Proprietà meccaniche e meccanismi di rottura del calcestruzzo rinforzato con fibre: influenza del tipo e del contenuto di fibre

Il calcestruzzo è il materiale più utilizzato Costruzione Materiale. Offre numerosi vantaggi, tra cui la sua ampia disponibilità, la semplicità del processo di produzione, il basso costo e la facilità di applicazione. È ampiamente utilizzato in vari settori come edilizia, strade, ponti, gallerie e ingegneria idraulica. Con lo sviluppo di un gran numero di progetti ingegneristici, anche le esigenze in termini di prestazioni del calcestruzzo sono gradualmente aumentate. Di conseguenza, sono emersi i difetti del calcestruzzo tradizionale, come l'insufficiente resistenza alla trazione, la scarsa resistenza alle fessurazioni e l'instabilità di volume. Pertanto, il miglioramento delle prestazioni del calcestruzzo è costantemente una delle principali direzioni di ricerca nell'ingegneria civile.

Per migliorare le prestazioni del calcestruzzo, in genere vengono aggiunte fibre per migliorarne le proprietà meccaniche e la tenacità. Alcuni esempi includono Fibra d'acciaios (SF), fibre sintetiche (come le fibre di polipropilene), fibre minerali (come le fibre di basalto - BF) e fibre di carbonio (CF). Questo approccio ha ulteriormente migliorato le prestazioni del calcestruzzo ad alte prestazioni (HPC) e del calcestruzzo ad altissime prestazioni (UHPC).

Le fibre possono, in una certa misura, migliorare le proprietà meccaniche del calcestruzzo. Tuttavia, diverse tipologie e contenuti di fibre comportano inevitabilmente variazioni significative nel loro impatto sulle proprietà meccaniche del calcestruzzo. Attualmente, il contenuto ottimale di fibre, la relazione quantitativa tra parametri rilevanti e proprietà meccaniche e i meccanismi alla base del calcestruzzo fibrorinforzato richiedono ancora ulteriori chiarimenti. Questo studio ha esaminato le fibre di carbonio (CF), fibre di basalto (BF) e fibre d'acciaio (SF) come soggetti di ricerca, preparando campioni di calcestruzzo con diverso contenuto di fibre. Queste fibre sono state scelte per il loro documentato miglioramento delle prestazioni nel calcestruzzo e per la loro ampia applicazione. Attraverso esperimenti a variabili controllate, sono stati analizzati sistematicamente gli effetti del tipo e del contenuto di fibre sulla resistenza a compressione, sul modulo elastico e sulla modalità di rottura del calcestruzzo. Combinando tecniche di analisi di immagini digitali e microscopia elettronica a scansione (SEM), è stato osservato il comportamento evolutivo delle crepe del calcestruzzo fibrorinforzato durante gli esperimenti, portando alle seguenti conclusioni:

1.Rispetto al calcestruzzo ordinario (PC), l'incorporazione di fibre di acciaio (SF), fibre di carbonio (CF) e fibre di basalto (BF) ha migliorato significativamente le proprietà meccaniche del calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) e ne ha modificato la modalità di rottura. Queste fibre hanno modificato la compattezza del calcestruzzo e le caratteristiche iniziali di compressione dei pori. Con l'aumento del contenuto di fibre, la modalità di rottura è passata da fragile a duttile. Il punto di transizione critico era pari allo 0,5% per il calcestruzzo in fibre d'acciaio (SFC) e all'1,0% sia per il calcestruzzo in fibre di carbonio (CFC) che per il calcestruzzo in fibre di basalto (BFC). Per massimizzare le prestazioni meccaniche, il contenuto ottimale per le fibre d'acciaio era pari al 2,0%, per le fibre di carbonio all'1,0% e per le fibre di basalto allo 0,5%.

2. Sebbene il contenuto di fibre possa migliorare la compattezza e la capacità portante del calcestruzzo, un contenuto eccessivamente elevato può portare a un fenomeno di "saturazione", causando "agglomerazione" delle fibre. Ciò influisce negativamente sulle proprietà fisiche, sulla resistenza e sulle caratteristiche di deformazione del calcestruzzo. Il calcestruzzo in fibre d'acciaio ha raggiunto prestazioni ottimali con una frazione di volume di fibre del 2,0%, mentre il calcestruzzo in fibre di carbonio e il calcestruzzo in fibre di basalto hanno raggiunto le loro prestazioni ottimali rispettivamente all'1,0% e allo 0,5%. Oltre questi contenuti ottimali, le prestazioni sono diminuite.

3. L'analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) ha rivelato che il legame interfacciale tra le fibre e la matrice cementizia influenza significativamente le proprietà meccaniche macroscopiche del calcestruzzo. Una quantità appropriata di fibre forma una fitta struttura reticolare tridimensionale all'interno del calcestruzzo, migliorando la connettività della matrice e le prestazioni complessive. Tuttavia, un contenuto eccessivamente elevato di fibre porta all'agglomerazione delle fibre, creando regioni interfacciali deboli e riducendo la densità e la resistenza del calcestruzzo. Le variazioni nella microstruttura erano altamente coerenti con l'evoluzione delle proprietà meccaniche macroscopiche.

4. L'aggiunta di fibre ha alterato significativamente la modalità di rottura del calcestruzzo. Rispetto al calcestruzzo normale, il calcestruzzo fibrorinforzato ha mostrato una maggiore integrità post-rottura, con meno fessure e fessure più strette, e una maggiore tenacità. Le fibre d'acciaio si sono dimostrate le più efficaci nell'inibizione delle fessure, seguite dalle fibre di carbonio e dalle fibre di basalto. L'"effetto ponte" delle fibre ha svolto un ruolo cruciale nel sopprimere la propagazione delle fessure, mentre il "debole effetto interfaccia" ha avuto un impatto negativo sulle proprietà meccaniche.