Il nuovo calcestruzzo – Calcestruzzo fibro-rinforzato

Capitolo XX

20.1 L’IMPIEGO DI FIBRE NEI CONGLOMERATI CEMENTIZI

Il calcestruzzo fibro-rinforzato (indicato anche come FRC – Fiber Reinforced
Concrete) rappresenta sicuramente una delle innovazioni più ragguardevoli nello
sviluppo dei materiali cementizi.
Mediante l’impiego di fi bre è, infatti, possibile modifi care sensibilmente alcune
proprietà del calcestruzzo dando vita a materiali nuovi con caratteristiche
prestazionali più complete impiegabili in settori e con modalità non consentite
ai calcestruzzi ordinari.
Le proprietà fi nali di un FRC possono essere adeguatamente “progettate”
mediante la scelta del tipo e del dosaggio di fi bre da impiegare nonché delle
caratteristiche del sistema cementizio nelle quali esse vengono introdotte.
Non esiste, quindi, “il” calcestruzzo fi bro-rinforzato, ma una vasta gamma di
materiali compositi costituiti da una matrice cementizia e da un rinforzo fi broso
discontinuo le cui proprietà possono, in alcuni casi, differire totalmente da quelle
dei calcestruzzi tradizionali e avvicinarsi di più a quelle dell’acciaio come, ad
esempio, nel caso del RPC Reactive Powder Concrete (§ 17.6).
La progettazione, l’esecuzione e la caratterizzazione di elementi strutturali
in FRC richiedono regole e modelli di calcolo diversi da quelli normalmente impiegati
per le opere in conglomerato cementizio ordinario e non trattati nelle
norme tecniche sulle costruzioni sia nazionali che europee.
Per ovviare a questo limite, un’apposita commissione di esperti, predisposta
dal CNR nel 2006, ha emesso un documento tecnico (CNR DT 204/2006 – Istruzioni
per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo
Fibrorinforzato) dove vengono riassunte le principali proprietà dei calcestruzzi
fi bro-rinforzati e fornite le indicazioni suffi cienti a consentire il dimensionamento
e la verifi ca di strutture realizzate mediante l’impiego di calcestruzzi armati
con fi bre in sostituzione o in aggiunta alle armature ordinarie. In queste Istruzioni
vengono fornite anche le indicazioni necessarie per la verifi ca in laboratorio
delle proprietà dei materiali cementizi fi bro-rinforzati e per la determinazione
delle grandezze signifi cative ai fi ni del calcolo strutturale.
Il D.M. 14/01/08 Norme tecniche per le costruzioni consente (§ 8.6) l’impiego
di conglomerati cementizi fi bro-rinforzati per attività di rinforzo di edifi ci
esistenti senza il preventivo ricorso ad autorizzazioni da parte del Consiglio Superiore
dei Lavori Pubblici. Resta, invece, soggetto a preventiva autorizzazione
ministeriale l’impiego di tali materiali nelle nuove costruzioni (D.M. 14/01/08,
§ 4.6).

20.2 TIPI DI FIBRE

Esistono diversi tipi di fibre impiegate nel rinforzo dei sistemi cementizi.
Quelle maggiormente utilizzate sono di tipo metallico, polimerico, in vetro, in
carbonio o in materiale naturale (cellulosa, legno ecc…).
L’infl uenza delle fi bre sulle proprietà meccaniche di un conglomerato cementizio
dipende dalle proprietà materiale di cui sono costituite, in particolare
dalla tenacità e dal modulo elastico a trazione (Appendice I), e da alcuni parametri
geometrici quali:
• la forma;
• la lunghezza;
• il diametro equivalente;
• il rapporto d’aspetto.
Accanto a fibre semplicemente rettilinee esistono fibre ondulate, uncinate,
nervate, ad estremità schiacciate, ecc.. La forma indica la geometria della linea
d’asse delle fibre e l’eventuale variazione della loro sezione trasversale. Per lunghezza
della fibra si intende la distanza tra le due estremità. Essa può differire
dalla lunghezza della linea d’asse del filamento nel caso di fibre non rettilinee
(ondulate, uncinate, ecc…). Il diametro equivalente è il diametro del cerchio di
area equivalente alla sezione media della fibra. Il rapporto d’aspetto viene definito come il rapporto tra la lunghezza della fibra e il suo diametro equivalente.
A parità di composizione e di dosaggio, l’efficacia delle fibre migliora se aumenta
il rapporto d’aspetto e se la forma assume un contorno irregolare che favorisca
l’adesione alla matrice cementizia.

20.3 PROPRIETÀ’ FISICHE E MECCANICHE DEL CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO

A seconda del tipo e del dosaggio di fi bre impiegate, il comportamento meccanico
del calcestruzzo fibro-rinforzato può differire radicalmente da quello di
un calcestruzzo ordinario. Non tutte le proprietà fi siche e meccaniche del materiale
vengono, però, apprezzabilmente modificate dall’aggiunta di fibre. Di
seguito vengono elencate alcune tra le più significative caratteristiche f siche e
meccaniche del calcestruzzo e viene messo in evidenza se, e in quale misura,
esse possono essere modificate dall’impiego di fibre. Questo consentirà, peraltro,
di sfatare alcuni “falsi miti” che aleggiano intorno alle fi bre e agli effetti
che queste possono indurre se aggiunte ai sistemi cementizi.

Fig. 20.1 – Confronto tra diagrammi σcompr-ε di calcestruzzo ordinario e quello fi brorinforzato nella prova di compressione

20.3.1 COMPORTAMENTO A COMPRESSIONE

L’aggiunta di fibre di qualsiasi tipo e forma non è in grado di influenzare apprezzabilmente
la resistenza meccanica a compressione dei materiali cementizi.
Ad ogni modo, un adeguato dosaggio di fibre, soprattutto se di tipo metallico,
può infl uenzare il comportamento sforzo-deformazione di un provino in calcestruzzo
sottoposto ad una prova di schiacciamento rendendo più lunga e meno
ripida la fase discendente (il cosiddetto ramo degradante o softening) della curva σcompr-ε per l’azione di cucitura esercitata dalle fi bre nei confronti delle fessure
che si producono in direzione ortogonale a quella di massima compressione.
L’aggiunta di fi bre non modifi ca, inoltre, il modulo elastico a compressione (Ec)
del calcestruzzo (Fig. 20.1).

20.3.2 COMPORTAMENTO A TRAZIONE

Contrariamente a quanto viene diffusamente ritenuto, l’aggiunta di fi bre non
migliora la resistenza meccanica a trazione del calcestruzzo intesa come la sollecitazione
in corrispondenza della quale si verifi ca l’innesco della prima (o unica)
fessura nella matrice di un elemento sollecitato a trazione. Allo stesso modo,
non vengono apprezzabilmente modifi cate dall’ aggiunta delle fi bre le grandezze
che caratterizzano il comportamento del materiale prima della fessurazione,
ossia, il modulo elastico in trazione (Et) e la deformazione in corrispondenza
dell’innesco della fessura (εf).
L’aggiunta di fi bre modifi ca sensibilmente, invece, il comportamento a trazione
della matrice cementizia in fase fessurata. A seconda del dosaggio di fi bre
impiegato, si possono avere due diversi comportamenti post-fessurativi. Per contenuti
di fi bre non elevati (indicativamente per volumi di fi bre inferiori al 2%) il
comportamento è di tipo degradante. Questo signifi ca che dopo l’innesco della
fessura, il materiale è in grado di sopportare sollecitazioni di trazione a patto
che queste siano inferiori a quella che ha provocato la fessurazione della matrice.
In questo caso, in provini fi bro-rinforzati e in assenza di altre armature, si
forma un’unica fessura che aumenta di ampiezza fi no al collasso (Fig. 20.2-A).
Per dosaggi di fi bre elevati (indicativamente per volumi di fi bre superiori al 2%),
il comportamento post-fessurativo dell’FRC può risultare di tipo incrudente noto
anche come hardening. Ciò signifi ca che, grazie all’effi cace azione di cucitura
esercitata dalle fi bre, nel composito si verifi ca l’innesco progressivo di una molteplicità
di fessure fi no al raggiungimento di una tensione di collasso che è maggiore
di quella che ha provocato la comparsa della prima lesione (Fig. 20.2-B).

Fig. 20.2 – Calcestruzz o fi bro-rinforzato sottoposto a carico di trazione (P) con allungamento l: comportamento degradante (A) e incrudente (B)

Con i volumi di fi bre utilizzati nelle applicazioni più comuni, il comportamento
a trazione di un calcestruzzo fi bro-rinforzato è, in genere, di tipo softening. La
caratterizzazione di questo tipo di materiali mediante prove di trazione uni-assiale
non è agevole. Si ricorre, pertanto, all’esecuzione di prove di fl essione
come descritto nel § 20.3.3.

20.3.3 COMPORTAMENTO A FLESSIONE

Le prove di fl essione impiegate per la caratterizzazione dei calcestruzzi fi –
bro-rinforzati possono essere di due tipi a seconda della norma cui ci si riferisce
per la loro esecuzione. Secondo la norma belga NBN B15-239, 239 e secondo
la norma giapponese JSCE SF4, ad esempio, deve essere eseguita una prova di
fl essione “a quattro punti” su provini prismatici aventi dimensioni di l x l x 4l
(normalmente 150 x 150 x 600 mm), posti su due appoggi aventi distanza pari
a 3l l’uno dall’altro (Fig. 20.3.A). Secondo altre norme, come la norma italiana
UNI 11039, invece, la prova deve essere condotta su travi di analoghe dimensioni
ma caratterizzate dalla presenza di un intaglio nella mezzeria del lembo
inferiore (Fig. 20.3.B). In entrambi i casi il comportamento fl essionale è defi nito
sulla base di una tensione nominale di trazione valutata ipotizzando un comportamento
elastico lineare del provino.
La Fig. 20.4 illustra schematicamente il diagramma P-δ (cioè del carico P
applicato in funzione della defl essione δ in mezzeria) di una prova di fl essione
eseguita su travetti non intagliati realizzati con calcestruzzo ordinario (curva A)
e fi bro-rinforzato (curva B). Nel calcestruzzo ordinario, al raggiungimento del
carico che provoca l’innesco di una fessura, a partire dal lembo maggiormente
teso (Pf), si assiste al collasso repentino dovuto alla rapida propagazione della
lesione nell’intero spessore del travetto: in altre parole, la defl essione al mo-

Fig. 20.3 – Travi per la verifi ca del comportamento a fl essione (A) senza intaglio e (B) con intaglio

Fig. 20.4 – Schematizzazione della curva P-δ in una prova di fl essione senza intaglio per un calcestruzzo ordinario (O) e fi bro-rinforzato (FRC)

mento dell’apparizione della prima fessura (δf) è di poco inferiore (e quasi coincidente)
a quella che corrisponde alla completa rottura (δr) come tipicamente
avviene nei materiali fragili.
L’introduzione di fi bre non cambia signifi cativamente né il carico Pf né la pendenza
della curva nell’iniziale tratto lineare. Dato che dal valore del carico Pf,
nelle ipotesi fatte, si ricava la resistenza a fl essione del materiale (Rf) attraverso
la formula:
L’aggiunta di fi bre, quindi, non modifi ca signifi cativamente la resistenza a
fl essione del calcestruzzo. In sostanza, il comportamento del sistema (con e senza
fi bre) fi no alla fessurazione, seguita ad essere governato dal comportamento
della matrice cementizia.

Le fibre, invece, modificano sensibilmente il comportamento post-fessurativo
del sistema (Fig. 20.4). La deformazione (δ’f), che corrisponde all’apparizione
della fessura, è molto inferiore a quella (δ’r) che si registra a completa
rottura come tipicamente avviene nei materiali duttili. In altre parole, l’aggiunta
di fi bre aumenta la duttilità del calcestruzzo intesa come rapporto tra
la deformazione ultima e quella cui corrisponde l’insorgere della prima lesione.
Un’altra caratteristica connessa alla precedente è la tenacità, cioè l’energia
di frattura che indica il lavoro che è necessario spendere per deformare il materiale
fi no al collasso. Nel diagramma P-δ di una prova di fl essione su provini non
intagliati, tale energia è rappresenta dall’area sottesa dalla curva; con un adeguato
dosaggio di un determinato tipo di fi bre si può aumentare notevolmente
l’energia di frattura e, quindi, la tenacità del calcestruzzo (Fig. 20.4).
Nelle prove di fl essione su provini non intagliati, non essendo possibile stabilire
a priori il punto in cui si formerà la fessura, il comportamento post-fessurativo
viene caratterizzato sulla base di due valori di defl essione δ1 e δ2 (Fig. 20.4). A
titolo d’esempio, nella norma JSCE SF4 le defl essioni δ1 e δ2 sono poste pari a,
rispettivamente, 1.5 e 3.0 mm.
A tali valori di defl essione corrispondono valori del carico applicato P1 e P2
dai quali, per mezzo dell’equazione [20.1] , è possibile ricavare le cosiddette
resistenze residue R1 e R2. Tali valori, opportunamente modifi cati, vengono impiegati
nei calcoli per eseguire le verifi che, rispettivamente, allo stato limite di
servizio e allo stato limite ultimo.

20.3.4 RESISTENZA ALL’URTO

Alla tenacità del calcestruzzo fi bro-rinforzato (caratteristica opposta alla fragilità
del calcestruzzo ordinario) si deve la capacità di resistere agli urti, qualità
particolarmente apprezzata nelle strutture sottoposte a sollecitazioni impulsive
e ripetute (giunti autostradali, pavimenti industriali esposti a carichi dinamici,
ecc.).
La resistenza all’urto del calcestruzzo fibro-rinforzato si determina con un
maglio (Fig. 20.5) che cade su una sfera di acciaio appoggiata su un provino
circolare di calcestruzzo (Fig. 20.6). Il maglio colpisce automaticamente e più
volte la sfera fi nché non avviene la frattura del provino cilindrico del calcestruzzo
(Fig. 20.7) e si registra il numero di colpi che ha provocato la frattura come
indice di resistenza all’urto. Con un rinforzo adeguato di fi bre in acciaio il provino
di calcestruzzo subisce un affossamento nella zona centrale senza tuttavia
subire mai alcuna frattura per l’elevatissima resistenza all’urto del calcestruzzo
fi bro-rinforzato (Fig. 20.8).

20.3.5 LAVORABILITÀ

L’aggiunta di fi bre ad un conglomerato cementizio comporta, in genere,
una riduzione della lavorabilità dell’impasto rispetto al valore misurato prima
dell’aggiunta.