Proprietà meccaniche e meccanismi di rottura del calcestruzzo fibrorinforzato: influenza del tipo e del contenuto di fibre
Il calcestruzzo è il materiale più utilizzato Costruzione Il calcestruzzo è un materiale versatile che offre numerosi vantaggi, tra cui un'ampia disponibilità, un processo produttivo semplice, un basso costo e una facile applicazione. Trova impiego in diversi settori, come edilizia, strade, ponti, gallerie e ingegneria idraulica. Con lo sviluppo di un gran numero di progetti ingegneristici, sono aumentate anche le esigenze prestazionali del calcestruzzo. Di conseguenza, sono emersi i limiti del calcestruzzo tradizionale, come l'insufficiente resistenza alla trazione, la scarsa resistenza alle fessurazioni e l'instabilità volumetrica. Pertanto, il miglioramento delle prestazioni del calcestruzzo è da sempre una delle principali direzioni di ricerca nell'ingegneria civile.
Per migliorare le prestazioni del calcestruzzo, in genere si aggiungono fibre per migliorarne le proprietà meccaniche e la tenacità. Esempi includono: Fibra d'acciaiofibre sintetiche (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, diversi tipi e contenuti di fibre portano inevitabilmente a variazioni significative nel loro impatto sulle proprietà meccaniche del calcestruzzo. Attualmente, il contenuto ottimale di fibre, la relazione quantitativa tra i parametri rilevanti e le proprietà meccaniche e i meccanismi alla base del calcestruzzo rinforzato con fibre 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 provini di calcestruzzo con diversi contenuti di fibre. Queste fibre sono state scelte per il loro ben 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 di evoluzione delle fessure del calcestruzzo fibrorinforzato durante gli esperimenti, giungendo alle seguenti conclusioni:
1. Rispetto al calcestruzzo ordinario (PC), l'incorporazione di fibre d'acciaio (SF), fibre di carbonio (CF) e fibre di basalto (BF) hanno migliorato significativamente le proprietà meccaniche del calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) e ne hanno modificato la modalità di rottura. Queste fibre hanno cambiato la compattezza del calcestruzzo e le caratteristiche di compressione iniziale dei pori. Con l'aumento del contenuto di fibre, la modalità di rottura è passata da fragile a duttile. Il punto di transizione critico è stato dello 0,5% per il calcestruzzo con fibre d'acciaio (SFC) e dell'1,0% sia per il calcestruzzo con fibre di carbonio (CFC) che per quello con fibre di basalto (BFC). Per massimizzare le prestazioni meccaniche, il contenuto ottimale per le fibre d'acciaio è stato del 2,0%, per le fibre di carbonio dell'1,0% e per le fibre di basalto dello 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 l'"agglomerazione" delle fibre. Ciò influisce negativamente sulle proprietà fisiche, sulla resistenza e sulle caratteristiche di deformazione del calcestruzzo. Il calcestruzzo con fibre d'acciaio ha raggiunto prestazioni ottimali con una frazione volumetrica di fibre del 2,0%, mentre il calcestruzzo con fibre di carbonio e quello con 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 mediante microscopia elettronica 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 struttura reticolare tridimensionale densa all'interno del calcestruzzo, migliorando la connettività della matrice e le prestazioni complessive. Tuttavia, un contenuto di fibre eccessivamente elevato porta all'agglomerazione delle fibre, creando regioni interfacciali deboli e riducendo la densità e la resistenza del calcestruzzo. Le modifiche nella microstruttura sono risultate altamente coerenti con l'evoluzione delle proprietà meccaniche macroscopiche.
4. L'aggiunta di fibre ha modificato significativamente la modalità di rottura del calcestruzzo. Rispetto al calcestruzzo normale, il calcestruzzo fibrorinforzato ha mostrato una maggiore integrità post-rottura, con fessure meno numerose e più strette, e una maggiore tenacità. Le fibre d'acciaio si sono rivelate le più efficaci nell'inibire la fessurazione, seguite dalle fibre di carbonio e dalle fibre di basalto. L'"effetto ponte" delle fibre ha svolto un ruolo cruciale nella soppressione della propagazione delle fessure, mentre l'"effetto interfaccia debole" ha avuto un impatto negativo sulle proprietà meccaniche.
