La Bibbia ci conferma che l’usanza di adoperare fibre organiche per rinforzare materiali ceramici per l’edilizia è molto antica.

C’è anzi da dire che, dal tempo di Ramesses II (se non da prima) fino alla metà dell’ottocento, l’unico modo conosciuto per ridurre il comportamento fragile dei materiali ceramici era quello di legarli con fibre organiche naturali.

Nel 1849 (d.C.) J. Monier iniziò la produzione di vasi in malta rinforzata con rete metallica e, subito dopo, (nel 1850) W. Wilkinson iniziò quella di travi in calcestruzzo armato con cavi in acciaio.

D’allora in poi, pian piano, le fibre organiche vennero abbandonate e reti, cavi e profilati d’acciaio presero il loro posto per svariati motivi ma, soprattutto, per via delle resistenze molto elevate che esso poteva assicurare.

Nel ventesimo secolo la ricerca scientifica ha portato sul mercato una caterva di fibre organiche artificiali. Molte di esse hanno un comportamento meccanico prossimo a quello delle fibre metalliche sicchè oggi si rivedono elementi ceramici per l’edilizia rinforzati con fibre organiche.

In ogni caso si tratta di materiali compositi in cui la matrice ceramica è ottenuta per via chimica e non per trasformazione termica di materie prime naturali. In altri termini si tratta di malte o calcestruzzi fibro-legati. Occorre anche dire che, almeno per ora, le fibre organiche non sono usate come vere armature ma solo per controllare il ritiro idraulico e che tale limitazione è solo in parte dovuta alla diffidenza delle maestranze nei riguardi delle resistenze meccaniche dei materiali plastici o alla necessità di rispettare le norme di settore. Infatti, una volta stabilite le qualità e quantità di cemento e inerte, le proprietà meccaniche di malte e calcestruzzi armati dipendono soprattutto da tre fattori (rapporto a/c, consistenza e quantità di fibre) che, purtroppo, si influenzano reciprocamente.

Le ricerche sperimentali fatte all’Università di Udine hanno evidenziato molto bene la complessità del problema.

Infatti da una parte, per avere resistenze meccaniche molto grandi, occorre:

- impiegare una gran quantità di cemento (più o meno tanto cemento, quanto inerte),
- usare inerte fine (sabbia o sabbia fine),
- aggiungere fumo di silice o altro materiale submicronico a reattività pozzolanica,tenere molto basso il rapporto a/c (< 0,30),
- mantenere la consistenza dell’impasto fresco a livello di liquido aggiungendo additivo superfludificante.

Ma, dall’altra parte, per eliminare il comportamento fragile del composito indurito, occorre introdurre una quantità di fibre tuttaltro che piccola.

E’ evidente che più cemento, fumo di silice, e sabbia fine si adoperano (cioè più è alta la superficie da bagnare) e, nel contempo, maggiore è la fluidità dell’impasto, più occorrerà aggiungere superfluidificante per tener basso il rapporto a/c.

Ma più superfluidificante si adopera e più la presa e l’indurimento si dilazionano nel tempo il che si traduce in un limite di aggiunta da non oltrepassare se si vuol trovar beneficio nell’uso del superfluidificante.

A quel punto non resta che: o aumentare il rapporto a/c, o accontentarsi di una consistenza meno fluida.

E’ chiaro che aggiungendo all’impasto anche le fibre la questione si complica ancor più. E con le fibre organiche non è affatto semplice arrivare ad un equilibrio ottimale dei tre fattori a causa del fatto che la maggior parte di quelle impiegabili allo scopo hanno superficie specifica elevatissima. Lo si vede bene dalle curve sforzo flettente / deflessione della Figura 1.

Fig. 1 - Curva sollecitazione (MPa) - deformazione (mm) di malte fibro-rinforzate.

Per meglio apprezzare la Fig. 1 occorre tener presente che le curve riportate si riferiscono a malte armate in cui le quantità di sabbia fine, cemento e fumo di silice nonché la consistenza dell’impasto erano sempre le stesse, mentre i quantitativi di acqua, superfluidificante acrilico e fibre erano state scelte in modo da massimizzare le resistenze meccaniche a compressione e flessione. Ma occorre anche ricordarsi che l’aggiunta di fibre all’impasto, qualora arrivino a migliorare il materiale, possono, o aumentarne la resistenza meccanica o anche (o solo) ridurne il comportamento fragile. Nel primo caso saranno i valori di sforzo massimo (a compressione e a trazione) a crescere. Nel secondo caso sarà l’area sottesa dalla curva sforzo/deformazione ad aumentare.

A questo punto, anche considerando la Tabella 1, è abbastanza chiaro che le fibre troppo fini (Ricem, Kevlar, Twaron tal quale e Vectran sfioccato) non apportano miglioramenti al materiale perché necessitano di molta acqua per bagnarsi e non si riesce ad aggiungerne abbastanza o occorre aumentare il rapporto a/c a tal punto che le prestazioni meccaniche decadono. Le fibre Pueg non migliorano il materiale perché, di fatto, la pasta cementizia non le bagna e quindi non v’è alcuna aderenza con la matrice cementizia indurita. Altre fibre (Nylon e Harbourite) annullano solo il comportamento fragile della malta indurita ma non ne incrementano le resistenze meccaniche. Altre fibre ancora (PVA, Graminflex, Scotchcast nonché Twaron trattanto e Vectran in monofilamento non sfioccato) migliorano sostanzialmente le malte aumentandone la resistenza meccanica ed annullandone il comportamento fragile.

In taluni casi sono proprio le peculiari caratteristiche chimico-fisiche delle fibre ad apportare beneficio. Le fibre Vectran, ad esempio, essendo cristalli liquidi in resina poliesterica, hanno difficoltà a bagnarsi in acqua pura ed ancor più in soluzione alcalina. In commercio sono disponibili come “monofilamento” (diametro apparente 300 micron) costituito da fasci di 150 fibre ricompattate da legami secondari così forti che è possibile tranciare il “monofilamento” senza sfioccali minimamente. Tutto ciò fa sì che sia possibile aggiungere all’impasto un quantitativo di spezzoni di “monofilamento” sufficiente ad indurre un incremento della resistenza meccanica della malta indurita e ad annullarne il comportamento fragile (Fig. 2-01). Ma basta sfioccare manualmente gli spezzoni di “monofilamento” prima di aggiungeli all’impasto che non si riesce più ad introdurvene abbastanza per migliorare in alcun modo la malta (Fig. 2-02).
Dalla Tabella 2 (estratta dalla Tabella 1) sembra anche emergere che, a parità di diame
tro, più è alto il rapporto di forma (RF) meno fibre possono essere aggiunte all’impasto; conseguentemente la resistenza ultima della malta indurita si abbassa, mentre il fattore di tenacizzazione (ossia la capacità delle fibre di ridurre il comportamento fragile) aumenta.

Fig. 2 - Tipo di frattura con fibre Vectran.

Fig. 3 - Sfioccamento delle fibre poliaramidiche.

Per il nostro studio il “monofilamento” è stato dunque steso su un apposito telaio e pennellato con soluzioni al 4, oppure al 7 o 14 o 30% di vinavil depositandone 2 millilitri per grammo di “monofilamento”. Ad essiccazione avvenuta i “monofilamenti” venivano tranciati in lunghezze atte a fornire spezzoni con RF di 25, 50 o 75.

A tal punto si trattava solo più di trovare le condizioni giuste per arrivare ad ottenere malte con resistenze meccaniche molto elevate accompagnate da una buona tenacità, ossia si trattava di procedere tenendo presente il diagramma di flusso della Fig. 4.

Si è quindi deciso di realizzare malte tenendo fissi alcuni parametri (quelli della Tabella 4) e di variare gli altri a seconda degli obbiettivi e dei bisogni.

Va da sè che, avendo stabilito di tenere fissi oltre al tenore di sabbia, cemento e fumo di silice, anche il rapporto a/c e la consistenza, per compensare i diversi effetti (sulla reologia degli impasti) delle diverse fibre non restava che giostrare sul rapporto acqua libera/soluzione acquosa del superfluidificante.

La miscelazione degli impasti avveniva secondo il seguente protocollo:

a) sabbia, fumo di slice, acqua libera e soluzione acquosa del superfluidificante venivano miscelati nella mescolatrice Hobart per 7 minuti (2 min. a velocità I e 5 min. a velocità II),

b) poi si aggiungeva il cemento mescolando a velocità I per 3 minuti e a velocità II per 7 minuti,

c) infine si aggiungevano le fibre mescolando (a velocità I) secondo il necessario.

Si è anche dovuto trovare il modo di valutare lo sfioccamento delle fibre traducendolo in un fattore (Fs) variante tra 0 (nessun sfioccamento) e 1 (sfioccamento totale), come mostrato in Fig. 5.

Per accelerare lo studio si è deciso di eseguire le prove meccaniche a 7 giorni di stagionatura anziché ai classici 28.

Inoltre si sono sempre adoperati:

- 20 kg/m³ di fibre salvo nel caso in cui si è valutato l’effetto del tempo di mescolamento (nel quale si sono usati solo 16 kg/m³) e, ovviamente, quando occorreva valutare l’influenza del tenore di fibre,

- tronconi di monofilamento incollato con RF = 50 salvo quando occorreva studiare l’influenza del rapporto di forma,

- sabbia grossa, salvo quando si è valutata l’influenza del tipo di sabbia.

Qui di seguito vengono presentati i risultati salienti ottenuti. Si noterà che nelle Fig. 6-10 sono stati omesse le curve ed i dati relativi al comportamento a compressione in quanto non portavano a conclusioni diverse da quelle ricavabili dal comportamento a flessione.

Nella Fig. 6 sono riportati i dati essenziali allo studio inerente l’influenza esercitata dal dosaggio di colla (impegata per ottenere i tronconi di “monofilamento”) sulla resistenza meccanica a flessione e sulla tenacità delle malte rinforzate.

Dalla Fig. 6 emerge chiaramente che più è alto il dosaggio e più:

- è alto il tempo di mescolamento concesso a prefissato sfioccamento dei tronconi,
- è basso (a parità di tempo di mescolamento) il fattore di sfioccamento dei tronconi,
- è bassa la resistenza meccanica a flessione,
- è alto il fattore di tenacizzazione.

Lo studio inerente l’influenza del tipo di sabbia, i cui risultati più indicativi sono illustrati nella Fig. 7, ha evidenziato che l’aumento di granulometria dell’inerte accelera sempre, quale che sia il dosaggio di colla usato, lo sfioccamento dei tronconi di monofilamento. Ma ha anche dimostrato che non ha alcuna influenza nè sulla resistenza meccanica né sulla tenacità delle malte sol che si regoli il tempo di mescolamento in modo tale da ottenere sempre lo stesso fattore di sfioccamento dei tronconi.

Osservando la Fig. 8 si vede bene che il tempo di mescolamento ha un effetto diretto sullo sfioccamento dei tronconi di monofilamento e, di conseguenza, sulle proprietà meccaniche e sulla tenacità delle malte.

Si potrebbe dunque credere di poter incrementare le proprietà meccaniche delle malte semplicemente prolungando il tempo di mescolamento per aumentare lo sfioccamento dei tronconi. Ma purtroppo l’aumento dello sfioccamento riduce sensibilmente la fluidità degli impasti sicchè, di fatto (come le ripetute esperienze di laboratorio hanno dimostrato), risulta del tutto inutile superare lo 0,8 di fattore di sfioccamento perché, a quel punto, le resistenze si abbassano comunque in quanto la fludità degli impasti si abbassa al punto da rendere inefficace la vibrazione impedendo la adeguata costipazione.

Osservando le curve della Fig. 9 si deve concludere che più è alto il rapporto di forma più aumentano le resistenze meccaniche e la tenacità delle malte.

Da quanto sopra considerato si deduce che, per avere malte omogenee, compatte e di alte resistenze meccaniche ma, soprattutto, di alta tenacità (alto Ft), è opportuno usare sabbia grossa, e 20 kg/m³ di tronconi di monofilamento con RF = 50 ottenuto cun colla a 7% di Vinavil.

Per questo si è realizzato un impasto con la composizione della Tabella 4 ottenendo i risultati esposti in Fig. 10.

Per avere un riferimento si è anche realizzato un impasto di uguale composizione ma senza fibre; il che ha indotto una modesta variazione di consistenza (155 mm anziché 150). I risultati ottenuti dopo 28 giorni di stagionatura sono inseriti in Fig. 10.

La Fig. 10 mostra chiaramente l’effetto rinforzante dei tronconi di monofilamento. Si vede anche che l’effetto tenacizzante è molto elevato e pressoché immediato (dipendendo dal dalla formazione di una zone di transizione cemento-fibra sufficientemente stabile) sicchè il fattore di tenacizzazione Ft cresce nei primi 2-3 giorni di stagionatura per poi calare.

Questo ridimensionamento dell’effetto tenacizzante (riduzione del Ft) col procedere della stagionatura è inevitabile poichè la velocità di ricompattazione (e, quindi, di aumento di rigidità) della zona di transizione è più basso di quella della matrice cementizia.

Partendo da una bobina di monofilamento di Kevlar 49 (fibra poliaramidica più rigida del Twaron HM 2200) si sono poi prodotti dei tronconi, con colla a 7% di Vinavil, aventi RF = 80. Con questi tronconi e con tronconi di Twaron HM 2200 con RF = 75 abbiamo ripetuto lo studio usando sempre i dosaggi di Tabella 4.

I risultati a 28 giorni di stagionatura sono riportati in Fig. 12 assieme a quelli di malte analoghe realizzate senza fibre o con fibre di Twaron HM 2200 con RF = 50 o con 187 kg/m³ di fibre di acciaio trafilato OL 13/16 con RF = 72. Va però osservato che, per tenere costante la consistenza, è stato necessario abbassare ridurre il rapporto a/c a 0,23 nell’impasto con fibre d’acciaio e a 0,21 in quello senza fibre.

Dalla Fig. 11 emerge chiaramente che anche armando le malte con tronconi di monofilamento organico incollato è possibile:

- non solo eliminare il comportamento fragile delle malte,

- ma anche ottenere un comportamento meccanico molto prossimo a quello manifestato dalle marte armate con fibre di acciaio trafilato.

Si tratta solo di scegliere le fibre giuste e di trovare il protocollo più appropriato per realizzare l’impasto.

La strada è dunque tracciata. Ma sicuramente passeranno molti anni per vedere sul mercato una presenza massiccia delle fibre organiche al posto di quelle d’acciaio.

Questo non solo perché gli studi da fare (per esempio trovare una colla più valida del Vinavil) sono ancora tanti, ma soprattutto perché tra laboratorio e cantiere v’è un sensibile divario di competenze e di precisione nel seguire le procedure.

Per adesso in cantiere sarà bene limitarsi all’uso delle fibre che non comportino dei problemi di mescolamento.

A tal proposito, almeno tra le fibre da noi testate, quelle più valide sono le Scotchcast (poliolefiniche), le PVA RF350 (polivinilalcooliche) e le Graminflex (poliestere PEN) che assicurano alle malte delle resistenze più che buone e tenacità molto elevate.

(1) Diversi risultati presentati nella figura 1 e nella tabella 1 sono stati ottenuti con l’aiuto degli ingegneri (al tempo laureandi) Basso Bondini Luca, Cralli Cristiano, Dall’Armellina Mirco e Marcon Carlo, che ringraziamo e ai quali diamo merito per la valente collaborazione.

(2) Il testo originale e la presentazione in lingua friulana, effettuata al II Convegno Annuale della Società Scientifica e Tecnologica Friulana, erano dedicati alla memoria di Sergio Visentin, uomo semplice e schietto ma maestro di vita, che ha sempre creduto nella dignità della sua madrelingua e che si è speso fino all’ultimo giorno per farla apprezzare… anche ai forestieri.