RELAZIONE DI FINE TIROCINIO Laurea magistrale in ingegneria civile per la protezione del territorio dai rischi naturali A.A. 2014/2015 CARATTERIZZAZIONE DI MATERIALI COMPOSITI FRCM MEDIANTE PROVE A TRAZIONE E A DELAMINAZIONE Studente: Gian Marco Vasile Tirocinio per tesi magistrale svolto presso il Laboratorio di Sperimentazione e Ricerca su Materiali e Strutture Roma Tre Tutor aziendale: Arch. Lorena Sguerri Pagina 1
Sommario Introduzione agli FRCM...3 Materiali...4 -Matrici... 4 -Rinforzi... 4 Sperimentazione...5 -Prove su tessuto.... 5 Confezionamento... 5 Set-up e prova... 6 -Prove su composito... 8 Confezionamento... 8 Set-up e prova... 9 -Macchina universale MTS... 12 -Elaborazione dei dati... 13 Quadro riassuntivo provini... 13 -Prove di trazione su composito... 14 -Prove di trazione su tessuto... 14 schede di prova... 15 Pagina 2
INTRODUZIONE AGLI FRCM I compositi FRCM (fabric-reinforced cementitious matrix) si stanno recentemente palesando sempre più come una tecnologia adatta alla riparazione e al rinforzamento di strutture in calcestruzzo ed in muratura. La riparazione e la riabilitazione di questo tipo di strutture sono state compiute in passato anche con l utilizzo degli FRP (fiber-reinforced polymer), che si differenziano dagli FRCM per via della natura organica della loro matrice. Gli FRCM, invece, sono sistemi basati su matrici inorganiche che, a differenza dei legami polimerici, non riescono ad impregnare del tutto le singole fibre. Le ragioni principali che portano a considerare gli FRCM come un valido sistema di rinforzo derivano dalle caratteristiche della matrice cementizia: Resistenza al fuoco; Compatibilità con il supporto che conferisce permeabilità al vapore e possibilità di applicazione sulle superfici bagnate; Durata a lungo termine. Le due componenti principali degli FRCM sono la matrice cementizia e il tessuto di rinforzo. La prima è in genere formata da malte ed un basso dosaggio di polimeri in quantità minore del 5% del peso totale. I composti polimerici organici sono usati per assicurare la giusta lavorabilità, un tempo di posa ridotto e delle migliori proprietà meccaniche. Le malte non idrauliche, come quelle formate da calce, possono essere usate per il rinforzo di strutture in muratura, e più in particolare di strutture storiche. L efficacia degli FRCM è fortemente influenzata da: Capacità della matrice di impregnare le fibre del tessuto di rinforzo; Efficacia del legame all interfaccia tra fibre e matrice; Legame tra matrice e supporto in calcestruzzo o muratura. Gli FRCM sono un sistema in cui le varie componenti provengono dallo stesso fornitore e non devono essere assemblate scegliendo casualmente prodotti disponibili sul mercato. Questi materiali hanno diverse caratteristiche vantaggiose: Compatibilità con le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche del supporto in calcestruzzo o in muratura; Facilità d installazione e possibilità di utilizzo di tradizionali intonaci; Struttura porosa della matrice che consente i movimenti in ingresso e in uscita dal supporto di aria ed umidità; Buone prestazioni ad elevata temperatura in aggiunta a parziale resistenza al fuoco; Reversibilità (possibilità di rimozione del rinforzo senza danneggiare la struttura). Ci sono diverse varietà di tessuti disponibili sul mercato che potrebbero essere potenzialmente usate come componenti di sistemi FRCM. In questi tessuti, la spaziatura tipica tra i fili è inferiore al pollice (25,4 mm) in entrambe le direzioni, e l area del tessuto è minore dei 2/3 dell area totale. Pagina 3
La curva tensioni-deformazioni idealizzata di un FRCM è inizialmente lineare fino alla rottura della matrice. Per deformazioni maggiori, si ha un altro tratto lineare meno pendente fino alla rottura del FRCM. Quindi, idealizzando il comportamento di un FRCM con due soli tratti nel diagramma tensioni-deformazioni (tratto non fessurato e tratto fessurato), i valori di cui si necessita per caratterizzarne il comportamento sono: Modulo di elasticità del tratto non fessurato; Modulo d elasticità del tratto fessurato; Deformazione ultima; Deformazione del punto di transizione; Tensione ultima; Tensione del punto di transizione. MATERIALI Le proprietà degli FRCM sono dipendenti dalla struttura del composito. Quindi, prima di analizzare e caratterizzare questi tipi di materiali soggetti alle varie condizioni di carico, bisogna descriverne la struttura interna. Le tre componenti che, a tal proposito, vanno considerate sono: La struttura della matrice cementizia; La forma e la distribuzione delle fibre; Il supporto e il suo legame con la matrice. MATRICI: Oggetto della mia esperienza sono stati vari tipi di matrice: GeoLalce fino: una geomalta di classe di resistenza M15, CS IV e R1, specifica per il rinforzo e l adeguamento strutturale; GeoLite: una geomalta minerale certificata, eco-compatibile, a base di geolegante; GeoLite Gel: adesivo minerale epossidico, eco-compatibile, ad elevata bagnabilità per l impregnazione dei tessuti GeoSteel. TESSUTI: GeoSteel: tessuto in fibra di acciaio galvanizzato Hardwire ad altissima resistenza. È un tessuto unidirezionale formato da micro-trefoli di acciaio ad altissima resistenza galvanizzati, fissati su una microrete in fibra di vetro che ne facilita le fasi d installazione. Questo tipo di tessuto è presente sul mercato con trefoli la cui densità è variabile e nell attività di tirocinio si è fatto uso di GeoSteel Pagina 4
G600, GeoSteel G2000 e GeoSteel G3300, dove i numeri stanno proprio ad indicare la massa (espressa in g) per m 2 del tessuto (presentano rispettivamente 4,12 e 21 trefoli per pollice di larghezza). GeoSteel Grid: è una rete in fibra di basalto e microfili di acciaio Inox presente sul mercato in forma di GeoSteel Grid 400 e GeoSteel Grid 200. Oltre alla diversa densità (vale lo stesso discorso fatto sullo GeoSteel), a differenziarli vi è un diverso comportamento dell acciaio Inox. Infatti, nel caso dello GeoSteel Grid 400, esso presenta un comportamento ortotropo per via del fatto che in una direzione i fili d acciaio corrono unitamente agli yarn di basalto, mentre nella direzione ortogonale se ne discostano anche di un paio di mm. Questa particolarità non è invece riscontrabile nel caso del GeoSteel Grid 200, dove il comportamento dell acciaio è il medesimo qualunque sia la direzione presa in considerazione. SPERIMENTAZIONE Dall arrivo del materiale fornito da Kerakoll s.p.a. in laboratorio fino all estrapolazione e alla discussione dei risultati in output dall MTS, l attività di tirocinio ha riguardato tutte le fasi che hanno portato alla caratterizzazione del comportamento a trazione degli FRCM e alla descrizione del loro legame costitutivo. Le prove non hanno riguardato solo i materiali compositi, ma sono stati provati a trazione anche tessuti secchi al fine di poter usufruire di un confronto - in termini di resistenza e di rigidezza - tra i risultati del tessuto inglobato all interno della matrice e non. PROVE SU TESSUTO CONFEZIONAMENTO I tessuti GeoSteel Grid forniti da Kerakoll s.p.a. sono stati ritagliati includendo un numero variabile di yarn per ottenere quel numero tale da garantire una più uniforme distribuzione delle tensioni tra tutti i filamenti. Per quanto concerne GeoSteel Grid 400 sono state ritagliate strisce di tessuto in entrambe le direzioni principali per via del comportamento anisotropo dell acciaio di cui si è già parlato. In più, dal momento che Kerakoll ha fornito campioni di tessuto apprettati in due maniere diverse per migliorarne le caratteristiche meccaniche e per evitare che all interno dello stesso yarn nascessero scorrimenti relativi tra fibre interne ed esterne, sono state ritagliate strisce di tessuto di entrambi i tipi. Il passo successivo è consistito nell applicazione di talloni in alluminio alle estremità delle strisce ritagliate tramite araldite. I talloni (le cui dimensioni sono 8/10 cm X 5cm) hanno lo scopo di proteggere il tessuto dalla chiusura delle morse dell MTS che esplicano una forza di 500 kn e di garantire una migliore distribuzione delle tensioni su tutti gli yarn. L araldite è una colla molto resistente e durante il suo tempo di essiccazione (circa 48h) delle masse sono state posate sui talloni affinchè aderissero meglio. Pagina 5
SET-UP E PROVA A essiccazione dell araldite avvenuta si passa ai rilievi metrici, dove si calcola: la larghezza del tessuto tramite il prodotto tra l interasse tra gli yarn ed il loro numero; l area del tessuto come prodotto tra il valore dello spessore equivalente ( dato dal fornitore) e la larghezza del tessuto. La distanza che intercorre tra la morsa superiore e quella inferiore della macchina (ovviamente tale misura viene presa quando il provino è già posizionato sull MTS e comunque prima dell avvio della prova). Un altro rilievo da fare è quello fotografico, in cui si documenta: la fase precedente la prova, in cui si indica la sigla distintiva del provino e il modo in cui esso verrà montato sulla macchina universale indicando up e down ; i vari momenti salienti della prova; la fase successiva alla fine della prova quando il provino è giunto a rottura ed è privo di resistenza residua. Una volta collocato il provino sulla macchina e chiuse le morse, si posiziona l estensometro MTS al centro del provino per ottenere un confronto in termini di deformazioni con i dati restituiti dai trasduttori integrati nella macchina. Pagina 6
Proposizione di varie viste dell estensometro Bisogna fare in modo che prima dell avvio della prova il tessuto sia sufficientemente teso per evitare che la curva tensioni deformazioni presenti nel tratto iniziale un fittizio incremento di rigidezza. Inoltre, l asse del tessuto deve coincidere con la linea immaginaria che congiunge i centri delle due morse per fare in modo che le tensioni siano distribuite quanto più equamente nei vari yarn. L ultimo step è rappresentato dall azzeramento del valore registrato dall estensometro per non trovare grafici con valori iniziali non nulli (lo stesso discorso non vale per la forza che dopo la chiusura delle morse non deve essere azzerata). Fatto ciò, la prova può avere inizio. Pagina 7
PROVE SU COMPOSITO CONFEZIONAMENTO I compositi oggetti di prove a trazione sono stati confezionati direttamente da Kerakoll. Il lavoro preliminare svolto in laboratorio è consistito nella rimozione del tessuto estremale fuoriuscente dalla matrice e nell applicazione del rinforzo nella zona del provino interessata dall afferraggio delle morse. I provini per i test di trazione sono di forma prismatica parallelepipeda, di spessore 10-15mm, larghezza 40-50mm e lunghezza complessiva 40-60cm. Le estremità dei provini, in accordo a quanto già detto, sono inoltre state rinforzate con GFRP (tessuto bidirezionale in fibra di vetro applicato con resina GeoLite Gel). Pagina 8
SET-UP E PROVA Per quanto riguarda il rilievo metrico, vale lo stesso discorso già fatto nel caso delle prove su tessuto secco. In più, vanno chiaramente rilevate le misure di larghezza e spessore della matrice. Anche per quanto concerne il rilievo fotografico non vi sono differenze rispetto al caso precedentemente indicato. Una sostanziale differenza, invece, vi è per quanto riguarda la strumentazione. Infatti, i valori di spostamento sono stati misurati durante le prove oltre che con l estensometro - mediante potenziometri (corsa massima 25mm, accuratezza <0,15%, risoluzione <0,01mm). Pagina 9
I potenziometri vanno installati sul provino prima che venga portato sull MTS. Tramite delle barrette di ferro e del nastro biadesivo, si è fatto in modo che non fossero consentiti scorrimenti relativi tra potenziometro e provino. Pagina 10
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MACCHINA UNIVERSALE MTS Le prove vengono effettuate in controllo di spostamento ad una velocità tanto più bassa quanto maggiori sono le possibilità che abbiano luogo fenomeni di tipo fragile (da un minimo di 0,01 mm/s ad un massimo di 0,02 mm/s). La forza che le morse esercitano è di 500 kn, forza tale da dover rinforzare le estremità dei compositi per evitare che in quei punti vi sia danneggiamento o fessurazione. Il carico applicato è stato registrato da una cella di carico integrata nella macchina di prova, dotata di precisione <0.25% e risoluzione <1N. Pagina 12
ELABORAZIONE DEI DATI La macchina universale MTS fornisce in output un file di testo all interno del quale sono riportati i valori di spostamento, di carico e di deformazione percentuali. Tale file viene dato in pasto ad un programma implementato in Matlab, tramite il quale è possibile plottare la curve tensioni deformazioni registrate dall MTS e dall estensometro. Così facendo è possibile caratterizzare il rinforzo con i valori di tensione massima, deformazione ultima e con i valori dei moduli elastici dei tratti iniziale e fessurato. QUADRO RIASSUNTIVO DEI PROVINI Ogni provino, sia esso da sottoporre a prove di trazione o di delaminazione, viene identificato con un codice composto da più parti, dove ognuna di queste sta ad indicare tipo di: supporto (se presente); matrice (se presente); tessuto; numero del provino; condizionamento. Pagina 13
I codici rappresentanti i materiali usati durante l attività di tirocinio sono: MATRICI: GeoCalce Fino GeoLite GeoLite Gel LS G R TESSUTI: GeoSteel G600 GeoSteel G2000 GeoSteel G3300 GeoSteel Grid 200 GeoSteel Grid 400 S4 S12 S21 Gr200 Gr400 Quindi, le prove hanno riguardato i seguenti compositi e tessuti secchi: Prove di trazione su composito Provini forniti dal committente Kerakoll s.p.a. : tessuto GeoSteel Grid200 GeoSteel Grid400 GeoSteel G600 GeoSteel G2000 GeoSteel G600 GeoSteel G2000 GeoSteel G3300 matrice GeoCalce Fino GeoCalce Fino GeoLite GeoLite GeoLite Gel GeoLite Gel GeoLite Gel Prove di trazione su tessuto Provini realizzati in laboratorio per prove su tessuto secco: tessuto GeoSteel Grid 200 apprettato (tipo 1) GeoSteel Grid 400 apprettato (tipo 1) GeoSteel Grid 400 apprettato (tipo 2) Pagina 14
SCHEDE DI PROVA Dopo un accurata analisi dei dati è possibile procedere alla compilazione delle schede di prova relative ad ogni prova. Di seguito si riporta una scheda di prova tipo in cui le celle riguardanti i risultati non sono state volutamente riempite poiché sono informazioni riservate e protette dal segreto industriale: Pagina 15
4. Risultati della prova Pagina 16
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