Introduzione
Questo studio sperimentale è stato eseguito per valutare l'effetto del rinforzo di fibre in polipropilene sul comportamento della forza in un terreno a grana fine rinforzato con fibre. Sono state effettuate una serie di prove di compressione non confinata, di prove a taglio diretto e la CBR test sul rapporto dei cuscinetti. Nelle prove, è stato preso come parametro il contenuto di fibre. I risultati ottenuti dai test sono stati confrontati con quelli dei terreni non rinforzati e discussi.
Studio sperimentale
Il terreno utilizzato in questo studio è stato ottenuto da un naturale deposito di suolo a grana fine in provincia di Erzurum, Turchia. Per le prove, il terreno è stato lavato attraverso un setaccio 0,076mm e asciugato in un forno a circa 105±5°C per 24h. Il terreno è stato classificato come limo a elevata plasticità (MH) in conformità con il sistema di Classificazione Unified del suolo (USCS). Alcune proprietà meccaniche del suolo sono riportate in tabella 1. Sono state usate le fibre di polipropilene disponibili in commercio nelle prove discrete. Alcune proprietà di indice e meccaniche delle fibre di polipropilene fornite dal costruttore sono riportate in tabella 2.
Tabella 18. Alcune proprietà ingegneristiche del suolo
Limite liquido, wL (%) Limite di plastica, WP (%) Indice di plasticità, PI (%) Peso specifico, Gs
Massima unità di peso seccoa, γdmax (kN/m3) Contenuto di acqua ottimalea, wopt (%) Conduttività elettrica (mmhos/cm) pH Dispersione 66 35 31 2,5 15,4 22 3,3 6,9 1-2
a Ottenuto dal test Proctor Standard
Tabella 19. Indice e le proprietà meccaniche del rinforzo in fibra
Diametro nominale (mm) Lunghezza (mm) Peso specifico (kN/m3) Resistenza a trazione (N/mm2) Modulo elastico (N/mm2) Superficie specifica (m2/g) 0,050 12 9,1 320 - 400 4,000 0,2 - 0,3
Le fibre da aggiungere al terreno sono state considerate come una parte della frazione del solido nella matrice vuoto-solido del suolo. Il contenuto di fibre di polipropilene (ρ) scelta è di 0,25; 0,50; 0,75 e 1% in peso secco totale dei campioni rinforzati. Le fibre indicate sono state pesate secondo il contenuto di rinforzo prescritto e mescolate nel suolo già idratato con il contenuto di acqua ottimale per il suolo rinforzato (22%) secondo la procedura standard di prova compattazione (ASTM D 698). Le fibre vengono aggiunte al terreno con piccoli incrementi finché tutte le fibre sono state effettivamente distribuite all'interno del
suolo. Le fibre sono state aggiunte accuratamente e mescolate a mano per ottenere un impasto abbastanza uniforme.
Non è solo l'omogeneità nella distribuzione delle fibre nello spazio, ma anche l'orientamento che svolge un ruolo importante nel processo di rinforzo. Quindi, molta attenzione è stata richiesta per ottenere una distribuzione ragionevolmente uniforme delle fibre. La miscelazione delle fibre nel terreno aumenta di difficoltà con l’aumento del contenuto di fibre da rinforzo. Tuttavia, le miscele suolo/fibre appaiono accettabilmente uniformi con i contenuti di rinforzo valutati.
Le prove di resistenza a compressione non confinata sono state eseguite in conformità con l’ASTM D 2166. Le prove sono state effettuate su campioni che avevano un diametro di 38mm e un'altezza di 76mm. I campioni sono stati conservati in un ambiente umido con una umidità relativa media del 70% e ad una temperatura di 21°C prima del test. Le caratteristiche sforzo-deformazione-resistenza dei campioni rinforzati e non rinforzati sono state determinate usando una deformazione controllata nella macchina di prova compressione con un carico di 0,8mm/min.
Le prove a taglio diretto sono state eseguite in conformità con l’ASTM D 3080. È stata utilizzata nelle prove una scatola a taglio di 60mmx60mm in piano e 25mm di profondità. Le prove sono state eseguite con sollecitazioni verticali normali di ! = 50, 100 e 200kN/m2 per definire completamente i parametri di resistenza a taglio [cioè, l'angolo di resistenza a taglio Ø e la coesione intercettata u]. La velocità di caricamento è di 0,002mm/s nei test. I dati sono stati corretti per la compensazione della riduzione dell'area. Le sollecitazioni di taglio sono state registrate come funzione di spostamento orizzontale fino al valore massimo consentito dalla macchina di prova.
Per leprove CBR, tuttiicampioni sono staticompattati in unostampoProctor modificato con un diametro interno di 152,4mm e un'altezza di 177,8mm per seguire la procedura riportata in ASTM D 1557. Tutta la compattazione è stata eseguita con 5 alzate approssimativamente uguali utilizzando un martello a manico. Un ulteriore peso da 4,54kg è stato posto sul campione di terreno compattato nello stampo. Poi, lo stampo e il peso sono stati immersi in acqua, con il libero accesso dell’acqua nella parte superiore e inferiore del provino. Misurazioni iniziali sono state prese per il rigonfiamento e il campione è stato lasciato a bagno per 96h. Alla fine delle 96h, le misurazioni finali sono state prese e il rigonfiamento è stato calcolato come percentuale dell'altezza iniziale del provino. Per misurare la quantità di rigonfiamento durante l’ammollo, è stato usato un calibro a quadrante con una sensibilità di 1/100mm, sostenuto da un treppiede in metallo.
campioni ASTM D 1883. Una macchina di caricamento automatico, equipaggiata con una testa mobile, con una velocità uniforme di carico di 1,27mm/min e un carico calibrato indicato sul dispositivo è stato usato sul campione per forzare il pistone di penetrazione avente un diametro di 50mm nel campione. I carichi sono stati accuratamente registrati in funzione della penetrazione fino a che è stato raggiunto lo stato finale del cuscinetto. Per garantire la ripetibilità dei risultati di prova, la maggior parte delle compressioni non confinate, le prove a taglio diretto e quelle CBR sono state ripetute fino a tre volte. In generale, i risultati dei test sono stati quasi identici e i valori medi sono stati utilizzati nella valutazione dei risultati.
Risultati e discussione
Le curve assiali sforzo-deformazione ottenute dalle prove di compressione non confinata sono riportate in fig. 104. La deformazione assiale è stata calcolata come il rapporto tra la variazione della lunghezza del campione letto dall’indicatore di deformazione (cioè ä“ e la lunghezza
iniziale del campione (cioè, “ per un dato carico applicato in conformità con l’ASTM D 2166. I risultati delle prove di compressione non confinata suggeriscono che le fibre di rinforzo possono modificare il comportamento fragile rendendolo un po' più duttile. In altre parole, i campioni testati con rinforzi in fibre, mostrano generalmente una minore perdita di forza di post-picco. Si può anche vedere che con una distribuzione casuale delle fibre, aumenta significativamente la forza di picco a compressione. Tuttavia, la rigidezza iniziale del suolo (cioè, il modulo tangente alle curve sforzo-deformazione) non sembra essere influenzato dall'aggiunta di fibre. La fig. 105 mostra la variazione della resistenza a compressione non confinata (UCS) con un Figura 104. Curve sforzo-deformazione ottenute dalle prove di compressione
non confinate
Figura 105. Effetto del contenuto di fibre sulla resistenza a compressione non confinata
contenuto di fibre in polipropilene. La forza a compressione non confinata tende ad aumentare con l'aumento del contenuto di fibre. Tuttavia, il tasso di aumento della forza di compressione non confinata, non è significativo per un tenore di fibre superiore allo 0,75%. Rispetto al campione non rinforzato, il valore UCS del campione rinforzato con un contenuto di fibre in polipropilene dello 0,75%, è aumentato di circa l’85% (vale a dire, da 392 a 727kN/m2). L'aumento della forza a compressione può essere dovuto all'effetto ponte delle fibre che possono efficacemente impedire un’ulteriore sviluppo dei piani di rottura e di deformazione del suolo.
Le fotografie dei campioni di suolo fibrorinforzati e di quelle del suolo non rinforzato, dopo le prove di compressione non confinata, sono mostrate in fig. 103. La forma dei campioni dopo i test potrebbero essere indicative di un rigonfiamento (cioè, di una deformazione localizzata) dovuto alla modalità di rottura (fig. 106(a)). L'effetto ponte delle fibre può essere visto anche in fig. 106(b).
Figura 106. Fotografie di campioni di terreno rinforzati con fibre, dopo le prove di compressione non confinata: (a) modalità di rottura sporgente, (b) effetto ponte delle fibre
Analogamente, Maher & Ho nel 1994, hanno studiato l'influenza dei diversi tipi di fibre (polipropilene, vetro e pasta di legno dolce) sulla forza di caolinite eseguendo una serie di prove a compressione non confinata. Hanno trovato che l'inclusione di fibre aumenta la forza di compressione non confinata.
Le curve tra lo stress da taglio e gli spostamenti orizzontali, ottenute dalle prove della scatola a taglio verticale per una tensione normale di 50, 100 e 200kN/m2 per i campioni di terreno rinforzato con contenuto di fibre variabile tra lo 0,25% e l’1% sono mostrate nelle figg. 107, 108 e 109 insieme a quelle per il campione non rinforzato. Va notato che le prove a taglio diretto non consentono la produzione di qualsiasi deformazione del modulo elastico a causa dei loro problemi inerenti. Tuttavia, alcuni ricercatori hanno utilizzato la rigidezza
iniziale delle curve di stress a taglio e gli spostamenti orizzontali come parametro della forza, nell'interpretazione dei risultati dei test per sabbie fibrorinforzate (si veda gli studi di Yetimoglu & Salbas del 2003). Va inoltre osservato che i grafici tra la tensione a taglio e gli spostamenti orizzontali risultati delle prove a taglio diretto non indicano un'unica tendenza all’aumento del contenuto di fibre. Anche se i risultati hanno dato grafici con curve dissimili, molta cura è stata spesa per trarre delle conclusioni ragionevoli. Si può vedere dalla fig. 104 che le fibre di polipropilene aumentano leggermente la rigidezza iniziale (cioè la pendenza iniziale della curva tra la sollecitazione a taglio e lo spostamento orizzontale) alla tensione normale di 50kN/m2 (cioè per σn=50kN/m2). Tuttavia, le figg. 105 e 106 mostrano che la rigidità iniziale rimane praticamente la stessa alle sollecitazioni normali di 100 e 200kN/m2 (cioè per σn=100 e 200kN/m2) per il suolo armato e non armato. Si può anche dire che i campioni rinforzati in genere mostrano un comportamento più duttile del suolo non armato.
Figura 107. Curve sforzo di taglio-spostamento orizzontale,
per uno sforzo normale verticale di 50kN/m2
Figura 108. Curve sforzo di taglio-spostamento orizzontale, per uno sforzo normale verticale di 100kN/m2
Figura 109. Curve sforzo di taglio-spostamento orizzontale, per uno sforzo normale verticale di 200kN/m2
Il rapporto tra le sollecitazioni a taglio e le sollecitazioni normali è rappresentato in fig. 110 al variare della quantità del contenuto in fibre. Si è visto che gli sviluppi a rottura non sono in forma bilineare per ogni contenuto di fibre. Le variazioni dell'angolo di resistenza a taglio e della coesione intercettata, a diverso contenuto di fibre, sono riportate nelle figg. 111 e 112, rispettivamente. Va inoltre notato che anche se l'angolo di resistenza a taglio e la coesione intercettata variano con il contenuto in fibre, non si nota nessuna tendenza, invece si è speso molto più sforzo per fare dei commenti razionali. L’angolo di resistenza a taglio e i valori della coesione sono stati calcolati utilizzando sforzi a taglio di picco, quando le
curve di sollecitazioni a taglio e gli spostamenti orizzontali imitavano un comportamento fragile. D'altra parte, le sollecitazioni a taglio residue, sono state usate quando le curve delle sollecitazioni a taglio e gli spostamenti orizzontali sembravano avere un comportamento duttile. Si è visto che la coesione intercettata per campioni fibrorinforzati aumenta con l'aumentare del contenuto in fibre fino ad un valore di circa lo 0,75%. Oltre questa quantità di contenuto in fibre, i risultati dei test indicano che c'è stato un leggero aumento della coesione intercettata. Si può dire che le fibre distribuite casualmente fungono da rete spaziale tridimensionale, da interblocco per grani del suolo, aiutando i grani a formare una matrice unitaria coerente e a limitare eventuali spostamenti. Quindi, la coesione del terreno è stata migliorata (si veda l'articolo di Tang del 2007). D'altra parte, l'angolo della resistenza a taglio non cambia sensibilmente, se la quantità di fibre viene aumentata. Questo può essere attribuito al fatto che le inclusioni delle singole fibre non hanno avuto alcun effetto rilevante sulla microstruttura del suolo (si veda l'articolo di Tang del 2007).
Figura 110. Variazione delle sollecitazioni di taglio sotto sforzo normale, per ogni contenuto in fibre
Figura 111. Variazione dell'angolo di resistenza a taglio, al variare del contenuto in fibre
Figura 112. Variazione della coesione, al variare del contenuto di fibre
Le curve di carico-penetrazione ottenute dalle prove CBR per campioni non rinforzati e rinforzati sono mostrate nella fig. 113. Si è visto che lo stress sul pistone aumenta proporzionalmente con la penetrazione, per tutti i contenuti in fibre. In altre parole, le curve di carico-penetrazione assomigliano al comportamento duttile, non mostrando alcun carico di punta sul pistone. Inoltre, una variazione tipica della prova CBR con il contenuto di fibre
si può vedere dalla fig. 114. Si può vedere che il valore della CBR aumenta significativamente con l'aumento del contenuto di fibre fino circa allo 0,75% e rimane più o meno costante successivamente. L'aumento massimo della CBR è stato trovato circa all'80% (vale a dire, dal ~14% per il suolo non rinforzato al ~25% per il suolo rinforzato, con un tenore di fibre dello 0,75%). Una conclusione simile a questa, è stata indicata da Nataraj & McManis nel 1997, che hanno indicato che i valori della CBR per i provini in argilla sono stati significativamente migliorati con un rinforzo in fibre.
Figura 113. Curve ottenute dalle prove CBR per il carico di penetrazione
Figura 114. Effetto sulla prova CBR rispetto al contenuto in fibre di polipropilene
Conclusioni
È stato intrapreso uno studio per valutare gli effetti del rinforzo sulla distribuzione in fibre rispetto alla proprietà della resistenza di un terreno a grana fine. Sono stati condotti una serie di prove di compressione non confinate, prove a taglio diretto e test California sul rapporto dei cuscinetti. Nelle prove, il contenuto di fibre è stato scelto come parametro. I risultati di questo studio hanno prodotto le seguenti conclusioni.
La resistenza a compressione non confinata tendeva ad aumentare quando il contenuto di fibreèstatoaumentato.Tuttavia,l'aumentodellaresistenzaacompressionenonconfinata
non è stata significativa per contenuti di fibre maggiori di un determinato valore.
I risultati della prova a taglio diretto mostrano che il valore di coesione del terreno fibrorinforzato aumenta con un maggiore contenuto di fibre. D'altra parte, l'angolo di resistenza a taglio non è cambiato significativamente con il contenuto di fibre.
Le curve di carico-penetrazione ottenute dalle prove CBR indicano che i valori della CBR aumentano per un maggiore contenuto di fibre. Tuttavia, l'aumento dei valori della CBR non è stato evidente per contenuti in fibre maggiori di un determinato valore.
1.15. Plé & Lê - Effect of polypropylene fiber-reinforcement on the mechanical