco, pari a 4.3 N/mm 2. A ciò si aggiunga che i requisiti sono espressi in valor medio, mentre nella norma UNI o nelle CNR DT 204/2006 si fa riferimento al valore caratteristico. Stante l agevolazione, non dovrebbe essere così difficile, per i produttori di fibre, anche non di acciaio, ottenere la Marcatura CE con dosaggi ragionevoli. Tuttavia, il Marchio CE (non il Certificato di Conformità!) rimane di difficile reperimento e la relativa richiesta ai Fornitori da parte delle Imprese e/o del Direttore dei lavori è vissuta con disagio quando non addirittura alla stregua di un affronto. In ogni caso, a chiunque voglia utilizzare le fibre, per qualsiasi destinazione, sia essa strutturale o non strutturale, suggeriamo di insistere e di richiedere, SEMPRE, l esibizione del Marchio CE, nel quale sia specificata l attitudine all uso [soprattutto quando l uso che se ne vuole fare è quello strutturale], con l indicazione del dosaggio minimo necessario al raggiungimento delle resistenza residue a trazione per flessione, come specificate nella UNI EN n quarry & construction 117