BBC Betonrossi Basic Concrete a cura di Luigi Coppola e del Servizio Tecnologico di Betonrossi S.p.A.

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1 48 I CALCESTRUZZI FIBRORINFORZATI C on il termine di calcestruzzi fibrorinforzati (o fibrosi) si identificano quei conglomerati prodotti impiegando oltre alle tradizionali materie prime un rinforzo discreto costituito di fibre di diversa natura la cui lunghezza è generalmente compresa fra 10 e 80 mm e il cui diametro varia da una decina di micrometri a circa 1 mm. Alla fine degli anni 40 fecero la loro comparsa (Stati Uniti) le fibre di acciaio, successivamente, anni 60, apparirono le fibre di vetro e poi quelle organiche provenienti da trattamenti di sintesi. Recentemente sono state utilizzate nella produzione del calcestruzzo anche fibre di ghisa, di ottone, poliolefiniche, etc., tuttavia, ad oggi si fa ricorso principalmente alle fibre di acciaio, di vetro, in polipropilene e in polacrilonitrile. Le fibre di acciaio, sono disponibili in forma di aghi di diversa conformazione geometrica: a sezione circolare o rettangolare, ad estremità piegate, dentate, etc. con diametro equivalente 49 compreso fra 0.4 e 1.2 mm e lunghezza variabile tra 25 e 80 mm. Esse, a seconda delle prestazioni da conseguire, vengono aggiunte in misura variabile da 25 fino a 150 kg/m 3 di calcestruzzo. Le principali applicazioni dei calcestruzzi rinforzati con fibre di acciaio riguardano: - la realizzazione di pavimentazioni industriali in calcestruzzo dove le fibre vengono convenientemente impiegate in sostituzione della tradizionale armatura in forma di rete elettrosaldata; - la realizzazione di conci prefabbricati per i rivestimenti definitivi delle gallerie; - per i rivestimenti sia provvisori che definitivi realizzati con calcestruzzi spruzzati (shotcrete). Le fibre di vetro e quelle di natura organica (prevalentemente poliacrilonitrile, poliestere e polipropilene) attualmente impiegate si distinguono in: - fibre non metalliche strutturali di lunghezza variabile tra 20 e 60 mm e diametro equivalente di mm aggiunte in quantità comprese fra 2.5 e 6.0 Kg/m 3 per la produzione di conglomerati destinati alle stesse applicazioni di quelli prodotti con le fibre di acciaio; - fibre non metalliche non strutturali di lunghezza variabile da 10 a 30 mm e diametro di mm aggiunte in misura di kg/m 3 per la realizzazione di calcestruzzi destinati prevalentemente a solette e pavimenti di piccolo spessore per attenuare il rischio fessurativo derivante dal ritiro plastico del conglomerato. Le proprietà del calcestruzzo a seguito dell aggiunta di fibre si valutano, in accordo alla norma UNI EN 14651, sottoponendo dei travetti intagliati ad una prova di flessione a tre punti rilevando i carichi applicati e la corrispondente apertura dell intaglio praticato nella mezzeria della trave. 130

2 Dimensioni provini e modalità di prova in accordo alla norma UNI EN per la determinazione delle tensioni residue di calcestruzzi fibrorinforzati Diagramma carico (F) vs apertura dell intaglio (CMOD) ottenuto su travetti in calcestruzzi con diversa resistenza e rinforzato con fibre in polipropilene a vari dosaggi, in accordo alla norma UNI EN Indipendentemente dal dosaggio di fibre utilizzato a parità di resistenza del calcestruzzo, il ramo ascendente della curva nel tratto che precede la fessurazione del conglomerato è sostanzialmente identico a quello del calcestruzzo tal quale senza fibre pertanto l aggiunta delle fibre non modifica le proprietà del calcestruzzo prima della fessurazione. L andamento della curva, invece, nella fase post-fessurativa dei calcestruzzi fibrorinforzati varia rispetto ad un normale calcestruzzo e dipende: - dalla natura della fibra; - dalla sua conformazione geometrica; - dal rapporto di forma o di aspetto (rapporto tra la lunghezza della fibra e il suo diametro equivalente); - dal dosaggio di fibre nell impasto. In particolare, rispetto al calcestruzzo tal quale che evidenzia un comportamento spiccatamente fragile in quanto dopo la comparsa della fessurazione volge immediatamente al collasso, il calcestruzzo fibrorinforzato è capace, grazie all azione di cucitura dei cigli fessurativi, esercitata proprio dalla presenza delle fibre, di sopportare ancora livelli di carico più o meno elevati a seconda del tipo, del dosaggio della conformazione della fibra. In sostanza, l aggiunta di fibre alla matrice consente di incrementare la duttilità del calcestruzzo e di far si che essa abbia capacità resistenti anche dopo la fessurazione. Sebbene, il reale andamento della curva nella fase post-fessurativa dipenda, come sopra evidenziato, da una serie di fattori a volte tra loro strettamente collegati da non poterlo generalizzare, tuttavia, si possono riportare alcune considerazioni derivanti dall introduzione delle fibre nell impasto sul legame costitutivo del materiale: 131

3 - a parità di natura della fibra e di dosaggio la capacità di sopportare livelli di sforzo nella fase post-fessurativa aumenta con il rapporto di forma. Per contro, bisogna ricordare che fibre caratterizzate da elevati rapporti di forma possono determinare drastiche perdite di lavorabilità che costringono a ridurre il dosaggio di rinforzo nella matrice. Questo è il motivo, al di là di aspetti legati al costo, per il quale le fibre non strutturali non metalliche, caratterizzate da un rapporto di forma superiore a quello delle fibre di acciaio o a quello delle stesse fibre strutturali non metalliche, vengono impiegate in misura di kg/m 3 non modificando il comportamento del calcestruzzo nella fase post-fessurativa, che rimane sostanzialmente di tipo fragile. Pertanto, l aggiunta di fibre non metalliche non strutturali è finalizzato esclusivamente all eliminazione dei quadri fessurativi dovuti alla precoce perdita di acqua durante la fase plastica soprattutto nelle strutture, quali pavimentazioni e solette, ad elevato sviluppo superficiale; - a parità di dosaggio e di rapporto di forma della fibra, l efficienza del rinforzo fibroso dipende dalla conformazione geometrica della fibra stessa ed, in particolare, dalla sua capacità di sfilarsi per valori elevati dello sforzo applicato. Da questo punto di vista le fibre uncinate (quelle cioè che presentano le estremità tipo ferri piegati) si comportano meglio delle fibre dritte. Il miglior comportamento della fibra può essere quantificato, nelle prove di flessione su travetto, in termini di resistenza residua a trazione (f R,i ). In particolare, per il calcolo progettuale di elementi in calcestruzzo fibrorinforzato si considera la tensione residua f R,1m (valore medio della resistenza residua a trazione valutata per CMOD1 = 0.5 mm) per gli SLE ed il valore di f R,3m (valore medio della resistenza residua a trazione valutata per CMOD3 = 2.5 mm) per gli SLU. Diagramma carico (F) vs apertura dell intaglio (CMOD) ottenuto su travetti in calcestruzzo fibrorinforzato in accordo alla norma UNI EN per applicazioni di tipo strutturale è necessario garantire la presenza delle fibre in tutto il volume della struttura, imponendo un valore minimo di tenacità al materiale. Più precisamente, i requisiti minimi per impieghi strutturali del calcestruzzo fibrorinforzato (fib-mc 2010) sono: f R,1k / f Lk < 0.40 f R,3k / f R, 1k < 0.50 Resta inteso che le prestazioni minime sopra menzionate non riguardano il calcestruzzo fibrorinforzato impiegato esclusivamente per il controllo della fessurazione da ritiro. Rispetto ai conglomerati tradizionali la produzione di calcestruzzi fibrorinforzati impone un aumento del volume di pasta di cemento per favorire la dispersione delle fibre nell impasto riducendo la dimensione massima dell aggregato lapideo, ad esempio, limitandola a 20 mm e ricorrendo all aggiunta di ceneri volanti e filler calcarei per aumentare la frazione di pasta in cui le fibre possano disperdersi omogeneamente. 132

4 Resta, infine, da segnalare come l aggiunta di fibre non produca variazioni significative della resistenza a compressione del calcestruzzo che rimane sostanzialmente immutata rispetto a quella di un conglomerato non fibrorinforzato. Allo stesso modo, non subiscono per effetto dell aggiunta delle fibre variazioni apprezzabili, il modulo elastico, il ritiro idraulico e la deformazione viscosa. L impiego di fibre non metalliche non pone problemi relativamente alla durabilità dei manufatti in quanto esse sono praticamente immuni dall attacco degli aggressivi presenti negli ambienti naturali. Le fibre d acciaio, invece, a contatto con l aria o con soluzioni contenenti cloruri possono corrodersi, pertanto vengono preventivamente zincate. Una interessante applicazione delle fibre non strutturali non metalliche riguarda il miglioramento della resistenza al fuoco delle strutture in calcestruzzo e la riduzione del fenomeno di scoppio ed espulsione delle zone di conglomerato esposte direttamente all incendio. Questo fenomeno è da ascrivere al fatto che, per effetto dell aumento di temperatura, la fase acquosa presente nei pori capillari in parte evapora verso l ambiente esterno e in parte verso l interno del conglomerato dove può condensare formando uno strato di acqua che impedisce l ulteriore migrazione di vapore. Questo impedimento genera la nascita di pressioni nella zona corticale di calcestruzzo che, superata la resistenza a trazione del materiale, si rende responsabile del fenomeno di espulsione del conglomerato negli strati corticali. L aggiunta di fibre non metalliche può ridurre drasticamente il fenomeno di spalling grazie al fatto che a seguito dell innalzamento della temperatura prodotto dall incendio le fibre fondono lasciando all interno della matrice cementizia delle porosità aggiuntive in cui il vapore può espandersi riducendone la pressione responsabile dei fenomeni di espulsione del calcestruzzo. Meccanismo di espulsione del calcestruzzo per effetto dell incendio. 133

5 Modifiche delle proprietà del calcestruzzo derivanti dall aggiunta di fibre strutturali e non e principali campi di impiego del calcestruzzo fibrorinforzato. FIBRE DI ACCIAIO STRUTTURALI FIBRE NON METALLICHE NON STRUTTURALI - non modificato modulo elastico, ritiro e scorrimento viscoso - conferiscono al materiale capacità portante dopo la fessurazione della matrice - trasformano il calcestruzzo da materiale fragile a duttile conferendogli la capacità di dissapare energia dopo la fessurazione - non modificato resistenza a trazione/compressione nè indice di duttilità - riducono fessurazione di ritiro e assestamento plastico - migliorano la resistenza al fuoco - pavimentazioni in calcestruzzo in sostituzione della rete elettrosaldata - realizzazione di conci prefabbricati per gallerie in sostituzione totale o parziale dell armatura tradizionale - shotcrete per gallerie - solette e pavimentazioni di piccolo spessore - strutture resistenti al fuoco (soprattutto il galleria) 49) Il diametro equivalente rappresenta il diametro del cerchio di area uguale a quella della sezione della fibra. 134