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Materiali Strutturali per l'Ingegneria Civile, prof. Corinaldesi

Appunti completi del corso Materiali Strutturali per l'Ingegneria Civile tenuto dalla prof. Corinalesi Valeria presso l'Università Politecnica delle Marche e basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni della prof. dell’università degli Studi del Politecnico delle Marche - Univpm. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Materiali Strutturali per l'Ingegneria Civile docente Prof. V. Corinalesi

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fondo). Per avere un comportamento buono la viscosità non deve essere né troppo alta né troppo

bassa, ci sono dei range che mi dicono se la pasta cementizia è idonea per essere usata per un

autocompattante.

2) Si doveva studiare un SCC di colore bianco e non doveva assolutamente avere fessurazioni. E’

stata adottata la tecnica del 3-SC: doveva essere autocompattante (self-compacting), doveva

avere dentro un agente espansivo per evitare la fessurazione (il ritiro avviene quando il

materiale si contrae) perché ritardo il ritiro (self compressing), (self curing) il materiale aveva

dentro un additivo anti-ritiro. Anche qui venne utilizzato filler calcareo e ossido di calcio come

agente espansivo. Poi come additivo riduttore del ritiro si utilizzò glicole polietilenico. E’ stato

aggiunto dentro l’impasto anche additivo idrofobizzante perché non ci dovevano crescere

micro-organismi. Si voleva vedere l’effetto di queste aggiunte sulla reologia dell’impasto perché

non era mai stata creata una miscela con queste 3 aggiunte. Sono state create diverse paste

cementizie con tutte le combinazioni in termini di additivi aggiuntivi (slide 14): grossi risultati

non si sono visti, l’idrofobizzante viscosizza un po' troppo ma usando gli altri additivi il

discorso migliora. 09/10/2017

L7 – “Calcestruzzi fibro-rinforzati”

Se ne parlerà sempre di più di questa tecnologia. Fiber Reinforced Concrete FRC. Quelli che

trattiamo noi sono calcestruzzi rinforzati con fibre corte disposte in maniera random nella matrice

cementizia. La prima classificazione delle fibre è in base al modulo elastico delle fibre che

introduciamo: se la fibra ha un modulo elastico maggiore a quello della pasta cementizia (20-25

GPa) allora c’è una funzione particolare di rinforzo e irrigidimento (fibre carbonio, metalliche e in

vetro). Le più utilizzate sono quelle metalliche perché quelle in carbonio costano molto e scivolano

sulla pasta cementizia. Il vetro degrada in ambiente alcalino (reazione alcali-aggregato). Se la fibra

ha un modulo elastico minore di quello della matrice cementizia (polimeriche), si utilizzeranno per

scopi diversi. (slide 3) Come si comporta il cls semplice e un cls dove ho aggiunto fibre metallica?

Se eseguo una prova a flessione (qui si vede meglio la differenza) sul cls ordinario arriverò ad un

certo carico dopodiché c’è un crollo istantaneo perché il materiale si fessura e la fessura si propaga.

Questo non succede nel materiale fibrorinforzato perché dopo la matrice cementizia si è fessurata ci

saranno le fibre che cuciranno i due lembi della fessura (effetto ponte) e addirittura se il volume di

fibre è elevato avrò anche un incremento di carico (aumenta la freccia). Quindi c’è una grande

differenza in termini di tenacità, ovvero l’energia che il materiale consuma prima di arrivare a

rottura (area sottesa dalla curva). Qual è l’incidenza sulla tensione di prima fessurazione?

L’incidenza della fibra è minima perché le fibre si mettono per migliorare il comportamento post-

fessurativo e non di certo per aumentare la tensione di prima fessurazione.

Facendo due conti si vede che la tensione media nel cls fibrorinforzato è solo il 12% in più rispetto

a quella della matrice cementizia.

Un aspetto importante è il volume delle fibre: ci sarà un volume critico che mi farà passare da un

comportamento degradante ad uno incrudente: dopo il raggiungimento della prima fessurazione, se

il volume è basso, le fibre non sono in grado di portare la tensione che portava prima la matrice

cementizia (comportamento degradante). Se invece il volume delle fibre è sufficientemente elevato,

queste fibre sono in grado di portare lo stesso carico che portava la matrice, potrei leggere un

aumento del carico e poi mano a mano che la fessura si allarga, la fibra si sfila e leggo una

diminuzione di carico.

Per le fibre metalliche il volume critico potrebbe essere tra i 40 e i 50 Kg.

Un altro parametro importante è il rapporto d’aspetto (cioè quanto è snella la fibra):

ρ = L(lunghezza) / d (diametro)

All’aumentare del rapporto d’aspetto (fibra allungata) aumenta l’aderenza tra fibra e matrice. Non

possiamo alzarlo a dismisura questo valore perché peggiora la lavorabilità del cls perché più sono

lunghe le fibre più si intrecciano. Il valore ottimale del rapporto d’aspetto è 70-80. Per aumentare

l’aderenza tra fibra e matrice senza aumentare il rapporto d’aspetto posso giocare sulla forma della

fibra: nascono delle fibre di forme particolari. Ad esempio uncinate alle estremità (molto efficaci)

posso scendere a un rapporto d’aspetto fino a 60; fibre ondulate; dentellate; fibre sottilissime e

flessibili in metallo corrugato (molto ruvido) in una lega che non corrode: aderiscono pur essendo

dritte, pesano poco quindi riesco a metterne di più e poi essendo flessibili non compromettono la

lavorabilità. E’ ovvio che sia l’aggregato che la fibra richiedono di essere bagnati dalla matrice

cementizia per poter rinforzare: succede che se esagero col volume di aggregato o scelgo un

diametro troppo grande non ho sufficiente pasta per bagnare le fibre metalliche per cui è

consigliabile in questo caso o diminuire il diametro massimo o diminuirne il volume. Una delle

prove che servono per caratterizzare i cls fibrorinforzati è la prova di resistenza all’urto: si

realizza un provino cilindrico, si inserisce nel dispositivo, si sistema una sferetta di acciaio sopra il

provino e poi si fa cadere un maglio sopra la sferetta: questa sferetta trasferisce il colpo al cls

sottostante e si legge il numero di colpi necessari per spaccare il provino. Per un cls non rinforzato

bastano una decina di colpi, in uno fibrorinforzato la fessurazione avviene dopo centinaia di colpi

ma non avviene una fessurazione netta perché le parti fessurate rimangono cucite dalle fibre.

Esistono delle norme di riferimento (istruzioni del CNR datate 2006): un comitato di esperti

dovevano studiare come i risultati a livello sperimentale potessero tornare utili ai fini della

progettazione. Il fine era quello di trovare il modo di calcolare il contributo a trazione del cls fibro-

rinforzato e quindi ridurre il contenuto di armatura. Il diagramma sforzo-deformazione a flessione

del materiale individua la tensione di prima fessurazione oltre il quale il materiale potrebbe avere

comportamento degradante (unica macro-fessura) o incrudente (si apre la fessura in un punto e le

fibre ricuciono subito, la fessura non si allarga ma si crea una fessura su un altro posto micro-

fessurazione diffusa che è indice di materiale duttile). Il CNR ha individuato gli spostamenti

relativo alle varie condizioni:

Allora supponiamo di avere una sezione rettangolare dove ci sono due tondini, quando calcolo lo

stato limite ultimo a pressoflessione ci sarà una zona di cls compresso che lavora in alto fino

all’asse neutro, il cls teso in basso non lavora. In presenza invece di fibre ci avrà un contributo

anche a trazione:

Il CNR prende in considerazione lo stress-block applicando due coefficienti η e λ per rendere

costante i due contributi. E’ vero che la resistenza a trazione è minore di quella a compressione ma

la sezione tesa è più ampia, quindi alla fine il contributo è significativo. Inoltre la fibra la inserisco

nella miscela mentre per le armature bisogna pagare anche la manodopera per l’installazione dei

ferri.

Una prova che si fa per caratterizzare i cl sfibro-rinforzati è la “Three Point bending test” (prova a

flessione su tre punti): ci sono due appoggi ai lati, (slide 24) si applica il carico al centro e si crea un

intaglio ad arte nel punto centrale con uno spessore di ¼ dell’altezza. Si crea questo intaglio perché

si vuole essere sicuri che la fessura proceda in questa zona centrale così che quello che vado a

misurare è effettivamente una resistenza a flessione (potremmo pure avere delle fessure che partono

dagli appoggi). A questo punto si incollano due piastrine metalliche con delle resine e a cavallo

delle due piastrine si inserisce un trasduttore a forcella he è in grado di misurare l’allargamento

della bocca della fessura. Questa apertura alla base dell’intaglio è indicata con l’acronimo CMOD.

Esiste anche il Fib CODE per misurare la resistenza residua alla tensione di fessurazione: una volta

calcolato il CMOD, si misura il carico portato dal materiale man mano che aumenta questo CMOD

e si riporta nel report di prova la tensione misurata relativa ai vari valori del CMOD. E’ molto

interessante vedere come varia la tensione al variare del CMOD: se l’andamento è degradante io

leggerò un valore che diminuisce all’aumentare del CMOD; se invece è incrudente potrei pure avere

valori crescenti della tensione. Per convenzione si è deciso di far corrispondere il CMOD con lo

0,5

stato limite di esercizio e il CMOD con lo stato limite ultimo.

2,5

Che cosa succede quando la fibra cuce la fessura? Possono presentarsi varie opzioni:

- Se la fibra è molto debole potrebbe rompersi essa stessa (con le fibre metalliche non avviene,

solo con fibre di vetro sottilissime);

- Il pull-out della fibra, ovvero lo sfilamento. Questo succede quando il rapporto d’aspetto è un

po’ bassino;

- La cosa più bella che può accadere è il Bridging: la fibra che man mano che la fessura si apre la

fibra non si sfila e tiene;

- Si può verificare un debonging, cioè un distacco. Succede nel caso di fibra al carbonio e matrice

cementizia perché non c’è sufficiente aderenza;

- Può andare in crisi la matrice stessa (caso raro).

Sono state realizzate delle prove per la misura di resistenza a flessione in funzione del CMOD per 3

casi in cui la matrice cementizia è identica:

Con le fibre uncinate (alto volume) si supera indenni la fessurazione della matrice, continua il

comportamento incrudente: allo SLE si ha circa 15 MPa e allo SLU addirittura 18MPa e non è un

caso. Le fibre dritte flessibili invece hanno un grosso vantaggio allo SLE mentre cedono allo SLU:

infatti non sono state messe appunto per essere utilizzate in elementi strutturali quanto più in

materiali per arredo interni, urbano.

Vantaggi prestazioni degli FRC con Macrofibre (fibre di diametro > 0,3mm):

❖ Resistenza a compressione per effetto confinamento: supponiamo di avere un provino in cls

fibrorinforzato con alto contenuto di fibre, se sottoposto a compressione tutti questi sforzi che si

scambiano la matrice con le fibre, fanno sì che la matrice venga confinata, non riesce a

spanciare. (aumenta circa del 20%);

❖ Resistenza a flessione massima, non quella di prima fessurazione, perché se ho il

comportamento incrudente il materiale dopo la prima fessurazione riesce a portare un carico

anche maggiore rispetto a prima quindi un comportamento post-fessurativo duttile;

❖ Resistenza a trazione massima;

❖ Maggiore resistenza ad urti e scoppi, anche all’abrasione perché è difficile asportare materiale

se c’è la fibra che cuce la miscela;

❖ Leggere aumento del modulo elastico perché c’è confinamento. Parallelamente diminuisce il

ritiro igrometrico perché è come se mettessi un aggregato buono.

Durabilità degli FRC: il contributo delle fibre è significativo perché grazie a queste riesco a ridurre

l’apertura delle fessure (già questo è un bel vantaggio). Per le fibre più esterne a contatto con

l’aerosol è ovvio che ci sarà un piccolo problema di corrosione e quindi spesso si usano fibre

ottonate o zincate che siano resistenti alla corrosione.

Principali applicazioni:

1) Shotcrete (cls sparato verso le pareti di scavo): il materiale necessita anche di res. a trazione;

2) Pavimentazioni industriali: va contrastata la possibilità che il materiale si fessuri. Sotto

immaginiamo che poggi da qualche parte e quindi non c’è possibilità di evaporazione

dell’acqua, sopra l’acqua a contatto con l’aria evapora e quindi sopra ritira e sotto no e si

fessura. Si consiglia di mettere una rete metallica ad un’altezza non superiore a h/3. L’idea di

fibrorinforzare invece che mettere questa rete è ottima perché tenerla ad 1/3 dell’altezza non è

per niente facile: gli operai per praticità ci pestano sopra quando gettano.

Con le macrofibre di vetro (più fibre incollate tra loro) in questo caso si ha un comportamento

incrudente. Quindi il fatto che il vetro sia fragile non comporta che il composito sia fragile. Il

problema del vetro è la reazione alcali-aggregato per cui la norma fissa che il vetro deve avere un

contenuto di zirconia maggiore del 16% per ridurre tale inconveniente.

Le Fibre polimeriche: le più utilizzate solo il polipropilene (PP), il poliacrilonitrile (PAN), il

polivinilalcool (PVA). Le PP hanno peso specifico molto basso tanto che galleggiano in acqua, le

altre leggermente superiore. Le PP si usano molto negli intonaci in alternativa alle fibre di vetro.

Hanno una elevata inerzia chimica (cioè non degradano), elevata resistenza a trazione, basso

modulo elastico perché sono deformabili, bassa aderenza e sono sensibili alla luce. Sono come dei

ciuffetti biondi, oppure sono fibrillate (sono come un ventaglietto) e poi dentro la betoniera si

separano. Le fibre PAN invece hanno discreta aderenza al cls, buona resistenza chimica, discreto

modulo elastico, buona resistenza a trazione; quindi dal punto di vista delle prestazioni sono

migliori rispetto alle PP ma costano di più. Infine le fibre PVA sono le migliori perché hanno ottima

tenacità, un elevato modulo elastico, un’ottima adesione al cls ma scarsa resistenza chimica. Sono

presenti in commercio sia microfibre sia macrofibre di PVA.

L’inserimento di queste fibre non migliora affatto la resistenza alla prima fessurazione, addirittura

la resistenza a prima fessurazione del sistema fibrapolimerica + matrice è inferiore alla sola matrice.

Vengono utilizzate perché riescono a cucire le piccole fessurazioni, quindi per problemi di ritiro

plastico: sull’intonaco non posso proteggerlo e quindi si inseriscono queste fibrette sottili. Diverso

il discorso delle macrofibre (sono zigrinate) polimeriche: queste hanno un importante contributo

dopo la prima fessurazione.

Attenzione perché alle alte temperature (30-40°C) ci può essere problema di creep, che si ha nel

caso di fibre polimeriche (no nel caso di fibre metalliche): il modulo elastico tende a diminuire al

crescere della temperatura.

Una cosa importante è questa: la fibra polimerica non si mette per aumentare la resistenza a prima

fessurazione del cls indurito però attenzione perché quando noi diciamo che le inseriamo per

contrastare le fessurazioni da ritiro plastico, stiamo parlando di una condizione che avviene nelle

prime ore del getto. In quelle condizioni la pasta cementizia resiste pochissimo per cui anche la

fibra polimerica per quanto debole riesce a rinforzarla e quindi nelle prime ore le fibre aumentano la

resistenza di prima fessurazione. Poi se le uso in forma di macrofibre in volumi elevati vado ad

aumentare la duttilità della miscela.

11 e 12 Ottobre Non c’è stata lezione 18/10/2017

L9 – “Calcestruzzi leggeri strutturali”

La sfida per i cls leggeri è quella di essere strutturali. Il “leggeri” è un discorso legato alla massa

3

volumica perché per un cls ordinario la massa volumica oscilla tra 2200 e massimo 2450 Kg/m . I

3

cls leggeri possono andare da 300 fino a 800 Kg/m . Quale è l’interesse per i cls leggeri? Una

struttura dove uso cls leggero (ipotizzo di raggiungere la stessa resistenza) avrò minori masse in

gioco. Quindi innanzitutto è un vantaggio in zona sismica. Il secondo vantaggio è legato alla

fondazione: vado a scaricare un carico minore sul terreno. Quindi una sopraelevazione di un

edificio esistente potrebbe prevedere l’utilizzo di questo tipo di cls. Altri vantaggi: minore spinta

sulle casseforme (vantaggio minore); minor costo per il trasporto e per il sollevamento (i volumi

rimangono gli stessi ma gli elementi risultano più leggeri). Come possiamo produrre un cls leggero?

Esistono 3 metodi e il 4 è la combinazione tra questi (quello più utilizzato):

1) Impiego di aggregati leggeri: attenzione quando inseriamo aggregati leggeri e porosi (tufo e

pomice). Il problema della pietra pomice, per cui adesso non viene più cavata, è di carattere

ambientale: sono materiali silicei e le polveri sollevate in fase di lavorazione erano tremende e

dannose per la salute umana. Il problema è che nel progetto del cls non possiamo pretendere di

andare con una pasta cementizia resistentissima allo scopo di compensare il punto di debolezza

dell’aggregato perché se lo uso troppo debole questo aggregato prima o poi cederà. Un cls con

pietra pomice non arriverà mai ad essere strutturali: è la pietra pomice che si sgretolerà per

prima.

2) Introduzione nella pasta cementizia dei vuoti: attraverso reazioni chimiche oppure sovra

dosando l’additivo aerante.

3) Impiego di inerti privi della parte più fine: la curva granulometrica non è ben distribuita con

tutte le pezzature, ma è monogranulare (aggregato grosso). In questo modo se uso un volume di

pasta basso e un diametro di inerte grande creo una struttura con vuoti tra un aggregato e un

altro. E’ una struttura drenante, che si usa ad esempio per le pavimentazioni stradali drenanti.

4) Combinazione dei metodi precedenti: tutti i metodi visti prima possono essere combinati

insieme. AGGREGATI LEGGERI

Gli aggregati leggeri più comuni sono suddivisi in 4 macro categorie:

a. Minerali non trattati termicamente (sono quelli che la natura ci fornisce già porosi); tufo e

pomice;

b. Minerali trattati termicamente: materiali che vengono tenuti al forno a partire dalla cottura di

argilla. E’ un processo industriale che tende a simulare quello che fa il vulcano: porto a fusione

l’argilla e poi la raffreddo. Viene fatto per l’argilla espansa in particolare, in modo tale che si

crei una crosta esterna compatta rigida e dentro una struttura schiumosa. L’argilla espansa è

fantastica perché non si schiaccia perché ha la crosta esterna ma dentro è porosa, quindi è quella

che consente di ottenere il miglior compromesso leggerezza-resistenza. Con l’argilla espansa

(detta anche strutturale) riesco ad alleggerire ma ad ottenere res. caratteristiche anche di 40

Mpa. L’argilla espanda sicuramente tra le 4 categorie sta in testa come qualità. Il problema

dell’argilla espansa a livello ambientale è che devo cuocere il materiale al forno.

c. Residui industriali trattati opportunamente: loppe d’altoforno, ceneri volanti che possono essere

espanse.

d. Materiali organici: pezzetti di plastica, polistirolo, particelle di legno. Attenzione con il legno

perché se lo uso cosi come è può rilasciare delle sostanze (tannini) che inibiscono la reazione

del cemento e la rallentano. Allora generalmente si “mineralizza” il legno: si mette il legno a

bagno di solito nella calce per 24h, e poi lo si utilizza. Sarà bagnato e quindi dovrò usare meno

acqua per l’impasto. Il vantaggio è che se lo bagno prima lui non tenderà ad assorbire acqua

nell’impasto. Spesso questi materiali sono riciclati quindi ho addirittura un guadagno

energetico; ci saranno dei problemi qui però dal punto di vista dell’interfaccia perché un

pezzetto di plastica dentro la matrice cementizia tende a scivolare all’interfaccia. Il pet degrada

proprio in ambiente alcalino.

(slide 5) Qualunque sia il metodo di produzione del calcestruzzo leggero la diminuzione di massa

volumica è resa possibile dall’introduzione di vuoti che rendono ovviamente il calcestruzzo meno

resistente meccanicamente. Purché sia strutturale comunque devo ottenere una massa volumica di

3

1600 Kg/m e si raggiunge una res. meccanica massimo di 50 Mpa. Con massa volumica più bassa,

3

fino a 1500 Kg/m , abbiamo calcestruzzo isolanti e portanti, cioè non strutturali che comunque

possono essere utilizzati per applicazioni intermedie come delle tamponature. In questo caso si

3

raggiunge 30 Mpa. Poi ci sono i cls leggere isolanti non portanti (1000 Kg/m ): qui otteniamo al

max una resistenza di 10 Mpa.

Quali sono le principali caratteristiche dei calcestruzzi leggeri?

Si riduce la massa volumica, purtroppo cala di pari passo la res. a compressione e anche di pari

passo il modulo elastico: significa che il materiale sarà più flessibile e quindi avrà una freccia

superiore tanto che le norme suggeriscono un coefficiente correttivo per il modulo elastico che è la

massa volumica effettiva /massa volumica di riferimento. Cala tanto anche la resistenza a trazione:

aumentano i vuoti e per la teoria di Griffith più il vuoto è grande più mette in crisi il materiale

fragile (non facciamo minimo affidamento a trazione). Diminuisce la conducibilità termica:

significa che in un’ottica di risparmio energetico quando fuori è caldo dentro sto fresco (non mi fa

da ponte termico) e viceversa quando fuori è fresco dentro sto caldo perché isola di più. Peggiora la

lavorabilità perché se le particelle sono porose assorbono acqua, soprattutto quest’acqua la assorbe

nel tempo e quindi se non è pre-saturato prima mi compromette la lavorabilità (bisogna aggiungere

acqua in eccesso prima o meglio ancora utilizzarlo già bagnato). Aumenta il ritiro igrometrico

perché il modulo elastico di questo aggregato è più basso, manca lo scheletro solido che blocca le

deformazioni. Non è detto che si fessuri più facilmente perché noi sappiamo che il materiale si

fessura quando la tensione che nasce nel materiale è maggiore della tensione di trazione del

materiale. Si deforma di più ma si innesca una tensione minore. Non è questo il problema, il

problema grande è che non resiste affatto a trazione. Un piccolo vantaggio sta che dovendolo

bagnare prima, l’aggregato tende ad assorbire tanta acqua che poi cede lentamente dentro l’impasto:

quando il cemento cerca di idratarsi, l’aggregato glie la fornisce, è come se ci siamo delle riserve

d’acqua interne (internal curing, in inglese curing = stagionatura). Questo ritarda l’inizio del ritiro e

quindi il ritiro inizia quando il materiale è più robusto. Il creep (scorrimento viscoso) va di pari

passo con il ritiro: se aumenta il ritiro aumenta anche il creep. La vulnerabilità alla fessurazione

aumenta molto perché diminuisce molto la resistenza a trazione. Ecco perché dentro insieme

all’argilla espansa vengono inserite delle fibre polimeriche in modo da cucire. Aumenta la

resistenza al fuoco: perché tutti questi vuoti fanno sì che quando si crea vapore (che genera

pressioni) questo problema è meno grave. Per lo stesso motivo è molto resistente ai cicli gelo-

disgelo: ovviamente ha molti vuoti e quindi c’è tutto lo spazio per il ghiaccio per espandersi senza

creare disturbi al materiale. Essendo poroso il materiale tende anche a isolare acusticamente: è ben

visto quindi per i requisiti funzionali.

Cenni storici su come sono nati i cls leggeri (slide 7-8-9).

Aspetti economici

Ovviamente un’argilla espanda costa di più rispetto ad una ghiaia cavata dal fiume o quando un

aggregato naturale. E’ ovvio che dovrò mettere un po’ più di additivo superfluidificante, un po’ più

di cemento per correggere i problemi legati all’uso di un aggregato più debole. Sono tutte tecniche

che aumentano il costo unitario del cls. Però ci sono pure vantaggi economici: posso fare delle

fondazioni sottodimensionate, minori costi di trasporto e sollevamento e posa in opera e quindi si fa

il conto che alla fine in certi casi l’utilizzo di un cls leggero può convenire. Non sempre conviene:

più è il trasporto che devo fare più conviene, più ho problemi con un terreno scadente e più

conviene (ad esempio se passo da un palo ad una fondazione superficiale in cls leggero).

Quali sono i problemi legati all’utilizzo di un cls leggero?

Perdita di lavorabilità (può assorbire acqua). Un altro problema è la segregabilità: se uso un

aggregato leggero, se una pomice mi galleggia nella pasta cementizia mi ritrovo con i granelli

dell’argilla sopra. Allora devo fare una pasta cementizia che sia collosa che sia in grado di inglobare

bene le varie particelle. Un’altra cosa da controllare bene è il volume d’aria inglobata. Va

minimizzato il contenuto di cemento: sappiamo che quando uso un aggregato leggero devo per

forza di cose devo aumentare le caratteristiche della pasta cementizia. Però non posso esagerare con

il dosaggio di cemento (max 500 Kg) magari utilizzato sostanze (cenere volante) che fanno da filler

e hanno anche la funzione di rendere più coesiva la pasta.

Calcestruzzo leggero cellulare

Si può arrivare fino ad avere ¼ del volume di tutto il cls pieno di aria. Per arrivare ad un dosaggio

così elevato di aria (quindi ad un alleggerimento così spinto) non basta usare l’aerante (si arriva ad

un 15% di aria). Per arrivarci occorre creare aria chimicamente: faccio avvenire all’interno del

materiale delle reazioni chimiche che liberano idrogeno gas. Per esempio l’alluminio in contatto con

la calce: reagisce e libera gas. Stessa cosa lo zinco. Quindi si inserisce polvero di alluminio o di

zinco in quantità regolate, e poi avvengono queste reazioni: il materiale si gonfia. Un’altra tecnica

consiste nell’aggiunta di sostanze schiumogene durante l’agitazione del cls fresco. Spesso si

combinano i sistemi: l’aggregato leggero può galleggiare, ma se io alleggerisco anche la pasta allora

riequilibro la differenza tra le masse volumiche meno problemi di segregazione.

Calcestruzzo monogranulare

Ci sono granuli di inerte grossi, e poca pasta cementizia (altrimenti chiude tutti i pori). Il sistema

funziona quando il volume di pasta cementizia è sempre quello ma tolgo la sabbia senza

rimpiazzarla struttura molto porosa. Questo materiale risulta molto debole.

“Il Calcestruzzo pesante”

Va usato quando per esempio per strutture che devono fare da “contrappeso gravimetrico”: ad

esempio una diga a gravità, lì la massa del cls deve contrastare la spinta dell’acqua. Siccome deve

pesare vado a inserire un aggregato grande. Oppure può essere utilizzato quando deve schermare

3

(reattori radioattivi). La massa volumica di un cls pesante è 3000-4000 Kg/m . Questo comporta

innanzitutto una minore trasparenza alle radiazioni (scherma); ha un minore ritiro igrometrico

perché se metto un aggregato con un modulo elastico maggiore è ovvio che il ritiro igrometrico

diminuisce; c’è un problema enorme di segregabilità; hanno maggiore conducibilità termica (vale il

contrario dei cls leggeri).

Metodi di produzione:

▪ Inerti pesanti (barite)

▪ Inerti naturali ma ricchi di ferro (magnetite, lemonite, ematite)

▪ Inerti metallici artificiali (sferette di piombo, acciaio) e li dispongo preventivamente nelle

casseforme per evitare la segregazione.

▪ Farine metalliche (stabili): attenzione però che non siano metalli che formano gas.

Si ottengono resistenze buone, l’aggregato non è il punto debole. Come si può evitare il problema

della segregazione (nel caso in cui uso magnetite, ematite come aggregato)? Sappiamo che

giocando con il rapporto a/c posso aumentare la coesione del mix: più abbasso il rapporto, più la

pasta è viscosa e quindi coesiva; posso aggiungere filler (sono le stesse cose dei cls

autocompattanti) fumo di silice; si possono usare in combinazione: fumo di silice, additivo

superfluidificante dosato forte, fibre polimeriche che servono per rendere viscosa la pasta. E’ ovvio

che sarà una miscela poco lavorabile (al max S3) senno non riesco a tenere compatto il materiale.

Che tipo di effetto schermante c’è? Quando si tratta di schermare parliamo di centrali nucleari. Si

inseriscono particelle metalliche, qui c’è anche il problema di contenere eventuali scoppi.

19/10/2017

L10 – “Calcestruzzi riciclati”

Sono entrati a far parte dal 2008 nella normativa. La spinta verso il tentativo di riciclare materie

viene dal fatto che quando si pensa al ciclo di vita del calcestruzzo, ci sono 2 momenti in cui

l’impatto ambientale è importante: il primo è nel reperimento delle materie prime (specialmente

nell’estrazione da cava dell’aggregato vergine); il secondo è il fatto che alla fine della vita di

esercizio dell’opera è prevista la demolizione con smaltimento in discarica delle macerie. Le

macerie si smaltiscono in discariche apposite (per rifiuti inerti che non sono tossici); ce ne sono

poche in giro quindi può succedere che vengano scaricati abusivamente in luoghi non consoni.

Quello che vorremmo fare riciclando le materie è: non prendiamo aggregato nuovo dalla cava (il

meno possibile), riutilizziamo la maceria di demolizione così da ridurre entrambi gli impatti relativi

al ciclo di vita del calcestruzzo. Per quanto riguarda gli inerti da demolizione dobbiamo distinguerli

in 2 principali: quelli di origine mista (demolisco un edificio e ci saranno pezzi di calcestruzzo,

laterizio, tegole, vetri delle finestre..), quelli provenienti da demolizione selettiva (ad esempio

un’opera in solo calcestruzzo). A seconda dell’origine dell’aggregato la normativa pone dei limiti

diversi. Dall’analisi del mercato dei rifiuti nell’unione europea si vede che chi ricicla maggiormente

sono i paesi come Belgio, Olanda, Danimarca perché non hanno montagne da cavare e quindi se

vogliono aggregati vergini devono importarli; inoltre non sono paesi classificati come sismici (non

hanno esigenza di realizzare strutture con esigenze strutturali pari alle nostre). I paesi che riciclano

di meno sono Italia, Spagna, Grecia per ragioni esattamente opposte.

Attualmente gli aggregati riciclati sono destinati a: sottofondi stradali (frazioni maggiori di 15

mm); per quanto riguarda le frazioni più piccole possiamo dividerle in due gruppi: 5-15 mm

(aggregato grosso per calcestruzzo) e 0-5 mm (sabbie per malte). Più fino è il materiale da riciclo,

peggiore è l’effetto sulle prestazioni meccaniche. Ci sono norme che parlano degli aggregati per

malta: i materiali possono essere naturali, artificiali o riciclati. (fino al 2003 non era possibile

utilizzare materiale riciclato). C’è anche la norma per aggregati per calcestruzzo: qui uguale è stata

introdotta la possibilità di utilizzare materiale riciclato dal 2003. Assieme a questa norma c’è la

parte due: istruzioni complementari per l’applicazione: qui si dice che aggregati di riciclo

provenienti da demolizioni di edifici possono essere utilizzati solo per cls con classe di resistenza

fino a 15; se provengono da frantumazione di solo cls, possono essere utilizzati per cls di classe 25

(qui non si parla di percentuali di utilizzo quindi potrei usarne anche il 100%). Le ntc invece

precisano che materiali provenienti da macerie possono essere utilizzati solo per cls di classe

massima 10 (prima era 15); invece se proveniente da demolizione di solo cls, possono essere

utilizzati fino ad una classe 37 (prima era 25) in percentuale massima di 37% o fino al 60% se mi

accontento di una Rck 25. Poi l’ultima categoria comprende riutilizzo di calcestruzzo prefabbricato

proveniente da residui di lavorazione durante la stessa prefabbricazione: la minima Rck in

prefabbricazione è 50 e la % di materiale che può essere riutilizzato è al max 15% (tanto non ci

saranno mai grandi scarti in prefabbricazione).

Come si fa a capire se conviene a riciclare oppure no? Vedremo non è una risposta assoluta, varia

da caso a caso. Bisogna che coesistano 3 condizioni: la stessa sicurezza e qualità che mi garantisce

l’aggregato iniziale, convenienza economica (magari ci sono incentivi statali o nella gara d’appalto

c’è un punteggio in più per chi utilizza materiale riciclato); impatto ambientale (devo essere sicuro

che vado a migliorare l’impatto ambientale: non è detto che vado a ridurre l’impatto ambientale,

dipende tutto dalla distanza da cui ricavo il materiale).

Impatto ambientale: è importante andare a considerare l’impatto ambientale del cemento (tra i vari

ingredienti è quello che ha l’impatto più importante). Questo dipende dal fatto che per produrlo

devo bruciare carburanti (perché il forno deve raggiungere una certa temperatura), in più ci sono

delle emissioni di anidride carbonica dovute a reazioni chimiche che avvengono in forno. Allora si

può utilizzare cementi di miscela (alla loppa, pozzolanici…): il quantitativo di clinker non è più

elevato; se è vero che il cemento produce anidride carbonica, è pure che vero che il cls una volta

che è in opera succede la famosa reazione di carbonatazione: fa sì che l’anidride carbonica reagisca

con la calce dentro l’impasto producendo carbonato di calcio (quindi si mangia parte di anidride

carbonica). Quindi se riutilizzo aggregato riciclato questo contribuisce assieme alla pasta cementizia

a riassorbire anidride carbonica. Questi sottoprodotti che si possono utilizzare sono ceneri volanti e

fumo di silice: aiutano in termini di durabilità, riducono la porosità e riducono la produzione di

clinker: sono silice amorfa che con la calce e con acqua producono gli stessi prodotti di idratazione

del cemento (quindi sono in grado di far indurire il materiale).

L’impatto ambientale degli aggregati invece: quanta energia richiedono i vari tipi di aggregati? Se

devo cavare l’aggregato da un’attività con sistemi importanti, il consumo energetico è elevato; se

invece l’inerte è di tipo alluvionale già me lo ritrovo tondeggiante e frantumato e quindi richiede

meno energia. Per quanto riguarda l’aggregato riciclato c’è un trattamento in impianto perché

queste macerie devono essere macinate e trattate, quindi c’è un certo consumo energetico che si

pone a metà dei due casi precedenti. Quindi ragionando in questi termini l’aggregato migliore è

quello alluvionale, anche rispetto a quello riciclato; c’è però il problema che riduco una risorsa

naturale.

Sicurezza e qualità: pe garantire la migliore qualità degli aggregati riciclati la cosa migliore è

quella di agire già in fase di progetto: io progetto già pensando che questo materiale dovrà essere

demolito e non solo a come dovrà funzionare in esercizio. Allora potrei progettare in modo tale che

possa essere smantellato facilmente. Oppure posso riutilizzarlo frantumandolo con utilizzo minore.

Un progetto inoltre dovrebbe essere costruito usando il più possibile materie prime seconde: cioè

materiali riciclati. Un progetto che tiene conto di questi aspetti nelle gare d’appalto moderne ha

punteggi migliori.

La fase di demolizione è un’atra fase critica: l’ideale sarebbe che chi ricicla la materia è anche colui

che la demolisce perché chi va a demolire sapendo che è lui stesso a riutilizzare quel materiale va a

demolire in maniera selettiva: significa valorizzare al massimo il materiale e non mescolare tutti i

componenti. Ci vuole più tempo ma ho risultati migliori.

Che tipi di impianto ci possono essere? Semplificando ci sono due impianti destinati al trattamento

dei materiali demoliti: fissi e mobili. L’impianto mobile ha il grande vantaggio: se io ho un cantiere

di demolizione e costruzione allora l’impianto mobile viene trasportato direttamente in cantiere, il

problema è che avrà delle dimensioni contenute e le fasi di trattamento saranno limitate

(macinazione o al massimo insufflazione di aria). Gli impianti fissi invece, è vero che stanno in una

determinata posizione, ma hanno una qualità del prodotto trattato maggiore in termini di qualità.

L’impianto di tipo fisso con tecnologia R.O.S.E. prevede: arrivano le macerie all’impianto, tramite

una telecamera effettuo un primo controllo di qualità, cioè si osserva che chi scarica non abbia

dentro cartongesso (gesso = ettringite o thaumasite) e amianto. A questo punto c’è uno stoccaggio

temporaneo possibilmente con mucchi sperati relativi ai vari materiali anche perché se li mischio

devo sapere le % dei vari componenti. Poi si esegue un secondo controllo di qualità per assicurarsi

che tutto vada bene prima che il materiale entri nell’impianto vero e proprio. A questo punto si

effettua una prima vagliatura con cui separo la frazione finissima (ridurrebbe l’effetto del mulino);

si macina la frazione più grande; si effettua la separazione magnetica per rimuovere materiale

ferroso; il materiale che esce viene riunito alla frazione più fine e sottoposto all’insufflazione d’aria

per rimuovere pezzi di carta, foglie. Ora si effettua una seconda vagliatura con cui vado a stoccare

le diverse frazioni granulometriche; a questo punto le varie frazioni possono essere riutilizzate. Gli

aggregati che escono dall’impianto come tutti gli aggregati naturali o artificiali devono superare

delle qualifiche per poter essere marcati CE: ovviamente ci sarà una diversa massa volumica e un

diverso assorbimento di acqua (assorbirà più acqua rispetto ad un aggregato naturale). Che valore di

massa volumica ci aspettiamo? Il calcestruzzo arriva a 2300-2500; il laterizio 1800; dagli impianti

ROSE esce un materiale che per il 98% è costituito da questi due. Quel 2-3% potrebbe essere

bitume, vetro ecc. Ci sono poi limiti per il contenuto di solfati, cloruri. Per quanto riguarda la

prefabbricazione perché posso utilizzare gli scarti, quindi evito le varie fasi di insufflazione di aria o

separazione magnetica, basta che effettuo una semplice macinazione. Al limite se non si vuole usare

la parte più fino si effettua una vagliatura.

E’ stata realizzata una campagna di confronto tra i vari aggregati provenienti da tanti impianti di

prefabbricazione (slide 32) e si è visto che nonostante fossero tutti aggregati provenienti da

prefabbricazioni c’erano notevoli differenze tra i vari aggregati. Sono stati poi realizzati calcestruzzi

con questi aggregati in varie % per ogni tipo di aggregato e sottoposti a prove meccaniche: in alcuni

casi sono stati ottenuti valori inferiori alle miscele con aggregati naturali in altri casi addirittura con

aggregati riciclati sono stati raggiunti valori maggiori di resistenza a compressione a 28 giorni.

Quindi ricapitolando questi aggregati riciclati possono essere utilizzati per sottofondi stradali (parte

grossa), per i calcestruzzi (parte intermedia), la parte 0-5mm per le malte e la parte finissima (che

viene raccolta setacciando a 100-125 micron) può essere utilizzata come filler per gli

autoscompattanti per dare effetto di coesione come il fumo di silice.

Una seconda parte del lavoro sperimentale eseguito riguardava un confronto su quanto incidessero

sulle prestazioni meccaniche gli aggregati provenienti da demolizione di edifici o da solo

calcestruzzo: prima sono state misurate le caratteristiche importanti come l’assorbimento d’acqua e

la massa volumica perché ci dicono una stima della porosità dell’aggregato. Negli aggregati

provenienti da macerie di edifici l’assorbimento è del 7-8% contro i 5-8% degli aggregati

provenienti da solo calcestruzzo, la massa volumica invece è leggermente inferiore. Sono stati

realizzati calcestruzzi con entrambe le tipologie di aggregato in diverse %: è stata utilizzata la stessa

ricetta per tutti i calcestruzzi, l’unica cosa che cambiava era l’acqua perché era identica sia la

lavorabilità che la resistenza, quando usavamo l’aggregato riciclato ci andava più acqua perché

maggiore era l’assorbimento. Le resistenze ottenute non sono diverse tra aggregato di demolizione e

quello proveniente da solo calcestruzzo: in pratica quello che viene fuori da questo studio è che la

norma ha focalizzato l’attenzione sull’origine dell’aggregato ma la cosa giusta sarebbe stata creare

delle classi di massa volumica.

Un problema legato all’utilizzo di questi materiali è che a un certo punto se andiamo verso valori di

resistenza e quindi ad abbassare il rapporto a/c ci sarà un punto in cui la pasta cementizia diventa

più forte dell’aggregato: se sto usando un calcestruzzo di classe di resistenza 20 per fare alla fine un

cls di classe 30, la pasta cementizia nuova diventa più forte dell’aggregato vecchio e quindi è inutile

che vado ad aggiungere cemento perché va in crisi l’aggregato. Questo vuol dire che c’è un valore

di rapporto di a/c* al di sotto del quale non ha senso andare: è importante individuarlo e dipende

dalla R del calcestruzzo originario, dalla % di laterizi (più è grande peggio è) e dalla dimensione

ck

massima dell’aggregato perché quando macino se il cls di partenza era buono io difficilmente riesco

a sminuzzarlo, se invece era più friabile riesco a “sbriciolarlo” di più; quindi quando poi a fine

processo vado a setacciare il materiale, nella frazione di materiale più grosso mi ci va a finire il

materiale più resistente.

Un altro lavoro che è stato effettuato è il seguente: vari rapporti a/c, miscele tutte identiche tranne le

frazioni di aggregato; poi è stato fatto lo stesso set di prove con questi 5 diversi a/c andando a

sostituire il ghiaietto naturale con quello artificiale; poi è stata sostituita ghiaia riciclata a quella

naturale di stesa pezzatura, e poi si sono visti i risultati: si è notato subito che la resistenza a

compressione va in funzione del rapporto a/c e che il naturale sta sempre sopra al riciclato.

Fino adesso abbiamo parlato di resistenza a compressione e abbiamo visto che possiamo

raggiungere gli stessi risultati di un cls ordinario con materiale riciclato. Il resto non va tutto bene

perché il modulo elastico rimane più basso anche se raggiungo la stessa resistenza a compressione;

questo perché il modulo elastico sarà simile a quello della pasta cementizia se uso aggregato

riciclato e quindi ovviamente irrigidisce di meno. Questo avviene entro il 30% di sostituzione con

aggregato riciclato, oltre il 30% la variazione del modulo elastico è irrilevante.

Un altro aspetto importante è la qualità dell’interfaccia tra aggregato e pasta cementizia: se utilizzo

un aggregato che ha più o meno lo stesso valore di modulo elastico di quello della pasta cementizia

(caso dell’aggregato riciclato) succede che ho una maggiore qualità dell’interfaccia perché le

sollecitazioni che arrivano al materiale non creano cedimenti differenziali tra un materiale e un

altro: si nota una maggiore compattezza nella zona di transizione.

Un altro aspetto importante negli aggregati riciclati (vale anche per gli aggregati leggeri) è che sono

più porosi quindi succede che se li pre-saturo di acqua (cosa consigliabile per non avere perdite di

lavorabilità) allora questi fanno da riserva d’acqua (effetto internal curing): l’acqua che viene

assorbita dall’aggregato viene rilasciata. In questo modo si migliora l’interfaccia cemento

aggregato, perché riescono a idratarsi anche i granuli di cemento che erano rimasti secchi, e

soprattutto va a fare in modo che il cemento non essicchi.

Se volessi fare un confronto in termini di prestazioni tra calcestruzzi ordinari e quelli che hanno un

contenuto del 30% di aggregato riciclato appartenenti alla stessa classe di resistenza:

- il materiale riciclato ha una resistenza a trazione minore (-10%)perché l’aggregato è

fondamentale per la resistenza a trazione, basta un piccolo vuoto per mandare in crisi il sistema.

- Ha un modulo elastico inferiore (15% circa)

- Sviluppa la stessa tensione di aderenza con l’acciaio se non migliora perché se hanno la stessa

resistenza a compressione significa che ho dovuto migliorare la qualità della pasta cementizia

per sopperire all’aggregato ed è proprio la pasta cementizia che va a migliorare l’aderenza con

le barre d’acciaio.

- Presenta lo stesso grado o minore di vulnerabilità al ritiro igrometrico perché avendo modulo

elastico inferiore (se si deforma di più sviluppa una tensione più bassa nel materiale);

- Effetto positivo dell’internal curing;

- In termini di durabilità stiamo quasi meglio perché conta di più la pasta cementizia

dell’aggregato in questo campo.

Suggerimenti per la preparazione di cls con aggregati riciclati: innanzitutto se usiamo aggregato

riciclato bisogna abbassare un po' a/c anche se il dosaggio di cemento non deve essere comunque

3

maggiore ai 400 Kg/m e quindi è fortemente consigliato l’utilizzo di additivi riduttori d’acqua

(superfluidificanti). L’aggregato fine va eliminato; è consigliato l’utilizzo di cenere volante in

aggiunta al cemento per abbassare il rapporto a/c senza andare ad aumentare il dosaggio di

cemento; inoltre contribuisce al riciclaggio del materiale (perché proviene dalle centrali

termoelettriche). Per un corretto mix design bisogna tener conto della reale massa volumica e

assorbimento d’acqua: quando vado a calcolare il dosaggio di aggregato devo far riferimento alla

condizione s.s.a. (saturo a superficie asciutta) perché se vado a pre saturare l’aggregato non

commetto errori grossolani sul dosaggio ed evito che l’aggregato assorbisca acqua in fase di

miscelazione poiché è poroso; allo stesso tempo favorisco l’effetto internal curing.

Cosa succede se andiamo a paragonare 2 scenari: uno convenzionale (aggregato naturale) e uno di

riciclaggio (30%): sono state fatte due miscele con diversi a/c (più basso con l’aggregato riciclato),

il dosaggio di cemento e l’additivo superfluidificante è stato aumentato di un “pelino” per

l’aggregato riciclato per non impattare sull’ambiente, così da aggiustare ed ottenere la stessa classe

di resistenza (37). A livello di prestazioni per garantire la classe di resistenza di 37, bisognava

ottenere almeno una resistenza media di 40,5 Mpa: è stato ottenuto 41,2 e 41,4 (quindi stesso

comportamento a compressione). A trazione pure hanno comportamento simile, cosi come per il

modulo elastico. Il ritiro è più basso per l’aggregato riciclato per l’effetto internal curing. Quindi a

livello di prestazioni i materiali sono confrontabili; l’unica differenza sta nella freccia che è più alta

nel cls con aggregato riciclato.

Convenienza economica: c’è un risparmio quando uso aggregato riciclato perché avrei dovuto

demolire quel materiale. Allora ci saranno costi tradizionali (costo unitario moltiplicato per il

dosaggio) e costi eco-bilanciati. I costi tradizionali nello scenario del riciclaggio sono leggermente

maggiori perché ho dovuto compare un po' più cemento e additivo superfluidificante anche se

l’aggregato era un po’ più economico. Per quanto riguarda il costo eco-bilanciato invece la

differenza è enorme perché lo scenario riciclato cha un risparmio su tutto quello che mi sarebbe

costato lo smaltimento delle macerie. E’ conveniente quando chi deve smaltire è lo stesso che deve

fare il calcestruzzo.

Conclusioni: conviene nel momento in cui chi si rende conto che c’è il costo ambientale dello

smaltimento mette delle agevolazioni su chi realizza il cls, cioè io spendo di più per riciclare ma tu

mi devi aiutare: ad esempio mi dai un punteggio migliore in fase di progetto. Un giapponese

(Dosho) nel 2007 ha realizzato uno studio in cui ha visto se uso un aggregato riciclato tra 30 e 50 %

per la realizzazione di un nuovo edificio, si possono ridurre i costi del 40%, e ridurre emissioni di

anidride carbonica del 25%. (Lezione dell’assistente) 23/10/2017

L14 – “FRP – Fiber Reinforced Polymers”

I materiali compositi per il rinforzo strutturale comprendono gli FRP, che sono materiali compositi

a matrice organica: sono materiali introdotti nel settore civile a partire dagli anni 90’. I materiali

compositi sono di solito costituiti da più materiali che collaborano tra loro per realizzare un

materiale più prestante dei materiali di partenza. Per quanto riguarda gli FRP esiste una matrice

polimerica (resina) e un rinforza fibroso. La resina ha la funzione di trasferire gli sforzi dalla parte

fibrosa all’elemento strutturale che andiamo a rinforzare: garantisce una distribuzione uniforme

delle tensioni sulle fibre e allo stesso tempo le protegge da attacchi esterni, luce solare. Il rinforzo è

quello che conferisce le proprietà meccaniche al composito, quindi sarà caratterizzata da: elevata

rigidezza e modulo elastico, elevata resistenza a trazione (più alta di quella della matrice

polimerica). I vantaggi di utilizzare questi materiali nel settore delle costruzioni (rinforzo strutturale

e recupero di edifici esistenti): elevatissime proprietà meccaniche, rapidità di esecuzione

dell’intervento, bassa invasività dell’intervento (in realtà la resina è un po' invasiva sulle murature),

elevata durabilità (la resina protegge le fibre dagli attacchi dell’ambiente esterno); elevata

leggerezza, sono adattabili a forme complesse (all’inizio il materiale è flessibile e poi la resina

indurisce) e hanno basso impatto estetico. I limiti invece sono: l’esposizione alle alte temperature le

resine infatti hanno una temperatura di transizione vetrosa che si aggira sui 70-90°C, quindi in caso

di incendi questa soglia è facilmente superabile, allora la resina perde la sua efficacia e si può avere

una delaminazione. Esistono resine con Tg elevate ma aumentano i costi, altrimenti potrei utilizzare

rivestimenti protettivi.

Innanzitutto i materiali compositi lavorano solo per trazione e quindi la direzione delle fibre è molto

importante. Alcuni esempi di materiali compositi: i tessuti che possono essere unidirezionali

(resistenza solo nella direzione delle fibre) o multidirezionali; lamine, utilizzate per il rinforzo a

flessione di travi in c.a, sono costituite da più tessuti sovrapposti e realizzate non in situ; barre di

rinforzo che vanno a sostituire le tradizionali barre in acciaio, reti dove le fibre sono disposte a

forma di rete con matrice inorganica; profilati pultrusi che hanno la forma dei profili in acciaio

classici ma sono realizzati per pultrusione dei filamenti spesso vetrosi.

Le matrici possono essere di vario tipo, di solito sono realizzate a base di resine termoindurenti. Le

più usate sono resine epossidiche bicomponenti, cioè si mescolano due componenti, queste

componenti polimerizzano e la resina indurisce. L’epossidica ha ottime proprietà adesive e una

buona resistenza all’umidità e agli agenti chimici. Altre resine come la poliestere o vinilestere sono

meno utilizzate per l’impregnazione di questi tessuti poiché hanno viscosità minori e resistenze

meccaniche inferiori.

Dal punto di vista della terminologia: il filamento è il filo che va a costituire tutti i miei prodotti

FRP che sia una lamina, un tessuto; ha diametro di circa 10 micrometri e questi filamenti vengono

proprio “filati” tramite dei macchinari. Il cavo di filatura è il prodotto della macchina di filatura.

(slide 7 e 8). E’ importante capire che la resistenza meccanica del composito non è uguale a quella

del filamento di partenza: il filamento (dalle tabelle) ha una resistenza molto elevata, quando vado a

realizzare il tessuto la resistenza non è più la stessa ma sarà inferiore perché quando vado a testare il

tessuto a trazione non tutti i filamenti reagiscono alla stessa maniera. Quello che è importante in

fase di progetto è considerare la resistenza a trazione del prodotto finito e non del singolo filamento.

2

Un tessuto viene indicato con la sua grammatura al m . Un altro valore che troveremo nelle schede

tecniche è lo spessore equivalente del tessuto: spessore di fibra posta nella direzione di riferimento.

Dalla slide 9 vediamo che esistono fibre di vetro E (proprietà leggermente inferiori alle S) e fibre di

vetro S; se le confrontiamo con le fibre di carbonio, quest’ultime hanno un modulo elastico molto

maggiore mentre la resistenza a trazione è simile. Le fibre in carbonio hanno modulo elastico simile

a quello dell’acciaio da costruzione ma una resistenza a trazione molto maggiore anche se hanno

comportamento elasto-fragile e quindi non raggiungono lo snervamento come l’acciaio. Per quanto

riguarda le schede tecniche dovrebbero contenere di norma anche i valori di progetti non solo del

singolo filamento ma del tessuto+ la resina (composito in toto).

Alcuni metodi di produzione: i preformati (come le lamine) sono realizzati in stabilimento

mediante processo di pultrusione (i fili passano attraverso una macchina che li impregna e escono

formati a sezioni variabili) e vengono incollati tramite adesivi (maltine epossidiche); impregnati in

situ (tessuti) in cantiere vengono portati i tessuti secchi e direttamente in cantiere vengono

impregnati e applicati sull’elemento; preimpregnati realizzati tramite fogli di fibre o tessuti

parzialmente impregnati, poi vengono scaldati e fatti indurire (utilizzati in altri settori).

Alcune proprietà meccaniche: dipendono dalla direzione che considero essendo un materiale

eterogeneo e anisotropo; dalla quantità di fibre che ho all’interno. Per un composito unidirezionale

vale la regola delle miscele (slide 12).

Per quanto riguarda i legami costitutivi, diciamo che il composito esibisce una resistenza e una

rigidezza inferiore rispetto alle fibre ma la medesima deformazione a rottura.

Questi sistemi si caratterizzano tramite prove di trazione su strisce di tessuto di varia larghezza a

seconda della norma di riferimento (slide 14): c’è un estensimetro applicato sulla mia striscia di

composito che misura le deformazioni. La prova a strappo normale invece (pull-off) si realizza in

cantiere per valutare l’efficacia dell’adesione tra composito e substrato: c’è uno strumento che

esercita una forza ortogonale alla superficie del composito e possono verificarsi diversi tipi di

rottura.

Dal punto di vista di normativo questi materiali non sono normati dalle NTC 08 ma sottolinea la

possibilità di utilizzare, per interventi sull’esistente, materiali non tradizionali elencati al capitolo

12. Quello che a noi interessa principalmente sono le norme CNR 200 del 2013 in quanto in questi

documenti sono descritti le modalità di qualificazione, posa in opera e progetto di questi materiali.

Queste linee guida riportano le istruzioni per progettare, eseguire e controllare gli interventi di

consolidamento statico mediante l’utilizzo di compositi fibro-rinforzati. Esistono altre linee guida.

Quello che è stato introdotto da pochissimo (luglio 2016) è il CIT: certificato di idoneità tecnica

all’impiego. Tutti i materiali da costruzioni devono essere identificabili prima di essere utilizzati:

quando un materiale non è marcato CE è necessario un altro documento che mi qualifichi un altro

materiale. Per gli FRP esiste questo CIT che viene rilasciato dall’impresa che commercializza tale

materiale.

I Campi di applicazione degli FRP sono:

- Rinforzo: confinamento degli elementi compressi o presso-inflessi, quindi per migliorare la

capacità portante o la duttilità dell’elemento

- Riparazione: adeguamento statico e sismico di strutture degradate o strutture esistenti a seguito

delle e più recenti normative.

Il rinforzo di elementi in c.a.: questi materiali compositi lavorano a trazione quindi vanno applicati

nelle zone tese dell’elemento strutturale (parte bassa delle travi). Quando si va a fasciare la colonna

si va anche a migliorare la resistenza a taglio. Il rinforzo di elementi in muratura invece prevede per

lo più l’utilizzo tessuti unidirezionali per migliorare la resistenza a compressione e quindi confinare

le colonne in muratura, oppure funzionano da collegamento (stesa funzione delle catene) per evitare

il ribaltamento delle facciate, ancora sono utilizzati come rinforzo di volte in muratura: non vanno

ad incrementare il peso della struttura e quindi in questo caso l’utilizzo di FRP consente di

aumentare la resistenza e la rigidezza senza aumentare le masse in gioco. Bisogna tener presente

che il composito lavora a trazione e quindi va sempre evitato di sottoporlo a sforzi di compressione

perché si può instabilizzare e distaccarsi. Inoltre le sollecitazioni cicliche di trazione e compressione

possono deteriorare l’adesione muratura-FRP: in questo caso si possono utilizzare dispositivi

meccanici (connettori) oltre alle resine che aiutano ad ancorare il sistema al supporto. Il ruolo

dell’aderenza tra muratura e composito è molto importante perché se si manifesta una rottura per

mancanza di aderenza, si va incontro ad una rottura di tipo fragile che va assolutamente evitata

(sempre meglio che la rottura avvenga nell’elemento piuttosto che nel materiale composito). Il

rinforzo di elementi in legno in genere avviene mediante profili pultrusi che vengono appoggiati nel

solaio per aumentare la sezione della trave e quindi connessi meccanicamente alla trave in legno. Le

travi in legno possono essere rinforzate anche con le lamine o con dei tessuti (impatto estetico un

po' forte). Per migliorare l’aderenza può essere previsto un incollaggio con resine epossidiche. Per

quanto riguarda il rinforzo a flessione di travi in c.a., quello che deve essere verificato è che il

momento resistente deve essere maggiore del momento sollecitante e il rinforzo può essere

longitudinale (sotto la trave), oppure posso utilizzare delle fasce ad U sia per rinforzare a taglio la

sezione negli appoggi sia per aumentare l’aderenza tra fascia e substrato.

L’aderenza FRP-substrato è molto importante: la preparazione del substrato deve essere effettuata

in maniera corretta; il substrato non deve essere umido in modo tale che la resina aderisca bene.

Una delle modalità di collasso più frequenti è la crisi prematura dell’interfaccia: si manifesta con

asportazione di uno strato di cls a contatto con la resina Devo garantire sempre il concetto di

gerarchia delle resistenze: la rottura per delaminazione deve seguire quella a taglio e per flessione

dell’elemento rinforzato. In sede di progetto devo verificare che non vado a rinforzare troppo la

sezione altrimenti si verifica una rottura fragile (delaminazione): la norma mi dice che non posso

aumentare più di un tot la resistenza. Quindi la modalità di cristi privilegiata è quella duttile:

compressione del cls sulla faccia superiore, snervamento delle barre nel lembo inferiore e

composito ancora incollato alla trave. Quello da evitare è la rottura della lamina, cristi per taglio o

cristi per delaminazione.

Per valutare l’effettiva resistenza utile del FRP esistono delle formule (slide 28). Da queste si

evince che maggiore sarà l’energia di frattura maggiore sarà la resistenza alla delaminazione.

Maggiore sarà lo spessore del rinforzo e minore sarà la resistenza a delaminazione. Un altro fattore

importante è la lunghezza di ancoraggio: corrisponde alla lunghezza minima di ancoraggio che

assicura la trasmissione del massimo sforzo di aderenza; anche questa dipende dallo spessore,

modulo elastico e dall’energia di frattura. Questo si riesce bene a realizzare in caso di rinforzo a

flessione di una trave dove la lunghezza è molto elevata; se invece ho un rinforzo a taglio, la

lunghezza efficace sarà abbastanza ridotta (se possibile va fasciata l’intera trave).

Cosa succede quando rinforzo a flessione una trave? Abbiamo una prima fase elastica, fase

fessurata e fase di plasticizzazione. Se utilizzo un rinforzo in FRP si verifica che nella prima parte il

comportamento è simile, quando il cls inizia a fessurarsi avrò un incremento di carico e quindi di

rigidezza fino ad arrivare allo snervamento dell’acciaio, a questo punto quello che lavora è solo il

rinforzo: arriverò ad un carico maggiore ma avrò una diminuzione di duttilità e quindi la freccia

massima sarà inferiore. Se aumento il rinforzo (aumento lo spessore): aumenta la capacità portante

della trave ma allo stesso tempo la freccia massima si riduce: quindi la crisi se avviene per

snervamento dell’acciaio si verifica o rottura del rinforzo oppure una cristi dell’ancoraggio.

In caso di rinforzo a taglio (ad U o ove possibile per cerchiaggio) va progettato sempre agli stati

limite: le strisce agli appoggi dove il taglio è massimo possono essere applicate con un angolo di

90° rispetto all’orizzontale o in maniera inclinata per aumentare l’efficacia. Il contributo a taglio si

calcola tramite una formula.

I nodi sono quelli che vengono rinforzati in quanto elementi fragili: in passato il nodo veniva

progettato senza staffe e quindi il nodo ha spesso sofferto in zone sismiche. I rinforzi possono

essere applicati con diverse modalità: fasce per aumentare la resistenza del nodo quando la

tamponatura spinge e crea delle fessure nel nodo; fasce diagonali (più difficili da applicare) per

confinare i nodi alle estremità; incremento della resistenza a taglio con tessuti quadriassiali che

lavorano nelle 4 direzioni.

Il rinforzo a presso-flessione dei pilastri: l’obiettivo è quello di incrementare la resistenza ultima e

la duttilità dell’elemento. Il confinamento avviene mediante tessuti con un ricoprimento totale o a

fasce a seconda della quantità di fibre che necessito: a seconda di come posiziono il tessuto avrò

rinforzo a flessione o a compressione: se utilizzo dei tessuti longitudinali lungo l’asse della trave

avrò un rinforzo a flessione, se utilizzo un cerchiaggio (tessuto ortogonale all’asse del pilastro) avrò

un miglioramento della resistenza a compressione e della duttilità. A seconda del tipo di pilastro

che vado a rinforzare avrò un incremento della portanza diverso a seconda che il pilastro sia già

danneggiato (incremento modesto 40%) oppure no (fino al 200%). In passato si utilizzavano:

un’armatura esterna e un getto di cls; placcaggio completo con delle piastre in acciaio;

confinamento tramite FRP (invasività molto inferiore rispetto alle tecniche tradizionali). I principi

generali del confinamento: il confinamento di un elemento in c.a con FRP si rende necessario

quando occorre incrementare la resistenza in presenza di carico a compressione centrata con

disposizione delle fibre in direzione perpendicolare all’asse dell’elemento. Il confinamento con FRP

di elementi a sezione quadrata o rettangolare produce degli incrementi di resistenza a compressione

inferiore rispetto a sezioni circolari: quello che è importante è che prima dell’applicazione degli

FRP è opportuno procedere ad un arrotondamento degli spigoli della sezione per evitare

concentrazione degli sforzi nell’angolo. L’incremento della resistenza a compressione dipende dalla

pressione di confinamento applicata: se ho una sezione circolare il cls è tutto confinato dall FRP, se

ho una sezione rettangolare il cls confinato sarà inferiore e quindi ovviamente avrò efficacia

minore.

Per quanto riguarda la durabilità: la resistenza del mio materiale dipende dal γ (varia a seconda

rd

che il rinforzo sia a flessione, a taglio o di confinamento), γ (dipende dal tipo di applicazione A e

m

B), ηa (dipende dalle condizioni di esposizione) e η1 che dipende dal tipo di fibra/resina (il vetro ha

un coefficiente inferiore rispetto al carbonio in quanto più suscettibile all’esposizione in ambienti

aggressivi).

Modalità applicative degli FRP sul calcestruzzo: è molto importante la fase di applicazione in

quando l’efficacia dipende dalla buona esecuzione (chi effettua questi interventi sono ditte

specializzate ce hanno personale qualificato). Bisogna sempre:

1) Preparare il supporto: rimozione dell’intonaco ed eventualmente uno strato di cls deteriorato;

2) Riprofilatura degli spigoli vivi per evitare la concentrazione degli sforzi sugli spigoli;

3) Pulizia da eventuali polveri e residui;

4) Trattamento delle armature con prodotti anticorrosivi (vanno trattate altrimenti rigonfiano);

5) Riparazione di eventuali fessure mediante iniezione di resine fluide epossidiche;

6) Ricostruzione volumetrica della trave con malte a ritiro compensato (la sezione va ricostruita

interamente con spigli arrotondati);

7) Laddove previsto dalle specifiche fornite dal produttore, procedere all’imprimitura (sempre una

resina) del sottofondo per migliorare l’aderenza tra FRP e substrato;

8) Posso stendere il primo strato di resina epossidica mediante rullo a pelo corto

9) Applicata la fascia (tagliata preventivamente a seconda della sezione) sulla struttura avendo cura

di stenderle bene evitando bolle;

10) Si applica un secondo strato di resina epossidica a viscosità media, più fluida in grado di

penetrare all’interno del tessuto;

11) Rimuovo la resina in eccesso con rullo;

12) Per l’applicazione di nuovi strati occorre ripetere le fasi precedenti (nel caso di sovrapposizioni

di tessuto è importante che la sovrapposizione sia almeno di 15-20 cm);

13) Qualora si dovesse interrompere la sequenza applicativa, provvedere a “spagliare” della sabbia

fine sull’ultimo strato di resina applicato per aumentare l’aderenza al successivo strato di

finitura. 25/10/2017

L15 – “FRCM – Fiber Reinforced Cementitious Matrix”

Gli FRCM sono materiali compositi a matrice inorganica (cementizia) con fibre continue sotto

forma di maglia aperta o tessuto, utilizzati per il rinforzo strutturale. La matrice cementizia è

costituita da cemento Portland, fumo di silice e ceneri volanti, l’efficacia dei sistemi FRCM dipende

dal legame tra la rete e la malta: la malta deve riuscire a penetrare all’interno dei filamenti. Esistono

anche i SRG (steel reinforced grout), tessuti unidirezionali in fibra di acciaio accoppiati a matrici

cementizie: qui la resistenza a trazione e il modulo elastico dei singoli elementi è molto elevato,

infatti vengono utilizzati per il rinforzo di strutture in cemento armato.

I vantaggi/svantaggi dei sistemi FRCM e FRP sono: buona compatibilità rispetto alla resina con il

substrato perché utilizziamo una matrice inorganica, è più facile da installare in quanto la matrice

può essere applicata anche dal semplice muratore mentre i sistemi FRP richiedono personale

formato e qualificato; un altro vantaggio è la traspirabilità del sistema perché se io uso una resina

non mi fa respirare il substrato mentre la matrice cementizia ha una maggiore capacità di traspirare.

Hanno buone prestazioni a temperature elevate mentre la resina epossidica degli FRP ha una Tg

dell’ordine dei 60-70°C oltre il quale il sistema perde adesione con il substrato mentre la matrice

cementizia sopporta anche temperature più alte; è utilizzabile in ambienti aggressivi, alcalini e

umidi in quanto la matrice cementizia resiste bene a questi ambienti; è più reversibile in quanto un

intervento con questo sistema è più facile da rimuovere rispetto ad un sistema costituito da resina.

Gli svantaggi invece sono: la matrice inorganica è fragile e quindi si fessura a trazione; il legame tra

la fibra e la matrice non è così forte come negli FRP perché la resina aderisce meglio alla fibra; la

caratterizzazione meccanica di questi sistemi è ancora in fase di sviluppo poiché sono stati introdotti

nel mercato recentemente. Gli FRP non sono applicabili su superfici umide (per gli FRCM se la

superficie è umida è anche meglio) e sono più pericolosi per la salute umana; difficile da smaltire e

bassa resistenza al fuoco.

Alcune proprietà delle fibre vetro, aramide, carbonio, PBO (è stato introdotto 10 anni fa, ha un

modulo elastico e resistenza a trazione molto elevato, il suo costo è circa 4-5 volte quello del

carbonio) e delle matrici inorganiche (slide 6). In una scheda tecnica sono riportati il peso del

tessuto, contenuto di zirconio (le reti in fibra di vetro vanno all’interno di matrici cementizia e

quindi devono essere alcali resistente), dimensione delle maglie, spessore del tessuto e infine le

caratteristiche meccaniche: anche qui si vede che le resistenze meccaniche del singolo filamento di

partenza sono maggiori rispetto a quelle del prodotto finale.

Gli impieghi di questi sistemi sono simili a quelli degli FRP (lavora principalmente a trazione nelle

due direzioni): strutture degradate (sezioni ridotte, decadimento di proprietà meccaniche),

variazione della destinazione d’uso che può provocare un aumento dei carichi negli elementi

portanti, danni causati da venti o terremoti, miglioramento o adeguamento sismico alle norme più

recenti. Questi sistemi in genere vengono utilizzati per rinforzare murature perché hanno una malta

che è più compatibile con il substrato in muratura ma possono essere utilizzati anche in caso di

strutture in cemento armato.

Dal punto di vista normativo, tali materiali sono inquadrati dal D.M del 2008; nel 2009 sono

divenute parte integrante della normativa le linee guida per la progettazione, esecuzione e il

collaudo di interventi di rinforzo strutturale. All’interno di questo documento si prevede la

possibilità di utilizzare questi materiali (non tradizionali) purché nel rispetto di normative e

documenti di comprovata validità. La norma dice che il loro impiego è possibile a condizione che

risulti suffragato da una documentazione tecnica comprovanti un’efficacia almeno pari a quella

delle matrici organiche. Questi sistemi sono già presenti nel mercato anche se ovviamente non

esiste una linea guida che ci permette di qualificare questi sistemi: quindi spesso chi utilizza questi

sistemi si rifà alle linee guida degli FRP.

Come si caratterizzano questi sistemi FRCM? La prova principale è la prova a trazione perché

lavorano principalmente a trazione. I provini per la prova di trazione vengono realizzati in questo

modo: si stende il primo strato di malta, si posiziona il rinforzo nella parte centrale e poi si completa

con il secondo strato, lo spessore totale sarà circa 1 cm che è poi lo spessore del rinforzo in opera.

Vengono applicate delle piastre metalliche incollate alle estremità per eseguire la prova. La

caratterizzazione dei sistemi FRCM riguarda la prova di trazione sulle singole fibre (YARN) e sulla

matrice inorganica. Una volta caratterizzati i materiali costituenti gli FRCM, è importante andare a

caratterizzare anche il sistema completo: esistono due metodi, uno è descritto dalla AC434 che

prevede l’applicazione di piastre metalliche alle estremità del provino e poi tirate per mezzo di due

perni (la tensione si trasferisce per aderenza all’interfaccia tra la piastra e la matrice). Si costruisce

la curva sforzo-deformazione, ovvero una curva bilineare dove nella prima parte la matrice è ancora

intatta (comportamento elastico-lineare), nel punto T la malta inizia a fessurarsi, dopodiché entra in

funzione la fibra. Quindi una vota che la malta è fessurata il provino mostra ancora elevata

resistenza a trazione. Le grandezze misurate sono il modulo elastico, lo sforzo a trazione. Il secondo

metodo per testare il provino è un metodo tradizionale dove il provino viene afferrato da due

morsetti e viene tirato: in questo caso si verifica che il comportamento non è bilineare ma trilineare:

nel primo tratto il provino è ancora sano, si ha variazione di pendenza dovuta alla formazione delle

prime fessure, e infine una parte rettilinea dove lavorano soltanto le fibre. Quindi si verifica che

nell’ancoraggio a cerniera io avrò un valore dello stress più basso perché le fibre potrebbero sfilarsi

dalla matrice e quindi ho una resistenza sottostimata (reale); nell’ancoraggio a morsetto avrò valore

più elevato perché non è permesso lo sfilamento della fibra dalla malta. Le modalità di rottura: se il

provino si rompe vicino alla piastra il valore andrà scartato (concentrazione di tensione

all’estremità), se la rottura avviene al centro allora va bene: potrei avere rottura per sfilamento delle

fibre oppure se l’aderenza è maggiore si può avere la rottura della fibra. Un’altra prova di

caratterizzazione per i sistemi FRCM è la prova Double-Sher: il materiale è applicato al supporto e

viene tirato in direzione longitudinale alle fibre e si registra la curva sforzo-deformazione: si

raggiunge un valore massimo di tensione dopodiché avviene un crollo dovuto allo sfilamento della

fibra. Le modalità di rottura in questa prova: si può staccare il substrato (si può arrivare anche a

rottura in caso di aderenza molto elevata); si può avere distacco all’interfaccio tra il mattone e il

sistema; delaminazione all’interfaccia tra la malta e la fibra oppure si può avere lo sfilamento della

fibra o la rottura della malta. A seconda delle caratteristiche della mia fibra e della malta avrò

diverse modalità di rottura e quindi il grafico sarà differente. La migliore è quella che prevede lo

sfilamento della fibra in quanto non si avrà rottura fragile, bensì una rottura abbastanza dolce.

Un’altra prova di caratterizzazione di sistemi FRCM è la prova di Pull-Off: utilizzata per capire se

ho applicato bene la malta sul mio supporto. Viene steso il materiale su un supporto, viene

effettuato un taglio sulla matrice che va ad intaccare leggermente anche il supporto, viene applicato

un cilindro metallico che viene tirato ortogonalmente rispetto al supporto: avrò dei valori minimi di

aderenza per dire se ho ancorato bene il sistema. Anche qui le modalità di rottura prevedono la

rottura del substrato (molto raro perché l’aderenza della malta non è così forte), rottura

all’interfaccia tra FRCM e il substrato oppure la rottura all’interno del tessuto; a seconda della

rottura che avrò la norma mi dice alcuni valori di aderenza che devono essere rispettati. Il collaudo

del sistema di rinforzo in situ: con un attrezzo viene verificato che l’adesione al substrato sia

adeguata (prova di Pull-off) e il CNR fornisce dei valori affinché il substrato può ritenersi idoneo.

Un’altra prova da effettuare in cantiere è lo Shear test e serve per accertare la qualità

dell’incollaggio del rinforzo al substrato. Anche in questo caso il CNR ci fornisce indicazioni su

quale sia la % di accettazione.

Per quanto riguarda la durabilità di sistemi, devono essere eseguite dal produttore prove di

durabilità: vengono effettuate le prove viste prima quando il materiale è sottoposto a diverse

condizioni ambientali. Il sistema deve garantire dopo questi test, una resistenza maggiore dell’80%

delle resistenze iniziali.

Il rinforzo di strutture in muratura: i sistemi FRCM si sposano molto bene con opere in muratura a

causa della facilità nel rimuovere il sistema rispetto ad altri e quindi possono essere utilizzati in

strutture vincolate dove non si può intervenire con tecniche più invasive. Vengono inseriti per

rinforzare elementi murari, volte con strisce di materiale, oppure per confinare gli edifici con

cordolature esterne.

Altre prove fatte in laboratorio sono ad esempio prove di flessione fuori dal piano: un pannello

murario è stato rinforzato con strisce verticali di tessuto, è stata applicata una forza al centro del

pannello che è vincolato sopra e sotto. Utilizzando vari strati di tessuto si vede come la resistenza (e

quindi la rigidezza) del pannello aumenta all’aumentare del numero di strati, allo stesso tempo

diminuisce la duttilità del sistema. Lo stesso risultato si ottiene con prove di compressione

diagonale: è stato effettuato un rinforzo a taglio del pannello murario e si vede come anche qui

all’aumentare degli strati del rinforzo aumenta la resistenza a taglio del pannello ma allo stesso

tempo diminuisce la duttilità.

La slide 31 mostra un esempio in cui il sistema FRCM è stato utilizzato come rinforzo di

confinamento della spinta del ribaltamento di un pannello murario: riesco a determinare la forza di

progetto che mi permette di calcolare la quantità di materiale necessario per soddisfare la verifica.

Rinforzo a flessione di una trave in c.a: anche qui il materiale va applicato all’intradosso della trave

in direzione dell’asse della trave. Si applica sempre un primo strato di malta, rete e poi un secondo

strato di malta per migliorare la resistenza flessionale della trave. Con questo tipo di rinforzo vado

ad incrementare la resistenza flessionale ma avrò diverse modalità di rottura a seconda del numero

degli strati di tessuto che utilizzo: con un solo strato si assisterà allo sfilamento della fibra dalla

matrice una volta che la trave si è fessurata in mezzeria; se utilizzo 4 strati spesso si verificherà

delaminazione all’interfaccia tra FRCM e substrato. In genere viene fornito il numero massimo di

strati che possono essere applicati (in genere più di 4-5 strati non vengono utilizzati).

Rinforzo a taglio di una trave in c.a: anche in questo caso il tessuto va applicato ad U sulla trave

all’estremità dove il taglio è massimo; se possibile anche qui si cerca di cerchiare completamente la

trave oppure inserisco dei connettori per unire le facce laterali.

Confinamento dei pilastri in c.a: con i rinforzi FRCM si incrementa la resistenza massima a

compressione dell’elemento ma anche la duttilità. Un altro tipo di applicazione è il rinforzo di solai

in latero-cemento con funzione “antisfondellamento”: funziona da protezione rispetto alla

pericolosa eventualità di distacco di parti di pignatta in laterizio specie su solai molto rovinati. Il

solaio va ripulito bene e poi viene applicato il rinforzo collegato tramite dei connettori posti sui

travetti. Ancora il sistema FRCM può essere utilizzato come rinforzo antiribaltamento della

tamponatura in caso di evento sismico: il rinforzo serve per collegare la tamponatura all’elemento

strutturale.

I limiti del sistema FRCM sono:

• la matrice inorganica è una matrice fragile e non offre le stesse proprietà adesive di una resina e

quindi spesso il filamento tende a sfilarsi dalla matrice inorganica: per questo alcuni produttori

utilizzano delle resine applicate per migliorare l’aderenza tra la rete e la matrice; allo stesso

tempo la resina peggiora il comportamento del rinforzo alle alte temperature e quindi va sempre

cercato un compromesso. Quando utilizzo un filamento dry le fibre si sfilano le fibre interne

mentre quelle esterne rimangano attaccate alla malta e quindi quello che si verificherà in seguito

alla prova di Shear si verificherà una rottura telescopica. Se lo Yarn invece è impregnato con

resina epossidica questo fenomeno è limitato e quindi la tensione sui singoli fili all’interno dello

yarn sarà pressoché uniforme e quindi la distribuzione degli sforzi sarà costante all’interno della

sezione e non si verificherà lo sfilamento telescopico. Sono state effettuate prove di trazione su

yarn in carbonio secchi e impregnati: si è visto che nel grafico sforzo-deformazione, se io

aumento il livello di impregnazione, migliorano le proprietà a trazione del sistema FRCM.

• La matrice non è in grado di penetrare completamente tra i filamenti che costituiscono i yarn del

tessuto poiché le dimensioni dei grani di cemento sono troppo grandi rispetto allo spazio tra i

filamenti. Questa penetrazione incontrollata porta alla formazione di differenti caratteristiche di

adesione all’esterno e all’interno rottura telescopica.

La modalità di applicazione dei sistemi FRCM prevede:

1) Preparare adeguatamente la superficie del substrato perché questo è un materiale che lavora per

aderenza al substrato: una muratura deve essere prima lavata con acqua per eleminare i detriti

rimanenti. In corrispondenza dell’area di intervento la parete dovrebbe risultato saturo d’acqua a

superficie asciutto (SSD) in modo tale da evitare la sottrazione di acqua alla matrice del sistema

di rinforzo pregiudicandone la corretta presa.

2) Va applicato il primo strato di malta (4-5 mm) su tutta la parete;

3) Si installa la rete sulla malta fresca applicando una leggera pressione con una spatola per

favorire l’aderenza tra matrice e la rete;

4) Si installano eventuali connettori o dispositivi di ancoraggio del rinforzo alla muratura;

5) Applicazione di un secondo strato di matrice cementizia fino ad uno spessore totale di circa 10

mm (l’operazione va ripetuta in presenza di altri strati);

6) Lisciatura della superficie fresca.

26 Ottobre non c’è stata lezione 30/10/2017

L11 – “Calcestruzzi polimeri-impregnati”

Polymer Impregnated Concrete – PIC. C’è dentro un polimero intimamente connesso con la matrice

cementizia: il risultato è un materiale estremamente compatto. Non è una tecnologia così

innovativa: l’Aci (americano) aveva già fornito delle linee guida nel 97’. Come funziona questo

PIC? Prima si prepara la miscela nell’impianto di betonaggio, poi viene maturato a vapore ad

esempio per 3 ore a 175°C, a questo punto è finita la presa e sta iniziando l’indurimento; ora si

riscalda con aria oltre i 100 °C in modo tale da togliere il vapore che sta dentro (lo essicco): a

questo punto non c’è acqua e quindi lo metto a bagno in un liquido monomerico (impregnamento).

Questo liquido penetra dentro i pori del materiale, a questo punto faccio polimerizzare il materiale

(o alzando la temperatura a 75°C oppure mediante radiazioni), cioè induco una reazione per cui i

monomeri si intrecciano tra loro e formano delle lunghe catene. A questo punto il materiale è

completato: avrò un materiale cementizio impregnato di polimeri: il materiale potrebbe avere già

una superficie liscia e definita perché non è un materiale friabile e si taglia facilmente.

I vantaggi sono:

- Porosità notevolmente ridotta: posso spingere fino a quasi chiudere i pori completamente;

- Elevata resistenza agli agenti aggressivi: se è tutto chiuso gli agenti non riescono a penetrare;

- Elevate prestazioni meccaniche perché il problema dei materiali cementizi è la presenza di

vuoti;

- Può essere lavorato e rifinito con operazioni meccaniche.

Se andiamo a studiare l’assorbimento percentuale si vede che la percentuale di vuoti di un cls

ordinario da un 3% può scendere fino a quasi lo 0% a seconda del tipo di polimero che vado a

inserire (più sarà fine più riduco la percentuale di vuoti). Quindi in generale è un materiale che non

assorbe acqua anche se costa di più. Per quanto riguarda la resistenza a compressione, se era di circa

40 Mpa per il cls standard, questa raggiunge valori attorno ai 100 Mpa nei PIC. Il modulo elastico

dinamico, vuol dire che sto misurando con le sonde a ultrasuoni, si irrigidisce un pochino; da 40

sale a 55 MPa.

Applicazioni:

• Impianti di desalinizzazione dell’acqua: se dentro ho acqua salata non posso fare la struttura in

cls normale;

• Tubazioni: perché con quelle belle resistenze meccaniche resistono alle pressioni idrostatiche,

resiste agli attacchi chimici e quindi possono essere utilizzati per acque acide come potrebbero

essere acque reflue o industriali;

• Rivestimenti su supporto in cls per creare elementi decorativi perché costa molto: arredo

urbano, nautico dove l’impermeabilità è importante, o artistico.

Per quanto riguarda le prestazioni meccaniche rispetto ad un cls normale, il PIC resiste meglio a

compressione, ha anche una freccia superiore: prima di fessurarsi siccome c’è il polimero dentro ci

vuole parecchio (grande capacità di inflettersi).

Un recente studio tratta l’utilizzo di polimeri superassorbenti: sono delle sostanze che nel momento

in cui si forma una fessura nel materiale, se tale fessura dovesse incontrare la particella polimerica,

succederebbe che l’acqua che entra dall’esterno che ha bassa concentrazione ionica, questo

polimero rigonfia molto e chiude la fessura: self-healing, cioè si auto ripara la fessura e addirittura

butta fuori la gocciolina d’acqua. Ciò non avviene con l’acqua all’interno del materiale che invece

ha altissima concentrazione ionica. E’ quindi un sistema per aumentare la durabilità del materiale.

Ha degli effetti positivi sia perché chiude la porosità del materiale sia perché funziona bene in

termini di ritiro autogeno o ritiro plastico che avviene nelle prime ore perché questi polimeri prima

assorbono acqua e poi la rilasciano, funzionano con il cosiddetto internal curing. Se sente acqua

pura rigonfia, se sente acqua piena di sostanza in soluzione rilascia. Con questo fatto ha anche

effetto viscosizzante perché nella fase iniziale dell’impasto questi polimeri assorbono acqua e

riducono così il rischio di bleeding.

Consolidamento strutturale mediante iniezione e impregnazione con resine epossidiche: viene

utilizzato quando ho una struttura fessurata per ridare integrità all’elemento strutturale perché la

resina epossidica ha caratteristiche meccaniche elevate (res. a trazione di 100 Mpa) e quando

reticola (da fluida diventa solida) succede che rimane stabile di volume e quindi ha ottima adesione

con la matrice cementizia. Dal punto di vista della sperimentazione in laboratorio prima sono stati

fessurati dei provini di cls con una certa apertura di fessura (circa 1 mm), poi la fessura è stata

riempita con la resina epossidica. Il provino è stato nuovamente posto a prova di flessione e si è

rotto da un’altra parte. E’ stato riempito nuovamente nella zona fessurata e si è rotto da un’altra

parte ancora: la resina ha ricucito bene la frattura. Se vediamo i risultati su 3 provini con diversa

compattazione:

E’ stata iniettata la resina in tutti e 3 i casi e si vede che la resina ha uguagliato la situazione: il

risultato finale è lo stesso (chiaramente sul provino completamente compattato non ha avuto effetto

perché era già compatto). Stessa prova mediante impulso ultrasonico. La resina ha ottimi risultati

dal punto di vista della viscosità giocando sulla composizione della resina: posso farla più fluida o

più viscosa (più resistente). Se è più fluida è meno resistente ma riesce a penetrare meglio nella

miscela. Dal punto di vista sperimentale più aumenta la viscosità più aumenta l’impulso ultrasonico

però attenzione perché i provini sono compattati e meno è importante la viscosità della resina. Se ho

una fessura che ha una apertura di almeno 0,3 mm, più aumento la viscosità della resina meglio è

perché la resina penetra bene ed essendo più forte meccanicamente chiude meglio la fessura. Se

faccio la stessa operazione con una fessura minore fino a 0,15 mm ad un certo punto c’è un crollo:

se aumento la viscosità della resina non ho effetti positivi perché non riesce a penetrare bene (slide

23). L’iniezione di questa resina su strutture reali avviene tramite delle siringhe lungo la fessura:

l’iniezione avviene lentamente grazie a degli elastici che, agganciati alla siringa, generano una certa

pressione. Esiste uno schemino grazie alla quale riesco a regolare il numero degli elastici,

l’allungamento degli elastici per valutare la quantità di materiale iniettato.

L12 – “Shotcrete”

È un cls che viene sparato, spruzzato. Ci sono due modi per sparare il cls contro una parete. Perché

dovrei sparare un cls? Perché voglio stabilizzare una parete (bloccare il fronte) o per gallerie.

- Per via secca vuol dire che sparo gli ingredienti del cls a secco e l’acqua viene aggiunta

all’ugello prima che arrivi alla superficie: tutto quello che sta dentro il sistema è una miscela di

polveri e aggiungo acqua all’ultimo momento per evitare che la miscela indurisca dentro

l’impianto. Il segreto per stabilizzare lo scavo è qualcosa che fa avvenire presa molto

velocemente. E’ difficile garantire omogeneità con questa tecnica.

- Per via umida: l’impasto viene già miscelato con acqua e pompato verso l’ugello e quindi

sparato: il materiale è molto più omogeneo ma c’è il rischio che si “inchiodi”: in realtà viene

fatto con una serie di additivi.

Lo shotcrete è molto versatile dal punto di vista delle applicazioni perché non ho bisogno di

cassaforma, può essere sparato su qualsiasi superficie (è ovvio che la superficie di base deve essere

pulita perché più ho materiale incoerente e minore sarà l’aderenza). Posso ottenere forme illimitate

nel senso che riesco a sparare in qualsiasi direzione, anche dal basso verso l’alto per un soffitto. Può

essere applicato dove ho difficoltà ad eseguire un getto tradizionale, ad esempio per le pareti dietro

delle tubature.

Per lo shotcrete si utilizzano macchine specializzate e non si spruzza a mano perché può esserci il

rischio che il fronte di scavo crolli: addirittura ora si muovono le macchine con radiocomandi da

lontano (miglioramento delle condizioni lavorative). In alta montagna si usa per stabilizzare dei

fronti dove c’è rischio frana.

Gli inconvenienti sono:

▪ Eterogeneità del materiale spruzzato specialmente per via secca;

▪ Cattiva aderenza con il substrato: fondamentale è saturare di acqua il substrato perché senno

succede che il substrato essendo acqua succhia acqua e brucia la particella di cemento che non

ha più acqua per reagire e rimane anidro e quindi non sviluppa la resistenza di progetto;

▪ Se faccio passate sovrapposte si potrebbero delaminare: se è talmente veloce la presa quando

passo con il secondo strato il primo è già indurito (quindi non far passare troppo tempo tra due

passate);

▪ Riempimento parziale dietro le armature metalliche perché magari non riesco ad arrivare bene

sulla parete;

▪ Rimbalzo degli inerti (soprattutto per via secca): sparando l’inerte che ha modulo elastico

elevato batte sul supporto e rimbalza indietro. Quindi il materiale che ho messo in opera avrà

rapporto inerte/cemento basso e quindi si fessura perché ha ritiro igrometrico spaventoso. Per

questo bisogna che il lancista (deve essere esperto) deve tenere la pompa in maniera opportuna:

non la deve inclinare troppo, se invece la tengo dritta per dritta l’aggregato prova a rimbalzare

ma rimane incastrato dal getto della miscela. Quando devo spruzzare lungo una parete l’ideale è

mantenere un angolo di 45° e andare ad angolo retto (slide 14). Per via secca si può avere un

30% perdita di aggregato per rimbalzo, per via umida si scende al 10%. Tra l’altro quando viene

proiettato per via secca siccome l’acqua viene immessa in un momento successivo succede che

la parte esterna del flusso tende ad essere più bagnata rispetto a quella interna, quindi il lancista

deve roteare durante lo spruzzo per rendere omogeno il getto.

Un esempio di ricetta di shotcrete (non va ricordata a memoria) prevede che innanzitutto che non si

va sopra aggregati di 8 – 10 mm perché più li metto grandi più tendono a rimbalzare, cemento di

altoforno con la loppa nemmeno R perché se lo sparo contro il terreno ricco di solfati ci vuole un

cemento che resiste ai solfati, fumo di silice perché ovviamente deve essere sparato e quindi avrà

grandi problemi di segregazione (effetto coesivo del fumo di silice) così da creare un impasto

viscoso, superfluidificante per dare l’effetto pastoso come il fumo di silice, acceleranti oppure

additivati tramite fibre polimeriche (per contrastare il ritiro) o metalliche per conferire tenacità. Gli

additivi acceleranti qui sono molto importanti perché ovviamente si gioca tutto con l’additivo lo

shotcrete. Questi additivi accelerano l’idratazione: possono essere di presa (più veloce all’inizio) o

di indurimento (è più lento all’inizio ma penalizza meno le resistenze alle lunghe stagionature).

Possono essere a base di silicato o alluminato o carbonato di sodio e comunque sia a base di sodio

(ricco di alcali, quindi attenzione perché metto dentro una quantità enorme di alcali) oppure

possono essere a base di solfato di ferro o di alluminio (alkali free). È importante avere due

possibilità (con o senza alcali) perché quella con gli alcali è la soluzione più economica e più

efficace ma se per caso mi trovo con aggregati che non so se siano reattivi agli alcali, allora vado

per la soluzione B.

Fa vedere come varia nel tempo la resistenza con gli acceleranti di presa e di indurimento rispetto

ad una miscela senza additivi (r): i migliora un pochino il grado di idratazione iniziale mentre

l’accelerante di presa all’inizia già dopo poche ore raggiunge un grado alfa elevato ma perdo

resistenza ai 28 gg di stagionatura quindi dipende da che utilizzo devo fare. Per stabilizzare un

fronte di scavo ad esempio utilizzo acceleranti di presa per fermare il fronte tanto poi vado ad

inserire l’elemento prefabbricato; se invece voglio fare affidamento su quel materiale conviene

utilizzare un accelerante di indurimento.

Control è quella senza additivo. A base di silicato di sodio è praticamente un accelerante di presa:

raggiunge subito buone resistenze per poi diminuire a 28 gg; quello alkali-free è un accelerante di

indurimento. Con alkali o alkali free questa è la differenza importante.

La gunite è un impasto cementizio che viene spruzzato: è sostanzialmente lo shotcrete solo che

alcuni lo chiamano gunite: dopo 100 minuti ho già 15 Mpa di resistenza a compressione ma non

arriva oltre i 20. 02/11/2017

L13 – “Pavimentazioni industriali in cls”

Perché è un argomento ostico nel senso che è molto facile sbagliare il progetto della miscela del cls

per una pavimentazione. Perché ci sono tanti problemi nelle pavimentazioni industriali?

Innanzitutto se pensiamo a dei capannoni industriali, ci sono forti carichi che gravano sulla

pavimentazione dovuti al fatto che passano mezzi pesanti o al deposito materiali. Ci sono varie zone

in cui la pavimentazione è molto sollecitata: quindi un primo problema potrebbe essere la carenza di

progettazione (a noi non interessa); ci potrebbero essere errori di esecuzione oppure utilizzo di

materiali non idonei (ci focalizziamo su questi 2 aspetti). La progettazione di un pavimento

comprende un dimensionamento statico, posizionamento e dimensionamento dei giunti e infine la

scelta della finitura più idonea. Esistono diagrammi dove è possibile risalire alla sollecitazione del

pavimento partendo dalla costante del sottofondo e dallo spessore del pavimento, dall’area di

contatto e dalla distanza tra le ruote. I giunti utilizzati per le pavimentazioni in cls sono: giunto di

contrazione (è legato al fatto che la pavimentazione ha superficie esposta molto ampia quindi può

essere sottoposta a ritiro, disponiamo quindi dei giunti in modo tale da localizzare la fessura dove

vogliamo noi); giunto di isolamento (è relativo al punto in cui la pavimentazione va a toccare gli

elementi strutturali e quindi devo isolare la pavimentazione dal resto); giunto di costruzione (dovuto

al fatto che a volte la pavimentazione è talmente ampia che non si riesce a gettare tutta in un giorno

e quindi creo una disposizione per completare il getto il giorno successivo).

Giunto di contrazione: la pavimentazione è appoggiata sotto un supporto di qualsiasi natura e

quindi si crea attrito tra i due elementi e in più la pavimentazione sarà a contatto con una superficie

che in qualche modo impermeabilizza la base, cioè l’acqua non ha modo d evaporare dalla base

della pavimentazione perché se è a contatto con un terreno o sopra un altro elemento in cls lì

l’acqua non ha modo di evaporare, cosa che invece avviene sulla faccia superiore della

pavimentazione che è esposta all’aria. Allora succede che sopra evapora acqua, sotto no; sopra il

materiale ritira, sotto no: si formano delle fessure nella zona corticale e quindi se non inserisco

giunti di contrazione dopo pochi giorni la pavimentazione si fessura (frequentissimo). I giunti di

contrazione si realizzano dopo che la pavimentazione è stata fatta, chi fa il giunto è una persona

esperta che sa qual è il momento opportuno (non si può fare quando il materiale è già

completamente indurito ne posso farlo quando il materiale è fresco): si fa questo solco che deve

essere di un’altezza almeno pari ad h/4 (altrimenti succede che la fessura non si inneschi in quel

punto soprattutto se ho disuniformità del sottofondo) della pavimentazione, spessore massimo 6mm.

Quindi si crea questa piccola fessura in modo che predispone un “punto debole” dove voglio io, poi

in cima lo sigillo con del silicone e allora la fessura parte da quel punto debole che ho creato, si

sviluppa verso il basso ma sopra non vedo niente. In presenza di una barriera al vapore che va

messa sotto la pavimentazione (per evitare che l’acqua risalga) creo un’esasperazione del ritiro:

avrò un ritiro pari a 0 al lembo inferiore S e uno di una certa entità al lembo superiore, S quindi

inf sup

si crea un ritiro differenziale. In certi casi non ho la barriera al vapore e quindi potrei avere un ritiro

al lembo inferiore diverso da zero (questo non mi dispiace): per garantire un minimo di

evaporazione di acqua anche al di sotto della pavimentazione posso inserire uno strato di sabba

sopra la barriera al vapore. In genere sotto al pavimento metto un vespaio (delle pietre grosse) cosi

che l’acqua per risalita capillare non va tanto su perché i pori tra i ciottoli sono grandi. Una

soluzione ancora migliore prevede di mettere al di sopra del vespaio una barriera al vapore e al di

sopra di essa uno strato di sabbia di 5 cm prima della pavimentazione perché la sabbia protegge la

barriera al vapore dai buchi (dovuti alle asperità dei ciottoli) e allo stesso tempo minimamente la

sabbia consente l’evaporazione di acqua. Per il corretto distanziamento dei giunti si utilizza un

diagramma che mette in relazione lo spessore del pavimento con la distanza massima tra i giunti e

con i vari valori di ritiro al lembo superiore. In assenza di barriera al vapore la distanza dei giunti va

aumentata del 20%. Allora io calcolo il ritiro in base al cls che sto mettendo in opera: ovviamente se

otterrò una distanza dei giunti di 4 metri vado a cambiare calcestruzzo in modo da trovarne un altro

che ritira di meno: a parità di spessore della pavimentazione un cls che ritira meno comporta un

distanziamento maggiore dei giunti (vuol dire che sto usando molto inerte a discapito della pasta

cementizia). La distanza va mantenuta ovviamente in tutte le direzioni, cioè devo fare delle maglie

quadrate. Esiste una formula nel “manual of Concrete Practice” in cui contano la distanza tra i

giunti, peso della pavimentazione ed eventuali carichi permanenti, ed infine l’attrito tra la

pavimentazione e il sottofondo (maggiore è l’attrito maggiore sarà il vincolo della pavimentazione):

questa formula permette di calcolare un’armatura metallica che si può mettere al solo scopo di

cucire le fessure della pavimentazione.

Trovo l’area dell’acciaio che riesce a sopportare la tensione che si crea per via del ritiro: quindi

questa armatura va messa all’interno della pavimentazione insieme ai giunti. Questa armatura

metallica va posizionata ad un’altezza ideale pari ad h/3 perché la parte che va in trazione è la

porzione superiore. Se io la metto a metà dell’altezza, quindi coincidente con l’asse neutro è inutile;

se la metto sotto addirittura è peggio perché il coefficiente di attrito aumenta. Il coefficiente di

attrito statico è uno dei parametri più difficili da stabilire: dipende dal tipo di terreno che c’è sotto;

nel dubbio si suggerisce un valore tra 1,5 e 2. Il problema pratico è che non è semplice assicurarsi

che l’armatura metallica si trovi proprio ad un’altezza pari ad h/3 perché innanzitutto devo utilizzare

dei distanziatori per tenerla a questa quota, inoltre gli operai quando gettano il cls ci pestano sopra e

quindi l’armatura si abbassa. Allora una delle raccomandazioni è quello di fare una maglia

sufficiente larga per farci entrare il piede dell’operaio. Se non si posiziona bene quest’armatura

metallica o in caso di cattivo dimensionamento o esecuzione dei giunti avviene sicuramente il

cosiddetto imbarcamento o “curling” dovuto al fatto che sopra il materiale ritira e sotto no: la

pavimentazione si arriccia, cioè si rialzano le punte, perde planarità: quindi passando col muletto si

vanno a creare fessure. Come riduco l’imbarcamento? Ridurre la distanza tra i tagli, aumentare lo

spessore della pavimentazione (più rigida), si fa una stagionatura umida del pavimento (ritardo

l’inizio del ritiro che quindi avverrà quando il materiale sarà più rigido), evitare aggiunte d’acqua in

fase di realizzazione perché vario il rapporto a/c e quindi modifico le res. meccaniche.

Giunto di costruzione: sono inevitabili perché in un giorno non riesco a gettare l’intera

pavimentazione. Potrebbe nascere un cedimento differenziale tra le due parti di pavimentazione per

cui mi ritrovo che dopo un po’ di tempo c’è un piccolo saltino tra le due parti. Quindi vado a

limitare questi cedimenti inserendo dei barrotti metallici la cui realizzazione non è così banale.

Innanzitutto quando getto posiziono la cassaforma che sancisce il limite della prima porzione di

pavimentazione; buco questa tavola di legno per farci passare i barrotti; a questo punto devo inserire

delle zeppe per tenere il barrotto in posizione orizzontale; tutti i barrotti sono tenuti insieme da delle

barre di collegamento. A questo punto eseguo il getto: il secondo giorno si rimuove la tavola e si

ricopre la superficie del barrotto con grasso o guaina per impedire che si sviluppi aderenza con il

getto del giorno seguente perché se per caso se le due porzioni aderiscono si creano subito tensioni

dovute ai cedimenti differenziali.

In genere si fa passare un giunto di contrazione sopra a quello di costruzione. Per comodità si

potrebbero mettere le tavole di legno sopra il barrotto: allora il cls potrebbe fuoriuscire al di sotto

del cassero e andarsi ad unire al getto successivo il barrotto si mette a metà altezza. Un altro

modo per realizzare il giunto di costruzione è quello di creare un incastro tipo maschio-femmina:

nel cassero ci inserisco un profilo metallico in modo tale che quando scassero la parete non rimane

dritta e quindi il prossimo getto si incastra con la prima porzione e l’incastro blocca l’eventuale

movimento verticale. Chiaramente devo dimensionare bene la dimensione del giunto (comunque è

preferibile la soluzione col barrotto). Se so che sotto il materiale è rigidissimo e quindi non ci sono

problemi di cedimenti posso pure realizzare questo secondo tipo di giunto.

Giunto di isolamento: servono ad evitare che la pavimentazione vada ad impuntarsi con gli

elementi strutturali quando si dilata ad esempio per effetto della temperatura. Si realizzano creando

spazi (una sorta di camera d’aria) dentro alla quale inserisco una gomma siliconica (elastomeri) in

grado di deformarsi moltissimo mantenendo la solidarietà ad entrambe le superfici. Lo spazio delta

deve essere maggiore:

δ > α (coeff.dilatazione termica) · ∆T · L (lunghezza pavimentazione)

Di solito è dell’ordine di qualche mm. Generalmente le dilatazioni di origine termica tendono a

creare delle fessure che partono dallo spigolo del pilastro. Per risolvere questo problema si creano

dei giunti di isolamento a forma di quadrato ruotato (non a rombo!) attorno all’elemento strutturale

in mezzo alla pianta dell’edificio in modo tale che le fessure che vorrebbero partire dallo spigolo

incontrano il giunto di contrazione. Quindi in queste zone adiacenti agli elementi strutturali si

creano questi giunti di isolamento sempre annessi ai barrotti, poi si getta e solo alla fine si creano i

giunti di contrazione. Si possono realizzare anche giunti di isolamento rotondi (di difficile

esecuzione). Un problema è quello di pozzetti o caditoie che interferiscono con la pavimentazione:

allora sarebbe meglio che questi sarebbero rotondi per evitare l’innesco della fessura sugli spigoli.

Per quanto riguarda la finitura: per dare una resistenza corticale alla pavimentazione in cls si usa il

cosiddetto spolvero, ovvero si mette del cemento in polvere sopra cosi che io sulla zona corticale

vado ad abbassare il rapporto a/c e ottengo una crosta più resistente. Per integrare bene questa

aggiunta di cemento nella zona corticale si usa il frattazzo quando già il sistema inizia ad indurire.

Con il frattazzo viene smosso il materiale per far inglobare bene le particelle di cemento spolverato

nei primi mm della pavimentazione.

Possibili forme di degrado della pavimentazione sono:

a. reazione alcali-aggregato perché arriva acqua sulla pavimentazione e allo stesso tempo c’è

arricchimento di cemento sulla superficie e quindi arricchimento di alcali a meno che io abbia

usato un cemento privo di alcali. Se gli aggregati sono alcali-reattivi (aggregati silicei che sono

più resistenti a quelli carbonatici) avviene il pop-out. Posso ovviare a questo problema se

inserisco cenere volante che è silice-reattiva ma finemente macinata reagisce lei con gli alcali e

quindi questi non reagiscono più con l’aggregato. Ancora meglio se questa cenere la uso

insieme a cementi con basso tenore o privo di alcali. Elimino del tutto il problema se anche lo

strato di anti-usura viene realizzato con cenere volante e cemento con basso tenore di alcali.

Un’altra soluzione è quello di realizzare un rivestimento epossidico sopra alla pavimentazione

che protegge lo strato sotto dall’acqua e quindi non può avvenire la reazione alcali-aggregato (il

rivestimento epossidico tuttavia costa molto).

b. Ritiro plastico soprattutto se le pavimentazioni sono destinate all’aria aperta e quindi durante le

prime ore dal getto può avvenire ritiro plastico associato a cavillature da ritiro plastico (a forma

di ragnatela). Questo problema lo si ha quando ad esempio si esegue il getto all’aperto durante

una giornata soleggiata durante che provoca quindi l’evaporazione di acqua. Capita spesso che

queste pavimentazioni siano additivate con fibre polimeriche perché queste fibre servono per

contrastare questo problema del ritiro plastico.

c. Se si esegue lo spolvero troppo presto c’è ancora dell’acqua che si raccoglie per il bleeding e

quindi nella zona subito sotto allo spolvero ci crea una superficie debole dove il rapporto a/c è

più alto e quindi il materiale si distacca all’interfaccia tra le due superfici.

d. Se invece posticipo troppo lo spolvero si verifica lo scartellamento: sotto il pavimento è già

indurito e lo strato di spolvero non riesce a integrarsi bene, come prima si genera distacchi di

materiale.

e. Problema del gelo-disgelo: grandi superfici esposte, se ci sono situazioni di gelo-disgelo, se il

materiale non è arricchita con additivo aerante si creano problemi. In questo caso basta

rispettare le prescrizioni della normativa per le varie classi di esposizione.

Gli errori che si possono commettere in una pavimentazione sono parecchi e possono commetterli

in tanti. Un caso che può capitare è che qualcuno deve rimettere mano ad una pavimentazione

vecchia o fessurata e quindi bisogna rifare una pavimentazione sopra, c’è il problema a

dell’ancoraggio sulla pavimentazione già esistente. Se io vado a realizzare giunti di contrazione in

un punto diverso rispetto a quelli della pavimentazione sottostante è facile che si crei una fessura

sotto che si propaghi anche sopra. Allora bisogna fare attenzione che il giunto nuovo corrisponda

con quello vecchio. Oppure se io sotto ho il giunto, libero il giunto dalla guaina e la riempio con

resina dopodiché potrei realizzare dei chiodi di ancoraggio per ancorare la nuova pavimentazione

specialmente se è di piccolo spessore. Un sistema migliore è quello di realizzare una barriera al

vapore tra la vecchia pavimentazione e la nuova.

C’è la possibilità di realizzare pavimentazioni industriali in calcestruzzo senza giunti di contrazione:

3

facendo ricordo ad una tecnologia innovativa che è quella di realizzare 1000 m di pavimentazione

tutta insieme perché evito a monte ritiro igrometrico andando a modificare opportunatamente la

miscela del cls utilizzando 2 sostanze: agenti espansivi e agenti SRA (strinkage reducing admixant)

cioè additivo riduttore di ritiro: è una sostanza chimica che si mette dentro l’impasto e a parità di

tute le condizioni riduce di un 30-40% il ritiro. Il problema di questa sostanza è che riduce un po' la

resistenza meccanica e costa. Se io la uso insieme ad un agente espansivo il gioco è fatto perché

l’agente espansivo è una sostanza (ossido di calcio o a base di ettringite) che inserita dentro

l’impasto nei primi giorni dal getto espande e quindi fa l’azione contraria a quella del ritiro: quindi

ritardo il tempo in cui il materiale si contrae e praticamente questa contrazione non prova

fessurazione. Vedi slide 71: dopo 2-7 gg il cls è espanso e poi piano piano inizia a ritirarsi e ad un

certo tempo t il ritiro è bassissimo. Bisogna fare attenzione ad una cosa: la reazione di espansione

avviene se c’è acqua (ossido di calcio o solfati reagiscono con acqua) quindi l’espansione è tanto

più efficace tanto più miglioro il sistema di stagionatura iniziale: se lo bagno meglio di tutto, con

teli ancora va bene, se non metto protezione l’espansione quasi non c’è. Attenzione ai giunti di

isolamento perché se la pavimentazione è espansiva allora il giunto di isolamento lo devo

sovradimensionare perché oltre alla dilatazione termica c’è la dilatazione al fatto che sto usando

l’agente espansivo. 06/11/2017

L16 – “Legno”

Il legno è un materiale da costruzione che ha degli aspetti positivi tanto che una volta era rilegato

solo per solai o altre struttura orizzontali; adesso lo si utilizza sempre più anche per strutture

portanti (soprattutto in zona sismica). Le qualità positive del legno sono:

- È una risorsa rinnovabile a patto che se io taglio un albero devo piantarne tanti altri per

compensare;

- Ha buone caratteristiche meccaniche: resiste bene a trazione tanto quanto a compressione;

- Ha bassa densità: è leggero. Molto importante perché essendo leggero vuol dire meno carico sul

terreno Masse minori in zona sismica;

- Ha un notevole potere coibentante: è isolante e quindi va benissimo per quanto riguarda i criteri

di efficienza energetica (le baite sono in legno perché da un lato è una risorsa facilmente

reperibile, ha un potere coibentante notevole);

- È facilmente lavorabile: basta intagliarlo a dimensione e per lavorarlo non devo cuocere niente

(riduco le emissioni di anidride carbonica);

- È biodegradabile o quanto meno facilmente smaltibile: a fine utilizzo lo smaltisco facilmente.

Tra tutti i materiali è sicuramente quello migliore dal punto di vista dell’impatto ambientale (sempre

a patto che per ogni albero tagliato ne ripianto tanti altri).

Gli aspetti negativi sono invece:

- Anisotropia: non ha la stessa resistenza in tutte le direzioni. Ha una resistenza maggiore nella

direzione di sviluppo delle fibre che corrono parallele all’asse del tronco. Mentre in direzione

tangente e radiale agli anelli di accrescimento ha caratteristiche peggiori;

- Igroscopia: risente dell’umidità relativa ambientale: più umido è l’ambiente più il legno

rigonfia, più secco è l’ambiente più il legno si ritira. Tutto questo crea problemi in

combinazione all’anisotropia: se si ritira il legno non lo fa in tutte le direzioni ma si contrae in

maniera più contenuta in direzione parallela alle fibre;

- Difettosità: ha i suoi difetti naturali: nodi (rami che rimangono inglobati dal tronco). I nodi

possono essere aderenti (se il ramo era vivo nel momento in cu è stato tagliato l’albero) o

cadenti (se il ramo era secco). Altri difetti possono essere dovuti alle fessurazioni (legate al

ritiro del materiale che una volta essiccato si contrae); o da microorganismi (il legno può essere

intaccato da funghi o insetti);

- Vulnerabilità al fuoco: è il difetto più grande. In montagna comunque posso costruire con il

legno perché non c’è ambiente secco TIPI DI LEGNO

La grande differenza tra sta i softwood e gli hardwood. Soft o hard stanno ad indicare le

caratteristiche meccaniche. Gli hardwood sono tutti questi che hanno la caratteristica di essere

robusti, duri, resistente ma con comportamento fragile.

I softwood sono legni più flessibili, hanno modulo elastico inferiore ma sopportano meglio le

deformazioni.

Gli impieghi in edilizia sono tanti: per gli infissi, pavimentazioni (parquet), mobili, per elementi

strutturali come solai, travi, capriate, o strutture completamente lignee.

Quello che succede a livello microstrutturale influenza ciò che succede a livello della

macrostruttura del materiale. Le cellule lignee sono cilindretti cavi, incollati tra di loro tramite la

lignina, sono costituite da di fibre di cellulosa intrecciate. Nel caso di legno hardwood le cellule

funzionano da sostegno o conducono acqua o conducono sostanze nutrienti (le funzioni sono

separate). Differente è il caso dei softwood dove le tracheidi hanno sia funzione di sostengo che

conduzione dell’acqua. Siccome conducono anche l’acqua queste cellule sono sempre bagnate,

quindi più molli e più deformabili, meno secche e meno rigide. La particolarità è che ci sono delle

zone (tasche resinifere) in cui si conserva della resina (vanno eliminate perché la resina è tossica

anche se profumata).

Tutte queste cellule (soprattutto quelle strutturali fibre o tracheidi) sono disposte parallele alla

direzione di sviluppo del tronco. In questa loro disposizione vanno a formare gli anelli di

accrescimento e sono dovuti al fatto che il tipo di accrescimento di queste cellule è diverso: ovvero

in primavera si sviluppano delle cellule molto grandi, pareti sottili e un pacchetto spesso, mentre in

autunno queste cellule hanno un forellino più sottile all’interno, delle pareti più spesse e un

pacchetto più stretto. Tutto il materiale va a formare delle cellule più rigide: sono gli anelli più

scuri. Gli anelli di accrescimenti servono per verificare l’età della pianta: conto gli anelli e quindi

sto contando le stagioni autunnali. Le cellule sono costituite dalla cellulosa che è un materiale

polimerico naturale con elevato grado di cristallinità; quindi il legno non è altro che un materiale

composito polimerico legno = cellulosa + lignina + emicellulosa.

Dall’analisi al microscopio di un legno di abete rosso si vede benissimo la differenza tra lo strato

autunnale e quello primaverile: lo strato autunnale è caratterizzato da forellini piccoli e pareti

spesse, quello primaverile da foro grande e pareti sottili.

Se vado a sollecitare questo materiale è ovvio che nasceranno tensioni all’interfaccia tra i due

diversi strati: lo strato autunnale risponderà in maniera più rigida, quello primaverile è più

deformabile, quindi si può verificare un distacco all’interfaccia. Tale difetto prende il nome di

cipollatura ed è molto insidioso perché non si vede dall’esterno. Questi difetti non si hanno nei legni

equatoriali perché all’equatore non c’è primavera né autunno, la stagione è sempre uguale.

Per quanto riguarda la macrostruttura invece: supponiamo di tagliare il legno con 3 sezioni

(sezioni anatomiche). Se lo tagliamo ortogonalmente rispetto allo sviluppo del tronco avremo una

serie di anelli di accrescimento concentrici; il midollo è la zona centrale e va generalmente scartata;

se facciamo una sezione radiale vediamo una serie di righe parallele che non sono altro che i

cilindri concentrici degli anelli concentrici il cosiddetto effetto rigatino ; se faccio la sezione

tangenziale vedo le cosiddette fiammature perché in realtà non sono veri e propri cilindri quelli

verticali, il tronco crescerà verso l’alto per cui la sezione alla base sarà maggiore, più che cilindri

saranno quindi tronchi di cono. Se quindi io taglio un tronco di cono quello che vedo è un arco di

parabola. Questo fatto è interessante quando si parla di parquet: generalmente la prima scelta è

quella con effetto rigatino mentre la fiammatura è meno stabile dimensionalmente. Quando si

considera la sezione trasversale va distinto a livello strutturale, il durame (è la parte secca dove non

ci passano i nutrienti) e l’alburno (è quella ancora in crescita, più tenera dove posso trovare

microorganismi). I difetti congeniti del legno possono essere:

- fusti di forma anomala;

- andamento elicoidale della fibratura (legno di ulivo che è tutto ritorto);

- eterogeneità degli anelli di accrescimento causata da brusche variazioni climatiche;

- cipollature

- tasche di resina

- nodi aderenti o cadenti.

Se c’è un nodo nella trave è chiaramente meglio disporlo dalla parte del corrente compresso

piuttosto che dalla parte del lembo teso.

La densità del legno: ha massa volumica è minore di quella dell’acqua (infatti galleggia) 0,3 – 1

3 3

g/cm ma comunque le pareti delle cellule hanno massa volumica pari a 1,53 g/cm . Ci saranno

legni più leggeri (sughero) o più pesanti. I parametri che influenzano la massa volumica sono lo

spessore delle pareti delle cellule, lo spessore degli anelli di accrescimento (gli anelli più sottili

autunnali hanno densità maggiore); il contenuto d’acqua (più acqua c’è dentro più il legno sarà

pesante). Ci sono due tipi di acqua: quella adsorbita (chimicamente legata al legno), e quella libera

che circola all’interno del materiale.

Il contenuto d’umidità del legno si misura tramite apparecchiature elettriche oppure si prende un

pezzetto di legno, lo sigilliamo in modo da conservare le condizioni di umidità, lo si pesa, lo si

scalda al forno ad una temperatura massima di 105 °C per almeno 24h, e trovo il peso secco. Quindi

l’umidità relativa sarà pari a:

Le normative fanno riferimento a livelli di umidità standard perché a secondo del contenuto d’acqua

variano le caratteristiche meccaniche del legno: più aumenta l’acqua contenuta più il modulo

elastico diminuisce e più la resistenza meccanica diminuisce. In Italia è stata fissata al 12% (quella

più frequente corrispondente a T=25°C e U.R= 65%).

Uno dei problemi più grandi è la variazione di volume del legno: si dilata o si contrae a seconda del

contenuto d’umidità, la cosa peggiore è che lo fa a seconda della direzione per cui questi movimenti

sono minimi in direzione tangente alle fibre e sono dieci volte tanto in direzione radiale (dal midollo

verso l’esterno) e addirittura 20 volte tanto in direzione tangente agli anelli di accrescimento. Ciò

comporta che il legno quando viene essiccato si può fessurare e quindi ci possono essere dei difetti.

Le fessurazioni sono dette “cretti da ritiro” (non sono poi tante pericolose perché partono dalla

corteccia e quindi sono visibili e si sviluppano radialmente). Una fessura radiale non compromette il

materiale più di tanto. Per quanto riguarda la variazione di forma invece (slide 24): se io prendo un

elementino con le fibre tutte parallele (effetto rigatino) e lo vado a essiccare (rettangolo a sinistra),

se lo rimetto nella posizione iniziale vedo che l’elementino si è leggermente contratto ma non è

variata la sua forma. Invece se prendo il rettangolino in alto (effetto fiammatura) se lo essicco il

materiale si ritira maggiormente in direzione tangente e meno in direzione radiale la tavoletta si

distorce, perde planarità. PROPRIETA’ MECCANICHE

Dall’analisi microstrutturale si evince subito che il legno è un materiale Ortotropo: ha

caratteristiche diverse e indipendenti secondo le 3 direzioni ortogonali tra loro: L (longitudinale e

parallela all’asse del tronco); R (radiale e perpendicolare a L) e T (tangente agli anelli di

accrescimento). Se andiamo a prendere un pezzetto di legno di conifere privo di difetti con 12% di

umidità succede che se misuro il modulo elastico ottengo dei valori estremamente diversi per le 3

direzioni: 13,5 GPa in direzione longitudinale, 0,67 GPa in direzione T: è 20 volte minore di L e

quindi si deforma 20 volte di più. Il modulo elastico risente molto dell’umidità per cui dall’ 8% in

giù il materiale si stabilizza, tra il 30% e l’8% il modulo elastico varia del 30%.

Per quanto riguarda la resistenza meccanica, considero un legno di conifera, privo di difetti, 12 %

U.R. si vede che a trazione il materiale è straordinario perché è elastico lineare e arriva

tranquillamente a 100 Mpa. Attenzione però perché ha comportamento fragile e quindi schianta

dopo 1% di deformazione. A compressione a comportamento pseudo-plastico dovuto al fatto che

quando premo e ho tanti cilindretti, questi si stabilizzano quindi leggo delle deformazioni in più

prima di arrivare alla crisi del materiale ma il valore massimo è 50 MPa. Quindi teoricamente il

legno se privo di difetti resiste meglio a trazione che a compressione. Se cambiamo direzione

cambiano significativamente i valori di resistenza: si scende a 5 MPa in direzione radiale e 3,5 Mpa

in direzione tangenziale.

La norma cerca di aiutare il progettista fornendo dei profili caratteristici a cui associare il nostro

legno: la prima classificazione è in base alla provenienza del legno, cioè se si tratta di softwood o

hardwood. Tra l’altro anche il clima cambia le caratteristiche del legno: un abete che prendo dalle

alpi e uno che prendo dall’Appennino hanno caratteristiche diverse perché la storia climatica è stata

diverso. Il secondo passo è assegnare una classe di resistenza (S1, S2 o S3) osservando se ha difetti:

se ha molti difetti sarà di classe S3, se è molto buono sta in S1. La norma fornisce dei criteri che ci

aiutano per l’assegnazione di queste classi di resistenza. A questo punto riesco ad associare un

profilo caratteristico al mio legno: esistono in tutto 18 profili caratteristici per ognuno dei quali la

norma mi fornisce i valori di resistenza con cui progettare. Osservando la tabella si nota che quello

che era il legno privo di difetti aveva 100 Mpa a trazione e 50 a compressione, se metto dentro i

coefficienti legati alla presenza di difetti quel 100 Mpa diventa 17-14-10 e quel 50 Mpa diventa 23-

20-18. Quindi possiamo dire che il coefficiente a compressione è pari circa a 2, a trazione lo uso

quasi pari a 5 perché se è presente un difetto a trazione è quasi un dramma. Dunque non ci siamo

contraddetti quando abbiamo detto che il legno ha una resistenza a trazione maggiore di quella a

compressione perché parlavamo di legno privo di difetti. La norma comunque è molto completa

perché fornisce ad esempio anche il valore di resistenza a compressione in tutte le direzioni: sulla

norma non si parla di direzione radiale o tangenziale ma piuttosto direzione parallela o

perpendicolare rispetto alla fibratura. Fornisce poi moduli elastici, modulo di taglio e massa

volumica.

Un altro aspetto importante quando osservo il comportamento elastico del legno è che il legno ha

comportamento viscoso a temperatura ambiente (come tutti i materiali polimerici): se mantengo una

deformazione costante nel tempo il materiale tende a rilassarsi: se la trave è caricata, quando la

scarico, la trave recupera parte della freccia (quella elastica) mentre non riuscirà a recuperare la

parte plastica (in questi casi un trucco potrebbe essere quello di ruotare la trave). Comunque sia

passando il tempo la resistenza del materiale diventa pari al 50-75% rispetto al valore iniziale.

8 Novembre non c’è stata lezione (continua) 09/11/2017

Uno dei problemi più grandi è che essendo il legno un materiale vivo e organico, subisce l’attacco

biologico. Andremo a vedere cosa succede in seguito ad attacchi di microorganismi o di funghi; c’è

anche il discorso dell’esposizione alle intemperie (è meno grave).

Il problema legato alle intemperie: se il legno è esposto alle variazioni climatiche, tende a rovinarsi,

ingrigirsi. Se non lo vediamo grigio è perché viene trattato, viene verniciato. Una volta era

un’operazione complessa perché dovevo verniciare il legno spesso; oggi si usano dei legni prodotti

industrialmente che sono già preimpregnati di sostanze chimiche e quando vanno a contatto con

l’atmosfera per un bel periodo ti tempo resistono bene. Il sole scolora leggermente il legno.

I funghi invece causano danni importanti al legno perché si nutrono della cellulosa che costituisce le

pareti delle cellule del legno e quindi portano ad un disfacimento del materiale. Che cosa bisogna

temere? Le condizioni climatiche in cui i funghi tendono a svilupparsi, ovvero quei range di

temperatura tra i 15 e i 20 °C e umidità relativa del legno del 20% circa. Questo perché i funghi

vogliono temperature medie e ambiente umido. Dove si creano questi ambienti umidi? Si crea in

testa alle travi di legno: sulla testa la trave poggia su una muratura. Questa muratura molto

probabilmente non sarà stata ben isolata per cui c’è umidità che risale. Questo si può creare anche

quando i particolari costruttivi non sono stati realizzati bene: ci arriva acqua piovana, ecc… si

dovrebbe cercare di mantenere la testa della trave areata: si dovrebbe lasciare una camera d’aria ai

lati e sopra la testa della trave; una cosa sbagliatissima è mettere una resina attorno alla testa della

trave: a contatto con la resina tutta la eventuale umidità che ci potrebbe essere nell’ambiente, va

tutta a toccare la superficie della resina e li condensa.

Termiti, tarli, capricorni delle case: possiamo dividerli in due gruppi, tarli e capricorni delle case

che sono relativamente meno pericoloso rispetto alle termiti. In seguito all’attacco di tali e

capricorni delle case, si vedono esternamente sulla superficie dell’elemento ligneo, dei piccoli

forellini con del materiale chiaro (detto rosume). Questi microrganismi infatti sono delle larve che

stanno dentro il legno, colonizzano l’alburno dove ancora trovano sostanze nutritive. Crescono fino

a che non sono pronti a diventare farfalline, allora fuoriescono dal legno e trascinano un po' di quel

rosume che stavano consumando: per cui dall’esterno si vede subito che c’è un attacco in atto che

interessa solo la porzione esterna del legno. Le termiti invece sono assolutamente peggiori e più

insidiose perché innanzitutto non vanno a scavare soltanto l’alburno ma anche il durame; non fanno

alcun tipo di foro. Quindi come faccio a capire che c’è questo tipo di attacco? comincio a sentire dei

piccoli rumori del legno che si è talmente assottigliato nella sezione che si sta assestando in maniera

maldestra sotto carico: c’è proprio il rischio di crollo improvviso. In caso di attacco dubbio, l’unica

soluzione è quella di bussare sulla superficie e sentire se “suona a pieno” o “suona a vuoto”; ci sono

delle tecniche più specifiche che rilevano delle vibrazioni all’interno del materiale.

L’eurocodice 5 (riguarda il legno) divide 3 classi di servizio: controlliamo in che condizioni stiamo

a seconda che il legno io lo debba impiegare per uso interno, esterno coperto o esposto. La classe 3

è chiaramente la peggiore dove c’è la piena esposizione alle intemperie o immerso.

Altro problema per quanto riguarda la durabilità è la vulnerabilità al fuoco: bastano 200°C e il legno

è infiammabile. L’unico aspetto positivo è che il legno ha un bel potere coibente: essendo coibente

succede che ad un certo numero di cm rispetto al fronte dove avviene la carbonizzazione del

materiale, la temperatura è simile a quella che avevo inizialmente. Quindi il legno brucia in maniera

progressiva per strati, non brucia in massa in tutta la sezione. Allora questo ci viene a favore nella

progettazione degli elementi lignei: prevedo in fase di progettazione la possibilità che avvenga un

incendio, allora sovradimensiono la sezione. Se io voglio garantire che il materiale possa sorreggere

la struttura per almeno 60 minuti, devo sovradimensionare la sezione della trave per garantire che

passati i 60 minuti ho una sezione di materiale sufficiente per reggere il carico. Si sa che

mediamente la corteccia si consuma con una velocità di 0,8mm/min, moltiplico per la durata e ho

trovato lo spessore che devo aumentare. Posso trattare il legno con sostanze ignifughe: queste non

fanno miracoli ma semplicemente ritardano l’innesco. Ad essere rigorosi l’eurocodice prevede

diverse velocità di carbonizzazione a seconda della specie di legno. (slide 40: non è necessario

conoscere le formule).

A questo punto supponiamo che il legno si sia degradato, allora dobbiamo provvedere ad un

restauro. Quando si interviene in un edificio ammalorato, la prima cosa da fare è la Diagnosi del

degrado:

1) ispezione visiva: identificazione della specie legnosa (analisi di qualche documento se c’è);

valutazione della difettosità (classe S1, S2 o S3); valutazione del degrado strutturale (fratture,

deformazioni eccessive); individuazione del degrado biologico (attacchi da funghi e insetti).

2) Ispezione strumentale: misure di umidità: si estrae un tassellino e lo si chiude in un sacchetto

ermetico, lo peso, lo essicco a 105°C e vedo la differenza di peso da secco a umido. Oppure è

preferibile impiegare degli strumenti costituiti da due puntali metallici che posizioniamo sul

legno, lo strumento fa passare la corrente e la resistenza che offre il legno è proporzionale al

quantitativo di acqua al suo interno: più è umido e più passa. A questo punto si usano delle

correlazioni tra il valore letto e coefficienti relativi alle varie specie legnose. Altre tecniche di

diagnosi sono tecniche dinamiche, si basano su un’impressione di un impulso nel legno. Ci sarà

una sonda emittente e una ricevente, messe possibilmente da parte opposte. Possono essere

sonde soniche o ultrasoniche, la differenza sta nel tipo di cavità che riescono a captare: le

ultrasoniche leggono meglio le piccole porosità; invece per porosità più grandi sono preferibili

le onde soniche. Tutto questo serve per valutare se ci sono disuniformità o per vedere le

cipollature: infatti con tecniche non dinamiche potrei non cogliere la differenza tra cipollatura e

cretto da ritiro. Esistono poi tecniche che richiedono competenze superiori basate su emissioni

di vibrazioni traversali o longitudinali. Un ulteriore tipo di ispezione strumentale che posso fare

è la durezza superficiale: valuto la durezza e attraverso questa misura ho una stima del modulo

elastico. L’ultima è la prova più invasiva ma in certi casi è necessaria: la resistenza alla

perforazione. Si utilizzano dei trapani dinamometrici che fanno dei fori nel legno: nel momento

in cui stanno facendo il foro, misurano lo sforzo che sta facendo la punta per proseguire.

A questo punto si passa alla valutazione del tipo di intervento che posso fare. I sistemi di restauro

più frequentemente impiegati sono:

- Legno lamellare incollato in opera (taglio la testa della trave, ricreo la stessa porzione in legno

lamellare e la incollo al suo posto);

- Dispositivi metallici non incollati;

- Ricostruzione mediante elementi costituiti da resina epossidica e sabbia silicea;

- Sostituzione dell’elemento deteriorato.

Attenzione a intervenire con le resine epossidiche per otturare i cretti da ritiro: siccome il legno è un

materiale che assorbe e cede umidità, se chiudo una fessura con la resina se ne formerà un’altra in

un’altra posizione. I cretti sono delle utili valvole di sfogo per le continue variazioni dimensionali

del legno. Si riporta un esempio di intervento di sostituzione della testata di una trave con una

protesi di legno massiccio connessa con 4 barre di acciaio ad aderenza migliorata: innanzitutto va

puntellata la porzione di materiale che rimarrà lì e la muratura che poggiava su di essa; taglio la

trave a 45° per asportare la porzione degradata; si predispone la protesi (con la stessa umidità di

quello in servizio); si realizzano dei fori nella trave e nella protesi in cui si ancorano delle barre

mediante adesivo epossidico. A questo punto, a maturazione completata dell’adesivo (la resina

impiega circa una settimana per solidificare). Il progetto di questi sistemi è difficile e non c’è una

modellazione agli elementi finiti che sia in grado di aiutare: come modelliamo la zona di legno

intrisa da resina? Sicuramente la cosa migliore da fare è utilizzare una resina fluida perché deve

penetrare quanto più possibile. L’anello debole della catena è la parte di legno intrisa con la resina:

quindi è fondamentale controllare la reologia dell’adesivo epossidico: tutto il sistema si basa su

quanto sono riuscito a far penetrare la resina nel legno. È consigliabile utilizzare più barre piccole

piuttosto che poche grandi: distribuisco lo scambio di forze in un’area più grande e quindi il sistema

mi dà più garanzie.

La lavorazione del legno: la prima cosa da fare è tagliare il legno, scortecciare il legno e quindi

segato (evitando il midollo che va scartato perché inconsistente), ottimizzando gli scarti. I pezzi

ottenuti è fondamentale la fase dell’essicazione perché durante questa fase può imbarcarsi,

fessurarsi. Questa fase può avvenire all’aperto o artificialmente evitando assolutamente il contatto

con il terreno, per evitare attacco di funghi o microorganismi. Spesso si accatastano più pezzi gli uni

sugli altri: quelli più sotto potrebbero imbarcarsi a causa del carico. A questo punto il legno viene

lavorato mediante macchine utensili. Un aspetto positivo del legno è che a temperature superiori a

70°C e umidità = 14-15% il legno assume un comportamento plastico per cui è possibile ottenere

delle curvature.

Un aspetto importantissimo è quello delle giunzioni: per ottenere la forma dell’elemento strutturale

devo giuntare dei pezzi. Può essere fatta mediante: chiodature e viti, placche di metallo, placche con

fori per far passare i chiodi, incastro e incollaggio (creo delle sagome a pettine in modo tale che

quando vado a incastrare i pezzi c’è un ingranamento meccanico e allo stesso tempo quando vado a

incollare i pezzi con la colla, questa ha una superficie maggiore su cui agire. Si impiegano colle:

bianche, poliammidi applicate a caldo, collanti a base di resine (polimeri termoindurenti).

Attenzione perché le colle in formaldeide sono tossiche! L’ideale sarebbe incastrare i pezzi o

giuntarli con elementi metallici. Altre tipologie di giunzioni sono: lamine metalliche forate dentate,

con una leggera pressione questi dentini entrano nel legno e quindi solidarizzano i pezzi (è una

tecnica che posso utilizzare quando gli elementi non sono molto caricati). Quello che funziona

meglio è il sistema bullonatura in accoppiamento al legno.

Quali sono i vantaggi del legno in zona sismica? È leggero (arriva una forza minore); la struttura

lignea ha un modulo elastico comunque non scarso e quindi è più flessibile rispetto ad una struttura

cemento armato o muratura, essendo più flessibile il periodo aumenta e ricevo un’accelerazione più

bassa. Il legno dimostra un buon comportamento a fatica. Il problema è che se dovessimo far conto

sul legno nel momento in cui pensiamo a quello che succede dopo la prima fessura, il legno ha

comportamento fragile e quindi schianta. Quindi quello che si fa in zona sismica per progettare

strutture in legno è quello di sovradimensionare la porzione in legno rispetto al giunto metallico:

faccio in modo di sottodimensionare la parte metallica in modo tale che faccio avvenire lì la rottura

e quindi sfrutto la duttilità dell’acciaio.

Il legno lamellare è un legno che si ottiene dall’incollaggio di varie tavole di spessore 4,5 cm: le

tavolette vengono incollate di testa mediante incastri che devono essere sfalsati tra loro in modo tale

che due giunzioni non capitino troppo vicine. La pressatura avviene per 4-20 ore a T =20°C con una

pressione di circa 0,8 MPa. Il vantaggio è che se ho un pezzo di legno con particolari difettosità lo

posso scartare, quindi prendo solo il legno buono; ci posso ottenere tutte le forme che voglio. Il

limite del legno massello per il quale mi dovevo adattare alla forma del tronco, tutto questo lo posso

superare con il legno lamellare. L’unico problema è che uso la colla. Viene utilizzato per coperture

di grande luce.

Il legno compensato è semplicemente un legno che viene ricavato sfruttando il fatto che se

scorteccio il legno seguendo un movimento a elica, sfrutto il punto debole che è quello

dell’adesione tra i vari anelli di accrescimento, quindi procedo secondo quello che è il punto di

minima resistenza. Quindi sfoglio questi tronchi, scaldandoli con un’adeguata pressione li rendo

piani. A questo punto vengono spalmati di colla, sovrapposti in vari strati con le direzioni di

fibratura perpendicolari tra loro e quindi pressati a freddo e poi a caldo. Questo pannello ha

un’incredibile stabilità dimensionale rispetto al legno massello: si usa per mobili anche di un certo

pregio. Il legno più scadente è sicuramento il pannello di fibre e truciolari: incollaggi di scarti di

lavorazione del legno (ecco perché vengono utilizzati per imballaggi).

C’è una rassegna di normative italiane riguardanti il legno. 13/11/2017

L17 – “Murature”

Le murature sono costituite da laterizi o pietre tenute assieme da malte di varie caratteristiche. E’

importante conoscere la muratura perché molto spesso dobbiamo sistemare delle casette o edifici in

muratura danneggiati (soprattutto in zona del terremoto). L’aspetto importante indipendentemente

dal materiale è che tutti sono materiali con struttura porosa che influenzerà soprattutto la durabilità.

Qual è l’ingrediente per il degrado delle murature? è l’acqua perché la condizione necessaria perché

tutti i fenomeni avvengano: per aumentare quindi la durabilità di un’opera in muratura a prescindere

dal materiale è quello di asciugarla. Materiali per le murature

Le murature possono essere costituite da laterizi, pietre, o calcestruzzi alveolari + malte. Va fatta

una distinzione tra malta di allettamento (quella che viene messa tra un mattone e l’altro per posarli)

e malta da intonaco (per finitura superficiale). Le malte di allettamento devono avere una

lavorabilità tale per cui l’operatore con la cazzuola riesce a spalmarla bene, deve essere

sufficientemente resistenze alle azioni ambientali, deve avere caratteristiche compatibili con il

mattone: sia dal punto di vista meccanico (se uso un mattone che ha una resistenza a compressione

di 10 Mpa non posso abbinare una malta ultraresistente: quando la muratura è sottoposta a

compressione, il pacchetto tende a contrarsi in una direzione e allargarsi nella direzione ortogonale,

si formano degli scorrimenti relativi e allora se ho la malta troppo rigida, la malta dilata poco, il

mattone molto di più e allora può andare in trazione e mi ritrovo tutti i mattoni spaccati; questo

quando la malta ha modulo elastico molto maggiore rispetto a quello del mattone), quindi per

l’allettamento non userò mai malte molto resistenti: scelgo un modulo elastico compatibile. Un’altra

cosa importante è che quando poso la malta è verificare lo scambio di acqua tra la malta e il

mattone: il mattone tende ad assorbire acqua perché è poroso, se allora uso un mattone che non è

stato pre-bagnato, questo tende a succhiare acqua dalla malta (la “brucia”) e allora i granelli di

legante non hanno acqua sufficienti per idratarsi. Per valutare l’aderenza mattone-malta si può

calcolare un coefficiente molto importante IRA (initial rate of absorbion) che sono Kg di acqua per

2

m per ora: questo coefficiente mi dice quanta acqua assorbe il mattone. Il valore ottimale di questo

2

parametro è circa 2 Kg di acqua per m per ora. Le malte da intonaco in genere sono costituite dal

corpo dell’intonaco + la rasatura (si tende a chiudere le porosità): si va verso intonaci porosi perché

è piu leggere e più coibente sia termicamente che acusticamente. Essendo però molto poroso si

interviene allora con un leggero strato di rasatura per limitare la porosità. Hanno numerosi requisiti:

rivestimento e protezione, funzione estetica, igienica e sicurezza. Per realizzare intonaci spesso si fa

ricorso a malte premiscelate: la qualità è elevata perché ce ne sono molte in commercio. La cosa da

saper fare è saper leggere le schede tecniche.

Umidità nelle murature

È l’origine di tutti i mali. Può arrivare da molte parti: quella dovuta da costruzione (ho bagnato i

mattoni, la malta è umida senno non si idrata) quindi devo garantirgli la possibilità di essiccarsi

altrimenti si innesca il degrado; dalla pioggia se non c’è lo spiovente sul tetto (bisogna progettare il

flusso dell’acqua); dal terreno per risalita capillare, è la peggiore perché si porta dietro tutti i sali

disciolti nel terreno, condensa sulla parete: se la parete si presenta fredda rispetto all’ambiente la

gocciolina si condensa sulla parete sia da dentro che da fuori. Un fattore positivo è l’evaporazione,

la muratura deve respirare. Da tutto questo bilancio vedo il contenuto di umidità della muratura.

Perché avviene la condensazione? I materiali da costruzione generalmente hanno per loro natura

delle cariche superficiali solitamente negative e succede che la molecola d’acqua tende a diventare

un dipolo e quindi gli ioni H+ vengono attratti dalla superficie. Tale fenomeno è favorito

dall’umidità relativa e dalla dimensione dei pori: più piccola è la dimensione dei pori e peggio è.

Mettendo in relazione l’umidità relativa con il raggio dei pori (slide 6) la situazione peggiore per

U.R elevate, mano a mano che diminuisce la U.R ambientale, la dimensione dei pori coinvolti è

sempre più piccolo. Oltre la condensa i meccanismi con cui l’acqua può entrare sono tanti: è

fondamentale conoscere i meccanismi di trasporto per bloccare il flusso di agenti aggressivi. La

risalita capillare è importantissima: l’altezza di risalita dipende dal raggio del poro, più il poro è

piccolo maggiore è l’altezza di risalita. Dopo un anno può arrivare anche a 15 metri ma

fortunatamente l’acqua evapora. Nella slide 9 viene rappresentato il vero profilo dell’acqua in una

muratura: l’umidità sarà massima nel primo metro dove c’è risalita capillare, da 1 a 3 metri c’è

evaporazione e piano piano l’umidità va a sfumare, da 3 metri in poi non c’è più l’effetto della

risalita capillare per effetto della evaporazione. Da 3 metri in su c’è un piccolo strato “a” che è

l’umidita residua dovuta alla condensazione capillare che sarà maggiore o minore a seconda della

dimensione dei pori. Quindi i problemi della muratura si osservano solitamente nei primi 3 metri; se

trovo umidità sui 5 metri allora il problema non riguarda la risalita capillare. Se vado a realizzare un

intonaco impermeabile al vapore succede che l’acqua risale; in assenza di intonaco è consentita

l’evaporazione. Meccanismi di degrado

Sono divisi in 3 grandi famiglie: Fisico (coinvolge una grandezza fisica come pressione,

temperatura), Chimico (se interessa una reazione del materiale) e Biologico (dovuto alla presenza di

microorganismi.

- Fisico: i sali generalmente sono parzialmente solubili in acqua, possono cristallizzare cioè si

sciolgono in acqua ma se c’è evaporazione viene a mancare acqua e quindi la soluzione si

concentra e avviene che il sale precipita cristallizza. Cristallizzando va ad occupare un volume e

se trova un poro piccolo, spacca (è lo stesso discorso del gelo-disgelo). Poi c’è il discorso del

dilavamento delle malte, cioè l’acqua scorrendo tende a scavare il materiale;

- Chimico: attacco solfatico (i solfati possono arrivare da aerosol marino, terreno, mattoni o in

murature antiche può arrivare da intonaco a gesso); attacco atmosferico (da atmosfera può

arrivare varia roba).

- Biologico: alterazione cromatica a meno che nella muratura non crescano ad esempio piante

rampicanti.

Il comun denominatore rimane comunque la presenza di acqua: l’acqua trasporta e contribuisce alla

reazione chimica.

La cristallizzazione dei sali solubili: possono provenire dai materiali da costruzione (sali solubili

dentro la composizione della pietra naturale o del mattone); dal terreno per risalita capillare, dalla

reazione con inquinanti atmosferici, dal metabolismo di microrganismi. Le condizioni di

cristallizzazione dipendono da: se il sale è + o – solubile; dalla velocità di evaporazione dell’acqua

(più evapora veloce più è possibile che il sale cristallizzi); dalla velocità di apporto della soluzione

(velocità con cui viene rifornita la struttura). Una delle cose peggiori è che oltre alle efflorescenze

(brutte da vedere) ci sono le subfluorescenze (sono interne e quindi creano danni interni che non

riesco a vedere). La condizione più favorevole per lo sviluppo delle subfluorescenze è la velocità di

evaporazione elevata (ad esempio se c’è anche vento). I Sali nella muratura seguono l’andamento

della presenza d’umidità (slide 15): il massimo dei sali li trovo a 1 mt di altezza dopodiché

l’evaporazione li fa precipitare. Se invece prendiamo in considerazione lo spessore della muratura

(interno o esterno): naturalmente all’esterno la % di Sali sarà maggiore perché aumenta l’effetto

dell’evaporazione. Nella slide 17 ci sono 3 sostanze a confronto con diverso livello di solubilità: i

carbonati (meno solubili) salgono meno ai cloruri di calcio, invece i cloruri più solubili salgono più

in alto ma non c’è deposito. I solfati di sodio sono molto insidiosi perché formano anche

subfluorescenze. slide 18 esempio di efflorescenze biancastre per precipitazione di solfati). Se i pori

sono piccoli piccoli non sussiste il problema del gelo-disgelo perché c’è effetto di interazione con la

tensione superficiale talmente grande che per avere un’acqua ghiacciata devo avere una temperatura

di – 12°C. Il dilavamento delle malte: se vengono usati leganti aerei (calce o gesso) per le murature,

dopo qualche anno la malta non c’è più nella zona esterna perché è stata dilavata dall’acqua

piovana. Il problema dell’attacco solfatico: la calce se va a contatto con acqua e solfati forma gesso:

fino a qui il gesso contiene due molecole d’acqua; in presenza di fibre di illuminato di calcio idrato

che sono ottenuti dalla reazione delle calci o dalla reazione del cemento; reagendo con acqua e

gesso formano ettringite che contiene 32 molecole d’acqua e spacca tutto. L’unico caso in cui non

da problemi è quando la faccio formare apposta per rallentare la presa (5%). In particolari

condizioni climatiche si può formare addirittura thaumasaite che è quasi più pericolosa perché

anche se contiene 15 molecole d’acqua questa coinvolge le fibre di c-s-h che fanno la resistenza

della malta e la indebolisce meccanicamente. Quindi quando dobbiamo progettare un intervento su

strutture in murature dobbiamo fare attenzione alle malte idrauliche. Ce ne sono alcune che sono

comunque resistenti all’attacco dei solfati: c’è una prova che si può eseguire in laboratorio che mi

dice se la calce reagisce o meno con i solfati. E’ un buon compromesso quando ho il problema del

dilavamento o quando lavoro su una muratura dove ho attacco solfatico. Questi solfati potrebbero

venire dal gesso impiegato come legante nelle murature (spesso nelle murature antiche), dai laterizi

specialmente quelli vecchi, dal terreno per risalita capillare e anche da aerosol in ambiente marino o

inquinato.

Per quanto riguarda l’attacco atmosferico su pietre e malte: in atmosfera oltre ad azoto e ossigeno ci

sono emissioni antropogeniche dovute da riscaldamento domestico, attività industriale e traffico

veicolare. Queste sostanze tossiche reagendo con l’acqua formano acidi che creano problemi

quando arrivano a contatto con i materiali: in particolare quando ci sono delle superficie

carbonatiche la situazione peggiora. Se i materiali sono di natura silicea come il mattone il

problema è meno importante; il problema ce l’ho quando ho rocce calcaree o malte a base di calce

perché il carbonato può reagire con tante sostanze: anidride carbonica, solfati o ossidi di azoto: i

composti che si formano o sono solubili e quindi dilavano il materiale, oppure si trasformano in

gesso e portano alla formazione delle cosiddette croste nere. In queste zone dove si è formato gesso,

il gesso essendo porose accoglie le particelle carboniose e quindi si sporca: il nero è dovuto alle

particelle carboniose. Oltre a carbonare, questo fenomeno sgretola la parte più esterna del materiale.

Poi ci sono le cosiddette aree bianche: si è formato gesso ma siccome c’è l’acqua battente se lo

porta via. Quindi dove vedo nero l’acqua non ci scorre e non riesce a portarlo via. Infine ci sono le

aree grigie, aree talmente nascoste dove le particelle ci arrivano solamente per via di moto

turbolento e quindi di difficile accesso per le particelle carboniose.

Per quanto riguarda le alterazioni biologiche ci sono vari tipi di sostanze: alghe, muschi, licheni o

piante superiori che possono reagire con l’acqua in presenza di luce a temperatura 25-30°C.

Formano delle patine sui materiali: danno estetico, meccanico per la crescita di radici, chimico. Ci

sono dei rimedi: pulizia meccanica, trattamenti biocidi per evitare che la situazione si ripeta, sono

trattamenti o ancora irradiazioni con raggi UV. Esiste u tipo di secrezione dei microrganismi che

invece che creare un danno crea una protezione: si tratta degli Ossalati.

Interventi di risanamento

Questo è quello che ci interessa di più. Esistono due tipi di intervento:

- Impedire la risalita capillare: ci sono due sistemi. Il primo è il taglio del muro e inserimento di

lastre in PVC (non è consigliato). Il secondo è l’iniezione di resine o sostanze idrorepellenti

come solani o silossani (soluzione più intelligente);

- Aumentare l’evaporazione dell’acqua dalle murature verso l’ambiente esterno: si utilizzano

intonaco macroporoso (in modo tale che i Sali si depositano nei pori e non spaccano) insieme ad

uno strato idrorepellente (solani e silossani) che si applica a pennello. L’intonaco macroporoso è

costituito da grandi pori per cui quando l’acqua evapora, i pori sono in grado di contenere i Sali

idrosolubili che quindi non spaccano il materiale.

Il vecchio approccio era devo spendere poco quando costruisco così guadagno di più; se io sono

quello che fa il lavoro mi conviene perché dopo 10 anni sarò richiamato per l’intervento di

manutenzione. L’approccio europeo invece non ragiona in questi termini: spendo di più all’inizio

ma ho una vita utile molto maggiore e alla fine mi ripago il prezzo iniziale.

Quando sono a contatto con il terreno devo impermeabilizzare (guaina), non c’è evaporazione.

Questi intonaci macroporosi è definito tale quando resiste poco alla diffusione del vapore (non deve

bloccare) e quando l’assorbimento per capillarità è basso. Se andiamo a confrontare i vari intonaci:

si vede che l’intonaco macroporoso ha un contenuto d’aria fino al 40%: rispetto ad altri tipi di

intonaco a base di calce o cemento perdo resistenza meccanica ma hanno una resistenza al

passaggio del vapore bassissima.

In casi particolari, quando la muratura è impregnata di acqua e sali, devo per forza di cose

rimuovere questi ioni (solfati, cloruri): una tecnica è quella dell’elettrosmosi. Vado a creare

un’intercapedine dove inserisco un anodo, metto un catodo a terra, genero corrente e succede che

gli ioni vengono trasportati fuori dalla muratura. E’ un sistema costoso ma serve a bonificare le

murature. 15/11/2017

L18 – “Acciaio”

Le proprietà meccaniche sono importanti per confrontare le proprietà della famiglia dei metalli

(acciaio è il massimo esempio perché è il più impiegato) con quelle degli altri materiali strutturali.

Prova di resistenza a trazione (è la più significativa): si conduce la prova sui provini a forma di osso

di cane che vengono stretti alle estremità con delle morse in modo tale da dirizzare la rottura nella

zona centrale del provino. Si misura la forza con una cella di carico mano a mano che il provino

viene tirato e misuro uno spostamento con dei trasduttori. Queste misure le traduco in una

deformazione (che è un allungamento diviso la lunghezza iniziale) e in uno sforzo (è la forza diviso

la superficie che è la sezione circolare A ): inizio a caricare l’acciaio in cui vale la legge di Hooke e

0

quindi il comportamento del materiale è elastico-lineare; iniziano a verificarsi dei fenomeni,

avviene lo snervamento del materiale dopodiché il comportamento diventa plastico e le

deformazioni non sono più reversibili come erano nel campo elastico, la pendenza della curva

diminuisce gradualmente. Se si osserva la curva ingegneristica, che si ottiene dividendo per l’area

A del tondino iniziale, mano a mano che procede la prova si verifica la strizione per cui la sezione

0

si assottiglia e quindi la sezione reale di materiale che sta lavorando sarà minore di A , quindi quel

0

poco di materiale rimasto subisce uno sforzo superiore. E’ importante individuare 3 valori:

l’allungamento a rottura perché mi dice quanto l’acciaio sarà duttile; tensione di snervamento f e

yk

la tensione massima di rottura a trazione f . Se dovessi avere un comportamento fragile (se cambia

tk

composizione dell’acciaio) questo avrebbe un picco di resistenza maggiore ma rottura fragile

(potrebbe essere dovuto all’abbassamento della temperatura). Inoltre dopo la prova, se il provino ha

comportamento fragile, la rottura è netta e riesco a riaccostare le due porzioni del provino; nel caso

di rottura duttile si forma una specie di clessidra e non riuscirò mai a ricavare la sezione iniziale

perché si è deformato in modo irreversibile. Un aspetto importante è la tenacità: capacità di un

materiale di assorbire energia prima di arrivare a rottura; ci sarà un’energia elastica associata al

comportamento elastico-lineare e una porzione di energia dovuta al comportamento plastico del

materiale. Il materiale duttile è famoso per avere spesso una grande tenacità. Andando a cambiare il

contenuto di carbonio all’interno dell’acciaio accade che mano a mano che aumenta il carbonio il

materiale è sempre più resistente ma sempre più fragile: più aumentano gli atomi di carbonio più

succede che quando imprimo un carico al materiale, non vado a rompere i legami piuttosto si

spostano i difetti (dislocazioni), se è presente il carbonio questi spostamenti vengono ostacolati.

La prova di resilienza: serve per stimare la tenacità del materiale però attenzione a non confondersi.

Per come è fatto il provino, che è sempre realizzato con un intaglio in mezzeria, quello che vado a

misurare effettivamente è solo la porzione di energia elastica perché in una configurazione del

genere c’è una tale concentrazione di sforzi all’apice dell’intaglio che quando il maglio colpisce il

materiale, la rottura avviene in maniera fragile per motivi geometrici. Non avrò mai una

plasticizzazione del provino. Quindi questa prova solo parzialmente ci fornisce informazioni sulla

tenacità del materiale. Come funziona? C’è un maglio che viene alzato fino ad una certa quota, si

rilascia il maglio che ruota e cadendo scarica la sua energia sul provino, una volta rotto il provino, il

maglio risale dalla parte opposta raggiungendo un’altezza h’ minore rispetto all’altezza iniziale. C’è

un effetto attrito dell’aria quindi si tende ad eseguire tali prove in atmosfera protetta. l’energia

assorbita può essere valutata in funzione della temperatura per vedere come si comporta il

materiale. Sulla base dei risultati ottenuti si possono individuare 3 famiglie di materiali metallici: i

materiali metallici con struttura a corpo centrato soffrono molto le basse temperature mentre si

comportano bene ad alte temperature; i materiali metallici austenitici, ovvero con struttura cubica a

facce centrate, invece hanno sempre un buon comportamento che si mantiene tenace anche a basse

temperature; i materiali metallici ad alte resistenze mai hanno comportamento di tipo tenace ma

sono sempre piuttosto fragili (picco di resistenza più alto).

Prove di durezza: Come si effettuano? Ce ne sono di 3 tipi. Sono prove che si basano sul fatto che

attraverso un dispositivo (sfera di acciaio temprato, piramide di diamante) applico un carico P

normato per un certo tempo e vado a vedere qual è l’impronta lasciata nel materiale sotto. Nella

prova Brinell (sfera di acciaio temprato per acciai teneri e non con quelli di durezza paragonabile)

vado a misurare i 2 diametri della circonferenza impressa col microscopio ottico; nella prova

Vickers (per acciai duri perché il diamante è il materiale più duro in natura) misuro le due diagonali

del quadrato. La terza tipologia è la Rockwell: è basata sullo stesso principio della Brindell o della

Vickers ma anziché andare a misurare l’impronta, misura lo spessore di penetrazione: più il

materiale è duro meno tenderà ad avere deformazioni plastiche, meno tenderà a lasciare segni. Più

alto è il valore più il materiale è duttile e poco resistente.

Prova di comportamento a fatica: significa far sopportare al materiale un tasso di sforzo che se fosse

mantenuto statico sarebbe sopportato dal materiale, ma crea problemi se lo carico e scarico

continuamente, assumiamo per semplicità tale comportamento come sinusoidale (per le prove in

laboratorio). Le prove più “cattive” sono quelle dove l’oscillazione avviene in maniera alternata in

compressione e trazione. Quello che succede è che se sottopongo un tondino di acciaio a queste

prove a fatica, alla fine della prova, posso osservare che da una parte la superficie sarà rugosa,

dall’altra sarà liscia, separate da un puntino di innesco che parte sempre da un piccolo difetto. Ad

un certo punto, la separazione delle due facce, fa sì che la sezione effettiva del materiale che riesce

a sopportare il carico diventa così piccola che anche quel carico di fatica che non doveva portare a

rottura invece provoca la rottura. La curva derivante da tale prova si costruisce nel seguente modo:

in ascissa si mette il numero di cicli e sulle ordinate i valori di tensione massima impressa; parto

con un valore di 400 e inizio a fare la prova e vedo dopo quanto cicli si rompe il materiale e segno il

punto. Ripeto la prova con 300, essendo la tensione minore, i numeri di cicli aumenteranno;

continuo e vedo che c’è un andamento asintotico, il cosiddetto limite di fatica per l’acciaio. Questo

grafico viene interpretato come se io applico una tensione di 250 Mpa non arriverò mai a rottura per

fatica. Se invece utilizzo una lega di alluminio non esiste un asintoto e la curva continua a scendere

e definisco quindi un limite di durata.

Comportamento ad alte temperature: a temperatura ambiente succede che se applico un carico

costante nel tempo, ci sarà una deformazione elastica iniziale, un assestamento viscoso, dopodiché

la situazione si stabilizza e rimane costante. Se aumento la temperatura (o anche lo sforzo), può

succedere che dentro il materiale avvengano dei fenomeni per cui pian piano la deformazione

aumenta in maniera incontrollata e quindi la pendenza va su su e giunti al terzo stadio aumenta

ancora la pendenza. E’ un problema in caso di incendio. Il problema grande che si somma insieme a

questo è il fatto che l’acciaio è un buonissimo conduttore di calore.

Meccanismi di rafforzamento

L’incrudimento: è interessante quando andiamo a fare la caratterizzazione di edifici vecchi dove

dobbiamo raggiungere un certo grado di conoscenza (maggiore sarà il grado di conoscenza minori

saranno i coefficienti di sicurezza adottati). Il problema è che le barre di queste strutture sono

incrudite perché nel tempo può essere successo qualcosa per cui è stato superato il limite di

snervamento, la struttura si è scaricata ma c’è stata una deformazione residua non recuperata; quindi

le barre negli edifici vecchi si trovano sempre più resistente di quanto dichiarato dal produttore e

meno duttile: questa è un’osservazione molto importante che ci fa capire che non posso far

affidamento su una struttura uguale a come era concepita. Come funziona l’incrudimento? Se per

caso il materiale viene caricato e scaricato in zona elastica non succede niente perché la

deformazione è completamente reversibile; invece quando scarico in campo plastico non recupero

tutto ma rimane una deformazione residua e quindi la barra si allunga leggermente. Se lo vado a

ricaricare il materiale segue la linea tratteggiata e quindi vedo una resistenza allo snervamento più

alta. Quello che ne risulta è che mano a mano che faccio subire delle lavorazioni plastiche a questo

materiale, quindi man mano che aumento la % di lavorazione a freddo (a temperatura ambiente),


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6 mesi fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria civile e ambientale
SSD:
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher AleGhergo di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Materiali Strutturali per l'Ingegneria Civile e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico delle Marche - Univpm o del prof Corinalesi Valeria.

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