Indagine sperimentale sul comportamento meccanico di malte cementizie fibro-rinforzate utilizzate nella stampa 3D

La fabbricazione digitale con materiali a base cementizia richiede che questi abbiano specifiche proprietà reologiche e meccaniche, allo stato sia fresco sia indurito. In dettaglio, la manifattura additiva è tra le tecniche di fabbricazione digitale più diffusa. Le malte cementizie utilizzate per la produzione sono spesso fibro-rinforzate; infatti, l’aggiunta di fibre è una delle possibili soluzioni che si possono adottare per fronteggiare l’assenza del classico rinforzo in acciaio.

Se da un lato l’aggiunta di fibre all’interno della malta migliora le sue prestazioni meccaniche, dall’altro ne peggiora la lavorabilità. Al fine di studiare il comportamento meccanico di malte fibro rinforzate, sono stati effettuati test di taglio e trazione diretta. In particolare, l’attenzione è stata posta sull’influenza del (i) tempo di maturazione del provino e del (ii) tipo/concentrazione di fibre.

Inoltre, è stata analizzata anche l’influenza della quantità di super-fluidificante, necessario per raggiungere la lavorabilità richiesta per il processo di stampa.


Come la digitalizzazione sta trasformando il settore delle costruzioni

I recenti progressi nel campo della fabbricazione digitale nel settore delle costruzioni hanno portato alla formulazione di materiali cementizi innovativi, i quali devono possedere specifiche proprietà reologiche e meccaniche sin dalle primissime fasi di vita. Di conseguenza, la ricerca scientifica del settore delle tecnologie di fabbricazione digitale in calcestruzzo, quali la Manifattura Additiva-Additive Manufacturing (“AM” di seguito), o Stampa 3D, si interessa allo studio e alla sperimentazione del comportamento di questi materiali già durante i primi minuti di maturazione.

Allo stato fresco il comportamento dei materiali cementizi segue il modello visco-plastico di Bingham, secondo il quale il materiale “fluisce” quando al suo interno la tensione tangenziale massima supera un valore critico, detto yield stress τ0 (Roussel, 2018).

Nella tecnologia di stampa 3D, a valle del processo di miscelazione, il materiale cementizio viene: pompato nel sistema, estruso attraverso un ugello e depositato sotto forma di filamenti. Tutte queste fasi di produzione avvengono in breve tempo (secondi o minuti a seconda dello specifico sistema di stampa adoperato), e affinché vadano a buon fine è necessario che il materiale rispetti i cosiddetti requisiti di “printability” (letteralmente stampabilità).

Infatti, a causa dell'assenza di una cassaforma rigida durante la fabbricazione di un oggetto stampato in 3D, è necessario che il materiale abbia un’adeguata resistenza, un’adeguata rigidezza e un comportamento tixotropico. In particolare, una volta estruso, il filamento di materiale fresco deve essere capace di sostenere il suo peso e quello degli strati sopra di esso, senza subire eccessive deformazioni.

Il valore di yield stress del materiale dovrà, quindi, risultare sufficientemente basso da permettere i processi di pompaggio ed estrusione, ma abbastanza alto da assicurare la stabilità dell’elemento stampato. La determinazione del valore della yield stress è, dunque, un passaggio fondamentale nella fase di progetto.

Un altro requisito importante per la stampabilità è la resistenza a trazione diretta, il cui valore allo stato fresco può limitare la velocità di stampa: lo stato tensionale di trazione, che sorge nel materiale appena estruso, può provocare la rottura del filamento, prima che questo venga depositato. Un valore sufficientemente alto della resistenza a trazione è, inoltre, in grado di limitare la fessurazione da ritiro.

Tale aspetto, già critico nel calcestruzzo tradizionale, lo diventa maggiormente nell’ambito della tecnologia additiva in cui il rapporto tra la superficie esposta e il volume del filamento risulta elevato. In questo quadro, l'indagine sperimentale sul comportamento meccanico del materiale nelle sue fasi iniziali è fondamentale per definire i requisiti di stampabilità e consentire la determinazione delle proprietà finali degli elementi stampati. La misurazione di τ0 è generalmente eseguita mediante prove reologiche, come lo stress growth test o il flow curve test.

Un’alternativa alle tecniche reometriche tradizionali è la prova di taglio diretto, ampiamente utilizzata nella meccanica dei terreni per determinare la coesione C e l'angolo di attrito interno φ. Questa prova può essere utilizzata anche per stimare il valore di yield stress del materiale, il quale risulta strettamente correlato al valore della coesione, come dimostrato nella campagna di test sperimentali eseguita da Assaad et al. (2014).

In questo lavoro si riportano i risultati di un'indagine sperimentale effettuata sul comportamento meccanico allo stato fresco di malte cementizie fibrorinforzate concepite per essere stampabili in 3D. Nel dettaglio, sono state eseguite prove di taglio e trazione diretta su provini di materiale allo stato fresco, fino ad un’ora dopo la fine della miscelazione.

Per l’esecuzione delle prove sono stati utilizzati la metodologia e l’apparato sperimentale messi a punto ed impiegati da Lo Monte et al. (2019). In particolare, per ogni caso di carico, si è studiata l’influenza di: (i) tempo di maturazione del provino (30, 60 e 120 minuti), (ii) percentuale di super-fluidificante (0.08 e 0.13% in peso di cemento) e (iii) percentuale di fibre strutturali (0.0, 0.8 e 1.0% in volume).

 

Programma sperimentale

La miscela cementizia di riferimento utilizzato per la presente campagna sperimentale è stata sviluppata ed impiegata in un precedente studio (Asprone et al., 2018) per la fabbricazione digitale, con la tecnologia di Stampa 3D, di elementi strutturali. Nel dettaglio, al fine di rispettare i requisiti di compatibilità con il diametro dell'ugello, pari a 25 mm, la miscela ce- mentizia contiene aggregati con una dimensione massima di 4 mm.

Il rapporto acqua/cemento è stato fissato pari a 0,39. Nel mix sono presenti fibre corte in polipropilene non strutturali (vedi Fig. 1a), NSF di seguito, (con dosaggio pari a 0.12% in volume), al fine di prevenire la fessurazione da ritiro plastico, e un additivo superfluidificante a base policarbossilica (0.08% in peso di cemento), al fine di migliorare la lavorabilità del composto. La classe di consistenza è stata valutata secondo la procedura EN 12350– 2:2009, che ha fornito un valore di abbassamento al cono pari a 14 ± 2 mm, corrispondente alla classe di lavorabilità S1. La resistenza media cubica a 28 giorni Rcm è pari a 53,5 MPa.

Al fine di studiare l’effetto del dosaggio di fibre strutturali sulla risposta a taglio e trazione diretta del materiale allo stato fresco, sono state sviluppate altre miscele contenenti, in aggiunta alle fibre non struttu- rali, fibre strutturali di PVA (polivinil-alcool) a dosaggi crescenti, vale a dire 0.8 e 1.0 % in volume (vedi Fig. 1b).

I due mix cementizi fibro-rinforzati saranno indicati di seguito attraverso gli acronimi 0.8SF+0.12NSF e 1.0SF+0.12NSF, e, seguendo la stessa logica, il mix di riferimento sarà indicato con 0.0SF+0.12NSF. Le percentuali di fibre strutturali da studiare sono state scelte a valle di precedenti studi sperimentali (vedi Esposito et. al 2019). Nelle miscele fibro-rinforzate, per garantire il requisito di stampabilità, è stato incrementato il dosaggio di superfluidificante (da 0.08 a 0.13% in peso di cemen- to).

Al fine di studiare l’effetto di tale variazione sulla risposta meccanica del materiale, le prove meccaniche di cui sopra sono state condotte anche sulla matrice cementizia contenente le due differenti percentuali di additivo, ossia 0.08 e 0.13% in peso di cemento (indicate di seguito con gli acronimi M0 e M1, rispettivamente).

 

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

organizzati da aicap e CTE

 

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