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Calcestruzzo fibrorinforzato

Calcestruzzo fibrorinforzato Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Il calcestruzzo fibrorinforzato o FRC o Fiber Reinforced Concrete è un materiale composito [1] (calcestruzzo speciale) costituito da calcestruzzo ordinario, o malta di cemento, (matrice) nel quale vengono aggiunti e distibuiti in maniera omogenea elementi fibrosi discontinui (rinforzo).




Benefici generali

L'effetto benefico principale offerto dalle fibre è quello di migliorare la duttilità del conglomerato nella fase successiva all'innesco del fenomeno fessurativo [2] , cioè la tenacità [3] .
Infatti la presenza di fibre nella matrice cementizia previene la propagazione delle fessure, che si generano nel calcestruzzo a causa dell'insorgere di tensioni di trazione (dovute al ritiro e/o ai carichi esterni) che, già a bassi livelli di inentesità, superano la resistenza a trazione del conglomerato, determinando la frattura della matrice cementizia.
A dosaggi di fibre piuttosto elevati le fibre migliorano sensibilmente anche la resistenza a flessione (trazione) e a taglio del calcestruzzo nonché il suo modulo elastico .
Le fibre non apportano nessun vantaggio significatico in termini di resistenza a compressione del calcestruzzo.
L'azione delle fibre si manifesta solo dopo la fessurazione del calcestruzzo, [4] .
Infatti dopo la formazione delle prime fessure nella matrice cementizia le fibre vengono attivate assumendo un effetto di cucitura delle aperture.
Questo comporta una riduzione dell'ampiezza delle fessure e, grazie all'effetto di cucitura, la fibra garantisce al calcestruzzo una resistenza residua a trazione anche nella fase postfessurata.
A vista un calcestruzzo normale, una volta fessurato, presenta aperture ampie e localizzate mentre quello FRC è caratterizzato da fessurazioni diffuse e di minor ampiezza, il che determina sicuramente un beneficio nei confronti della durabilità del materiale.
Aumentando il dosaggio delle fibre si puù anche arrivare a bloccare l'evoluzione del fenomeno fessurativo.
Altri pregi del calcestruzzo fibrorinforzato rispetto a quello convenzionale sono:

  • maggiore resistenza alla fatica
  • maggiore resistenza agli urti
  • maggiore resistenza allo stress termico
  • maggiore resistenza all'abrasione.
Tipologie di fibre

Esistono varie tipi di fibre che vengono utilizzate (da sole o in mix) in funzione del compito che devono assolvere; ognuna di queste garantisce determinate caratteristiche al calcestruzzo.
Le fibre più utilizzate sono:

  • in materiale polimerico : in questo caso il calcestruzzo fibrorinforzato viene definito SNFRC ( Synthetic Fiber Reinforced Concrete ). Tali fibre hanno una bassa resistenza al fuoco , ai raggi ultravioletti e all' ossigeno . Si suddividono in:
  • in acciaio : in questo caso di parla di calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio ( Steel Fiber Reinforced Concrete o SFRC );
  • in vetro : il calcestruzzo fibrorinforzato è noto come SFRC ( Glass Fiber Reinforced Concrete ). Questo tipo di fibre viene utilizzato generalmente in manufatti di tipo non strutturale perché si deteriorano facilmente in ambiente alcalino .
  • in materiali naturali : in questo caso si parla di NFRC ( Natural Fiber Reinforced Concrete ). Questi tipi di fibre sono poco utilizzate poiché devono subire diversi trattamenti prima di essere impiegate.

Commercialmente le fibre si presentano sotto forma di:

  • monofilamento : ogni fibra si presenta separata dalle altre;
  • bundles : le fibre si presentano in gruppi. Le fibre bundles dette placchettate , durante la miscelazione con la matrice cementizia si separano tra di loro e diventano monofilamenti.

Le fibre inoltre si distinguono in base alle loro dimensioni [5] in:

  • microfibre : sono idonee a contrastare le piccole fessure come quelle che si formano a seguito dell'azione del ritiro plastico ;
  • macrofibre : sono idonee a contrastare le fessure dovute ai carichi esterni e al ritiro igrometrico . Alcume macrofibre possono aumentare la resistenza a trazione e la tenacità cel calcestruzzo.
Rapporto d'aspetto

L'aderenza tra matrice cementizia e rinforzo fibroso è funzione del rapporto d'aspetto definito come il rapporto tra la lunghezza della fibra e il suo diametro equivalente [6] .
Al crescere del rapporto d'aspetto cresce l'aderenza fra i due materiali [7] e di conseguenza migliorano le prestazione del rinforzo fibroso poiché le fibre sollecitate a trazione tendono più difficilmente a sfilarsi.
L'adesione alla matrice cementizia migliora anche in funzione della forma della fibra tanto più è a contorno irregolare tanto più è efficace.
Le fibre in acciaio presentano un elevato rapporto d'aspetto e per migliorare ulteriormente l'ancoraggio delle fibre al calcestruzzo, le estremità spesso vengono sagomate ad uncino.

Classificazione delle fibre

Le fibre a seconda dei benefici che apportano alla matric cementizia si distinguono in

  • fibre strutturali : acciaio o in materaile polimerico ad alto modulo
  • fibre non strutturali : in materiale polimerico a basso modulo.
Fibre strutturali

Le fibre strutturali, come quelle in acciaio, hanno lo scopo di migliorare la resistenza di una struttura con riferimento allo stato limite ultimo.
Tali fibre devono avere un'elevata resistenza a trazione in modo da migliorare notevolmente la resistenza a flessione (trazione) del calcestruzzo e la sua tenacità e duttilità.
Pertanto grazie alla loro elevata resistenza il loro effetto cucente è capace di arrestare o rallentare l'avanzamento del processo fessurativo dovuto al ritiro igrometrico e ai carichi esterni, limitando l'allargamento delle aperture, e di garantire al calcestruzzo un miglioramento della resistenza a trazione anche dopo la formazione delle fessure.
La riduzione dell'ampiezza delle aperture, riduce il rischio della penetrazione nella matrice cemetnizia degli agenti atmosferici con miglioramento della durabilità del materiale.
La presenza di fibre strutturali nel calcestruzzo determina ulteriori benefici quali:

  • maggiore resistenza alla fatica;
  • maggiore reistenza agli urti;
  • maggiore resistenza allo stress termico ;
  • maggiore resistenza all'abrasione.

Il dosaggio minimo delle fibre strutturali deve essere ≥ allo 0, 3% in volume

Usi

Oltre alle migliorie sopra riportate, le fibre strutturali possono essere utilizzate per sostituire parzialmente l' armatura convenzionale, anzi in alcuni casi l'hanno sostituita completamente.
Infatti, poiché l'armatura convenzionale ( lenta e/o pretesa ), si presta meglio a funzionare come armatura concentrata (es.armatura resistente a flessione), la fibra metallica viene utilizzata con successo, (in associazione a quella per assorbire sforzi concentrati) in sostituzione dell'armatura convenzionale diffusa (es. staffe, armatura di parete, rete elettrosalda, ecc.).
Ad esempio le fibre in acciaio si sono dimostrate particolarmente efficaci nell'assorbire gli sforzi di taglio.

Corrosione

Le fibre di acciaio sono distribuite in modo uniforme in tutto il calcestruzzo, sia sulla superficie che nella parte laterale.
Con le fibre in acciaio al carbonio, questi sono punti che potrebero presentare affioramenti e corrosioni .
Per evitare la corrosione spesso le fibre in acciaio vengono rivestire con uno strato anticorrosivo a base di zinco; si possono travare in commercio anche fibre in acciaio inox .

Convenienza

L'uso delle fibre strutturali è spesso più conveniente rispetto all'armatura convenzionale perché ad esempio riduce i tempi di posa, infatti le fibre possono essere introdotte nel calcestruzzo con gli inerti o durante l'impasto o in cantiere nell' autobetoniera .

Fibre non strutturali

le fibre non strutturali vengono utilizzate per migliorare il comportamento di una struttura con riferimento agli stati limite di esercizio .
In questo caso le fibre vengono utilizzate in accopiamento con l'armatura convenzionale e vanno a costituire una microarmatura tridimensionale omogeneamente distribuita nel calcestruzzo.
Le fibre non strutturali hanno un effetto di cucitura delle fessure dovute al ritiro plastico mentre per non sono in grado di contrastare, a causa del basso valore di E , le contrazioni dovute al ritiro igrometrico .
Per tale motivo vengono utilizzate frequentemete per ridurre o addirittura eliminare le fessurazione da ritiro plastico in quelle strutture di elevata superficie esposta all'aria come ad esempio le pavimentazioni industriali o pareti intonacate con malta di cemento.
Le fibre non strutturali contribuiscono anche a migliorare la resistenza al fuoco del conglomerato cementizio.

Principali utilizzi

L'FRC viene utilizzato diffusamente in tutte quelle costruzioni dove si vuole limitare la fessurazione della matrice cementizia per effetto ad esempio del ritiro o dei carichi esterni.
Tra le applicazioni più diffuse ci sono:

Le fibre di acciaio vengono utililizzate anche per il confezionamento di calcestruzzi ad alta resistenza poiché conferiscono al conglomerato cementizio delle caratteristiche tali da ridurre la fragilità tipica del calcestruzzo HSC.

Normativa
  • UNI 11037/03 – Fibre d’acciaio da impiegare nel confezionamento di conglomerato cementizio rinforzato.
  • UNI U73041440 - Progettazione, esecuzione e controllo degli elementi strutturali in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio
  • UNI 11039/03 – Calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio.
  • UNI 11188/07 – Elementi strutturali in calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio - progettazione esecuzione e controllo.
  • CNR-DT 204/06- istruzione per la progettazione, l'esecuzione ed il controllo di strutture di calcstruzzo fibrorinforzato
  • DM 14 gennaio 2008 - par. 4.6 (costruzioni di altri materiali)
Note
  • ^ generalmente si definisce materiale composito quello generato dall'unione due (o più) materiali, dette fasi, con caratteristiche fisico- chimiche diverse (che mantengono invariate anche dopo la loro unione) e che una una volta uniti contribuiscono mutuamente a fornire proprietà meccaniche e fisiche supeiriori a quelle delle singole fasi prese separate. I due componenti vengono chiamati matrice e rinforzo
  • ^ le fibre riducono il comportamento fragile della matrice cementizia che altrimenti tenderebbe a collassare dopo l'insorgere delle prime fessurazioni. Infatti raggiunta la deformazione di prima fessurazione il calcestruzzo fibrorinforzato ha un comportamento elasto- plastico (comportamento duttile) nella fase postfessurata, cioè può ancora sopportare carichi dopo l'insorgere delle prime fessurazioni.
  • ^ la tenacità del calcestruzzo fibro-rinforzato (opposta alla fragilità del calcestruzzo ordinario) è la proprietà che misura la resistenza opposta dal materiale all’avanzamento del processo fessurativo. Tale qualità è richieste specialmente da quelle strutture sottoposte a sollecitazioni impulsive e ripetute (opere stradali, pavimenti industriali, ecc.)
  • ^ nella fase prefessurata la presenza di fibre non influenza il comportamento della matrice cementizia che si comporta come se il materiale fibroso non fosse presente
  • ^ la dimensione di una fibra viene esprssa dal suo rapporto d'aspetto di cui si parerà in seguito
  • ^ come riportato dalla norma CNR - DT 204/2006 l diametro equivalente è il diametro del cerchio la cui area è uguale a quella media della sezione trasversale della fibra
  • ^ infatti aumenta la superficie di contatto tra la matrice e il rinforzo
  • Voci correlate