Le interazioni tra i componenti di calcestruz

LE INTERAZIONI TRA I COMPONENTI DI
CALCESTRUZZI RINFORZATI CON FIBRE IN
POLIPROPILENE, AL FINE DELLA VALUTAZIONE
DELLA EFFICACIA PRESTAZIONALE
COLONNA
PASQUALE
UBBRÌACO PIETRO
ZEZZA FULVIO
1. INTRODUZIONE
Le strade con pavimentazioni in calcestruzzo di
cemento e le solette da ponte, per le quali l’azione
dinamica dei veicoli interagisce immediatamente con
le strutture, rappresentano possibili applicazioni per i
materiali compositi quali i conglomerati cementizi
additivati con fibre in polipropilene.
A tal proposito gli autori hanno avviato un'ampia
campagna di sperimentazioni delle quali hanno
riferito in precedenti lavori (1, 2).
Gli incoraggianti risultati conseguiti hanno
consigliato di completare l’indagine approfondendo
alcuni aspetti ed estendendola in particolare alle
malte cementizie con e senza fibre polimeriche, in
modo tale da superare gli effetti dovuti alla presenza
dell’aggregato grosso da quelli relativi agli altri
componenti la miscela.
E’ stata anche valutata l’influenza della natura
mineralogica e della forma degli aggregati,
analizzando altresì la microstruttura dei materiali
induriti tramite l’esame delle caratteristiche delle
superfici al microscopio.
2. INDAGINE SPERIMENTALE
Lo studio relativo al comportamento delle malte
cementizie rinforzate con fibre in polipropilene ha
riguardato miscele i cui costituenti sono rappresentati
da: cemento Portland
CEM I 32,5 R (UNI ENV197-1), sabbia calcarea di
frantoio, sabbia naturale con natura prevalentemente
silicea, fibre in polipropilene, acqua potabile di
acquedotto ed additivo superfluidificante (Daracem
200-Greace).
Il legante cementizio è stato caratterizzato
sottoponendo la relativa malta normalizzata a prove
di resistenza a compressione ed i cui risultati sono
riportati in tabella 1.
Tabella 1
Resistenza a compressione relative al CEM I 32,5 R.
tempo di
2 gg.
7 gg. 28 gg. 60 gg. 90 gg.
stagionatura
resistenza
13,70 24,34 39,59
47,60
50,00
(N/mm2)
Le sabbie utilizzate nelle malte fibrorinforzate sono
identiche a quelle impiegate nel confezionamento dei
calcestruzzi già oggetto di studio delle precedenti
ricerche (1, 2), in particolare sono stati ricavati nella
stessa distribuzione granulometrica solo le frazioni
passanti al setaccio con apertura 5 mm; in tabella 2
sono riportate le caratteristiche granulometriche delle
singole sabbie e della relativa miscela preparata nel
rapporto in peso fra sabbia calcarea e sabbia naturale
pari a 49,42% / 50,58%.
Tabella 2
Caratteristiche granulometriche della sabbia
sabbia calcarea
sabbia naturale sabbia complessiva
mm
setaccio
% passante
% passante
mm
setaccio
% passante
5
3
2
1
0,40
0,20
0,075
100,0
73,2
56,9
36,3
25,3
17,6
13,2
100,0
77,0
55,4
43,5
28,8
5,6
1,6
5
3
2
1
0,40
0,20
0,075
100,0
75,0
56,1
39,9
27,0
11,5
7,2
Il volume specifico della miscela di sabbia è risultato
uguale a quello della sabbia standard impiegata nei
controlli dei leganti cementizi.
Le fibre in polipropilene (fibrillata) sono del tipo
lamellare, le superfici sono caratterizzate da
scanalature longitudinali che favoriscono la
separazione in fibrille (1, 2), alcune caratteristiche
delle fibre utilizzate sono riportate in tabella 3.
Tabella 3
Caratteristiche delle fibre in polipropilene
lunghezza (mm)
20
spessore (mm)
0,141
peso specifico (g/cm3)
0,905
modulo elastico (KN/mm2)
3,5
res. a trazione (KN/mm2)
0,56 ÷ 0,77
Allo scopo di controllare la qualità del materiale
polimerico costituente la fibra stessa ed anche per
approfondire le conoscenze sulle caratteristiche delle
fibre si è deciso di realizzare alcune indagini
chimico-fisiche per mezzo della DSC (Differential
Scanning Calorimetry) e della FT-IR (infrarosso in
trasformata di Fourier).
Per indagine DSC si è utilizzato un apparecchio
Du Pont 9900. Le temperature caratteristiche del
processo endotermico di fusione delle fibre in
polipropilene ed il calore assorbito è stato
determinato con la scansione calorimetrica sia in
flusso di azoto che in flusso d’aria (50 ml*min-1); tali
valori rispettivamente per T0 (temperatura “onset”
estrapolata sul picco), per Tp (temperatura massima
di picco) e H corrispondono a: 157,9 °C - 167,0 °C
- 59,1 J/g in flusso di azoto, mentre corrispondono a:
147,1 °C - 167,9 °C - 61,4 J/g in flusso d’aria.
Lo spettro di assorbimento FT-IR è stato registrato
con un spettrometro Perkin - Elmer modello 1600
(risoluzione,
4 cm-1; scansione 16; durata, 1,0 min ;intervallo
4000÷400 cm-1) su fibre allo stato solido preparate in
disco di KBr, lo spettro FT-IR (figura 1) mostra il
tipico assorbimento della fibra in polipropilene.
Figura 1
L’insieme delle indagini consente di accertare le
buone caratteristiche chimico-fisiche del polimero le
quali costituiscono una garanzia sulle proprietà
meccaniche e termiche delle fibre utilizzate nel
presente studio.
Il confezionamento delle malte fibro-rinforzate ha
riguardato la determinazione delle resistenze a
compressione di campioni cubici 5x5x5 cm (ASTMC109) e delle resistenze a trazione di campioni di
brichette
secondo
(ASTM-C190);
il
proporzionamento della miscela è stato realizzato
con 1 parte di cemento, 3 parti di sabbia, acqua in
rapporto a/c = 0,43, superfuidificante con dosaggio
pari a 8,2 g / dm3 d’impasto e fobre aggiunte in
quantità pari a 0, 1 e 2 Kg/m3 rispettivamente per la
malta di riferimento senza fibre e per due serie di
malte fibro-rinforzate.
I campioni sono stati stagionati in ambiente
controllato con
T = 20 °C  2 e Um.Relat.  90%, nei vari periodi di
stagionatura di 1 giorno, 3 gg.,7 gg., 28 gg. e 60 gg.
I provini induriti sono stati sottoposti alle prove di
resistenza meccanica, valutando altresì la porosità
totale (% in volume dei vuoti) ed il coefficiente di
imbibizione (UNI-7699).
vagli
UNI
25
20
15
10
7,1
5
3
2
1
0,40
0,20
0,075
Tabella 4
Caratteristiche granulometriche degli aggregati
% in peso di passante
pietrisch.
graniglia sabbia (fran.) sabbia (nat.)
100,0
100,0
100,0
100,0
98,1
100,0
100,0
100,0
80,0
100,0
100,0
100,0
39,9
99,0
100,0
100,0
6,1
55,3
100,0
99,2
1,1
14,9
92,6
96,2
0,7
4,2
67,8
74,0
0,7
2,7
52,7
53,3
0,6
2,1
33,6
41,8
0,6
1,8
23,4
27,7
0,5
1,5
16,3
5,4
0,4
1,2
12,2
1,5
L’influenza della natura mineralogica e della forma
degli aggregati sulle proprietà del calcestruzzo con
fibre è stata opportunamente evidenziata dal
comportamento dei materiali alle sollecitazioni di
impatto per urto; a tal fine sono stati realizzate due
serie di calcestruzzi impiegando un aggregato a
granulometria continua e rientrante nel flusso UNI
(D20) costituito da pietrischetto e graniglia di tipo
calcareo frantumato, sabbia calcarea (di frantoio) e
sabbia naturale; fibre in propilene, acqua potabile di
acquedotto ed additivo superfluidificante nelle
proporzioni riportate nelle tabelle 4, 5 e 6.
Tabella 5
Curva granulometrica della miscela di aggreganti
vagli UNI % in peso di passante
25
100,00
20
99,23
15
91,90
10
75,58
7,1
58,09
5
50,18
3
37,08
2
27,74
1
19,82
0,4
13,53
0,2
10,33
0,075
3,75
Tabella 6
Caratteristiche delle miscele di calcestruzzo
CEM I 32,5 R
412 Kg/m3
acqua totale
175 litri
acqua effettiva
166 litri
rapporto a/c
0,4%
pietrischetto
40,5%
graniglia
8,1%
sabbia di frant.
25,4%
sabbia natur.
26,0%
superfluidificante
8,2 Kg/ m3
fibre
0 - 1 Kg/m3
3. RISULTATI E DISCUSSIONE
I valori di resistenza a trazione presentati dalle malte
fibrorinforzate e dalla malta di riferimento nei vari
periodi di stagionatura sono riportati in tabella 7.
malta rif.
malta F.R.
(1 Kg/m3)
malta F.R.
(2 Kg/m3)
Tabella 7
Resistenze a trazione
(RT = Kg * forza)
1 gg.
3 gg.
7 gg.
28 gg.
78,86
116,96 159,96 159,10
78,26
133,30 156,52 152,20
60 gg.
146,00
144,50
di stagionatura (28 giorni) la resistenza a
compressione mostra per la malta contenente l Kg/m3
un lieve incremento rispetto al riferimento.
E' possibile correlare i valori di resistenza a
compressione con i dati relativi alla massa volumica
apparente (MVA) esposti in tabella 9.
Tabella 9
Caratteristiche delle malta
MVA
Porosità
Coeff. Imbib.
(Kg/m3)
(% vuoti) (% acqua assorb.)
2276
22,3
9,2
2286
21,6
8,6
malta rif.
147,50 malta F.R.
(1 Kg/m3)
malta F.R.
2269
22,7
9,6
I risultati indicano che malte composite con fibre in
(2 Kg/m3)
polipropilene presentano a 3 giorni di stagionatura
degli incrementi percentuali di resistenza rispetto al
riferimento del 10% (2 Kg/m3) e 14% (1 Kg/m3), la
Con l'aggiunta di 1 Kg/m3 di fibre la malta subisce
malta a più alto contenuto in fibre (2 Kg/m3)
un aumento di MVA mentre con l'aggiunta di
conserva anche a 7 giorni lo stesso incremento
quantità superiori (2 Kg/m3) la malta diventa meno
(10%). Dopo 7 giorni di stagionatura le malte non
densa; ciò è confermato dalle caratteristiche di
presentano aumenti di resistenza a trazione.
porosità (tabella 9) che le malte hanno presentato.
Gli andamenti delle resistenze a trazione che i
Questa influenza dell'aggiunta di fibre in
materiali hanno evidenziato inducono ad ipotizzare
polipropilene sulla MVA delle malte risulta
per le malte contenenti fibre un particolare fenomeno
abbastanza caratteristica ed evidenzia inoltre che la
di interazione tra le stesse e la matrice cementizia:
malta composita ha un comportamento simile al
dopo 1 giorno di stagionatura la pasta cementizia non
calcestruzzo composito, sul quale gli autori hanno
subisce una particolare influenza a causa della
verificato in precedenti ricerche che esiste un
presenza di fibre; ma in prossimità dei 3 giorni è
dosaggio di fibra in corrispondenza del quale si ha un
probabile che nell'intorno delle fibre il la pasta idrata
massimo di MVA, ma anche un massimo delle
sviluppi una particolare microstruttura che esalta la
resistenze a compressione e trazione.
duttilità della matrice, la quale porta a migliorare la
Per quanto riguarda lo studio dei calcestruzzi
resistenza complessiva del composito alle
fibrorinforzati le ricerche precedentemente effettuate
sollecitazioni meccaniche.
(1, 2) hanno evidenziato alcune interessanti
Per la malta contenente 2 Kg/m3 di fibre il suddetto
caratteristiche di tali materiali compositi, per cui è
fenomeno sembra protrarsi fino ai 7 giorni. Col
sembrato opportuno un ulteriore approfondimento
procedere del periodo di stagionatura il legante
del comportamento alle sollecitazioni per urto, per
cementizio sviluppa maggiori resistenze intrinseche e
meglio valutare l'influenza dell'aggregato grosso
l'influenza delle fibre diventa meno importante.
sulla resistenza del calcestruzzo soprattutto nel primo
L'esame macroscopico delle superfici di frattura
periodo di stagionatura. In tale primo periodo è stato
originatesi con le prove di trazione evidenzia per
infatti rilevato che le fibre esplicano una sorta di
tutte le malte il diverso comportamento
“effetto rete” nel materiale ancora debolmente
dell'aggregato sabbioso più grosso, in quanto la
indurito.
sabbia calcarea è prevalentemente spaccata, mentre la
Le prove realizzate sui calcestruzzi hanno dato luogo
sabbia naturale di fiume risulta per lo più integra ed
ai risultati indicati in tabella 10, nella quale per il
emerge da una delle due superfici di frattura.
calcestruzzo contenente fibre (l Kg/m3) si è indicato
Il
comportamento
alle
sollecitazioni
per
sia il numero di colpi necessari per indurire la prima,
compressione delle malte (tabella 8) indica che ai 3
sia pure parziale, fessurazione e sia il numero di
giorni di stagionatura vi è costantemente un effetto
colpi necessari per produrre la fessurazione netta e
benefico delle fibre sulle resistenze dei compositi.
totale del provino, anche se con i frammenti tuttavia
81,27
malta rif.
malta F.R.
(1 Kg/m3)
malta F.R.
(2 Kg/m3)
129,00
175,87
164,26
1 gg.
15,1
14,9
Tabella 8
Rc
Rc (N/ mm2)
3 gg.
7 gg. 28 gg.
28,4
40,1
56,9
30,0
39,1
58,0
13,7
32,5
42,6
55,8
“cuciti” dall'insieme delle fibre.
60 gg.
64,0
64,6
63,7
Per la malta a più alto contenuto di fibra tale effetto
continua sin verso i 7 giorni, mentre a più alti periodi
Tabella 10
Comportamento alle prove d’urto dei calcestruzzi
aggregati calcarei
aggregati
frantumati
alluvionati
1 gg.
3 gg.
7 gg.
7 gg.
C. rif.
4
10
25
7,5
C. F. R. 1aF. F.t. 1aF F.t. 1aF F.t. 1aF F.t.
6,5
10
16
25
31
47 13,5 21,5
L'esame dei valori ci consente di accertare la
maggiore resistenza del calcestruzzo con fibre a 1, 3
e 7 giorni di stagionatura, in particolare a 1 e 3 giorni
l'incremento di resistenza rispetto al riferimento è di
circa il 60%.
I calcestruzzi, sia con fibre che senza fibre, con
aggregato calcareo frantumato mostrano una
resistenza all'impatto per urto che è comunque
nettamente superiore (>100%) rispetto quella
presentata dai calcestruzzi in cui l'aggregato grosso è
costituito da materiale naturale di fiume (2).
L'esame delle superfici di frattura dei provini
sottoposti a prove d'urto evidenzia alcune
caratteristiche
abbastanza
indicative.
Infatti
l'aggregato calcareo risulta ben ancorato alla matrice
cementizia ed inoltre a 1 e 3 giorni di stagionatura si
presenta sostanzialmente integro mentre a 7 giorni
risulta prevalentemente spaccato.
L'aggregato grosso naturale invece aveva mostrato,
nelle
precedenti
indagini,
un
differente
comportamento all'urto; sulla superficie di frattura
risultava spaccato con una certa disomogeneità, in
quanto solo le frazioni con microstruttura meno
compatta e quindi meno resistenti erano soggette a
fratturarsi. Inoltre l'aggregato siliceo avendo una
morfologia più arrotondata aveva evidenziato nel
complesso un minor ancoraggio alla matrice
cementizia.
Alla luce dei risultati ottenuti possiamo affermare che
l'aggregato di tipo calcareo nei calcestruzzi
fibrorinforzati migliora le caratteristiche di resistenza
all'impatto per urto dei materiali.
4. ESAME DELLE MICROSCOPIE S.E.M.
L’osservazione complessiva delle microspie S.E.M.
(Cambridge Stereo Scan 90) evidenzia una buona
microstruttura per le malte cementizie additivate con
fibre in polipropilene (figure 2 e 3).
In particolare le fibre sono ben inglobate nella
matrice cementizia, la sabbia calcarea ad alti
ingrandimenti mostra nell’area di transizione una
maggiore e più omogenea interazione con la pasta
cementizia a causa sia della più alta reattività chimica
per i prodotti idrati sia per la più sviluppata
superficie dei granuli.
Figura 3
5. CONCLUSIONI
Il completamento delle indagini sui calcestruzzi
fibrorinforzati e l'estensione delle stesse alle malte
hanno condotto alle seguenti principali conclusioni.
Dopo 1 giorno di stagionatura la pasta cementizia
non subisce una particolare influenza a causa della
presenza di fibre; ma in prossimità dei 3 giorni è
probabile che nell'intorno delle fibre la pasta idrata
sviluppi una particolare microstruttura che esalta la
duttilità della matrice la quale porta a migliorare la
resistenza complessiva del composito alle
sollecitazioni meccaniche.
Col procedere del periodo di stagionatura il legante
cementizio sviluppa maggiori resistenze intrinseche e
l'influenza delle fibre diventa meno importante
Anche per le malte composite, così come per i
calcestruzzi, esiste un dosaggio di fibre in
corrispondenza del quale si ha un massimo di Massa
Volumica Apparente, ma anche un massimo delle
resistenze a compressione e trazione.
La presenza delle fibre incrementa notevolmente la
resistenza all'urto dei calcestruzzi, in particolare nella
prima settimana di stagionatura.
I calcestruzzi, sia con fibre che senza fibre, con
aggregato calcareo frantumato mostrano una
resistenza all'impatto per
urto che è comunque nettamente superiore (>100%)
rispetto quella presentata dai calcestruzzi in cui
l'aggregato grosso è costituito da materiale naturale
di fiume (2).
6. RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia il geometra Oronzo Santamaria per la
collaborazione prestata nella effettuazione della
presente ricerca.
Figura 2
6. BIBLIOGRAFIA
1) P. COLONNA, M. PETRELLA, V. PICCA, P.
UBBRÌACO - Utilizzazione di fibre in propilene
nel calcestruzzo, con particolare riferimento alle
solette da ponte - Costruzioni, 3 1994.
2) P. COLONNA, M. PETRELLA, M. UBBRÌACO
- Some characteristics of polypropylene fibre
reinforced concrete -Atti del 7th International
Synposium on concrete roads, Vienna 1994.
3) M. MASHIMA, D. J. HANNANT, AND J. G.
KEER - Tensile properties of polypropylene
reinforcement with different fiber orientations ACI Materials Journal, 173-178 1990.
4) S. MINDESS, G. VONDRAN - Properties of
concrete
reinforced
with
fibrillated
polypropylene fibres under impact loading -
Cement and Concrete Research, 109-115, 18
1988.
5) Y. WANG, C. V. LI, S. BACKER - Tensile
properties of syntetic fiber reinforced mortar Cement and Concrete Composites, 29-40 1990.
6) RILEM SYMPOSIUM - Testing and test
methods of fibre cement composites - R. N.
Swamy, Lancaster, England 1978.

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