STRUTTURE IN CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO - CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO: COMPORTAMENTO CHIMICO-FISICO

Ingegneria Strutturale

· CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO: COMPORTAMENTO CHIMICO-FISICO

· Bruno Rossi

· INTRODUZIONE

· Ritiro a breve termine (plastico) – Plastic Shrinkage Cracking

· Ritiro a lungo termine (idraulico) – Long Term Shrinkage cracking

· DURABILITÁ

· GELO-DISGELO

· CARBONATAZIONE

· CORROSIONE DELLE FIBRE

· ESPOSIZIONE AL FUOCO

· NORMATIVA

INTRODUZIONE

Il comportamento fisico e chimico va valutato secondo i seguenti fenomeni:

· Ritiro a breve termine (plastico)

· Ritiro a lungo termine (idraulico)

· Durabilità

· Gelo-disgelo

· Carbonatazione

· Corrosione delle fibre

· Esposizione al fuoco

Per ognuna delle suindicate caratteristiche verranno forniti adeguati riferimenti normativi.

Ritiro a breve termine (plastico) – Plastic Shrinkage Cracking

La fessurazione da ritiro plastico si sviluppa a causa della perdita d’acqua nel passaggio dalla fase liquida alla fase plastica. Il ritiro plastico del calcestruzzo può essere efficacemente controllato con l’uso di microfibre di tipo polimerico in virtù dell’elevatissima superficie specifica di tali fibre per unità di volume e quindi della loro capacità di trattenere acqua per tensione superficiale.

Esistono diversi metodi per misurare la fessurazione, uno dei quali è l’AASHTO PP34-98 “Standard Practice for Estimating the Crack Tendency of Concrete”. Di recente è stata redatta una norma specifica per il fibrorinforzato: ASTM C1579-06 “Standard Test Method for Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete (Using a Steel Form Insert)”.

Ritiro a lungo termine (idraulico) – Long Term Shrinkage cracking

Durante la maturazione del calcestruzzo continua la perdita di acqua e questo comporta una riduzione volumetrica: nel caso ciò avvenisse liberamente non ci sarebbero tensioni nella struttura. Qualora, invece, la struttura non fosse libera di contrarsi, si svilupperebbero delle tensioni di trazione che possono superare la capacità resistente del materiale provocando l’insorgere di fessure diffuse nel calcestruzzo. Si può ovviare a questo fenomeno aggiungendo all’impasto fibre corte, in quantità adeguata.

Le fibre ottimali in questo senso sono le microfibre di acciaio (f ≤ 0,20 mm) per via della maggiore superficie specifica e, quindi, della possibilità di interagire con la matrice cementizia.

Uno dei metodi usati per misurare gli effetti del ritiro, in condizioni non confinate, è la norma ASTM C157 “Standard Test Method for Length Change of Hardened Hydraulic-cement Mortar and Concrete”. Al momento, non ci sono norme per la condizione confinata, per calcestruzzi fibrorinforzati.

Durabilità

Nelle recenti istruzioni CNR_DT204_2006 è riportata una tabella relativa alle fibre in acciaio, nella quale si indica la possibilità di uso di queste in funzione delle classi di esposizione (in accordo con la norma EN 206-1:2006 - Concrete - Part 1: Specification, performance, production and conformity) e della profondità di penetrazione dell'acqua sotto pressione (UNI EN 12390-8).

Gelo-disgelo

Riguardo alla resistenza al gelo dei compositi fibrorinforzati con fibre di acciaio, va detto che solo un aumento della percentuale dei vuoti d’aria è da ritenersi efficace: solo se si agisce in questo senso si possono ottenere calcestruzzi resistenti al gelo e questo vale anche per i calcestruzzi fibrorinforzati. Calcestruzzi rinforzati con fibre di acciaio, con un adeguato contenuto d’aria mostrano un’ottima resistenza a cicli di gelo-disgelo rispetto a calcestruzzi non rinforzati (Massazza e Coppetti, Italcementi, 1991).

La norma da utilizzare, ASTM C666-03 “Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing”, è applicabile anche a calcestruzzi non rinforzati. In ambito europeo si può utilizzare le norme CEN/TR 15177:2006 “Testing the freeze-thaw resistance of concrete - Internal structural damage”, EN 13581-2003 “Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test method - Determination of loss of mass of hydrophobic impregnated concrete after freeze-thaw salt stress”oppure la norma UNI 7987-2002 “Calcestruzzo - Determinazione della resistenza al degrado per cicli di gelo e disgelo”.

Carbonatazione

La presenza di fibre non sembra influenzare significativamente il fenomeno della carbonatazione dal momento che non sono stati rilevati incrementi della profondità del fronte di avanzamento della CO₂.

La misurazione della profondità di carbonatazione del calcestruzzo fibrorinforzato viene condotta con la procedura di prova utilizzata per i calcestruzzi ordinari: UNI 9944-1992 “Corrosione e protezione dell'armatura del calcestruzzo. Determinazione della profondità di carbonatazione e del profilo di penetrazione degli ioni cloruro nel calcestruzzo”.

Corrosione delle fibre

Al fine di valutare gli effetti dell’esposizione del calcestruzzo fibrorinforzato ad ambienti aggressivi (ambiente saturo di sale, ioni aggressivi, etc.) occorre distinguere tra calcestruzzi integri e calcestruzzi pre-fessurati.

Nel primo caso la corrosione è limitata alle fibre in superficie con sola conseguenza estetica. Nel caso di provini fessurati, la diminuzione di resistenza è modesta e dipende dall’ampiezza e dalla profondità della fessura: per aperture di fessura maggiori di 0,1 mm, ma limitate in profondità, non ci sono conseguenze sull’efficacia strutturale (ACI 544.1R – Fiber Reinforced Concrete).

Esposizione al fuoco

Le affermazioni che seguono sono tratte integralmente dalle Istruzioni CNR_DT204_ 2006. Dall’esperienza finora acquisita sul comportamento al fuoco dei calcestruzzi rinforzati con fibre di acciaio si possono formulare le seguenti considerazioni:

Basse percentuali di fibre (sino all’1%) non alterano significativamente la diffusività termica, che rimane dunque calcolabile sulla base dei dati disponibili per la matrice;

Il danneggiamento provocato nel materiale da un ciclo termico spinto fino a 800 °C risulta prevalentemente correlato alla massima temperatura raggiunta nel ciclo e produce un effetto irreversibile sulla matrice. Tale comportamento, rilevato prevalentemente in presenza di limitate frazioni volumetriche di fibre metalliche, suggerisce, una volta ripristinata la temperatura ambiente, di apprezzare il degrado indotto attraverso la valutazione della resistenza residua;

Al variare della temperatura massima di esposizione, la resistenza di prima fessurazione risulta tendenzialmente allineata con quella della matrice. Per temperature superiori ai 600 °C, le fibre migliorano il comportamento della matrice;

Al variare della temperatura massima di esposizione, il modulo di elasticità dei calcestruzzi fibrorinforzati non risulta influenzato significativamente dalla presenza di limitate frazioni volumetriche (≤ 1%) di fibre e, pertanto, può essere assimilato a quello della matrice;

La presenza di fibre di polipropilene risulta efficace per limitare gli effetti di spalling distruttivo. In particolare, tali fibre sublimano parzialmente ad una temperatura di 170 °C lasciando cavità libere nella matrice. Una frazione volumetrica di fibre compresa tra lo 0.1% e lo 0.25% è in grado di mitigare significativamente o di eliminare il fenomeno.

Per la verifica degli effetti dell’esposizione al fuoco, esistono diversi procedimenti, alcuni dei quali riportati di seguito:

ISO 834 – 1994: Fire-resistance tests - Elements of building construction

BS 476 – 2004: Fire tests on building materials and structures

NORMATIVA

Di seguito sono riportate tutte le norme citate precedentemente. Esse riguardano le metodologie per testare il materiale, sia sotto l’aspetto meccanico, sia per tutti gli aspetti fisico-chimico. Sono riportate anche tutte le normative relative ai principi di progettazione basati sulle proprietà del materiale ed in funzione dell’assetto statico.

· ACI Committee - Report 544.1R – State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete

· ACI Committee - Report 544.2R – Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete

· ACI Committee – Report 544.4R – Design Considerations for Steel Fiber Reinforced Concrete

· ASTM C39 - Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens

· ASTM C157 - Standard Test Method for Length Change of Hardened Hydraulic-cement Mortar and Concrete

· ASTM C418 - Standard Test Method for Abrasion Resistance of Concrete by Sandblasting

· ASTM C496 - Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens

· ASTM C512 - Standard Test Method for Creep of Concrete in Compression

· ASTM C666 - Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing

· ASTM C779 - Standard Test Method for Abrasion Resistance of Horizontal Concrete Surfaces

· ASTM C1018 - Standard Test Method for Flexural Toughness and First-Crack Strength of Fiber Reinforced Concrete

· ASTM C1116 - Standard Specification for Fiber Reinforced Concrete and Shotcrete

· ASTM C1399 – Standard Test Method for Obtaining Average Residual-Strength of Fiber Reinforced Concrete

· ASTM C1550 - Standard Test Method for Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete (Using Centrally Loaded Round Panel)

· ASTM C1579 - Standard Test Method for Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete

(Using a Steel Form Insert)

· CRD-C 63-80 - Test Method for Abrasion-Erosion Resistance of Concrete (Underwater Method), U.S. Army Corps of Engineers

· AASHTO PP34-98 - Standard Practice for Estimating the Crack Tendency of Concrete

· EFNARC - European Specification for Sprayed Concrete

· EN 206-1 - Concrete - Part 1: Specification, performance, production and conformity

· EN 12390-3 - Testing hardened concrete - Compressive strength of test specimens

· EN 12390-6 - Testing hardened concrete - Tensile splitting strength of test specimens

· EN 12390-8 - Testing hardened concrete - Depth of penetration of water under pressure

· EN 13581 - Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test method - Determination of loss

of mass of hydrophobic impregnated concrete after freeze-thaw salt stress

· EN 13687-1 - Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test methods – Determination

of thermal compatibility - Freeze-thaw cycling with de-icing salt immersion

· EN 14651 – Precast concrete products - Test method for metallic fibre concrete - Measuring the flexural tensile strength

· CEN EN 1992-1-1 - Eurocode 2 – Design of concrete structures - Part 1-1:general rules and rules for buildings

· CEN/TR 15177 - Testing the freeze-thaw resistance of concrete - Internal structural damage

· RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete – Bending test

· RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete – s-e Design Method

· RILEM CPC-18 – Measurement of hardened concrete carbonation depth

· NF P18-409 – Beton avec Fibres Metalliques. Essai de flexion

· UNE 83-510 – Determination del Indice de Tenacidad y Resistencia a Primera Fisura

· NBN B 15-238 – Essai des bétons renforcés des fibres. Essai de Flexion sur éprouvettes prismatiques

· JCI–SF4 – Method of Tests for Flexural Strength and Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete

· UNI 7087 - Calcestruzzo - Determinazione della resistenza al degrado per cicli di gelo e disgelo

· UNI 9944 - Corrosione e protezione dell'armatura del calcestruzzo. Determinazione della profondità di carbonatazione e

del profilo di penetrazione degli ioni cloruro nel calcestruzzo

· UNI 11039-1 – Calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio. Part. I: Definizioni, classificazione e designazione

· UNI 11039-2 – Calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio. Part. II. Metodo di prova per la determinazione della resistenza

di prima fessurazione e degli indici di duttilità

· UNI U73041440 - Progettazione, esecuzione e controllo degli elementi strutturali in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio

Norme Tecniche per le Costruzioni – Decr. 14/09/05 – G.U. 23/09/05

· CNR_DT204_2006 - Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato

· ISO 834 – Fire resistance tests - Elements of building construction

· BS 476 - Fire tests on building materials and structures