Usi del calcestruzzo fibrorinforzato: Vantaggi e domande chiave

Il calcestruzzo è alla base della costruzione moderna, con continui miglioramenti delle sue prestazioni che rappresentano un obiettivo primario nell'ingegneria. L'emergere del calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) ha portato nuova vitalità a questo materiale essenziale. Tuttavia, solleva anche numerosi interrogativi: cosa sono esattamente le fibre? Cosa distingue le macrofibre dalle microfibre? Come si dovrebbero selezionare il tipo e il dosaggio di fibra appropriati? Questo articolo fornisce un'esplorazione approfondita del calcestruzzo fibrorinforzato, affrontando le preoccupazioni pratiche sull'applicazione e offrendo indicazioni per la costruzione di edifici più robusti e durevoli.

Le fibre svolgono un ruolo cruciale nel calcestruzzo, funzionando come materiali di rinforzo piuttosto che semplici additivi. Come definito in ACI CT-18 (Concrete Terminology), le fibre colmano le fessure, legando insieme il calcestruzzo e migliorando significativamente le sue prestazioni complessive.

La principale distinzione tra macrofibre e microfibre risiede nelle loro dimensioni, tipicamente misurate dal diametro equivalente o dalla densità lineare. Nell'industria FRC, la densità lineare è spesso espressa in denari, che rappresentano la massa (in grammi) di 9.000 metri di fibra.

Le principali differenze tra microfibre e macrofibre includono:

• Fibre sintetiche: ASTM D7508/D7508M specifica i requisiti per macrofibre, microfibre e fibre ibride (combinazioni di entrambe). Questo standard utilizza anche la resistenza alla trazione e la lunghezza di taglio come proprietà distintive aggiuntive.
• Microfibre naturali: ASTM D7357 delinea i requisiti di conformità per le fibre di cellulosa utilizzate in FRC.
• Fibre di acciaio: Classificate come macrofibre, ASTM A820/A820M stabilisce i requisiti minimi per le fibre di acciaio nelle applicazioni FRC.

• Microfibre: Controllano principalmente le fessurazioni da ritiro plastico. Ai dosaggi tipici, non forniscono controllo della temperatura o delle fessurazioni da ritiro, né migliorano altre proprietà del calcestruzzo. Tuttavia, le microfibre fibrillate utilizzate a dosaggi minimi di 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) possono sostituire il rinforzo in filo saldato leggero (WWR) per il controllo della temperatura e delle fessurazioni da ritiro.
• Macrofibre: Migliorano significativamente le prestazioni del calcestruzzo, tra cui la resistenza residua post-fessurazione, il trasferimento del carico attraverso le fessure, la maggiore durata, la tenacità a flessione, la resistenza a fatica, la resistenza all'urto e la capacità di taglio.

Esistono vari tipi di macrofibre sintetiche, ciascuno con vantaggi unici. Oltre alle proprietà fisiche come la resistenza alla trazione, il modulo elastico, la composizione del materiale o la forma, le differenze meno ovvie includono le prestazioni di miscelazione, la tendenza all'agglomerazione, la qualità della finitura superficiale e le caratteristiche di adesione con il calcestruzzo.

La chiave per l'uso corretto delle macrofibre sintetiche risiede nella selezione di dosaggi appropriati che soddisfino sia i requisiti di prestazione che le esigenze di lavorabilità/finitura. Le fibre più resistenti o quelle con migliori caratteristiche di adesione possono richiedere meno materiale rispetto alle alternative più deboli. I produttori dovrebbero fornire dati di prova a supporto delle raccomandazioni sul dosaggio, con miscele di prova consigliate in caso di incertezze.

Le microfibre controllano principalmente le fessurazioni da ritiro plastico. La ricerca dimostra che forniscono una capacità di carico trascurabile nel calcestruzzo indurito ai dosaggi tipici. Dosaggi più elevati di microfibre possono complicare la miscelazione a causa dell'aumento del numero di fibre e della superficie, causando potenzialmente problemi di lavorabilità e una significativa perdita di abbassamento.

Rispetto alle fibre più corte dello stesso tipo, le fibre più lunghe hanno una maggiore superficie, migliorando l'ancoraggio nel calcestruzzo indurito e migliorando le prestazioni post-fessurazione a dosaggi equivalenti. Tuttavia, esiste una lunghezza ottimale per ogni tipo di fibra, a seconda della forma specifica, delle caratteristiche di rigidità e della resistenza a compressione del calcestruzzo.

Le miscele di prova pre-progetto che considerano i metodi di posizionamento e i requisiti di finitura aiutano a determinare le lunghezze ideali delle fibre, prevenendo problemi come l'agglomerazione o la sporgenza della fibra superficiale.

Le macrofibre sintetiche (in particolare i monofilamenti grandi e grossolani) possono fornire una resistenza residua paragonabile alle fibre di acciaio, a seconda del dosaggio. Anche altri fattori come la deformazione prevista e le condizioni ambientali dovrebbero influenzare la selezione delle fibre. Per alcune applicazioni strutturali che richiedono fibre di acciaio, le alternative sintetiche non sono state validate.

Sebbene le macrofibre sintetiche abbiano tipicamente una resistenza alla trazione e un modulo elastico inferiori rispetto alle fibre di acciaio, forniscono significativamente più fibre per colmare le potenziali fessure. Se dosate correttamente, la capacità totale di trasferimento delle sollecitazioni attraverso le fessure dovrebbe essere equivalente. La resistenza sezionale effettiva dipende anche dalla qualità dell'adesione fibra-matrice: fibre ad alta resistenza con adesione insufficiente rendono scarsi candidati al rinforzo. Le prestazioni FRC riflettono il comportamento composito, non le proprietà delle singole fibre.

Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) incorpora fibre discrete (tipicamente fino a 2,5 pollici o 64 mm) nel calcestruzzo cementizio idraulico. I polimeri rinforzati con fibre (FRP) utilizzano fibre sostanzialmente più lunghe incorporate in matrici polimeriche senza cemento o aggregati.

Le quantità di fibre richieste dipendono dai criteri di prestazione FRC specificati. Per le microfibre che controllano il ritiro plastico, i rapporti di riduzione delle fessurazioni (CRR) guidano la determinazione del dosaggio secondo ASTM C1579. Per le macrofibre nel calcestruzzo indurito, i dosaggi dovrebbero soddisfare la resistenza residua specificata (ASTM C1399), la resistenza a flessione equivalente post-fessurazione (ASTM C1609) o la capacità di assorbimento di energia (ASTM C1550), considerando il tipo/spessore dell'elemento, la resistenza del calcestruzzo, le specifiche di rinforzo e i requisiti di carico.

Molti fornitori forniscono strumenti di progettazione (in particolare per le lastre) per calcolare i dosaggi appropriati.

Per le lastre, i dosaggi minimi sono tipicamente stabiliti dai produttori in base a test di prodotto standardizzati per soddisfare i requisiti o gli standard del settore.

ANSI/SDI C-2017 per i ponti metallici compositi specifica dosaggi minimi di macrofibre di 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) per fibre sintetiche e 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) per fibre di acciaio quando utilizzate per il controllo della temperatura/ritiro. In base ai requisiti UL, i limiti superiori sono 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) per le fibre sintetiche e 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) per le fibre di acciaio. Il rinforzo con fibre attualmente non sostituisce l'acciaio a momento negativo negli assemblaggi di ponti compositi.

I dosaggi inferiori alle raccomandazioni del produttore o ai requisiti del codice non sono consigliati. Gli ingegneri dovrebbero consultare i produttori di fibre in caso di incertezze su applicazioni o dosaggi.

Diverse fonti forniscono indicazioni sulla progettazione del calcestruzzo rinforzato con macrofibre in varie applicazioni strutturali:

• ACI 544.4R-18: Guida alla progettazione con FRC
• ACI 360R-10: Guida alla progettazione di lastre
• ACI 322-14: Requisiti del codice per il calcestruzzo residenziale

I produttori di fibre possono offrire ulteriori indicazioni specifiche per il prodotto.

Le specifiche FRC per macrofibre dovrebbero essere basate sulle prestazioni e specifiche per l'applicazione, utilizzando metodi approvati da ACI 544.4R per calcolare parametri caratteristici come:

• Resistenza residua media (ASTM C1399)
• Resistenza residua o resistenza a flessione equivalente (ASTM C1609)

Esempio di specifica: "Il dosaggio delle fibre deve fornire una resistenza residua minima di 200 psi (1,4 MPa) in calcestruzzo da 4.000 psi (28 MPa)." La conformità deve essere verificata tramite i dati di prova del produttore secondo gli standard ASTM pertinenti.

Per il calcestruzzo proiettato, le prestazioni del calcestruzzo proiettato fibrorinforzato (FRS) sono determinate dalla capacità di assorbimento di energia (ASTM C1550 o EN 14488-5). Esempio di specifica: "Il dosaggio delle fibre deve fornire un assorbimento di energia minimo di 280 J a 7 giorni in calcestruzzo proiettato da 4.000 psi (28 MPa)."

Le prestazioni post-fessurazione di FRC possono essere valutate tramite ASTM C1609, C1399 o C1550 (assorbimento di energia). Gli ingegneri dovrebbero determinare i valori appropriati in base all'intento progettuale e ai livelli di prestazione richiesti, facendo riferimento ad ACI 544.4R per la guida.

Alcune fibre (ad esempio, acciaio) vicino alle superfici in calcestruzzo in ambienti esposti possono corrodersi. Sebbene tale corrosione localizzata non comprometta l'integrità strutturale, il suo impatto estetico dovrebbe essere valutato in anticipo. Le fibre sintetiche e naturali sono non corrosive e chimicamente inerti, non influenzate dalle condizioni ambientali.

Sebbene le fibre in genere non aumentino la resistenza a flessione alla prima fessurazione del calcestruzzo (modulo di rottura, ASTM C78), migliorano la capacità a flessione della lastra e la resistenza a fatica. Appropriati valori di tenacità specifici per le fibre consentono a sezioni di calcestruzzo più sottili di supportare i carichi di progetto.

ANSI/SDI C-2017 consente l'utilizzo di macrofibre in acciaio o sintetiche (a dosaggi determinati dal produttore che soddisfano i requisiti minimi) per sostituire il rinforzo in filo saldato (WWR) per il controllo delle fessurazioni, non per la resistenza alle sollecitazioni strutturali.

In base alle valutazioni UL e ICC-ES, alcune microfibre sono riconosciute come alternative WWR in specifici assemblaggi di pavimenti/soffitti resistenti al fuoco.

Questo problema storico si è verificato principalmente con le microfibre sintetiche quando sono state utilizzate tecniche di finitura improprie. Le moderne microfibre monofilamento (tipicamente limitate a 1,0–1,5 lb/yd³ o 0,6–0,9 kg/m³) e le macrofibre minimizzano questo effetto. La miscelazione, il posizionamento e la finitura corretti producono superfici eccellenti. La sporgenza della fibra superficiale non compromette l'integrità della lastra: i cannelli a fiamma possono sciogliere le fibre esposte se sorgono problemi estetici.

Sebbene alcuni sintetici (ad esempio, nylon) assorbano piccole quantità di acqua di miscelazione, le comuni fibre di polipropilene/polietilene sono idrofobiche. L'apparente riduzione dell'abbassamento a dosaggi più elevati deriva dal fatto che le fibre agiscono come agenti coesivi piuttosto che dall'assorbimento di acqua.

L'aggiunta di acqua riduce la resistenza del calcestruzzo. Quando l'elevato contenuto di fibre influisce sulla lavorabilità, dovrebbero essere utilizzati additivi chimici, non acqua extra.

I punti di aggiunta ideali variano in base alla forma, alla rigidità e al dosaggio delle fibre: alcuni funzionano meglio come primi ingredienti, altri dopo che tutti i materiali sono stati caricati. I produttori possono fornire indicazioni, con prove pre-progetto consigliate per determinare la tempistica ottimale dell'aggiunta e la durata della miscelazione.

Per il calcestruzzo normale, si consiglia tipicamente una miscelazione di 4–5 minuti dopo l'aggiunta di tutti gli ingredienti per le operazioni di premiscelazione.

Tutti i tipi di fibre possono agglomerarsi a causa di una miscelazione insufficiente, di una sequenza impropria o dell'aggiunta a miscele eccessivamente secche prive di sufficienti fini per rivestire le fibre. Le prove pre-progetto aiutano a verificare la compatibilità della miscela con il tipo e il dosaggio di fibra previsti.

Gli effetti dell'abbassamento dipendono da:

• Abbassamento iniziale della miscela (maggiore impatto con abbassamenti iniziali inferiori)
• Numero di fibre e dosaggio (dosaggi più elevati aumentano l'impatto)
• Superficie totale delle fibre (un'area maggiore aumenta l'impatto)

Si noti che le misurazioni del cono di abbassamento indicano la consistenza del lotto, non necessariamente l'effettiva lavorabilità. Sebbene l'abbassamento visivo possa apparire ridotto, l'effettiva lavorabilità potrebbe essere meno influenzata. Le prove pre-progetto determinano se sono necessari adeguamenti della lavorabilità.

Le microfibre possono influire sull'abbassamento più delle macrofibre a rapporti lunghezza-diametro e dosaggi equivalenti a causa del numero di fibre più elevato per libbra. Generalmente:

• Microfibre sintetiche (1,0–3,0 lb/yd³ o 0,6–1,8 kg/m³): perdita di abbassamento di 1–3 pollici (25–75 mm)
• Macrofibre sintetiche (3,0–10,0 lb/yd³ o 1,8–6,0 kg/m³) o fibre di acciaio (15–50 lb/yd³ o 9–29,6 kg/m³): perdita di abbassamento di 1–5 pollici (25–125 mm)

I plastificanti (riduttori d'acqua di media o alta gamma) dovrebbero compensare la perdita di abbassamento. Potrebbero essere necessari adeguamenti della miscela a dosaggi elevati per garantire un contenuto di pasta adeguato. Evitare l'eccesso di acqua per prevenire la riduzione della resistenza e la segregazione.

Le macrofibre generalmente non influiscono negativamente sul contenuto d'aria o sulla resistenza a compressione. I cambiamenti percepiti derivano spesso da una miscelazione eccessiva, dall'aggiunta di acqua, dalle variazioni di temperatura o da una misurazione errata dell'umidità negli aggregati. Le fluttuazioni dell'aria possono anche essere correlate alle effettive variazioni di abbassamento. Alcuni trattamenti superficiali storici delle fibre potrebbero introdurre aria indesiderata, ma questo è ormai raro.

Le variazioni di peso unitario dipendono dal tipo di fibra e dagli adeguamenti del mix design. Le fibre sintetiche in genere non alterano il peso unitario se il contenuto d'aria rimane costante. Le fibre di acciaio ad alta densità possono aumentare il peso unitario a seconda della frazione volumetrica e degli adeguamenti della miscela.

Nel calcestruzzo di peso normale, le fibre adeguatamente proporzionate e miscelate non galleggiano né affondano a causa del peso specifico del materiale e della viscosità del calcestruzzo miscelato. Le fibre aiutano effettivamente a sospendere aggregati più grandi e a prevenire la segregazione.

Generalmente compatibili, ma alcuni ausili di lavorazione delle fibre o finiture di filatura potrebbero influire su altri prodotti chimici del calcestruzzo. Verificare sempre con i produttori di fibre.