STRUTTURE IN CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO - CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO: CARATTERISTICHE GENERALI

Ingegneria Strutturale

· CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO: CARATTERISTICHE GENERALI

· INTRODUZIONE

· Caratteristiche delle fibre di acciaio per il rinforzo del calcestruzzo

· Caratteristiche meccaniche dei calcestruzzi rinforzati con fibre

· COME SI IDENTIFICA UN CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO

· Conclusioni

L'inserimento nel portale di questo articolo, pubblicato sulla rivista STRADE & AUTOSTRADE n° 55 Gennaio/Febbraio 2006, è stato autorizzato della Direzione della Casa Editrice Edi-Cem Srl

INTRODUZIONE

Un calcestruzzo fibrorinforzato può essere ottenuto aggiungendo all’impasto diversi tipi di fibre: metalliche (essenzialmente in acciaio), naturali e sintetiche di vario tipo. L’aggiunta di fibre nel calcestruzzo ha diversi scopi:

- aumento della duttilità

- aumento della resistenza a fatica

- miglioramento della resistenza all’impatto ed all’abrasione

- riduzione della microfessurazione e degli effetti del ritiro

- miglioramento della resistenza al fuoco

L’uso del calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio è in continua espansione, sia in termini quantitativi che applicativi. Dai settori tradizionali del calcestruzzo proiettato per il rivestimento provvisorio delle gallerie e del calcestruzzo gettato in opera per le pavimentazioni industriali, questa tecnologia si sta diffondendo alla prefabbricazione, come nel caso di tegoli per la copertura di capannoni e dei conci per il rivestimento finale delle gallerie.

Le figure che seguono mostrano le tipologie di fibre di maggior utilizzo: fibre di polipropilene (Figura 1), fibre di vetro (Figura 2), fibre Fe-Cr flessibili (Figura 3), fibre da filo di acciaio (Figura 4), fibre da filo di acciaio a basso contenuto di C (Figura 5), fibre di acciaio ondulate (Figura 6), fibre di cellulosa (Figura 7), mesofibre di acciaio (Figura 8), fibre di acciaio rettilinee (Figura 9), microfibre di acciaio (Figura 10).

Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5

Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10

Attualmente, per le fibre d’acciaio e per i calcestruzzi ottenuti con esse, esistono diverse norme e progetti di norme, nazionali ed internazionali.

Caratteristiche delle fibre di acciaio per il rinforzo del calcestruzzo

La norma UNI 11037/03 – “Fibre d’acciaio da impiegare nel confezionamento di conglomerato cementizio rinforzato”, definisce i requisiti che le fibre in acciaio devono possedere per il rinforzo del calcestruzzo e ne identifica le caratteristiche chimiche, geometriche e meccaniche, con le relative classificazioni e tolleranze. Di seguito le caratteristiche citate:

- Lunghezza L

- Diametro equivalente De

- Rapporto d’aspetto l = L / De

- Resistenza a trazione Ri

- Forma

- Processo produttivo

- Composizione chimica

- Rivestimento superficiale

Nella Tabella 1 sono indicate le caratteristiche meccaniche dei materiali delle fibre. Per completezza di informazione, specie nel caso di fibre non metalliche, sarebbe bene richiedere al produttore anche le seguenti altre proprietà meccaniche:

- Allungamento a rottura e = DL / L

- Modulo elastico E

- Tensione allo 0,2 di deformazione residua R_p0,2

Caratteristiche meccaniche dei materiali delle fibre

Fibra	Diametro (mm)	Peso specifico (10³ kg/m³)	Modulo Elastico (N/mm²)	Resistenza a trazione (N/mm²)	Allungamento a trazione (%)
Acciaio	5 - 500	7,84	200.000	500 – 2.000	0,5 - 3,5
Vetro	9 - 15	2,60	70.000 – 80.000	2.000 – 4.000	2 – 3,5
Polipropilene	20 - 200	0,90	5.000 – 7.000	500 – 750	8
Nylon	-	1,10	4.000	900	13 - 15
Carbonio	9	1,90	230.000	2.600	1
Kevlar	10	1,45	65.000 – 133.000	3.600	2,1 - 4
Acrilica	18	1,18	14.000 – 19.500	400 – 1.000	3

Tabella 1

Caratteristiche meccaniche dei calcestruzzi rinforzati con fibre

Per la parte relativa alle proprietà meccaniche dei calcestruzzi fibrorinforzati, tra le norme più importanti vi sono la UNI 11039/03 – “Calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio” ed il prUNI U32045140 – “Progettazione, esecuzione e controllo degli elementi strutturali in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio”.

Nella Parte I della UNI 11039 si definiscono le caratteristiche ed i requisiti dei calcestruzzi rinforzati con fibre d’acciaio, confezionati in cantiere, in stabilimento di prefabbricazione, in laboratorio e preconfezionati.

Particolare rilevanza riveste il prospetto sulle classi di duttilità D₀ e D₁, dove D₀indica 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 D₁ 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) (per la determinazione di tali grandezze si veda la Parte II).

La norma UNI 11039 definisce esplicitamente “non rinforzati con fibre d’acciaio” quei calcestruzzi per i quali si abbiano valori dell’indice di duttilità D₀< 0,5. La ragione di tale scelta sta nella constatazione sperimentale (Figura 11, Figura 12, Figura 13) che provini di calcestruzzo senza fibre, testati a flessione, per classi di calcestruzzi da C20 a C90, hanno dato valori di duttilità D₀ ~ 0,20 ÷ 0,35. Ove per altri tipi di fibre manchino norme specifiche, la UNI 11039 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 D₀< 0,5 si dovrebbe definire, secondo i criteri di cui sopra, “non rinforzato”.

Figura 11 Figura 12 Figura 13

Nelle due figure sotto sono riportati i grafici sperimentali di prove di flessione UNI 11039 per cls ottenuti aggiungendo la stessa percentuale volumetrica di fibre (0.5 % in volume), ma utilizzando fibre sintetiche nel primo caso (Figura 14) e fibre di acciaio nel secondo caso (Figura 15). Nel primo caso, fibre sintetiche di tipo polimerico, l’indice di duttilità D₀ è risultato minore di 0.5.

Figura 14 Figura 15

Sempre nella Parte I, si indica il dosaggio minimo di fibre di acciaio in 25 kg per m³ di composito (0,32 % di volume). Il dosaggio minimo è stato definito dopo un’estesa campagna sperimentale condotta a supporto del lavoro di redazione della norma, la quale ha accertato che, pur con diversi tipi di fibre, per i relativi compositi, si otteneva una duttilità minima D₀ ≥ 0,5.

In conclusione, per le fibre di acciaio esistono attualmente due prescrizioni, sul dosaggio minimo e sulla duttilità minima, che hanno lo scopo di tutelare gli applicatori riguardo al mantenimento di un livello prestazionale adeguato. Ad integrazione di quanto esposto va detto che, recentemente, sono state pubblicate le Istruzioni CNR_DT204_2006, le quali danno una definizione analoga del dosaggio minimo e della duttilità minima necessaria agli usi strutturali, espressa in termini di resistenza a trazione diretta residua in esercizio che, indirettamente, può essere ricavata anche dalle prove di flessione UNI 11039.

Figura 16 Figura 17

COME SI IDENTIFICA UN CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO

Di seguito, un riepilogo delle caratteristiche che identificano un calcestruzzo fibrorinforzato:

- Classe di resistenza a compressione (UNI EN 206-1)

- Classe di consistenza (UNI EN 206-1)

- Classe di esposizione UNI EN 206-1)

- Dimensione massima dell’aggregato (UNI EN 12620)

- Classe di resistenza di 1^a fessurazione (UNI 11039)

- Indice di duttilità D₀ (UNI 11039)

- Indice di duttilità D₁ (UNI 11039)

A tali caratteristiche andrebbero aggiunte informazioni supplementari quali:

- Caratteristiche delle fibre impiegate (secondo UNI 11037 ed aggiuntive)

- Dosaggio minimo (in % di volume o in kg/m³) necessario al raggiungimento della duttilità minima

Il problema nasce per altri tipi di fibre, per le quali non esistano norme che, ad esempio, indichino il dosaggio minimo (in kg/m³ o in % in volume) necessario al raggiungimento della duttilità minima e, più in generale, un insieme di regole che permettano di controllare i requisiti delle fibre e le proprietà meccaniche dei relativi compositi rinforzati.

Una risposta potrebbe venire dal progetto di norma prUNI U32045140 – “Progettazione, esecuzione e controllo degli elementi strutturali in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio”, redatto dal Gruppo di Lavoro “Calcestruzzo Fibrorinforzato” della Sottocommissione SC4 ”Prefabbricazione” della “Commissione Ingegneria Strutturale” (CIS) dell’UNI. Tale norma definisce i requisiti di resistenza, funzionalità e durabilità degli elementi strutturali realizzati in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio, con o senza la presenza aggiuntiva di armature tradizionali (lente e/o pretese). La norma si applica agli elementi prefabbricati, sia di serie che occasionali, ed alle strutture gettate in opera. Ai fini delle applicazioni strutturali del fibrorinforzato si distinguono diversi tipi di comportamento:

- Tipo A - degradante (softening)

- Tipo B - incrudente (hardening)

- Tipo C - sovraresistente (over-resistant)

In funzione del tipo di comportamento, si potrà tenere conto o meno della resistenza a trazione del materiale in determinate situazioni statiche. Ad esempio, nel caso di comportamento degradante (softening), ottenibile con una percentuale in volume di fibre d’acciaio relativamente contenuta, per gli impieghi strutturali previsti dal progetto di norma, per lo specifico stato di sollecitazione, è richiesto un valore di resistenza equivalente pari a:

P_eq ≥ 0,5 P_I

dove P_eq è la resistenza equivalente per una determinata deformazione o apertura di fessura e P_I è la resistenza di prima fessurazione. In caso contrario, nelle verifiche di resistenza va trascurata la resistenza a trazione del fibrorinforzato

Conclusioni

Il calcestruzzo fibrorinforzato è un materiale in rapida espansione. Le possibilità offerte dalla tecnologia e dalla chimica dei materiali ne allargano continuamente le possibilità applicative. Si pensi all’uso con gli autocompattanti (Self Compacting Concrete) e con i compositi cementizi ad alta ed altissima resistenza (Ultra High Performance Fibre Reinforced Cement Composite): è possibile ottenere materiali duttili con altissime prestazioni meccaniche, con comportamento incrudente a trazione diretta, con contenuti superiori al 2% in volume di fibre di acciaio ad alto contenuto di carbonio.

Questa evoluzione necessita di un adeguato impianto normativo che regolamenti i controlli sui componenti e sui compositi stessi. In ambito italiano (Istruzioni CNR_DT204_2006) ed Europeo è in atto un’intensa attività normativa.