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Studio dell’effetto della variazione di temperatura sul comportamento differito di cls con fibre macro-sintetiche

La memoria mostra i risultati di una campagna sperimentale su provini fessurati in calcestruzzo fibrorinforzato in regime di trazione, mantenuti sotto carico costante ed esposti a temperature crescenti tra 20 °C e 40° C.

Il comportamento differito nel tempo di materiali compositi fibrorinforzati è un tema ancora oggetto d’indagine. Oltre alle condizioni di servizio, le condizioni ambientali influiscono sul comportamento del materiale. Il presente lavoro fa riferimento al comportamento di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche.

I polimeri infatti presentano deformazioni viscose e le loro proprietà meccaniche sono influenzate dalla temperatura. Risulta quindi importante comprendere e prevedere come questi fenomeni possano influenzare il comportamento di elementi strutturali e non strutturali. La memoria mostra i risultati di una campagna sperimentale su provini fessurati in calcestruzzo fibrorinforzato in regime di trazione, mantenuti sotto carico costante ed esposti a temperature crescenti tra 20 °C e 40° C.

Inoltre, è descritto un primo approccio verso la calibrazione di un modello numerico predittivo dell’effetto di queste variabili sul comportamento del materiale.


Comportamento differito degli FRC

Il comportamento meccanico a lungo termine dei calcestruzzi fibrorinforzati è oggetto di numerose ricerche, data la mancanza di standardizzazione sul piano della caratterizzazione sperimentale e di modelli meccanici ampiamente accettati.

Viscosità e ritiro del calcestruzzo sono fenomeni ben noti, ed è chiara la loro influenza sul comportamento in esercizio e sulla durabilità di elementi strutturali (Jiràsek and Bazant 2002). Il comportamento del calcestruzzo fibrorinforzato, soprattutto quando sono utilizzate fibre polimeriche, è caratterizzato dall’interazione tra elementi che soffrono di fenomeni dipendenti dal tempo (Findley, J.S., and K. 1976).

Più nel dettaglio, il comportamento differito degli FRC, in particolare in condizioni fessurate, è influenzato sia dai fenomeni viscosi che caratterizzano calcestruzzo ed eventualmente le fibre, sia dall’evoluzione nel tempo dell’aderenza. Il modulo elastico del rinforzo fibroso, ad esempio, se più alto o più basso di quello del calcestruzzo, influenza diversamente l’evoluzione delle deformazioni (Zhao et al. 2016). Taengua et al. hanno mostrato l’influenza della geometria, snellezza e dosaggio delle fibre sulle deformazioni a lungo termine (Taengua et al. 2014).

Anche le procedure sperimentali per la misura delle deformazioni differite di elementi fessurati non sono ancora standardizzate, e non sono ancora stati completamente identificati quali siano i fattori che possono maggiormente influenzare i risultati. Molti studi analizzano il comportamento di elementi in calcestruzzo fibrorinforzato in regime flessionale, utilizzando sistemi a leva per applicare carichi sostenuti a più campioni contemporaneamente (Arango et al. 2012; Babafemi 2015; Barragán and Zerbino 2008).

L’esecuzione di prove in viscosità sotto carico di trazione uniassiale è meno comune perché di maggiore complessità. Alcune proposte prevedono l’impiego campioni pre-fessurati cilidnrici (Buratti and Mazzotti 2016, 2017; Vrijdaghs, Di Prisco, and Vandewalle 2016) o prismatici (Sorelli and Meda, A. and Plizzari 2005), mantenuti in trazione attraverso sistemi a leva. Nell’ottica della standardizzazione delle modalità di prova in questo ambito, si dovrebbe considerare anche il controllo delle condizioni ambientali, umidità e temperatura. È stato dimostrato, infatti, che la variazione di quest’ultima può essere responsabile dell’attivazione della fase terziaria della viscosità (rottura) negli FRC con rinforzo con fibre polimeriche (Buratti and Mazzotti 2015).

Il presente articolo mostra la caratterizzazione sperimentale di un calcestruzzo rinforzato con fibre polimeriche in condizioni di assenza di carico (ritiro), e sotto carichi di compressione e trazione diretta, analizzando l’effetto del tempo e delle variazioni di temperatura. I risultati sperimentali sono inoltre confrontati con le previsioni di simulazioni numeriche ottenute attraverso un approccio del tipo Lattice Discrete Particle Model (LDPM).

 

Campagna sperimentale

La campagna sperimentale di seguito descritta è stata condotta con riferimento a un calcestruzzo rinforzato con 8 kg/m3 di fibre in polipropilene di forma ondulata. La composizione del calcestruzzo è riportata in Tabella 1 mentre le caratteristiche delle fibre in Tabella 2. La loro resistenza a trazione e modulo elastico secante sono stati misurati attraverso prove di trazione.

 

FIGURA 1: (a) Fibre utilizzate; (b) Test di abbassamento.

Campagna sperimentale con fibre utilizzate e test di abbassamento

 

Componenti del calcestruzzo e proprietà delle fibre in polipropilene

Preparazione dei campioni

Il programma sperimentale prevede la realizzazione di quattro cilindri gettati, due utilizzati per la prova di ritiro e due per la prova di viscosità a compressione, quattro prismi dai quali vengono carotati dodici cilindri, utilizzati per prove di viscosità a trazione, e quattro cubi per la caratterizzazione della resistenza a compressione.

I cilindri gettati hanno una dimensione di 150 mm di diametro e 300 mm di altezza. Essi sono stati rettificati alle estremità in modo da assicurare l’uniformità del caricamento nel corso delle prove di viscosità a compressione.

I cilindri testati sotto carico di trazione sono carotati da campioni prismatici (150x150x600 mm3), dopo averli suddivisi in tre parti di lunghezza pari a 200 mm, facendo in modo che l’asse dei cilindri coincida con l’asse longitudinale dei prismi. I provi- ni ottenuti hanno diametro di 125 mm e altezza di 150 mm. Al fine di controllarne meglio la fessurazione, su di essi è stato realizzato un intaglio circonferenziale di profondità di 10 mm e larghezza 4 mm.

Utilizzare cilindri carotati e non gettati significa considerare una dispersione delle fibre più coerente con quella riscontrabile in provini prismatici tipicamente utilizzati per prove di flessione (Barragan et al. 2003). Ogni campione viene identificato con un codice composto dal suffisso T seguito da un numero progressivo e da una lettera (A, B, C) indicante rispettivamente la parte sinistra, centrale e destra del prisma da cui è stato ricavato.

Tutti i provini sono stati fatti maturare in acqua per 26 giorni, ad una temperatura costante di 20 °C.

 

Cilindri gettati e cilindri carotati

FIGURA 2: (a) Cilindri gettati (d=150mm, h=300mm); (b) Cilindri carotati (d=125mm, h=150mm).

 

Prove di ritiro e viscosità a compressione

Le deformazioni indotte dal ritiro sono misurate su due cilindri tramite due estensimetri incollati sulle parti opposte dello stesso, come in Figura 2 (d=150mm; h=300mm). La prova di viscosità a compressione utilizza due cilindri aventi le stesse dimensioni, ciascuno con due estensimetri sui quali è applicato un carico pari al 20% della massima resistenza a compressione misurata dai test di caratterizzazione a compressione.

Il telaio di prova è in acciaio ed è composto da due piastre in acciaio collegate da quattro montanti, da un cilindro idraulico, collegato ad un circuito con vaso di espansione, e da una cella di carico posizionata nella parte superiore del telaio.

 

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Days - Aprile 2021

organizzati da aicap e CTE

 

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