New composite materials for masonry rehabilitatiom: SRG and FRCM mechanical characterization

Abstract

La caratterizzazione meccanica dei materiali è un processo necessario per la standardizzazione della metodologia di prova, per determinare le proprietà dei materiali necessarie per la progettazione e per valutare le loro prestazioni. Gli SRG rappresentano la più recente tecnologia di riparazione nel contesto dei materiali fibro-rinforzati. Sono un altro strumento tra i metodi di rinforzo del calcestruzzo e della muratura, insieme agli FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) e FRP (Fiber Reinforced Polymer) esistenti. Gli SRG sono emersi come tecnologia promettente e conveniente per il rafforzamento esterno delle strutture. Essi sono costituiti da un tessuto di rinforzo unidirezionale realizzato con trefoli in acciaio ultra resistente, immerso in una matrice cementizia, e sono applicati sulla superficie esterna degli elementi strutturali. Gli SRG forniscono un significativo miglioramento della capacità degli elementi strutturali con un aumento minimo della massa, grazie all’ elevato rapporto tra resistenza e peso. Infatti, l’uso di fibre in acciaio ultra resistente aumenta la duttilità degli elementi rinforzati, favorendo in tal modo le applicazioni in caso di problemi sismici. Inoltre, l’impiego di tessuti a bassa o media densità di massa, consente anche l’uso di matrici a base di cemento. Ciò implica vantaggi in termini di costo, resistenza al fuoco e semplicità nell’applicazione, che sono i tipici limiti dell’uso dei materiali compositi tradizionali. Dato l’attuale livello di conoscenza degli SRG, maggiori investigazioni risultano necessarie. Pertanto, ai fini di questa ricerca, due diversi tipi di tessuto in acciaio, impregnati con due diverse tipologie di matrice, sono stati selezionati. Le maglie del tessuto sono costituite da trefoli di microfili di acciaio ad alta resistenza con diversa densità di massa, ovvero G6 (600 g/m2) e G12 (1200 g/m2). Il tessuto G6 è caratterizzato da una densità di 1,57 trefoli/cm. I trefoli sono ugualmente distanziati di circa 6 mm per ottenere un tessuto con uno spessore equivalente di 0,084 mm. Al contrario, la rete G12 ha una densità di 3,19 trefoli/cm e 0,169 mm di spessore equivalente. Essa è costituita da coppie di trefoli distanti circa 4 mm dalle successive coppie di trefoli, in modo da promuovere l’incastro tra tessuto e matrice. Le matrici sono una malta a base cementizia, GLT, ed una malta a base di calce idraulica, GCF. I tessuti di acciaio, G6 e G12, e le malte, GLT e GCF, sono state combinate per produrre un totale di quattro sistemi SRG, denominati GLT-G6, GLT-G12, GCF-G6 e GCF-G12. Il seguente lavoro, che mira a far avanzare lo stato della metodologia di prova dei materiali compositi a base di matrice cementizia, con l’obiettivo verso la standardizzazione, è stato suddiviso in due parti, a loro volta divise in quattro capitoli. La Prima Parte riporta i seguenti capitoli:Un capitolo introduttivo, che fornisce una breve panoramica dei compositi, concentrandosi sulla classificazione dei compositi a matrice fragile, per fornire un quadro contestuale all'interno del quale gli FRCM e gli SRG sono differenziati. 2. Il secondo capitolo fornisce un contesto evolutivo dei materiali compositi come sistema di rinforzo. Infatti, i materiali compositi fibro-rinforzati a base di matrice cementizia (FRCM) sono una valida alternativa ai compositi fibro-rinforzati a base polimerica (FRP) e hanno acquisito un certo interesse nell'ultimo decennio. In particolare, la necessità di metodi di rinforzo efficaci, versatili ed economicamente vantaggiosi ha incoraggiato i produttori a sviluppare e vendere tessuti in acciaio per scopi di riabilitazione strutturale, in altre parole sistemi di rinforzo in acciaio (SRG). 3. Dato il crescente interesse per l'utilizzo di sistemi compositi a base di matrice cementizia per applicazioni di rinforzo strutturale, le loro proprietà meccaniche devono essere specificate. Nel terzo capitolo, è stato discusso lo sviluppo dei criteri di accettazione per il rinforzo della muratura e del calcestruzzo mediante l’applicazione dei sistemi compositi FRCM e con l'acciaio rinforzato SRG. 4. Programma sperimentale, che valuta la metodologia della prova di trazione, utilizzata per caratterizzare le proprietà del materiale FRCM, in particolare il meccanismo di presa che consente il trasferimento del carico, vale a dire l’afferraggio di tipo clevis o clamp. La Seconda Parte presenta, invece, i risultati degli esperimenti di caratterizzazione eseguiti sui sistemi SRG. Al fine di comprendere il comportamento meccanico dei sistemi di materiale composito a base di matrice cementizia, e quindi di valutarne le prestazioni e la compatibilità con substrati di calcestruzzo e muratura, le seguenti prove sono state effettuate: 1. Prove di compressione della malta cementizia usata come matrice del sistema composito. 2. Prove di trazione del sistema composito; 3. Prove di taglio interlaminare del sistema composito; 4. Prove di legame del sistema composito (Pull-off tests); Tutte le prove sono state eseguite sotto condizioni ambientali di laboratorio (T = 20° e U.R. = 50%). 1. Prove di compressione. Due tipi di matrice, specificamente progettate per il rinforzo strutturale, sono state scelte tra quelle presenti sul mercato, ovvero la malta a base cementizia (GLT) e quella a base di calce idraulica (GCF). Per ogni tipologia di malta, sono stati realizzati cinque provini per mezzo di stampi cubici con lunghezza laterale di 50 mm secondo quanto previsto dalla normativa. I campioni sono stati rimossi dagli stampi dopo un periodo di maturazione di tre, sette, quattordici e ventotto giorni e infine testati con l’aiuto di una macchina di prova universale. Infine, il carico massimo sopportato dal provino durante la prova è stato registrato ed il tipo di rottura è stato annotato. La principale modalità di collasso è stata la rottura a compressione del cubo che risulta avere la struttura conica come desiderato. Sulla base dei test sperimentali svolti, la resistenza della malta a base cementizia, GLT, soddisfa i requisiti della sezione 4.3 del AC434, corrispondente a 17 MPa a 7 giorni e 24 MPa a 28 giorni di stagionatura. Per quanto riguarda la resistenza della malta idraulica a base di calce, GCF, anch’essa soddisfa i requisiti standard, ovvero che la resistenza media a compressione di almeno tre cubi da 50 mm non deve essere inferiore a 1,7 N/mm2 e non superiore di 10,3 N/mm2 a 28 giorni di stagionatura. 2. Prove di trazione. Provini rettangolari con dimensione nominale 510 x 51 x 10 mm sono stati realizzati in casseforme di vetro, applicando un primo strato di malta cementizia (5 mm), il tessuto in fibra e un secondo strato di malta cementizia (5 mm). Dopo un periodo di maturazione di 28 giorni nella camera di umidità, i test sono stati eseguiti utilizzando un telaio di prova universale. Il carico di trazione uni-assiale è stato applicato a tutti gli esemplari mediante il meccanismo di afferraggio di tipo clevis. Il carico è stato applicato sotto modalità di spostamento controllato ad una velocità di 0,25 mm/min e registrato dalla cella di carico integrata nella macchina di prova. La deformazione assiale è stata misurata per mezzo di due estensometri con una lunghezza di 100 mm e 50 mm, posizionati nella regione centrale del campione. I risultati dei test per ciascun coupon testato sono presentati in termini di diagramma resistenza a trazione-deformazione. Dai risultati sperimentali sono state ottenute la forza massima di trazione e la deformazione ultima. Noti questi valori, la resistenza ultima a trazione e il modulo elastico del tratto fessurato sono stati calcolati per mezzo delle equazioni riportate in AC434. Infine, è stata descritta la modalità di collasso per ciascun campione testato. I provini della serie GLT-G6 hanno mostrato una modalità di rottura caratterizzata dalla formazione di una prima fessura all’estremità della zona di incollaggio della piastra metallica. Da lì, lo sviluppo della fessura è continuato per tutta la lunghezza. Infine, il collasso è avvenuto per il distacco della matrice attorno ai trefoli. Questo perché la malta non è penetrata bene nel tessuto e non lo ha impegnato in modo efficace, facilitando quindi lo scorrimento delle fibre. Nel caso della serie GLT-G12, nella zona centrale del provino si è verificata una serie di fessure, monitorate dall’estensometro. Altre fessure si sono formate nella zona di incollaggio della piastra metallica. Da lì, lo sviluppo della fessura è continuato per tutta la lunghezza. Infine, il collasso è avvenuto per il distacco della matrice attorno ai trefoli. Il motivo è che la malta non è stata in grado di penetrare facilmente nel tessuto, perché esso è caratterizzato da una elevata densità di massa (1200 g/m2). I provini della serie GCF-G6 hanno sviluppato due fessure profonde nelle estremità della lunghezza di incollaggio della piastra metallica. Da lì, lo sviluppo delle fessure è continuato per tutta la lunghezza. Il collasso non è stato uguale per tutti i campioni. Infatti, in alcuni casi, la modalità di rottura è caratterizzata dal distacco della matrice attorno ai trefoli; in altri casi, il collasso è dovuto al distacco della piastra dal provino o per lo scorrimento delle fibre. I provini della serie GCF-G12 hanno mostrato una modalità di rottura caratterizzata una serie di fessure nella zona centrale del campione monitorata dall'estensometro. Altre fessure si sono formate nella zona di incollaggio della piastra metallica. Da lì, lo sviluppo della fessura è continuato per tutta la lunghezza. Infine, il collasso è avvenuto per il distacco della matrice attorno ai trefoli. Il motivo è che la malta non è stata in grado di penetrare facilmente nel tessuto, perché il tessuto è caratterizzato da una elevata densità di massa (1200 g/m2). Il collasso non è stato uguale per tutti i campioni. Infatti, in alcuni casi, la modalità di rottura è caratterizzata dal distacco della matrice attorno ai trefoli con conseguente scorrimento delle fibre o allargamento delle fessure, che hanno causano la rottura del provino in più pezzi. 3. Prove di taglio interlaminare. Questo test è una prova di flessione a tre punti su un provino denominato short-beam, e ha lo scopo di determinare la resistenza di taglio interlaminare dei materiali compositi fibro-rinforzati. I campioni sono stati ritagliati da pannelli di dimensioni nominali 330 x 508 mm, dopo una stagionatura di 28 giorni nella camera di umidità. Ogni campione è stato rinforzato con due strati di fibre incorporati in due strati di malta cementizia di 4 mm. Le fibre erano a loro volta divise da un altro sottile strato di malta. Per ciascun prodotto, cinque test sono stati testati sotto condizioni ambientali di controllo. Noto il carico massimo registrato durante la prova, la resistenza ultima della short-beam è stata calcolata per mezzo dell’equazione riportata in ASTM-D2344. Anche in questo caso, le modalità di rottura sono state annotate. I provini rinforzati con il tessuto di acciaio G6 hanno presentato una rottura dovuta alla fessurazione della matrice nel lato sottoposto a tensione. Infatti, in tutti i provini, l'inizio della rottura è caratterizzata da una singola fessura che si propaga dall’intradosso della short-beam verso la regione centrale. Nel caso dei sistemi confezionati con la rete di acciaio G12, la modalità primaria di rottura è stata il taglio interlaminare. Infatti, si è potuto osservare lo sviluppo di due fessure all'interfaccia matrice-fibre che si propagano dal centro del campione alle estremità. La ragione è perché il tessuto G12 ha una densità di massa superiore a quella del tessuto G6 e quindi non consente la completa penetrazione della matrice tra le fibre. Pertanto, il legame all’interfaccia matrice-fibre non è stato efficiente. 4. Prove di pull-off. Per indagare il legame all’ interfaccia rinforzo SRG-substrato, 28 test di pull-off sono stati effettuati su diversi tipi di substrato, ossia blocchi di calcestruzzo, mattoni di argilla e unità di muratura cementizia indicati rispettivamente con la sigla “BTC”, “BTY” e “BTU”. Il rinforzo è stato applicato sul substrato, precedentemente pulito, per uno spessore minimo di 63 mm. Dopo 28 giorni di maturazione, tagli circolari ed esagonali sono stati eseguiti perpendicolarmente al substrato del campione in modo da circoscrivere il disco metallico utilizzato per il test, secondo quanto previsto dalla normativa. I dischi metallici sono stati fissati mediante colla epossidica alla superficie di rinforzo e rappresentano il mezzo attraverso il quale l’area circolare è stata estratta. Il carico di trazione uni-assiale è stato applicato perpendicolare alla superficie di prova utilizzando una macchina di prova pull-off. Il dispositivo di carico a trazione è stato collegato al disco metallico per mezzo di un meccanismo di accoppiamento. La forza di trazione è stata applicata al disco fino a quando non si verifica la rottura. Data il carico ultimo registrato durante la prova, la resistenza massima è stata calcolata per mezzo dell’equazione riportata in ASTM-C1583.La modalità di rottura è stata annotata. Come ci si aspettava, i campioni confezionati con la matrice a base cementizia (GLT) hanno raggiunto i massimi livelli di carico e resistenza. In particolare, il provino BTC-GLT-G6 ha raggiunto il massimo livello di carico e resistenza. Il motivo è che la resistenza a trazione della malta GLT è superiore a quella della malta GCF (malta a base di calce idraulica). Inoltre, la densità del tessuto d’acciaio G6 è inferiore a quella della rete G12, pertanto la malta può penetrare più facilmente tra i trefoli di acciaio. Per quanto appena menzionato, la resistenza a trazione media della serie BTC-GLT-G6 è superiore a quella di BTC-GLT-G12. La modalità principale di collasso del composito SRG è la rottura all’interfaccia matrice-rinforzo, quindi la densità del tessuto è un parametro fondamentale. Infatti, più bassa è la densità di massa e maggiore è la forza di legame. Per questo motivo la serie BTC-GLT-G6 raggiunge un elevato valore di resistenza, perché la matrice può penetrare più facilmente tra i trefoli e aumentare la forza di legame. Tuttavia, nessuna serie raggiunge il limite di resistenza imposto dalla normativa AC434, ad eccezione del campione BTC-GLT-G6. In conclusione, sulla base delle ipotesi che i compositi SRG abbiano una prestazione a lungo termine desiderabile, essi possono essere considerati come una soluzione per il rinforzo delle strutture esistenti in muratura e calcestruzzo. Le considerazioni preliminari ottenute da questo studio rappresentano quindi un primo passo verso lo sviluppo di formule di progettazione adeguate per la caratterizzazione dei sistemi SRG. Tuttavia, ulteriori indagini sperimentali risultano necessarie