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LE
FIBRE DI ACCIAIO NELLE PAVIMENTAZIONI RIGIDE
Il crescente ricorso alle fibre di acciaio come alternativa all'utilizzo
della rete metallica tradizionale rappresenta la naturale risposta
ai vantaggi di tipo tecnico che vengono richiesti dai produttori e
dai clienti.
Le migliaia di piccole e sottili fibre introdotte nell'impasto di
calcestruzzo all'atto della miscelazione tendono a distribuirsi in
maniera relativamente uniforme, ma comunque casuale, all'interno di
tutta la matrice cementizia.
Questo fenomeno permette che tutte le fessurazioni che si concentrerebbero
sulla parte superiore della pavimentazione possano essere ridistribuite
lungo l'intera superficie, in modo da generare una serie di microfessurazioni
uniformemente diffuse.
Tuttavia, i costi in gioco sono inevitabilmente alti, in quanto è
oggettivamente riconosciuto il significativo costo delle fibre.
E' altresì vero che le fibre di acciaio consentono all'elemento
strutturale di migliorare le proprie prestazioni sotto il profilo
del ritiro plastico, e che la loro presenza nell'impasto migliora
la duttilità del calcestruzzo nella fase successiva alla rottura,
cioè la tenacità, oltre a garantire migliori prestazioni
sotto il profilo della resistenza all'impatto ed alle abrasioni.
Inoltre, sono significativi i miglioramenti nella resistenza a flessione
ed al taglio, mentre risulta minimo il vantaggio ottenuto in termini
di resistenza a compressione del calcestruzzo additivato con fibre
di acciaio.
Da un punto di vista pratico, il maggior vantaggio che si può
osservare, soprattutto nelle pavimentazioni industriali molto estese,
consiste nella possibilità di aumentare la distanza tra i giunti,
con conseguente risparmio in termini di manutenzione.
Tuttavia, oltre ai costi maggiori, vi sono altri inconvenienti nell'utilizzo
del calcestruzzo fibro-rinforzato. Le fibre vengono, infatti, distribuite
nella lastra per tutta la profondità dell'elemento, e non esclusivamente
nella parte superiore dove sarebbero maggiormente utili.
A ciò si aggiunga il fatto che le fibre di acciaio si trovano
ad essere disposte in maniera del tutto casuale, come già accennato,
piuttosto che orientate nella direzione del massimo sforzo di trazione.
Se si pensa, ad esempio, a tutte quelle fibre che si trovano orientate
in verticale (direzione, questa, lungo la quale il calcestruzzo non
presenta particolari problemi sotto il profilo del ritiro) si capisce
che solo una parte delle fibre, in realtà, assolve ai compiti
richiesti.
Un altro aspetto meritevole di attenzione è la considerazione
che, anche se il calcestruzzo è perfettamente progettato e
posto in opera, potrebbe accadere che alcune fibre fuoriescano dalla
superficie dell'elemento strutturale, creando qualche problema in
fase di esercizio.
Last but not least, occorre tener in conto la riduzione nella
lavorabilità del calcestruzzo a seguito dell'aggiunta delle
fibre, per la qual cosa è opportuno intervenire in maniera
sapiente sulle proporzioni del calcestruzzo nella fase del mix
design.
Molti di questi problemi potrebbero essere risolti con l'adozione
di un sistema in grado di allineare le fibre lungo un prestabilito
piano orizzontale, all'interno del calcestruzzo. Ciò garantirebbe
ai materiali di essere molto più efficaci nella loro azione,
portando nel contempo ad una significativa riduzione dei quantitativi
di fibre da utilizzare.
A ciò, infine, si aggiunga il vantaggio di non avere più
fibre che fuoriescono dalla superficie dell'elemento strutturale,
garantendo, di fatto, una migliore qualità della pavimentazione
così realizzata.
ALLINEAMENTO
DELLE FIBRE DI ACCIAIO MEDIANTE L'UTILIZZO DI MAGNETI PERMANENTI
I grandi
sviluppi compiuti nel settore della tecnologia dei magneti ha permesso
l'utilizzo di piccoli ma potenti magneti permanenti in diverse applicazioni
industriali.
In questo contesto un ricercatore svedese, Bjorn Svedberg, ha realizzato
un brevetto sul concetto dell'allineamento delle fibre di acciaio
all'interno delle lastre di calcestruzzo, ad una profondità
prestabilita e lungo una direzione prescelta, mediante l'utilizzo
di magneti compatti trascinati all'interno del calcestruzzo fresco
(Fig.1). West (1) ha cercato poi di sviluppare praticamente uno strumento
di questo tipo, in modo da poterne verificare l'effettiva efficacia.
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Fig.
1 - Schema di base del prototipo per l'allineamento delle fibre
di acciaio.
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E' stato,
pertanto, realizzato un prototipo collegato ad uno screed vibrante
in modo da trarre profitto dal movimento delle fibre durante la vibrazione;
la coda del prototipo è stata posizionata ad una profondità
tale da permettere che lo strato finale di fibre si trovasse a 5 cm
al di sotto della superficie. Mentre lo strumento ruota, lo screed
si muove orizzontalmente lungo la lastra, scorrendo su delle guide
posizionate sui bordi dell'elemento strutturale stesso.
Il magnete all'interno del prototipo è stato progettato in
modo da attrarre anche le fibre più lontane e trascinarle lungo
la circonferenza del prototipo, per poi depositarle in maniera pressoché
orizzontale nella scia dello strumento medesimo (Fig. 2).
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Fig.
2 - La cassaforma ed il cilindro metallico utilizzati per gli
esperimenti
sulla omogeneità del calcestruzzo.
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Nella
fase di progettazione dell'apparecchiatura per l'allineamento delle
fibre sono stati tenuti in considerazione molteplici aspetti: la forza
e la ampiezza del campo magnetico, la velocità angolare del
magnete, la velocità di trascinamento dello screed,
la reologia del calcestruzzo, tale da non interferire con l'azione
di trascinamento, nonché la robustezza del prototipo.
Per un buon funzionamento dell'apparecchiatura, è necessario
che anche le fibre più lontane, soprattutto quelle ubicate
sulla superficie, vengano attratte: tuttavia, il campo magnetico generato
non deve essere tanto forte da costringere le fibre a restare incollate
al prototipo, altrimenti le stesse non potrebbero poi essere allineate
nella scia dello stesso. Ove ciò dovesse accadere, infatti,
il processo di allineamento verrebbe annullato dall'addensamento delle
fibre sulla superficie del prototipo.
Un altro aspetto fondamentale da considerare è quello relativo
alla forma ed alle dimensioni del prototipo, che devono essere tali
da minimizzare l'insorgenza di disomogeneità nel calcestruzzo
durante e dopo il trascinamento.
Per questo motivo la lavorabilità del conglomerato cementizio
deve essere scelta con particolare cura, in modo da avere esattamente
sotto controllo l'area relativa al campo magnetico prescelto, in funzione
del tipo di magnete e di fibre utilizzati durante il procedimento.
In definitiva, benché l'azione di allineamento delle fibre
di acciaio si è dimostrata positiva, alcune perplessità
sono nate in relazione al turbamento della omogeneità del conglomerato
cementizio nella scia del prototipo al suo interno trascinato.
Per questo motivo, un mirato programma di esperimenti di laboratorio
è stato condotto, al fine di quantificare la eventuale riduzione
di resistenza del calcestruzzo lungo la profondità dell'elemento
strutturale.
Questo aspetto rappresenta l'oggetto dello studio riferito in questo
articolo.
PARTE SPERIMENTALE
L'obiettivo di questo studio sperimentale è quello di valutare
le variazioni nella densità e nella resistenza del calcestruzzo
nella scia di un prototipo cilindrico trascinato all'interno del conglomerato
cementizio fibrorinforzato, vibrato o meno, quando lo stesso è
ancora fresco.
Questa valutazione è stata fatta confrontando i risultati di
test condotti con la strumentazione ad ultrasuoni Pundit e con il
martello di Schmidt su sottili fette tagliate lungo la profondità
di lastre di calcestruzzo fibrorinforzato.
Per la realizzazione delle lastre è stato utilizzato un calcestruzzo
con 415 kg/m3 di cemento Portland, 720 kg/m3
di sabbia, 345 kg/m3 e 690 kg/m3 di pietra calcarea
frantumata di diametro massimo rispettivamente pari a 10 mm e 20 mm,
oltre a 195 litri di acqua. Lo slump misurato è stato
pari a 160 mm, e tutte le lastre sono state accuratamente vibrate
dopo la posa in opera.
Sono state gettate tre lastre di conglomerato cementizio di dimensioni
di 100x100x20 cm:
- una
lastra in calcestruzzo ordinario senza fibre vibrata senza alcuna
azione di trascinamento al suo interno(provini P);
- una
lastra dello stesso tipo, ma caratterizzata da un'azione di vibrazione
solo lungo la sua semilarghezza (provini V1/2 se vibrati, U1/2 se
non vibrati);
- una
terza lastra in calcestruzzo fibrorinforzato (provini F), utilizzando
fibre ondulate da 25 mm in quantità pari a 40 kg/m3.
Sono
stati realizzati nove cubetti per ogni impasto in modo da valutare
la resistenza a compressione; i risultati delle prove a compressione
sono mostrati nella Tabella 1.
Tabella
1 - Resistenza a compressione dei provini cilindrici dopo 28
giorni.
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Il prototipo
cilindrico aveva un diametro di 7 cm ed è stato trascinato
all'interno delle lastre di calcestruzzo, a metà della sua
profondità.
Dopo 28 giorni dalla posa in opera, la lastra di calcestruzzo ordinario
e quella di calcestruzzo vibrato solo per metà larghezza sono
state posizionate in piedi su uno spigolo, in modo da poter eseguire
i test ad ultrasuoni per la misurazione della uniformità del
materiale al suo interno, in profondità, mediante l'apparecchiatura
Pundit.
Per la lastra in calcestruzzo fibrorinforzato non è stata eseguita
alcuna misurazione, a causa dell'interferenza nelle operazioni di
lettura generata dalla presenza delle microfibre di acciaio
Si è avuta la conferma del fatto che la mancanza dell'effetto
vibratorio successivamente al getto del conglomerato cementizio, produce
dei cambiamenti significativi, pur se abbastanza ridotti, nella uniformità
del materiale.
Al fine, poi, di verificare ulteriormente le variazioni di uniformità
in zone precise della lastra, ovvero nel centro ed in prossimità
della superficie, questi elementi sono stati tagliati in 4 fette di
50 mm lungo l'asse longitudinale; in questo modo, utilizzando il martello
di Schmidt, è stato poi possibile valutare le differenze di
resistenza lungo la profondità dell'elemento strutturale.
Su ognuna di queste fette longitudinali è stata tracciata una
griglia con 27 nodi: di questi, pertanto, nove erano rappresentativi
della lastra in una zona prossima alla superficie, nove della zona
centrale e nove della parte inferiore dell'elemento strutturale.
Per ognuno di questi punti sono state eseguite 12 letture della resistenza
mediante il martello e calcolati i corrispondenti valori medi, i quali
sono poi stati considerati come valori rappresentativi dei nodi medesimi.
Raccogliendo tutte queste letture (Tabella 2), si è verificato
che le zone in corrispondenza della superficie inferiore e di quella
superiore presentano un comportamento analogo, indipendentemente dalla
presenza o meno dell'effetto vibratorio. Per questo motivo, da questa
fase in poi, sono stati considerati solamente i risultati relativi
ai nodi ubicati nella parte superiore ed in quella centrale della
lastra, zone ove il comportamento dell'elemento strutturale presenta
differenze significative.
Tabella
2 - Valore medio (Rc28) e deviazione standard per
le letture con il martello di Schmidt per tutte le fette longitudinali
della lastra vibrata,e non vibrata.
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Prove
analoghe sono state eseguite anche sulle altre lastre, ed i risultati
possono essere riassunti nella Tabella 3. Da esse si evince che, nella
lastra di calcestruzzo vibrato, vi è una perdita di resistenza
di circa il 14%, passando dalla superficie alla zona centrale dell'elemento
strutturale, mentre detto calo è pari a circa il 18% per la
lastra di conglomerato cementizio rinforzato con fibre di acciaio.
Queste significative differenze sono certamente da attribuirsi al
movimento del prototipo all'interno dell'impasto cementizio, il quale
genera dei problemi sulla omogeneità del materiale e della
sua resistenza: e la conferma a queste considerazioni deriva dall'alto
numero di misurazioni effettuate e dal basso valore della deviazione
standard corrispondente.
Un'analisi approfondita dei risultati contenuti nella Tabella 3 porta
a delle conclusioni che sono statisticamente verificabili tramite
l'ausilio del t-test (2).
Ad esempio, l'inserzione delle fibre nella matrice cementizia o la
mancanza della vibrazione durante l'azione di trascinamento comportano
delle riduzioni nella resistenza della parte centrale della lastra,
rispetto all'elemento di controllo; in altri casi, invece, le differenze
misurate sono di minore entità, come testimoniano le letture
effettuate nella parte superiore della lastra di calcestruzzo vibrato.
Tabella
3 - Valore medio e deviazione standard per le letture con il
martello di Schmidt effettuate sulle fette di ogni lastra.
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CONCLUSIONI
In definitiva
in base ai risultati ottenuti e riassunti in Tabella 3 si può
concludere che la parte superiore della pavimentazione è per
lo più indifferente all'azione di trascinamento del prototipo
cilindrico; viceversa, quella centrale subisce delle modifiche nelle
sue caratteristiche che diventano più significative se si omette
la vibrazione del calcestruzzo o, ancora di più, se sono presenti
fibre all'interno della matrice cementizia.
Da questo lavoro di ricerca è stato possibile concludere che
la disomogeneità del calcestruzzo nella scia di un prototipo
cilindrico che viene trascinato al suo interno quando l'impasto è
ancora fresco è abbastanza significativa, donde si è
resa necessaria la rideterminazione del prototipo medesimo al fine
di limitare detti inconvenienti.
Sulla base di queste considerazioni, pertanto, l'apparecchiatura è
stata riprogettata in modo da evitare che vi fossero fibre espulse
dalla superficie superiore dell'elemento strutturale e che, nello
stesso tempo, la profondità alla quale le fibre stesse venivano
attratte potesse essere controllata con precisione.
FUTURI
SVILUPPI
Queste considerazioni hanno pertanto portato allo sviluppo di nuove
ricerche volte a capire in che termini il dosaggio delle fibre nel
conglomerato cementizio potesse essere ridotto, in virtù della
maggiore efficacia derivante dall'allineamento delle fibre (3, 4).
Partendo, poi, dall'idea che è possibile allineare le fibre
in modo da formare un reticolo continuo, si sono sviluppate delle
considerazioni importanti sulla eventualità di poter far passare
una corrente elettrica lungo le fibre medesime, in modo da generare
il riscaldamento dell'elemento strutturale (5).
RINGRAZIAMENTI
Gli autori ringraziano Bjorn Svedberg per il supporto tecnico e la
Readymix Ltd (Repubblica di Irlanda) per il supporto economico, i
quali hanno permesso il regolare svolgimento di questa ricerca.
BIBLIOGRAFIA
- West,
R.P. (2000), The alignment of steel fiber concrete slabs using permanent
magnets, Munro Centre Seminar, UNSW, Sydney, 2000
- Cuomo,
G. (1998), Assessment of the uniformity of density of concrete in
the wake of a steel cylinder, MSc Thesis, Trinity College of Dublin,
1998
- Pull,
M e West, R.P. (2000), Flexural strength of aligned steel fiber
reinforced concrete, Confidential Tech. Rpt. to Readymix Ltd. Dublin,
2000
- Callanan,
J.M. e West, R.P. (2000), Drying shrinkage characteristics of industrial
round floor reinforced with aligned steel fibers, Confidential Tech.
Rpt. To Readymix Ltd., Dublin, 2000
- IJomah,
H.N. e West, R.P. (2001), The heating of concrete with aligned steel
fibers, in attesa di pubblicazione, 2001
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