Experimental Research On fiber-reinforced mortars

Ministero dell’Economia e dell’Istruzione, dell’Università e della cerca scientifica e tecnologica delle Finanze REGIONE PUGLIA ASSESSORATO LANCIO E PROGRAMMAZIONE Settore Programmazione PROGETTO STRATEGICO PROGETTO S.I.S.M.A. Strutture Innovative e Sperimentazione di Materiali Avanzati Ricerca Sperimentale Su Murature Con Malte Fibrorinforzate Partnership: Laterificio pugliese S.p.A. Borsista: Ing. Romanazzi Andrea Geom. Francesco Paparella 1. Introduzione Nell’iter della sperimentazione si è ritenuto utile studiare il comportamento meccanico delle malte e collanti da utilizzare per la realizzazione di strutture portanti e non in laterizio, con aggiunta di fibre. Sulla base delle indicazioni riportate in letteratura infatti, l’aggiunta di fibre consente un miglioramento delle caratteristiche funzionali e meccaniche delle malte. In particolare risultano migliorate le resistenze alla scheggiatura, all’impatto e agli shock termici. Nella costruzione di una struttura in muratura, il giunto di malta rappresenta l’elemento di assemblaggio tra i blocchi in laterizio; in particolare si parla di giunto ordinario quando lo strato di malta che permette tale assemblaggio risulta avere uno spessore di circa 5 mm, con distribuzione uniforme sull’intera superficie del blocco. I giunti di malta ordinari devono essere preferibilmente continui, ossia coprire l’intera faccia verticale e orizzontale dell’elemento. La campagna sperimentale del progetto S.I.S.M.A. ha riguardato l’applicazione di tale tecnologia a blocchi innovativi posti in opera con la tecnica del giunto “sottile”. Infatti le evoluzioni nel settore delle costruzioni di edifici in muratura ha portato una graduale sostituzione delle tipologie di giunto ordinario con giunti interrotti, oppure con giunti verticali a secco o con ricopertura parziale di malta, o con giunti orizzontali sottili. Insieme alla partnership del gruppo Fantini Scianatico si è resa utile avviare una campagna di prove per valutare i principali problemi strutturali connessi all’utilizzo di tali materiali e sistemi costruttivi già di per sé fragili nel caso di azioni sismiche. L’obiettivo finale è stato quello di fornire un utile contributo per la definizione di formulazioni di resistenza e metodi di calcolo da utilizzare ad integrazione ed aggiornamento delle attuali normative. 2. Il sistema a “giunto sottile” Il sistema con giunti sottili considera le stesse tipologie di blocco adottate per una muratura ordinaria e prevede l’impiego di malte-colla appositamente studiate per la realizzazione di letti di malta con spessore non superiore a 3 mm. Per la realizzazione dei giunti sottili si possono considerare due modalità esecutive: una per immersione dei blocchi nell’impasto di malta, l’altra con utilizzo di una macchina stendi-giunto (fig.1. Tale attrezzatura è costituita da un recipiente metallico, collegato ad un rullo, a sua vuota inserito in un sistema di guide che consente la discesa della malta mediante colata dall’alto con un semplice passaggio orizzontale dell’operatore. fig.1 differenti tecniche per la posa in opera del giunto sottile. 1Tecnica ad immersione e con supporto meccanico stendi-giunto Nel caso di utilizzo del dispositivo stendi-giunto, i blocchi dei corsi via via realizzati vengono poggiati sul letto di malta preesistente, mentre nel sistema per immersione il giunto di malta viene formato simultaneamente alla posa dei blocchi. Sono state notate durante la campagna differenti risultati al variare della tecnica di posa in opera adottata. Nel primo caso si è ottenuto un letto di malta uniforme su tutta la superficie, di spessore controllato e pressoché costante, mentre nel sistema per immersione il letto di malta è apparso ridotto alla superficie di sovrapposizione dei blocchi a contatto e la sua dimensione è stata meno controllabile, essendo legata alle peculiarità della fase di posa. Per contro, il secondo sistema si presta ad un minor consumo di malta e ad una maggiore rapidità di realizzazione della muratura. Valori puramente indicativi denotano che è possibile impiegare una malta da 6 (modalità stendigiunto) a 14 volte inferiore (modalità per immersione) nella muratura con blocchi rettificati e giunti sottili rispetto a quella ordinaria, con relativa riduzione dei tempi di esecuzione pari mediamente ad un terzo. 3. Il giunto fibrorinforzato – modello comportamentale I materiali a base cementizia sono caratterizzati da un comportamento piuttosto fragile e da una scarsa capacità de formativa e dunque, se sottoposti a sforzi di trazione, alla risposta elastica segue subito una fase di micro fessurazione ed una successiva localizzazione delle fessure che porta al collasso. Il progetto S.I.S.M.A. ha così previsto l’introduzione di un rinforzo fibroso diffuso all’interno della matrice cementizia per permette di limitarne la fragilità, dando origine a materiali caratterizzati da maggiore resistenza, durabilità e soprattutto tenacità. L’utilizzo di fibre all’interno della matrice cementizia ha come fine la formazione di un materiale composito nel quale il conglomerato, che già può essere considerato un materiale composito costituito da uno scheletro litico disperso in una matrice di pasta di cemento idrata, è unito ad un agente rinforzante formato da materiale fibroso di varia natura. I benefici che si riscontrano a seguito dell’introduzione di fibre nella matrice sono particolarmente evidenti in fase post-fessurativa, svolgendo un’azione di cucitura della fessura e fornendo una resistenza residua ad avvenuta fessurazione. Si parla di resistenza residua in quanto, con i dosaggi di fibre che ordinariamente vengono utilizzati, il comportamento dl materiale resta di tipo degradante (softering), pertanto le fibre generalmente non vanno ad influenzare la resistenza di picco del materiale, ma ne aumentano la sua duttilità. I composti cementizi sono caratterizzati da una zona di transizione vicino alla superficie di rinforzo, dove la microstruttura della matrice è sensibilmente differente rispetto alle porzioni di volume lontane dall’interfaccia. La natura e la dimensione di questa zona variano a seconda del tipo di fibra e di processo produttivo; in alcuni casi possono dipendere anche dal tempo. Una prima fase di studio è stata puramente bibliografica, cercando di interpretare un modello per lo studio dell’interfaccia fibra-matrice è essenziale per capire l’ancoraggio della fibra nella matrice. La matrice all’interfaccia è costituita da particelle di cemento di diametro compreso tra 1 e 100 µm nell’impasto fresco, che per idratazione formano cristalli di dimensioni superiori. Le caratteristiche dell’impasto fresco influenzano molto l’interfaccia perché determinano la formazione di volumi di acqua attorno alle fibre. In generale questi volumi sono causati da intrappolamento e scorrimento dell’acqua attorno alle fibre e da inefficiente costipamento dei grani di cemento per 40 µm dal bordo della fibra. Tutto questo comporta che la matrice attorno alla fibra sia più porosa perché, con l’avanzare del processo di idratazione, l’acqua in eccesso non reagisce completamente a formare cristalli resistenti, perciò lascia delle cavità vuote che ovviamente riducono la resistenza del materiale. La struttura della zona di transizione varia anche a seconda che si usino fibre monofilamento o fasci di fibre: nel primo caso tutta la superficie della fibra è a contatto con la matrice, mentre nei fasci solo le fibre esterne sono a contatto con l’impasto. Da questo primo studio bibliografico è dunque parsa necessaria una duplice campagna di prove con entrambe le tipologie di fibre. Il beneficio maggiore derivante dall’utilizzo delle fibre come elemento di rinforzo in una matrice cementizia si può osservare principalmente nelle condizioni di esercizio: la presenza delle fibre origina un meccanismo di assorbimento dell’energia, per cui si riscontra una maggiore capacità di dissipazione dell’energia sprigionata in un impatto. Per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche, per bassi dosaggi di fibre non si otterrebbero né cambiamenti significativi nelle proprietà elastiche del materiale, né incrementi nel carico di picco del collante. Solamente a fessurazione avvenuta le fibre divengono efficaci e migliorano le prestazioni del materiale, fungendo da elemento resistente diffuso con azione di cucitura tra i lembi delle fessure( fig.2). fig.2 comportamento microscopico delle fibre Adottando una percentuale di fibre non troppo elevata, la risposta post-fessurazione continua a rimanere di tipo fragile, ma con una pendenza del ramo discendente minore rispetto a quella che si avrebbe in assenza di fibre. Aumentando il dosaggio di fibre si passa ad un comportamento di tipo duttile (fig.3). fig.3 differente comportamento a rottura di malte semplici o fibrorinforzate La presenza di fibre migliora quindi la duttilità del materiale aumentando la capacità di assorbimento di energia, mentre il comportamento della malta compressa non si modifica in modo sostanziale in quanto l’effetto di tale presenza si manifesta solo in fase post picco: la resistenza a compressione monoassiale non si modifica, ma aumenta sensibilmente la deformazione ultima a compressione. Finché la matrice non è fessurata, l’aderenza con la fibra è totale. Il processo di deformazione vede la fibra e la matrice mantenere congruenza negli spostamenti, sebbene la distribuzione degli sforzi tangenziali lungo la fibra non sia uniforme (fig.4). Durante questa fase di carico, l’interazione fibra-matrice è di tipo elastica; questo suppone che sia le fibre che la matrice siano materiali elastici e che il legame fibra-matrice sia perfetto e non si verifichi alcuno scorrimento. In base a questo modello, lo sforzo tangenziale all’interfaccia fibramatrice è massimo alla fine della fibra e scende a zero in centro. È in questa zona terminale che gli sforzi passano dalla matrice alle fibre, generando progressivamente delle tensioni di trazione all’interno della fibra, infatti in essa lo sforzo cresce progressivamente, raggiungendo un massimo nel centro. fig.4 processo di deformazione della fibra L’efficienza globale del rinforzo dato dalle fibre è strettamente connessa con la quantità di sforzo tangenziale che si trasferisce dalla matrice ad esse; il valore massimo è ovviamente dato dal limite di resistenza a trazione delle fibre. Per una normale matrice cementizia e per delle fibre commerciali di acciaio c’è da aspettarsi che lo sforzo di ancoraggio venga superato ben prima che la resistenza della fibra venga superata. 4. Il materiale fibroso Da quanto già esposto è apparso utile studiare le tipologie di fibre da utilizzare nella campagna di prove. La singola fibra può essere suddivisa in due categorie: monofilamenti discreti, separati l’uno dall’altro, come accade per le fibre di acciaio, oppure assemblati di fibre, tipicamente fasci di filamenti, come per il carbonio e il kevlar (fig.5) Queste fibre dette monofilamento raramente hanno una forma ideale a cilindro, perché sono deformate in vari modi per migliorarne l’ancoraggio con la matrice. L’efficacia del rinforzo di una matrice cementizia dipende dal volume di fibre introdotte, dalle loro caratteristiche fisiche e meccaniche e dalla loro distribuzione spaziale. fig.5 tipologie di fibre disponibili sul mercato Nel caso ideale di sezione trasversale di un elemento strutturale realizzato con rinforzi fibrosi, le fibre dovrebbero essere allineate nella direzione degli sforzi principali e, se possibile, in modo regolare, secondo uno schema a triangolo o quadrato. I fasci di fibre sono invece composti da fibre piuttosto sottili, con un diametro dell’ordine dei 10 µm. Anche gli spazi che rimangono fra i filamenti dello stesso fascio sono dell’ordine di pochi millimetri, quindi è impossibile per i grani di cemento penetrare attraverso i filamenti. La microstruttura, dopo alcune settimane di idratazione, è caratterizzata da spazi vacanti fra i filamenti interni e formazioni localizzate di prodotti dell’idratazione fra i filamenti più esterni; ne consegue che mentre i filamenti esterni sono ancorati alla matrice, quelli più interni ricevono le sollecitazioni per attrito da quelli più esterni. Tale processo è favorito dalle molecole che si annidano fra una fibra e l’altra, ma comunque l’ancoraggio delle fibre più interne è sicuramente inferiore. Gli spazi tra i filamenti si possono gradualmente saturare di prodotti dell’idratazione, se il composto è mantenuto in ambiente umido per cui la superficie del filamento diventa punto di nucleazione. La sperimentazione ha previsto l’utilizzo di entrambe le tipologie: oggetto di studio sono fibre “Istrice” monofilamento e fibre “Fibermesh” a fasci, con specifica attenzione nei confronti delle fibre di Polipropilene e di PVC, rappresentate dalle due tipologie in uso. 4.1 Fibre in polipropilene “Fibermesh” Sono fibre in polipropilene vergine fibrillate (fig.6), che conferiscono maggiore durabilità al prodotto finito. In particolare il polipropilene è un composto plastico che può mostrare diversa tatticità, cioè differente configurazione relativa tra atomi di carbonio asimmettrici adiacenti lungo la catena di un polimero; l’importanza della tatticità è nel suo riflettersi sulle proprietà fisiche e reologiche del polimero, che ne influenzano le possibilità applicative. fig.6 le fibre al microscopio elettronico Il prodotto più interessante dal punto di vista commerciale è quello isotattico (con tutti gli atomi di carbonio che sporgono dalla catena principale sullo stesso lato), che è caratterizzato da un elevato carico di rottura, una bassa densità, una buona resistenza termica e all’abrasione. La densità è di 0,9 g/cm3 e il punto di fusione è di 165°C e oltre. La posa in opera di malte fibrorinforzate richiede l’utilizzo di un sistema di micro-rinforzo realizzato con fibre di lunghezza pari a 12 mm e peso specifico 0,91, atto a garantire una distribuzione isotropica ed una più rapida miscelazione del composto, oltre a conferire all’impasto caratteristiche di elevata tixotropia. L’impiego di tali fibre è necessaria per migliorare le caratteristiche della malta in fase plastica e in fase indurita: aumento della coesione, riduzione della fessurazione per ritiro, aumento della resistenza residua, aumento della resistenza ai cicli di gelo e disgelo, aumento all’abrasione e all’impatto, riduzione della permeabilità. La fibra “Fibermesh” costituisce un’alternativa collaudata, sicura e pratica a tutti gli effetti, all’impiego delle reti elettrosaldate finora usate per contrastare le incrinature. L’azione di tali fibre è soltanto meccanica e non chimica, per cui non richiede cambiamenti nelle proporzioni delle miscele; il suo uso abbatte i costi di fabbricazione perché consente di eliminare la messa in opera delle armature secondarie. Tra tutti i vantaggi offerti possiamo ricordare l’arresto delle incrinature da ritiro provocate dalle sollecitazioni intrinseche cui va soggetto il calcestruzzo fresco per la sua stessa natura, l’aumento della duttilità del calcestruzzo e la riduzione consistente della sua permeabilità. Le fibre “Fibermesh” (fig.7) hanno una struttura fibrillata, vale a dire in fasci di filamenti intercollegati, appositamente studiati per la distribuzione nella matrice cementizia. fig.7 fibre fibermesh Quando le fibre si aggiungono all’impasto, si aprono e si dividono in milioni di fibre singole; queste si distribuiscono uniformemente nella matrice in tutte le direzioni e costituiscono quindi un efficace rinforzo secondario atto a controllare le incrinature da ritiro. Nel corso dell’indurimento del composito si formano delle incrinature microscopiche generate dalle modifiche plastiche e da essiccamento prodotte dal ritiro del materiale. Quando queste incrinature microscopiche incontrano la fibra “Fibermesh” vengono bloccate; viene eliminato, quindi, il rischio della formazione di incrinature microscopiche e l’insorgenza dei problemi che ne potrebbero derivare. Le fibre intercettano le incrinature da ritiro nella loro fase microscopica impedendo quindi la loro propagazione; queste incrinature non riescono a estendersi ulteriormente e non sono quindi più in grado di creare problemi. Essendo perfettamente inerte, “Fibermesh” non esercita la minima influenza sulle caratteristiche di assestamento della malta: risulta compatibile con qualsiasi trattamento di superficie, non creando problemi nella finitura grazie alla sua flessibilità. L’aggiunta delle fibre può avvenire in centrale di betonaggio o in cantiere: si distribuisce uniformemente nella betoniera funzionante alla sua normale velocità ed una eventuale miscelazione prolungata non ne altera le prestazioni. “Fibermesh” è leggero e di facile impiego; è fornito in sacchetti FAS PAK (carta idrosolubile), contenenti un quantitativo prestabilito e pronto per l’uso nella giusta misura. L’impiego di fibre “Fibermesh” per bloccare la formazione delle incrinature, aumentare la resistenza alla rottura, agli urti e all’abrasione, riducendo allo stesso tempo la permeabilità della matrice, si basa su una lunga serie di ricerche di laboratorio: la combinazione di risorse produttive e di esperienze nel settore dei materiali e delle costruzioni in calcestruzzo è la migliore garanzia che le fibre sintetiche prodotte e messe in commercio per l’impiego nel calcestruzzo sono sempre quelle tecnologicamente più evolute e perfezionate. 4.2 Fibre “Istrice” (PVC) Le fibre Istrice rappresentano quella produzione di monofili in PVC innovativa, dedicata ai progettisti e alla aziende del settore pavimentazioni industriali, civili, residenziali, prefabbricazione, calcestruzzi preconfezionati. Tale fibra, immersa in una matrice cementizia, trasforma un tradizionale calcestruzzo in un moderno fibrorinforzato, conferendogli proprietà di resistenza, trazione, duttilità e consentendo un importante risparmio economico. La fibra “Istrice” presenta, in particolare, un disegno innovativo (fig.8): fig.8 il design della fibra istrice e il suo funzionamento in aderenza Infatti il suo design a spigoli vivi permette il massimo effetto di aderenza con la matrice cementizia, inoltre possiede un adeguato rapporto tra la superficie di contatto e il volume della fibra senza compromettere le necessarie proprietà di lavorabilità dei getti. La fibra riesce a distribuirsi in modo uniforme nell’intero volume dell’impasto in assenza di segregazione o formazione di nidi. Questo importante risultato, coniugato ad un materiale plastico dalla elevata densità e resistenza, consente di ottenere un importante apporto di resistenza a trazione, una rilevante duttilità ed una notevole uniformità dei getti. È dunque assai importante sottolineare il carattere innovativo del design della fibra, in quanto rappresenta il principale ingrediente per una efficace interazione tra matrice e fibra, agevolando l’azione meccanica di ingranamento nella matrice che, pur sembrando granulosa, favorisce la compenetrazione della fibra con un benefico contributo in termini di aderenza. La maggiore compenetrazione della fibra nella matrice cementizia rende più efficace l’azione di cucitura delle fessure. Tra le fibre “Istrice”( fig.9), lo specifico prodotto oggetto del nostro studio è rappresentato dalla fibra Istrice 50x0,91. fig.9 le fibre istrice 5. Indagine sperimentale La normativa vigente, il DM 14-01-2008, qualifica il comportamento delle strutture sottoposte ai carichi sismici; in particolare, si fa riferimento al fatto che è possibile approssimare il legame forza/spostamento di un setto o struttura in muratura mediante una spezzata bilineare con un limite sullo spostamento ultimo. Aumentare lo spostamento ultimo del sistema muratura significa incrementarne la duttilità. Anche in Italia sono in fase di sviluppo e si stanno iniziando ad utilizzare nuovi sistemi costruttivi per la realizzazione di edifici in muratura armata e non armata; si sta ponendo sempre di più l’attenzione sull’impiego di blocchi preventivamente rettificati, tali da consentire l’esecuzione di letti sottili di malta dell’ordine di 1-3 mm di spessore. Tale sistema si presta a ridurre drasticamente le quantità di malta ed i tempi d’esecuzione della muratura, con potenziali vantaggi economici di rilievo, oltre a migliorare le prestazioni d’isolamento termoacustico delle murature. Molte tecnologie moderne richiedono l’impiego di materiali in grado di offrire un insieme di proprietà che non possono essere presenti contemporaneamente nei materiali tradizionali, quali le leghe metalliche convenzionali, i ceramici ed i polimeri. Gli studi continuano nella ricerca di materiali strutturali che presentino basse densità, ma che siano anche robusti, rigidi, resistenti all’abrasione e all’impatto e non facilmente corrodibili. In genere, i materiali maggiormente resistenti sono anche relativamente densi e spesso l’aumento di resistenza o di rigidezza porta a diminuire la capacità di resistenza all’impatto. La possibilità di combinare proprietà diverse in un unico materiale e di ampliarne gli intervalli di validità è stata realizzata con i materiali compositi. La maggior parte di questi materiali è stata creata al fine di migliorare la compresenza di diverse proprietà, quali la rigidità, la tenacità e la resistenza meccanica a temperatura ambiente e alle alte temperature. Dal punto di vista tecnologico, i compositi più importanti sono quelli che hanno la fase dispersa in forma di fibre; l’interesse progettuale dell’impiego dei compositi fibrorinforzati è quello di disporre di un materiale con elevate resistenze e rigidezze e con basso peso. Attraverso questo lavoro di sperimentazione si vuole verificare se e secondo quali modalità la presenza di fibre può aumentare la resistenza e soprattutto la duttilità di pareti murarie caricate nel proprio piano. Lo studio è stato condotto su coppie di laterizi rettificati, dove l’aderenza è stata realizzata con malta fibrorinforzata con fibre “Fibermesh” e “Istrice”, ciascuna con due dosaggi differenti, adottando due diversi tipi di giunti, ordinario e sottile. 5.1 Preparazione dei provini La massiccia campagna sperimentale ha previsto la realizzazione di provini costituiti da coppie di laterizi rettificati per mezzo di diverse tipologie di giunto e di malta; nello specifico sono stati realizzati: - Provini con giunto ordinario fibrorinforzato con fibre “Fibermesh”, dosaggio 0,9 kg/m3; - Provini con giunto sottile fibrorinforzato con fibre “Fibermesh”, dosaggio 0,9 kg/m3; - Provini con giunto ordinario fibrorinforzato con fibre “Fibermesh”, dosaggio 1,8 kg/m3; - Provini con giunto sottile fibrorinforzato con fibre “Fibermesh”, dosaggio 1,8 kg/m3; - Provini con giunto ordinario fibrorinforzato con fibre “Istrice”, dosaggio 5 kg/m3; - Provini con giunto sottile fibrorinforzato con fibre “Istrice”, dosaggio 5 kg/m3; - Provini con giunto ordinario fibrorinforzato con fibre “Istrice”, dosaggio 10 kg/m3; - Provini con giunto sottile fibrorinforzato con fibre “Istrice”, dosaggio 10 kg/m3. L’indagine sperimentale di nostra competenza sofferma l’attenzione sull’uso di queste fibre in dosaggi diversi: 5-10 kg/m3 per “Istrice” e 0,9-1,8 kg/m3 per “Fibermesh”. Questi valori non sono stati scelti arbitrariamente ma tenendo conto delle problematicità derivanti dall’influenza dell’orientazione e della concentrazione delle fibre. Dalle schede tecniche delle due fibre risulta reperibile il dosaggio minimo previsto per il rinforzo delle malte: questo risulta compreso tra 0,6 e 0,9 kg/m3 per le fibre “Fibermesh”, mentre il range oscilla tra i 2 e i 5 kg/m3 per le fibre “Istrice”. La disposizione e l’orientazione reciproca delle fibre, la loro concentrazione e distribuzione hanno una notevole influenza sulla resistenza e su altre proprietà dei compositi fibrorinforzati. Relativamente all’orientazione vi sono due casi interessanti da considerare: una situazione di fibre tutte allineate parallelamente all’asse longitudinale ed un’altra con fibre ad allineamento casuale; in generale, le fibre continue sono allineate, mentre quelle discontinue possono essere allineate, orientale casualmente o parzialmente orientate. I compositi a fibre allineate sono sostanzialmente anisotropi, ovvero la massima resistenza ed il massimo effetto di rinforzo vengono raggiunti nella direzione dell’allineamento delle fibre, ovvero nella direzione longitudinale. Nella direzione trasversale, l’effetto di rinforzo delle fibre è praticamente inesistente: lungo questa direzione si presentano, infatti, normalmente delle fratture per valori di carichi di trazione relativamente bassi. Per altre orientazioni del carico, la resistenza globale del composito assume valori intermedi. Generalmente nel caso in cui si prevedono sollecitazioni multi direzionali ad orientazione casuale, si impiegano fibre discontinue casualmente orientate all’interno della matrice. In fase preliminare i blocchi in laterizio sono stati cappati (fig.10) , assicurandosi precedentemente che la superficie da cappare si presenti secca, pulita e priva di anomalie. Nel caso in esame, la cappatura con malta è stata indispensabile per sopperire alle anomalie di planarità delle facce, che avrebbero indotto una concentrazione di tensioni sugli spigoli degli elementi. I blocchi, infatti, presentavano una non perfetta planarità ed ortogonalità degli spigoli dovuta essenzialmente alle modalità di rettifica. Fig.10 i laterizi durante la fase di cappatura Per la realizzazione delle coppie di blocchi è stato adottato il sistema a giunti ordinari e a giunti sottili, ciascuno fibrorinforzato diversamente; la malta utilizzata è stata l’Adesilex P4 della ditta Mapei, scelta legata ai suggerimenti della partnership Fantini Scianatico. Una volta cappati tutti i laterizi necessari per lo svolgimento della prova, si è passati alla realizzazione delle malte fibrorinforzate con i diversi dosaggi prima citati (fig.11-12-13-14-15-1617). La disposizione della malta ha previsto il raggiungimento di uno spessore di circa 5 mm per il giunto ordinario e di 3 mm per quello sottile: la presenza delle fibre, ammesse in quantità definite dalle relative schede tecniche, non ostacolano la miscelazione e la posa in opera. fig.11 Impasto con fibre Fibermesh Fig.12 Realizzazione del giunto ordinario con fibre Fibermesh Fig. 13 Dosaggio delle fibre “Istrice” Fig.14 Realizzazione del giunto ordinario con fibre “Istrice” fig. 15 Fasi della realizzazione dei provini fig. 16 Fasi della realizzazione dei provini fig. 17 Fasi della realizzazione dei provini Di pari passo a tele campagna di prove si è avviata un’altra con l’obiettivo di valutare lo studio delle caratteristiche meccaniche del nuovo composto malta/fibra per ogni tipologia di collante realizzata. La sperimentazione risulta così composta di due fasi: uno studio del complesso malta fibrorinforzata-laterizio, al variare delle combinazioni di spessore e di dosaggio, ed uno studio sulla resistenza della malta adoperata. 5.2 Descrizione della prova Il comportamento meccanico sotto azioni verticali di compressione è stato studiato mediante l’esecuzione di prove di compressione monoassiale (fig.18). fig.18 prova di compressione monoassiale La macchina permette la perfetta aderenza della piastra di carico al provino per mezzo di uno snodo, che elimina le eventuali imperfezioni di allineamento e di linearità della superficie del provino stesso; un pompa, regolabile per mezzo di appositi di comandi, favorisce la scelta della velocità di incremento del carico, nonché la maggiore o minore azione della piastra di carico sul provino. 5.3 Analisi dei risultati 5.3.1 Prove di compressione al variare della tipologia di fibre e dosaggio Lo svolgimento della prova ha portato alla luce una serie di aspetti interessanti, relativi sicuramente ai valori di carico massimo di rottura, ma anche inerenti ai differenti meccanismi di rottura che il tipo di fibra induce nel complesso laterizio-malta. Interessante, per tutti i provini, è il tipo di avviamento della prova: in ogni caso si è verificato un piccolo incremento del carico, seguito da una situazione di stallo e da un nuovo incremento, più spedito, del carico; tale comportamento è indice di Proprio dell’intervento di cucitura delle fibre che si inizia a manifestare a fessurazione avvenuta fungendo appunto da ulteriore elemento resistente e di cucitura. In un primo momento sono stati analizzati i dati risultanti dalla sperimentazione in atto; successivamente sono stati confrontati i benefici o gli eventuali inconvenienti derivanti dall’utilizzo di rinforzi in materiale fibroso con i dati relativi alla compressione di coppie di laterizi poste in opera con la tecnica del giunto ordinario e sottile in assenza di fibre. Il differente tipo di fibra sviluppa una differente tipologia di rottura: le fibre “Istrice” hanno manifestato un meccanismo di rottura caratterizzato da uno stato di fessurazione lungo il laterizio, mentre le fibre “Fibermesh” sono contraddistinte da un meccanismo di rottura con salto delle cartelle (fig.19-20). Fig.19 Provino con giunto con fibre “Istrice” fig. 20 Provino con giunto con fibre “Fibermesh” Per le fibre “Istrice” a dosaggio 5 kg/m3, la differenza tra giunto ordinario (fig.21-23) e giunto sottile (fig.22-23) è riassunta nelle seguenti tabelle: Tipo di giunto Ordinario Fig. 21 provini con giunto ordinario Carico max di rottura (KN) ( media) 550 Tipo di giunto Sottile Carico max di rottura (KN) ( media) 225,3 Fig. 22 provini con giunto sottile Dall’analisi delle immagini seguenti è immediata la spiegazione della caduta di carico manifestatasi in presenza di giunto sottile, rispetto a quello ordinario: il giunto sottile non riesce a sopperire le asperità che le fibre “Istrice” comportano all’interno della matrice cementizia. Fibra utilizzata Tipologia di giunto N/A “Istrice” 5 kg/m3 “Istrice” 10 kg/m3 N/A “Istrice” 5 kg/m3 “Istrice” 10 kg/m3 Ordinario Ordinario Ordinario Sottile Sottile Sottile Carico masssimo di rottura (kN) 546,00 550,00 870,00 376,74 225,00 375,00 Fig. 23 provini con giunto ordinario e sottile L’utilizzo di fibre “Istrice” a dosaggio doppio – 10 kg/m3 – (fig. 24-25-26) ha determinato un incremento della resistenza così registrata: Tipo di giunto Ordinario Fig. 24 provini con giunto ordinario Carico max di rottura (KN) ( media) 870,7 Tipo di giunto Sottile Carico max di rottura (KN) ( media) 375,0 Fig. 25 provini con giunto sottile Ancora una volta abbiamo riscontrato questa caduta di carico netta tra giunto ordinario e sottile, manifesta espressione dell’effetto della natura delle fibre “Istrice”. Fig. 26 provini con giunto ordinario e sottile Nel caso delle fibre “Fibermesh” con dosaggio pari a 0,9 Kg/m3 (fig.27-28) Tipo di giunto Ordinario Carico max di rottura (KN) ( media) 725,3 Fig. 27 provini con giunto ordinario Tipo di giunto Sottile Fig. 28 provini con giunto ordinario e sottile Carico max di rottura (KN) ( media) 135,3 Di seguito sono, invece, riportati i risultati relativi all’utilizzo di fibre “Fibermesh” all’ 1,8 Kg/m3 (fig.29-30) Tipo di giunto Ordinario Carico max di rottura (KN) ( media) 725,0 Fig. 29 provini con giunto ordinario Tipo di giunto Sottile Fig. 30 provini con giunto sottile Carico max di rottura (KN) ( media) 300,0 L’analisi del giunto con fibre “Fibermesh” indica una più omogenea distribuzione del rinforzo all’interno della matrice, che però non porta comunque a risultati migliori nell’adozione del giunto sottile. FIBRE ISTRICE Tipologia 5 Kg/m in giunto ordinario 5 Kg/m3 in giunto sottile 10 Kg/m3 in giunto ordinario 10 Kg/m3 in giunto sottile Carico max di rottura (KN) 550 225,3 870,7 375 3 870,00 900,00 546,00 550,00 376,74 kN 600,00 375,00 225,00 300,00 0,00 O rdinario O rdinario O rdinario S ottile S ottile S ottile N/A “Is tric e” 5K g/m 3 “Is tric e” 10K g/m 3 N/A “Is tric e” 5K g/m 3 “Is tric e” 10K g/m 3 Fig. 31 Grafico dei risultati ottenuti per le fibre “istrice” FIBRE FIBERMESH Tipologia 0,9 Kg/m3 in giunto ordinario 0,9 Kg/m3 in giunto sottile 1,8 Kg/m3 in giunto ordinario 1,8 Kg/m3 in giunto sottile 900,00 600,00 Carico max di rottura (KN) 725,3 135,3 350 300 725,00 546,00 kN 350,00 376,74 300,00 300,00 135,00 0,00 O rdinario N/A O rdinario O rdinario “F iberm es h”“F iberm es h” 0,9 K g/m 3 1,8 K g/m 3 S ottile N/A S ottile S ottile “F iberm es h”“F iberm es h” 0,9 K g/m 3 1,8 K g/m 3 Fig. 32 Grafico dei risultati ottenuti per le fibre “fibermesh” Le prove hanno portato alla luce una serie di aspetti interessanti, relativi sicuramente ai valori di carico massimo di rottura, ma anche inerenti ai differenti meccanismi di rottura che il tipo di fibra induce nel complesso laterizio-malta. Interessante, per tutti i provini, è il tipo di avviamento della prova: in ogni caso si è verificato un piccolo incremento del carico, seguito da una situazione di stallo e da un nuovo incremento, più spedito, del carico. Tale comportamento è dovuto alla funzione di “cucitura” operata dalle fibre per carichi modesti, che poi riprende successivamente quando si inizia a manifestare la fessurazione, fungendo, appunto, la fibra da ulteriore elemento resistente. Al variare del tipo di fibra e del dosaggio si sviluppa una differente rottura: le fibre “Istrice” hanno manifestato un meccanismo caratterizzato da uno stato di fessurazione lungo l’intera altezza dei laterizi costituenti il provino, mentre le fibre “Fibermesh” sono contraddistinte da un meccanismo di rottura dei setti interni. Questo comportamento potrebbe essere dovuto alla notevole differenza di modulo elastico tra il cemento-fibermesh e il laterizio. Per quanto concerne invece i confronti tra giunto di differente tipologia a parità di fibra, si evince, nel caso delle fibre “istrice”, che per il giunto ordinario l‘aggiunta di fibre incrementa notevolmente il carico di rottura della coppia di laterizi posta in opera senza il rinforzo (N/A), mentre nel caso del giunto sottile lo penalizza perché il carico di rottura si va riducendo all’aumentare della quantità di fibre (fig.18). La spiegazione della caduta di carico manifestatasi in presenza di giunto sottile, rispetto a quello ordinario, può essere quella che il giunto sottile non riesce a sopperire le asperità che le fibre “Istrice” comportano all’interno della matrice cementizia. Per quanto riguarda invece le Fibermesh, si ha lo stesso comportamento visto con le fibre “Istrice” per quanto riguarda il giunto sottile, mentre per il giunto ordinario un incremento di fibra produce una riduzione del carico di rottura a valori inferiori a quelli ottenuti con la malta non rinforzata. 5.3.2 Prove di compressione al variare della tipologia di fibre e dosaggio – studio andamento carico/tempo Interessante è stato indagare l’incremento di carico, a cui era soggetto il particolare provino in funzione del tempo. Questa prova però è stata, in realtà, significativa solo per i provini il cui giunto era rinforzato con fibre “Istrice”, mentre, provando a misurare il tempo per le “Fibermesh”, non si ottenevano indicazioni interessanti. L’andamento del carico nel tempo è di seguito riportato per tutti i provini con fibre “Istrice” (fig.33-34-35): Tempo (sec) 34 42 48 56 63 ISTRICE 5 kg/m3 giunto ordinario Incremento di carico (KN) 125 250 375 500 550 Fig.33 prova di compressione diagrammi carico-tempo Tempo (sec) 30 48 ISTRICE 5 kg/m3 giunto sottile Incremento di carico (KN) 125 225 Fig.34 prova di compressione diagrammi carico-tempo Tempo (sec) 16 26 35 44 53 62 75 ISTRICE 10 kg/m3 giunto ordinario Incremento di carico (KN) 125 250 375 500 625 750 870 Fig.35 prova di compressione diagrammi carico-tempo Tempo (sec) 38 54 73 ISTRICE 10 Kg/m3 giunto ordinario Incremento di carico (KN) 125 250 375 Fig.36 prova di compressione diagrammi carico-tempo Tutti i casi riportati mostrano un andamento pressocchè lineare: il carico cresce uniformemente nel tempo. 5.3.3 Calcolo dei moduli elastici delle nuove miscele fibrorinforzate Successivamente alla campagna di prove fin qui esposte è apparso necessario andare ad indagare, per quelle miscele che hanno dato migliori risultati sperimentali, i valori del modulo elastico. L’aggiunta di fibre, infatti, ha modificato il modulo elastico del collante in maniera sensibile e ci si aspettava che i dosaggi che hanno risposto meglio, avrebbero avuto un modulo elastico più prossimo a quello del blocco in laterizio. Sono stati confezionati provini 40x40x160 mm in laboratorio (fig.4041-41): - Provini con fibre “Fibermesh”, dosaggio 0,9 Kg/m3; - Provini con fibre “Fibermesh”, dosaggio 1,8 Kg/m3; - Provini con fibre “Istrice”, dosaggio 5 Kg/m3; - Provini con fibre “Istrice”, dosaggio 5 Kg/m3 fig.40 particolari del confezionamento delle malte fig.41 particolari del confezionamento delle malte fig.42 particolari del confezionamento delle malte Le prove a compressione per la determinazione del modulo elastico secante sono state eseguite su provini di dimensioni 40x40x160 mm applicando cicli di carico e scarico lungo la direzione longitudinale del campione secondo quanto previsto dalla UNI 6556 : 1976. Prima di procedere all’applicazione del carico, si è provveduto a strumentarli opportunamente mediante l’incollaggio di 4 estensimetri da 10 mm, posti in verticale sulla zona mediana di ciascuna delle quattro facce, per il calcolo di entrambi i moduli, longitudinale e trasversale. I campioni sono stati posizionati e centrati sul piatto inferiore della macchina di prova ( pressa INSTRON 5869 ) programmata in maniera tale da garantire una graduale applicazione della tensione, con un gradiente di carico pari a 0,4 kN/s. Si sono applicati 3 cicli di carico partendo da un valore di tensione di base σ0 pari a circa 1/10 della tensione massima σ3 di prova. Seguoni i risultati ottenuti Provini con fibre “Fibermesh”, dosaggio 0,9 Kg/m3(fig.43). E= 8300 N/mm2 ν = 0,25 E0,9 =8300 N/mm2 0,25 Carico - Deformazione (Fibermesh 0,9 g/mc) 6 5 4 3 kN Serie2 Serie4 2 1 0 -100 0 -1 100 200 µε Fig.43 diagramma carico deformazione 300 400 Provini con fibre “Fibermesh”, dosaggio 1,8 Kg/m3 (fig.44) E= 12005 N/mm2 ν = 0,25 Carico - Deformazione (Fibermesh 1,8 g/mc) 2 E1,8=12005 N/mm 6 5 4 3 kN Serie2 Serie1 2 1 0 -100 -50 0 50 -1 100 150 200 250 µε Fig.44 diagramma carico deformazione Carico - Deformazione (Fibermesh 1,8 - 0,9 g/mc) 6 5 4 3 kN Serie1 Serie4 2 1 0 0 -1 50 100 150 200 µε Fig.45 grafico di confronto tra le tipologie di impasti 250 300 350 Provini con fibre “Istrice”, dosaggio 5 Kg/m3 (fig.46) E= 8055 N/mm2 ν = 0,24 Carico - Deformazione (Istrice 5 gr/mc) 6 5 4 3 kN orizzontale verticale 2 1 0 -200 -100 0 100 -1 200 300 400 500 µε Fig.46 diagramma carico deformazione Provini con fibre “Istrice”, dosaggio 10 Kg/m3 (fig.47) E= 8236 N/mm2 ν = 0,24 Carico - Deformazione 6 5 4 3 kN orizzontale verticale 2 1 0 -200 -100 0 -1 100 200 µε Fig.47 diagramma carico deformazione 300 400 500 Carico - Deformazione (Istrice 10 e 5 gr/mc) E10 =8236 N/mm 2 E5 =8055 N/mm 2 0,24 6 5 4 3 kN 5 gr/Mc 10 gr/Mc 2 1 0 0 100 -1 200 300 400 500 µε Fig.48 grafico di confronto tra le tipologie di impasti 6. Conclusioni Sono stati presentati i risultati della ricerca sperimentale nell’ambito del progetto S.I.S.M.A. sul comportamento meccanico di coppie di laterizio interagenti con malte fibrorinforzate. La ricerca ha preso in considerazione materiali e sistemi correntemente adottati nell’edilizia abitativa per la muratura ordinaria e si sono messi a confronto diversi elementi legati alle attuali innovazioni tecniche e tecnologiche, quali l’impiego di nuovi materiali – malte fibrorinforzate - e l’adozione di diversi sistemi per l’esecuzione dei giunti (giunti ordinari e giunti sottili). L’impiego di malte fibrorinforzate nella realizzazione di giunti sottili non ha comportato incrementi comparabili nella resistenza a compressione dei provini; a tale proposito, ulteriori ricerche potranno essere indirizzate alla valutazione dell’influenza delle caratteristiche di rigidezza delle malte e dello spessore del giunto. Nella realizzazione di giunti ordinari, è stata fortemente visibile la capacità del composito di riuscire a contrastare l’effetto negativo delle asperità delle fibre monofilamento per il raggiungimento di una resistenza il più elevata possibile. Le modalità di rottura manifestate dai diversi tipi di fibre hanno fornito spunti interessanti di riflessione: una evidente fessurazione messa a punto dalle fibre “Istrice”, confrontata con la rottura delle cartelle ad opera delle “Fibermesh” individua dei meccanismi di trasmissione delle azioni tensionali che trovano una spiegazione plausibile nella lunghezza delle fibre. Le proprietà dei compositi fibrorinforzati non dipendono solo dalle proprietà intrinseche delle fibre, ma anche dal livello di sforzo che la matrice gli può trasmettere. Al fine di garantire il massimo trasferimento di carico possibile da parte della matrice, è necessario che il legame interfacciale tra la matrice e le fibre sia molto forte. Quando viene applicato un carico, alle estremità delle fibre il legame fibra-matrice è nullo, quindi la matrice si deforma: all’estremità della fibra non i può essere trasferimento di sforzo da parte della matrice. Pertanto, per ottenere un effetto positivo è necessario che la fibra raggiunga una certa lunghezza, che possiamo definire critica: nel caso della nostra sperimentazione, sia le fibre “Istrice” che le fibre “Fibermesh” sono fibre corte, perciò la matrice si deforma attorno ad esse a tal punto che, in pratica, non si trasferisce alle fibre nessun carico e l’effetto di rinforzo diventa minimo. Il composito diventa, quindi, essenzialmente un composito particolato: per ottenere un significativo miglioramento della resistenza meccanica di un materiale composito è necessario utilizzare fibre continue. In conclusione, possiamo affermare che, per i materiali fibrorinforzati, la matrice serve a tenere insieme le fibre ed è il mezzo attraverso il quale uno sforzo applicato dall’esterno viene trasmesso e distribuito alle fibre: soltanto una piccola parte del carico aplicato viene sostenta dalla matrice. Questa, inoltre, deve mostrare buona dutilità ed avere modulo elastico inferiore a quello delle fibre. Tra le altre funzioni, la matrice protegge ciscuna fibra da eventuali danneggiamenti superficiali, come abrasioni eccaniche o reazioni chimiche con l’ambiente; queste interazioni potrebbero produrre difetti superficiali in grado di formare cricche, le quali possono portare alla rottura anche per bassi valori del carico. Ancora, la matrice tiene separate le fibre, ostacolando, in virtù della sua duttilità e plasticità, la propagazione di cricche fragili da fibra a fibra, che potrebbero dare origine a rottura catastrofica: la matrice serve da barriera alla propagazione della frattura. Anche se si rompono alcune fibre, il composito nel suo insieme fino a che il numero totale di fibre rotte adiacenti è talmente elevato da formare una lacuna di dimensioni critiche. 8. Indice 1. Introduzione ........................................................................................................ 2 2. Il sistema a “giunto sottile” ................................................................................. 3 3. Il giunto fibrorinforzato – modello comportamentale......................................... 4 4. Il materiale fibroso .............................................................................................. 8 4.1 Fibre in polipropilene “Fibermesh” .................................................................. 9 4.2 Fibre “Istrice” (PVC) ..................................................................................... 11 5. Indagine sperimentale ...................................................................................... 13 5.1 Preparazione dei provini ................................................................................ 14 5.2 Descrizione della prova................................................................................... 21 5.3 Analisi dei risultati .......................................................................................... 23 5.3.1 Prove di compressione al variare della tipologia di fibre e dosaggio .......... 23 5.3.2 Prove di compressione al variare della tipologia di fibre e dosaggio – studio andamento carico/tempo ....................................................................................... 32 5.3.3 Calcolo dei moduli elastici delle nuove miscele fibrorinforzate.................. 37 6. Conclusioni ....................................................................................................... 42 7. Studio bibliografico...................................Errore. Il segnalibro non è definito. 8. Indice................................................................................................................. 44