struttura chimica di una catena poliammidica
PROVE DI PULL-OFF
5.0 IL TEMA DELLA DURABILITÀ NEI MATERIALI COMPOSITI E’ di fondamentale importanza conoscere quali siano i problemi di durabilità
connessi all’impiego dei materiali compositi utilizzati in interventi di consolidamento strutturale.
Di seguito sono descritte le principali cause22 che possono dare origine ad un decadimento delle prestazioni del materiale posto in opera.
5.0.1 EFFETTI TERMICI
E’ noto che basse temperature, cicli di gelo-disgelo e alte temperature possono innescare fenomeni di microcracking, degrado del legame fibra-matrice, o ancora fenomeni di debonding.
La problematica dell’esposizione dei rinforzi in FRP alla alte temperature viene affrontata in prima analisi studiando il comportamento delle singole fasi costituenti il materiale, fibra e matrice, avendo chiaro in ogni caso che, tali proprietà possono essere in via teorica, anche fortemente alterate allorché ci si riferisca al materiale nella sua globalità: il composito.
Un ulteriore “complicazione” del problema deriva poi dalla sua caratterizzazione in termini di rinforzo strutturale, ovvero di materiale applicato per mezzo di adesivi o resine da impregnazione al supporto strutturale.
Sia che si tratti di fibre, matrice, adesivo o resina da impregnazione,il comportamento di un materiale a base polimerica alle alte temperature viene significativamente descritto per valori di temperatura prossimi ad un valore critico noto come vetrosa, Tg. (paragrafo 2.0.2.1.1).
In corrispondenza di tale valore le regioni polimeriche amorfe di un materiale subiscono una trasformazione reversibile, passando da uno stato rigido e fragile ad uno viscoso e gommoso.
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Durabilità: tendenza a resistere al tempo. 22
Le informazioni riportate sono elaborate traendo materiale da:
- Brigante, D., (2012), “Rinforzo strutturale con materiali compositi”, Graffil (A cura di) Torino.
- CNR (2004-rev. 2008)-Commissione incaricata di formulare pareri in materia di normativa tecnica relativa alle costruzioni “Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante l’utilizzo di Compositi Fibrorinforzati- Materiali, strutture di c.a. e di c.a.p., strutture murarie” CNR (A cura di) Roma.
- Minguzzi, G., (1998), “Fiber Reinforced Plasctics. Utilizzo dei materiali composite a matrice polimerica in edilizia civile”, Alinea Editrice (A cura di) Firenze.
- http://www.assocompositi.it
Il raggiungimento di tale valore di temperatura implica una alterazione e un decadimento delle proprietà fisico meccaniche del materiale: per valori di temperatura prossimi alla Tg si nota un abbattimento del modulo elastico fino a 3 ordini di grandezza.
Dallo studio delle diverse fasi costituenti il composito è emerso come tanto le fibre quanto la matrice mostrino un ottimo comportamento termico.
Le fibre garantiscono, con opportuni trattamenti termici, un degrado trascurabile fino a 2000C°.
Le matrici rimangono caratterizzate sino al valore della temperatura di transizione vetrosa, per i compositi normalmente utilizzati nel settore civile, intorno a valori dell’ordine dei 100- 130C°.
L’anello debole della catena va ricercato nel comportamento del composito in quanto rinforzo strutturale, in tale veste infatti, il composito viene reso solidale alla struttura per mezzo di adesivi e resine da impregnazione.
Per tali elementi si può osservare come i componenti di base siano della stessa natura dei costituenti la matrice: si tratta in entrambi i casi di polimeri, nella maggior parte dei casi di resine termoindurenti a base epossidica.
Tuttavia le prestazioni degli “incollaggi” ad elevate temperature risultano sensibilmente inferiori a quelle caratterizzanti la matrice, tale diversità di comportamento va ricondotta al diverso processo di produzione che li contraddistingue.
Il valore della temperatura di transizione vetrosa ottenibile per le resine da impregnazione e gli adesivi per incollaggio si attesta comunemente intorno ai 50°C; per alcune resine elevabile a 120°C.
Si osserva, inoltre, che tali valori possono essere suscettibili di ulteriori diminuzioni, essendo le matrici esposte dall’umidità ambientale durante il periodo di reticolazione.
Si sottolinea a tal proposito come l’azione dell’ umidità sul rinforzo, in presenza di alte temperature, non si possa trattare semplicemente in termini di sovrapposizione degli effetti: tra temperatura e umidità infatti esiste un forte legame di dipendenza e non semplicemente un rapporto di coazione.
5.0.2 UMIDITÀ
L’umidità si diffonde in tutti i polimeri organici provocando cambiamenti delle loro caratteristiche chimiche, termofisiche e meccaniche.
Le trasformazioni che subisce la resina, causate dall'assorbimento d’acqua o di soluzioni chimiche, sono principalmente dovute: all’idrolisi, alla plasticizzazione, alla saponificazione ed altri meccanismi che possono causare cambiamenti sia reversibili che irreversibili nella struttura del polimero.
Particolarmente importanti gli effetti congiunti dovuti ad elevate escursioni termiche e dal contatto del materiale composito con soluzioni saline ad elevate concentrazioni.
In queste circostanze si ha un notevole aumento dei tempi di degrado dell’intervento di rinforzo strutturale.
Per ridurre gli effetti di degrado che possono subire i materiali compositi ubicati in ambienti umidi è opportuno utilizzare uno spessore superficiale più elevato della resina di impregnazione, in modo tale da proteggere le fibre.
5.0.3 ALCALI
Anche i materiali compositi possono entrare in contatto con media alcalini attraverso l’interazione con diverse fonti: soluzioni alcaline, terreno e conglomerato cementizio.
Esistono molte ricerche effettuate sulla degradazione di fibre di vetro “nude” a contatto con soluzioni alcaline, specialmente quelle che derivano dal calcestruzzo; dai risultati emerge che le fibre in questi ambienti subiscono una severa degradazione a livello strutturale.
Anche se la presenza di resina intorno ai singoli filamenti protegge le fibre da tale attacco, le soluzioni alcaline possono accelerare notevolmente la degradazione del legame delle resine stesse, specialmente se l'intervento di consolidamento strutturale non viene conservato adeguatamente con il passare del tempo.
Quindi, la resina polimerica gioca un ruolo fondamentale nel proteggere la fibra e rallentare il processo di diffusione degli alcali: la preferenza dovrebbe essere data all'uso di resine epossidiche e viniliche, mentre l'uso di resine a base di poliestere non è raccomandato, in quanto il loro impiego riduce sensibilmente il tempo da cui ha inizio il degrado.
5.0.4 CREEP/RILASSAMENTO
Negli interventi di consolidamento con FRP, il rilassamento che subisce il materiale alle normali tensioni di esercizio, è regolato dal tipo di matrice che lo compone e dalle caratteristiche delle fibre.
I materiali compositi costituiti da fibre di vetro o di aramide sono maggiormente predisposti a rottura a livelli di stress più bassi rispetto a quelli delle fibre di carbonio, quindi l’utilizzo di queste ultime è da privilegiare negli interventi di rinforzo strutturale.
Se l’intervento non è conservato e non viene eseguita una idonea manutenzione, col passare del tempo la resina posta in superficie tende ad essere facilmente predisposta a fenomeni di creep e micro-crack durante le diverse fasi di servizio della struttura.
Un’ opportuna scelta di resine e una accurata progettazione nella disposizione della trama delle fibre può risolvere in larga parte i problemi legati a questo fenomeno.
5.0.5 RADIAZIONI UV
La radiazione solare ultravioletta che colpisce la superficie terrestre costituisce all’incirca il 6% del flusso totale radiante del Sole.
Molti materiali polimerici posseggono energie di dissociazione di legame alla lunghezza d’onda compresa tra 290 e 400 nm; questa è proprio la lunghezza d’onda della radiazione ultravioletta.
Per questo motivo i materiali aventi queste caratteristiche subiscono un grave attacco dalla radiazione emessa in corrispondenza di tale spettro solare.
Gli effetti dell’esposizione ultravioletta (UV), sul materiale composito, sono normalmente confinati ad uno spessore compreso in pochi micron a ridosso della superficie esterna.
E’ buona norma, negli interventi, schermare la superficie dell’ FRP dall’esposizione diretta ai raggi solari, in quanto l’utilizzo di un ricoprimento polimerico non previene i danni derivanti dall’irraggiamento UV, ma ha solamente la valenza di “superficie di sacrificio”.
Gli effetti più deleteri dell’esposizione UV non sono probabilmente dovuti al danneggiamento che provoca la radiazione solare, limitato alla zona superficiale, ma al potenziale in grado d’ingresso d’umidità nelle regioni danneggiate.