Analisi sperimentale

Lo studio si è basato sull’analisi del comportamento di 18 campioni sottoposti a prova di trazione indiretta. Si sono presi in considerazione due tenori di cemento (2,5% e 3,5%) e tre dosaggi di fibre (0%, 0,75%, 1,5%). Per ciascuna combinazione sono stati confezionati 3 provini e mediati i risultati. Ciascun campione è stato contrassegnato secondo la tabella 6.1:

Materiale Cemento [%] Fibra [kg/m³]

A 2,5 0 B 3,5 0 C 2,5 0,75 D 3,5 0,75 E 2,5 1,5 F 3,5 1,5

150

Il tenore di cemento è stato volutamente mantenuto particolarmente basso nei provini A, C ed E al fine di evidenziare l’effetto della fibra. L’impiego di fibre è stato ampiamente sperimentato nei tradizionali conglomerati cementizi e nelle malte. Ciò ha prodotto in anni recenti la definizione di metodi standard di analisi e prova. Tuttavia, queste non possono essere estese ai misti cementati fibrorinforzati di uso stradale, che risultano, pertanto, privi di riferimenti normativi adeguati.

In Italia le norme prevedono il confezionamento di provini cilindrici con differenti tenori di cemento e acqua. Dopo 24 ore i provini vengono estratti e lasciati maturare per 6 giorni in ambiente umido (90%) e infine sottoposti a prove di rottura per trazione indiretta (> 0,25÷3 N/mm²). Ulteriori prove limitano i valori di resistenza a compressione tra 3 e 7 MPa; ciò assicura indirettamente che il misto cementato non sia eccessivamente fragile. Ai fini dello studio l’effetto ricercato è l’incremento delle resistenze di trazione prodotto dalle fibre e pertanto le prove sono state condotte in accordo con la ASTM C 496-90. Le prove sono state eseguite su provini cilindrici (L=177,8 mm, D=152.4 mm), disposti con asse orizzontale, compressi secondo due generatrici diametralmente opposte, con un gradiente di carico compreso tra 1,1 MPa/s e 2,2 MPa/s. La rottura in assenza di fibre avviene secondo una superficie approssimativamente piana, parallela alla direzione di applicazione del carico. Le caratteristiche della singola fibra influenzano le proprietà meccaniche finali del misto cementato. Molto importante sono la forma e le dimensioni (lunghezza, diametro e snellezza) sia sulle prestazioni finali del composito sia sulla lavorabilità; non si hanno particolari difficoltà sino a valori di snellezza inferiori a 90÷100. Per valori maggiori la lavorabilità diviene difficoltosa, la miscela disomogenea, con segregazioni e difficoltà di stesa.

Esistono in commercio una grande varietà di diverse tipologie di fibre a sezione tonda, quadrata, rettangolare, deformate, uncinate alle estremità, con superficie liscia o scabra. La forma influenza soprattutto la resistenza allo sfilamento. La fibra utilizzata nella sperimentazione ha le seguenti caratteristiche:

Tipo fibra metallica F-DUE 60/60

Lunghezza 60 mm

Sezione 0,78 mm²

Diametro equivalente 1 mm Rapporto di aspetto 60

Resistenza a Trazione 360-410 MPa

151

Figura 6.1 – Fibre utilizzate nella sperimentazione

Le tensioni applicate ai provini cilindrici sono rappresentate nella figura 6.2:

Figura 6.2 – Schema delle tensioni durante la prova

Lo sforzo di compressione verticale σv è dato da:

σ₉ = 2:

π-. < =. − >? − 1^.

dove:

-P è il carico applicato;

-D è il diametro del provino 152,4 mm;

-L è l’altezza del provino cilindrico 177,8 mm; -r è la distanza radiale del punto su cui si valuta la σv mentre quello di trazione orizzontale σo vale:

152

Al fine di approfondire lo studio si è proceduto alla registrazione delle prove con due videocamere digitali. Ciò ha permesso si evidenziare l’evoluzione della frattura, l’apertura delle fessure e il comportamento delle fibre. Inoltre, a ciascun fotogramma è stata associata la misurazione del carico e delle deformazioni. I risultati sono espressi in termini di curve carico-deformazione per ciascuna classe di materiale, come media di tre provini

Classe Carico [KN] A 9,10 B 15,30 C 10,93 D 15,33 E 10,83 F 17,40

Tabella 6.3 – Valori medi del picco di carico

Nei campioni senza le fibre (classi A e B), raggiunto il carico di rottura si registrano elevate velocità di scarico; le curve sono molte ripide e manifestano il tipico comportamento del misto cementato. La frattura si genera in corrispondenza delle due piastre di carico e procede lungo la generatrice verso il baricentro del provino portando il campione ad una rottura di tipo fragile. Le superfici di rottura sono ben delineate e regolari (figura 6.3).

Il diverso tenore di cemento apporta un incremento di resistenza ma una maggiore fragilità. La sostanziale differenza determinata dalla presenza della fibra è data dall’aumento del campo plastico. I campioni fibrorinforzati giungono a fine prova quasi mai separati. La superficie di rottura non è nettamente esposta, parzialmente legata dalle fibre disposte ortogonalmente al carico. I tratti softening dei campioni fibrorinforzati mostrano assestamenti di carico rapidi con gradini di circa 50 kg, per la progressiva perdita di aderenza tra il materiale e le fibre.

153 6.1.2 Risultati sperimentali

Sulla base delle diverse curve medie sono stati condotti i confronti valutando l’incremento della massima resistenza e della fase plastica, valutata come area sottesa dalle curve oltre il picco.

Figura 6.4 – Le aree A₁ e A₂ valutano l’entità della fase plastica al 20% e al 50% del carico di rottura

Dal confronto tra le diverse classi emerge che:

-per contenuti di legante ridotti (2,5%) l’introduzione di fibre nella misura del 0,75% determina l’incremento della tensione di picco del 15,70%. La duttilità aumenta di 2,4 volte; -maggiori tenori di fibra (1,5%) determinano l’incremento del picco del 14,29% e una duttilità 3,4 volte maggiore rispetto al materiale privo di fibre. Pertanto, l’ulteriore aggiunta di fibre ha minori benefici, accrescendo difficoltà di miscelazione;

-nelle classi con 3,5% di cemento, l’introduzione di fibre nella misura del 0,75% determina una leggera riduzione del picco del 3,27% e un incremento di duttilità del 89,34%.

Raddoppiando il contenuto di fibra, il picco aumenta del 12,42% rispetto al materiale non rinforzato, mentre la duttilità risulta decisamente accresciuta (≈2,7 volte);

-dal dosaggio di cemento del 2,5% a quello 3,5%, il carico di rottura cresce del 61,9% nel materiale privo di fibre, del 35,4% con 0,75% di fibre e del 59,3% con 1,5% di fibre.

L’analisi è stata ripetuta considerando la zona plastica pari al 20% e 50% del carico di rottura. I risultati ottenuti sono illustrati nelle tabella 6.4, 6.5 e nella figura 6.5.

Cemento al 2,5% 50% 20%

A→C 183,33% 208,30%

A→E 220,63% 331,80%

D→E 13,16% 40,06%

154

Cemento al 3,5% 50% 20%

B→D 97,06% 198,87%

B→F 183,54% 319,59%

D→F 43,89% 40,43%

Tabella 6.5 – Differenza percentuale tra le aree plastiche dei provini

Figura 6.5 – Curve di carico per le 6 classi di provini

In sintesi la variazione del modulo di rottura in seguito all’introduzione delle fibre è contenuta tra il 14% e il 21%, mentre mediamente è pari al 46% se il tenore di cemento passa dal 2,5% al 3,5%. Migliori prestazioni si ottengono se si considerano le deformazioni a rottura. Esse risultano simili al variare della percentuale di legante (max. 16%) mentre raggiungono il 54% nei provini confezionati con il 1,5% di fibra. La rigidezza dei materiali EC in fase elastica subisce variazioni notevoli sia in funzione del tenore di fibra sia per le variazioni di legante: mediamente del 69% tra i due differenti tenori di legante e del 32% nei provini fibrorinforzati rispetto a quelli privi di fibra.