IL PROCESSO PRODUTTIVO

I pultrusi sono manufatti in polimero fibrorinforzato che vengono prodotti industrialmente attraverso un processo completamente automatizzato chiamato pultrusione. La pultrusione deriva il suo nome dal termine inglese pultrusion il quale, a sua volta, nasce dalla contrazione di due parole: pull (tirare) ed extrusion (estrusione). La tecnologia, infatti, prevede la produzione di manufatti in composito attraverso un processo di estrusione, analogo a quello utilizzato nel settore dei laterizi, nel quale le fibre continue vengono sottoposte ad una sollecitazione di trazione che ha il compito di garantirne un perfetto allineamento prima della polimerizzazione della matrice.

Fig. 1 - Schematizzazione di un impianto di pultrusione.

Un tipico impianto per la produzione di manufatti pultrusi comprende (Fig. 1):

1) una stazione di svolgimento dalle bobine di fibra continua;
2) un sistema di allineamento delle fibre;
3) una vasca per l'impregnazione in resina delle fibre;
4) una stazione di formatura e stagionatura dove viene rimossa la resina in eccesso e viene eseguita una stagionatura accelerata a caldo o a microonde per consentirne la rapida polimerizzazione;
5) un sistema di cingoli o ganasce che servono ad eser-citare la forza di trazione e a consentire l'avanza-mento del prodotto;
6) una stazione di taglio del prodotto finito nella lun-ghezza voluta.

Il processo di pultrusione consente la produzione di manufatti caratterizzati da un allineamento e una uniformità di distribuzione delle fibre pressoché perfetti e da un tasso di rinforzo (espresso come percentuale di volume di fibre rispetto al volume totale) elevatissimo e non raggiungibile con nessun altra tecnologia. Normalmente un manufatto pultruso ha un tasso di rinforzo variabile tra il 50% e il 60% che è circa il doppio di quello che si può conseguire con tecniche di layout manuale. Inoltre, il tasso di rinforzo conseguibile e, quindi, le prestazioni finali del composito, sono controllabili con estrema precisione.
Il limite della pultrusione sta nella possibilità di realizzare esclusivamente manufatti a sezione costante e con fibre tutte orientate in un'unica direzione. Pertanto, con questa tecnologia, vengono prodotti esclusivamente lamine, profilati e barre di varia sezione (Fig. 2).
Nel settore delle nuove costruzioni i manufatti pultrusi, soprattutto in vetroresina*, stanno trovando applicazioni nella realizzazione di opere di finitura come infissi (in sostituzione dell'acciaio e dell'alluminio) o pannelli leggeri autoportanti per il tamponamento di opere prefabbricate. Le applicazioni di manufatti pultrusi in ambito strutturale, invece, si limitano ad alcuni tentativi effettuati di sostituire i tradizionali profilati in acciaio per carpenteria metallica con analoghi elementi in FRP pultrusi. Sono intuibili i vantaggi che conseguirebbero, in termini di leggerezza e, quindi, di facilità di posa in opera, da questa sostituzione. Esistono, però, problemi irrisolti legati, soprattutto, alla fragilità dei sistemi di connes-sione tra vari elementi.
Infine, esistono in commercio, barre cilindriche pultruse in fibra di vetro o carbonio da utilizzare in sostituzione delle tradizionali armature in acciaio nella realizzazione di strutture in cemento armato esposte ad ambienti particolarmente aggressivi per le armature stesse (strutture portuali o in adiacenza al mare, ponti stradali in zone montane in cui si fa uso corrente di sali disgelanti). Il limite di applicazione, in questo caso, sta nel fatto che le barre in FRP non possono essere lavorate, così come si fa con le barre metalliche, per ottenere staffe o pezzi sagomati. Questi pezzi speciali, infatti, potrebbero essere ottenuti solo per stampaggio in appositi impianti con evidente complicazione e limitazione nelle forme e nelle dimensioni ottenibili. Di conseguenza, le armature in FRP per nuove strutture in cemento armato vengono utilizzate soltanto in forma di barre rettilinee o di reti per la realizzazione di solette, muri e diaframmi. Nel complesso, però, la scarsa diffusione dei materiali FRP nel settore delle nuove costruzioni è dovuta soprattutto al loro costo che risulta essere eccessivo rispetto ai sistemi costruttivi tradizionali.
Più frequente è l'utilizzo dei manufatti pultrusi nel restauro strutturale dove gli innegabili vantaggi che si possono conseguire rispetto a tecniche tradizionali di intervento e la grande facilità di posa in opera compensano quasi sempre l'elevato costo di questi materiali rendendone economicamente conveniente l'utilizzo.

Fig. 2 - Lamine, barre e profilati in FRP prodotti per pultrusione.	Fig. 3 - Applicazione di lamine pultruse nel rinforzo a flessione di una trave.

Negli interventi di restauro, i manufatti pultrusi vengono utilizzati soprattutto in forma di lamine e, meno spesso, in forma di barre. Lamine pultruse in fibra di carbonio vengono ormai correntemente utilizzate per il rinforzo a flessione di travi e solai in sostituzione dei piatti metallici che venivano utilizzati nella tecnica nota come "beton plaque" (Fig. 3). Le lamine vengono incollate all'elemento da rin-forzare mediante resine epossidiche in pasta la cui viscosità è generalmente sufficiente a tenerle in posizione, anche se applicate all'estradosso, senza bisogno di inserire puntelli e sostegni così come, invece, risulta necessario se si fa uso di piastre metalliche.
Rispetto all'utilizzo di tessuti direttamente impregnati in opera (Enco Journal n°19) il rinforzo con lamine pultruse presenta dei vantaggi in termini di facilità e rapidità di posa in opera e di sicurezza della riuscita dell'intervento. La relativa rigidezza delle lamine, però, ne limita le possibilità di utilizzo a superfici piane o caratterizzate da grande raggio di curvatura (serbatoi e volte di grandi dimensioni).
Le lamine pultruse disponibili commercialmente pre-sentano, normalmente, una delle due facce, quella destinata all'incollaggio inumidita mediante carteggiatura per migliorare l'adesione. Altri prodotti commerciali prevedono l'inserimento nel processo produttivo di un nastro goffrato in materiale plastico che deve essere asportato prima di applicare la resina (Fig. 4).
Meno frequente è l'utilizzo nel restauro strutturale di manufatti pultrusi in forma di barre. Una interessante forma di applicazione, già testata con successo negli Stati Uniti, consiste nell'inserire barrette pultruse in fibra di carbonio, aramide o vetro, in apposite scalanature realizzate nello spessore del copriferro dell'elemento da rinforzate. Le barrette vengono poi solidarizzate alla struttura e sigillate mediante l'utilizzo di resine in pasta (Fig. 5). Rispetto all'utilizzo di lamine incollate all'esterno, questa tecnica consente un migliore trasferimento delle tensioni tra rinforzi ed elemento rinforzato, ma necessita di una lavorazione più complessa e della presenza nel manufatto da rinforzare, di un copriferro di adeguato spessore (almeno 3 cm).

Fig. 4 - Nastro goffrato utilizzato per creare una superficie ruvida.	Fig. 5 - Applicazione di barre pultruse nel rinforzo a flessione di una trave.

Un'altra interessante forma di utilizzo di barrette pultruse riguarda il rinforzo a taglio delle travi che normalmente avviene applicando delle fasciature con tessuti disposti perimetralmente alla sezione trasversale della trave. Il problema tipico in questi casi è l'ottenimento di una adeguata superficie di aderenza del tessuto necessaria a trasmettere gli sforzi tra tessuto e trave. Un miglioramento può essere ottenuto annegando le estremità del tessuto insieme ad una barretta pultrusa in apposite scanalature, sempre realizzate nel copriferro della trave (Fig. 6).

Fig. 6 - Applicazione di barre pultruse insieme per l'ancoraggio di tessuti nel rinforzo a taglio di una trave a T.

I parametri meccanici che servono per progettare un rinforzo strutturale mediante manufatti FRP pultrusi sono: la resistenza meccanica a trazione, il modulo elastico, la deformazione a rottura e la sezione trasversale del rinforzo. Questi parametri sono normalmente riportati nella scheda tecnica che accompagna il prodotto commerciale utilizzato. Nel confrontare le prestazioni meccaniche di un manufatto pultruso rispetto a quelle di un tessuto da impregnare direttamente in opera, è bene tener presente che mentre le caratteristiche meccaniche dei tessuti sono riferite, per evidenti motivi pratici, alla sezione delle sole fibre (Enco Journal n° 19), quelle dei pultrusi vengono riferite all'intera sezione del composito (fibre + resina). Pertanto, anche a parità di tipo di fibra utilizzata, un pultruso appare avere caratteristiche meccaniche inferiori a quelle del tessuto corrispondente.
Sebbene non esistano allo stato attuale normative che lo impongano, nel caso di utilizzo di lamine o barre pultruse in un lavoro di rinforzo strutturale e bene eseguire dei controlli di qualità su campioni prelevati dalla partita utilizzata, così come avviene per l'acciaio e per il calcestruzzo. Si consiglia di prelevare un numero compreso tra 5 e 10 campioni per lotto di produzione utilizzato. Questi campioni dovranno essere inviati ad un laboratorio per essere sottoposti ad una prova di trazione secondo la norma ASTM D 3039 con determinazione di tutti e quattro i parametri sopra indicati. I valori ottenuti sui singoli campioni dovranno essere elaborati statisticamente per ottenere un valore caratteristico da confrontare con quello assunto nei calcoli.


* La vetroresina è il materiale FRP più diffuso al mondo ed è costituito da fibre di vetro in una matrice di resina poliestere o vinilestere.