Fiber reinforced concrete

Acknowledgements

The author gratefully acknowledges all the help and assistance extended by Prof. M. di Prisco, who exhibited a great deal of patience as the writing of this thesis progressed. The expertise provided by Dr. M. di Prisco was invaluable. Sincere appreciation is also expressed for both the teaching and research assistantships provided during my Master’s program.

Special gratitude and thanks to the Research Technicians, Simone Lampolla, Lamberti for their invaluable technical support and the Department of Civil and Environmental Engineering for this opportunity.

Abstract

The mitigation of the risk of slope stability problems can be performed in different ways and new designs can benefit from the material properties of fiber reinforced concrete in terms of light weight, fast assemblage etc. 

The main goal of this thesis report is to characterize the performance of high performance concrete plates reinforced with straight steel fibers and with special high bond steel bars for use in applications of stabilizing earth slopes. Results from a series of tests with known boundary conditions on fiber reinforced concrete specimens are reported and discussed. Moreover, the present thesis is aimed at an accurate FE-modelling of the behavior of plates loaded by a post tensioned anchor. The code used is Diana with a…….. material model.  Thus the experimental results from tests on plates are presented with the results from FE-simulations.  

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1- INTRODUZIONE

I materiali a base cementizia sono caratterizzati da un comportamento piuttosto fragile,

da una limitata resistenza a trazione e da una scarsa capacità deformativa. Se sottoposti

a sforzi di trazione, pertanto, si deformano elasticamente, alla risposta elastica segue

però immediatamente una fase di micro-fessurazione e di successiva rottura.

L’introduzione di un rinforzo fibroso diffuso all’interno della matrice cementizia

permette di limitarne tale fragilità, dando origine a materiali eterogenei caratterizzati da

maggiore resistenza, ma soprattutto da maggiore tenacità. Nasce proprio da questa idea

il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC, “Fiber Reinforced Concrete”) cioè un materiale

composito costituito da calcestruzzo ordinario e fibre di varia natura.

L’utilizzo delle fibre come rinforzo consente di individuare le seguenti componenti

principali:

- la matrice cementizia (legante);

- l’aggregato (sabbia e/o ghiaia);

- l’acqua

- le fibre.

In relazione al materiale che le costituisce, le fibre possono essere classificate in

metalliche, naturali o sintetiche.

Le fibre si definiscono “strutturali” quando consentono anche di incrementare

sensibilmente la tenacità del calcestruzzo naturale e fibre “non strutturali” quando

risultano efficaci nel limitare la fessurazione e migliorare la resistenza al fuoco.

È noto che l’aggiunta di fibre non influisce in modo significativo sul miglioramento

delle proprietà meccaniche del calcestruzzo prima della fessurazione ma produce

benefici solo in fase di post-fessurazione, svolgendo un’azione di cucitura delle fessure

e fornendo una resistenza residua ad avvenuta fessurazione.

Il maggiore sviluppo del calcestruzzo fibrorinforzato si è avuto a partire dagli anni

Sessanta. Da allora si sono registrati progressivi miglioramenti riguardo le conoscenze

relative al ruolo svolto dal rinforzo fibroso nei materiali a base cementizia, attraverso lo

studio dell’effetto delle fibre sulla tenacità del composito e dell’interazione fibramatrice.

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L’uso del fibrorinforzo è talvolta economicamente più conveniente rispetto all’armatura

ordinaria poiché consente di eliminare i tempi di posa dell’armatura e garantisce la

presenza di un rinforzo anche nei punti in cui la tradizionale armatura fatica a rimanere

nella corretta posizione durante le operazioni di getto.

In particolare, le fibre strutturali sono indicate per integrare o sostituire l’armatura

diffusa (es. staffe o armatura di parete) in quanto quella convenzionale si presta meglio

a funzionare come armatura concentrata (es. armatura flessionale nelle travi).

Le prestazioni del calcestruzzo fibrorinforzato dipendono da una distribuzione

omogenea delle fibre di acciaio nella matrice, dalla loro forma e dalla qualità

dell’acciaio. Esse devono garantire un buon ancoraggio alla matrice; la presenza di

sagomature alle loro estremità è particolarmente utile per l’interazione meccanica che si

verifica tra la fibra e il calcestruzzo adiacente. È importante quindi che le fibre abbiano

un’ottima resistenza a trazione in modo tale che si verifichi sempre lo sfilamento della

fibra e non la sua rottura.

L’uso del calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio è in continua espansione

soprattutto nelle strutture caratterizzate da basso spessore ed un’ampia superficie

orizzontale. La sua miglior capacità di controllo dell’apertura di fessura e la maggiore

resistenza post-picco lo rendono un materiale estremamente indicato per le applicazioni

dove sono richieste proprietà quali resistenza ai carichi impattivi, agli shock termici,

all’abrasione nonché in tutte quelle situazioni in cui sia richiesta al materiale una

notevole capacità di assorbire e dissipare energia.

L’FRC trova oggi applicazione nelle pavimentazioni industriali, nei serbatoi, in vasche

di varia natura comprese le piscine, nei rivestimenti delle gallerie con conci

prefabbricati o spritz-beton (gunite).

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2- I CALCESTRUZZI FIBRORINFORZATI

2.1- PROPRIETA’  CHIMICO – FISICHE - MECCANICHE DEL

CALCESTRUZZO

2.1.1- Composizione del calcestruzzo e “mix design”

Il calcestruzzo è un conglomerato artificiale, composto da:

- cemento (legante idraulico);

- materiale inerte di diverse dimensioni (sabbia, ghiaia e pietrisco) costituente lo

scheletro solido del conglomerato;

- acqua.

La miscela di pasta di cemento (cemento e acqua) e di sabbia è  detta “malta di

cemento”, aggiungendo aggregati grossi alla “malta di cemento” si ottiene il

calcestruzzo.

Fig 1- Componenti del calcestruzzo

Il calcestruzzo fresco, chiamato anche impasto, successivamente ai fenomeni di presa e

di indurimento, assume l’aspetto e la consistenza definitivi (calcestruzzo indurito o

stagionato).

La presa è la fase iniziale della stagionatura, ha una breve durata che può variare da

qualche minuto a qualche giorno; si considera terminata quando l’impasto non può più

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essere manipolato. L’indurimento è la fase nella quale l’impasto già rappreso acquista

resistenza meccanica, essa può durare da qualche ora a qualche anno a seconda del tipo

di legante e delle condizioni di stagionatura.

Il calcestruzzo ordinario è quello più comunemente usato e caratterizzato da elevata

densità; il calcestruzzo leggero è invece quello ottenuto con aggregati leggeri o porosi

(ad esempio con pomice, argilla espansa, polistirolo espanso, ecc.) oppure con additivi

speciali.

A seconda delle modalità  di lavorazione e costipamento si distinguono calcestruzzi

asciutti, plastici, fluidi; oppure calcestruzzi colati, pompati, vibrati, centrifugati, a

penetrazione di malta.

I tipi di cemento più  usati sono:

A) cementi normali e ad alta resistenza di cui fanno parte il cemento Portland,

pozzolanico e d’alto forno;

B) cemento alluminoso.

Il cemento

Il cemento svolge un ruolo fondamentale nella composizione del calcestruzzo insieme

all’acqua d’impasto; esso è considerato un legante idraulico in quanto ha la proprietà di

far presa ed indurire nell’acqua.

La qualità  del calcestruzzo è particolarmente influenzata dalle proporzioni d’acqua e di

cemento (A/C) impiegati per l’impasto: un rapporto acqua/cemento basso è un

presupposto fondamentale per ottenere un calcestruzzo di qualità con caratteristiche

fisico-meccaniche superiori.

Le prestazioni del calcestruzzo in fase di servizio, a parità del rapporto A/C e di

aggregati, possono variare significativamente in funzione del tipo di cemento utilizzato;

per questa ragione, è facile comprendere che i cementi dovranno essere classificati in

base alle loro prestazioni e alla loro composizione.

È possibile classificare i cementi per classe, tipo, sottotipo e per classe di resistenza; per

ogni tipo di cemento il produttore fornisce le seguenti classi di resistenza: 32.5; 32.5R;

42.5; 42.5R; 52.5; 52.5R. Il numero (32.5, 42.5 o 52.5) identifica la soglia minima di

resistenza meccanica a compressione, in N/mm2, a 28 giorni di stagionatura.

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Il cemento più utilizzato nelle costruzioni è il cemento Portland che è ottenuto cuocendo

una miscela di terre naturali o artificiali (calcare, argilla, cenere di pirite, ecc.) e

macinando successivamente il prodotto della cottura (clinker di cemento Portland).

Gli aggregati

Gli aggregati rappresentano il 60-80% della massa del conglomerato cementizio, essi

costituiscono lo scheletro del calcestruzzo allo stato indurito e caratterizzano la

resistenza, la deformabilità e la durabilità del prodotto finito. In relazione al diametro

medio, gli aggregati si distinguono in fini (sabbie d<4mm) o grossi (ghiaie).

Per conferire al calcestruzzo una buona resistenza, l’assortimento del materiale inerte o

meglio dell’aggregato deve avere un volume minimo di vuoti e richiedere quindi la

minima quantità d’acqua per l’impasto. In sostanza l’inerte deve essere bene assortito in

modo tale che i granuli più fini si possano collocare nei vuoti interstiziali presenti tra

quelli dei grani più grossi. In questo modo verrà a formarsi di uno scheletro di elementi

lapidei con un contenuto di vuoti interstiziali relativamente ridotto. Tali vuoti saranno

poi occupati dalla pasta di cemento (cemento e acqua) che, una volta indurita,

trasformerà l’inerte in un conglomerato monolitico.

Il controllo della granulometria si realizza tracciando la curva granulometrica della

miscela, ottenuta riportando in un diagramma la percentuale in peso degli inerti passanti

in crivelli con fori di diametro d in funzione del diametro dei grani.

Per ottenere un conglomerato con la massima densità possibile, cioè con il minor

contenuto di vuoti tra i singoli granuli, occorre che la miscela di inerti abbia una corretta

granulometria e che la curva granulometrica completa del sistema solido (cemento e

aggregato) segua la seguente formula, proposta da Füller e Thompson:

P = 100 (d/D)1/2 [1]

dove P è la percentuale di materiale passante al setaccio con apertura d e D è il

diametro massimo dell’aggregato analizzato.

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Fig 2 – Curva granulometrica di Fuller

Occorre notare che la curva di Fuller non tiene conto di tutte le caratteristiche fisiche del

materiale; in particolare un calcestruzzo che soddisfa l’equazione [1] è caratterizzato da

un elevato impacchettamento dei suoi granuli e di conseguenza presenta scarsa

lavorabilità.

Bolomey ha pertanto ripreso la formula di Fuller aggiungendo un parametro (A) il cui

valore è funzione dei requisiti fisici dell’aggregato e dipende dalla fluidità dell’impasto.

Secondo Bolomey per la miscela cemento e aggregato vale la relazione:

P = A + (100 – A) · (d/D)1/2 [2]

Valori di A per calcestruzzi con consistenza di:

Tipo di aggregato Terra umida Plastica semifluida Fluida superfluida

Alluvionali 8 10 12

Frantumati 10 12 14

Tabella 1 – Valori tipici di A per ottimizzare la granulometria secondo l’equazione di

Bolomey

Il parametro A cresce all’aumentare della lavorabilità e anche passando da aggregati

alluvionali, più tondeggianti, ad aggregati frantumati, più irregolari.

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Inoltre, si rileva che un aumento di A fa sì che aumenti anche la quantità di parti fini

presenti nell’aggregato1.

Fig. 3 – Curva granulometrica di Bolomey

Le curve di Fuller e Bolomey forniscono le distribuzioni granulometriche che danno i

migliori risultati dal punto di vista della resistenza e della lavorabilità del calcestruzzo.

Per stabilire se la curva granulometrica di un determinato aggregato sia o meno

accettabile si deve fissare un criterio di tolleranza: per i diversi setacci si stabilirà un

margine superiore e uno inferiore rispetto al valore della curva teorica e si otterranno

così una curva inferiore e una superiore a quella ottimale (fuso granulometrico, vedi

figura 4). Un aggregato sarà considerato accettabile se la sua curva granulometrica è

compresa nel fuso:

Fig. 4 – Fuso granulometrico

1 La costante A è nulla solo per materiali fini quali sabbie con D _ 10 mm , mentre Fuller considera A = 0

qualunque sia lo stato fisico e la fluidità del materiale.