1.INTRODUZIONE

Nel campo della viabilità stradale un aspetto di fondamentale importanza è quello collegato al livello di sicurezza passiva realizzato mediante l’utilizzo di barriere stradali di sicurezza multimpiego, meglio conosciute come “new jersey”, cioè barriere in calcestruzzo in sostituzione del guard rail di acciaio. Questi manufatti costituiscono una soluzione semplice e di lunga durata per risolvere una serie di problemi quali la delimitazione di zone soggette a traffico veicolare, la razionalizzazione delle aree di parcheggio, la delimitazione di aree e/o percorsi, la recinzione temporanea di zone, etc.

Attualmente, le barriere stradali in calcestruzzo – BSC – rappresentano la soluzione più idonea ad aumentare la sicurezza stradale, con particolare riferimento a reti viarie densamente trafficate ed alle autostrade. Inoltre, molto spesso, proprio questa tipologia di strada, per le sue caratteristiche peculiari (viadotti, terrapieni, carreggiate adiacenti con sensi di marcia opposti, ecc.), è quella che comporta le conseguenze più gravi in casi di incidenti [1-3].

In questo scenario si colloca lo studio di BSC a graduale assorbimento d’urto in caso di impatto.

Questi elementi prefabbricati dovrebbero essere leggeri, fibrorinforzati e caratterizzati da una ridotta massa volumica, in modo da sviluppare un graduale e controllato cedimento strutturale dell’attenuatore nel momento dell’impatto. Il ruolo è quello di assorbire e dissipare l’energia prodotta in fase d’urto, e contenere i frammenti di manufatto disgregato per evitare ulteriori danni a persone o cose in seguito allo sfondamento dell’elemento medesimo.

Per ottenere queste prestazioni fisico-meccaniche è necessario studiare attentamente il mix design dell’impasto.

In particolare l’impiego di inerti leggeri artificiali, in parziale sostituzione degli inerti ordinari, ci ha permesso di ottenere impasti alleggeriti, con valori di densità, compresi tra 360 e 570 kg/m³, appropriati alle esigenze [4].

L’introduzione di fibre sintetiche strutturali, è stato fatta per conferire duttilità al manufatto. Infatti, le spiccate proprietà di tenacità dei calcestruzzi fibrorinforzati derivano dalla capacità delle fibre di assorbire le tensioni durante il processo di fessurazione della matrice.

Questo comportamento è legato principalmente ai meccanismi di sfilamento delle fibre dalla pasta cementizia.

Di conseguenza la fessurazione del composito fibrorinforzato risulta essere più diffusa rispetto a quella della sola matrice, con ampiezze delle fessure ridotte [5-8].

Il risvolto applicativo di questa proprietà è il collasso parziale della barriera di contenimento, senza che frammenti della medesima si disperdano nell’ambiente circostante.

La messa a punto del mix design ottimale ha richiesto, inoltre, l’utilizzo di un riduttore d’acqua ad alta efficacia, di natura policarbossilica a catene laterali ibride [9].

2. SCOPO DELLA RICERCA

Nel corso dello studio di ottimizzazione delle miscele, si è rilevato che a parità di superfluidificante policarbossilico utilizzato, il disaerante contenuto nell’additivo gioca un ruolo determinante nella distribuzione omogenea delle fibre negli impasti.

Infatti solo una distribuzione perfettamente diffusa del rinforzo fibroso nella matrice cementizia permette di limitarne la fragilità, dando origine ad un composito caratterizzato da maggiore tenacità e duttilità.

Nel presente lavoro si analizzano, quindi, le proprietà meccaniche di calcestruzzi alleggeriti e fibrorinforzati con fibre sintetiche strutturali additivati con superfluidificante policarbossilico in funzione dell’agente disaerante impiegato.

I disaeranti più utilizzati nella formulazione degli additivi superfluidificanti policarbossilici appartengono a 3 differenti famiglie di composti chimici: a base siliconica, a base di polieteri e a base di Tributilfosfato.

Prove di punzonamento su piastra, eseguite secondo norma EN 14488-5 [10], ci hanno permesso di correlare la distribuzione delle fibre all’interno del conglomerato cementizio con l’agente disaerante utilizzato.


3. MATERIALI

Cemento:
CEM II/A-LL 42,5R Cemento portland al calcare, conforme alla norma UNI EN 197-1.

Aggregato naturale:
Sabbia frantumata con diametro massimo 5 mm, modulo di finezza pari a 3.

Aggregati leggeri:
Argilla espansa ottenuta dalla cottura di particolari argille in forni rotanti a una temperatura di 1200°. L’argilla espansa è un aggregato leggero che si presenta in granuli semisferici di colore rosso-bruno, caratterizzati da una dura scorza esterna (che conferisce resistenza alla compressione e al fuoco e inattaccabilità da parte di agenti chimici e atmosferici) e da una struttura interna, costituita da piccole celle chiuse e vetrificate (da cui derivano leggerezza e isolamento termo-acustico). Il coefficiente di imbibizione dopo 30 minuti di immersione è circa dell’1% (EN 13055-1[11]). Sono stati impiegati 3 differenti fusi granulometrici: 0-2 mm, 2-3 mm e 3-8 mm.

Additivi:
• Superfluidificante policarbossilato PC2. Questo nuovo additivo ha catene di polietilene ossido (PEO) a lunghezza diversa (corta, inferiore a 15 moli e lunga superiore a 130 moli). Le lunghe catene sono state introdotte per aumentare la dispersione delle particelle di cemento secondo il noto meccanismo dell’ingombro sterico, e per aumentare le resistenze meccaniche alle brevi stagionature. Quelle piu’ corte, invece, in base al loro rapporto molare con i gruppi carbossilici della catena principale dell’additivo influenzano direttamente il mantenimento della lavorabilità. In Fig 1 è riportata la struttura chimica del superfluidificante PC2.

• Agenti disaeranti: sono stati utilizzati 3 differenti tipologie. Il primo (ST) a base siliconica, il secondo appartenente alla famiglia dei composti a base di polieteri (EOPO), e Tributilfosfato (TBF). La Fig. 2 mostra la struttura molecolare dei tre diversi agenti disaeranti.

Fibre:
RXF 54 fibre polimeriche ibride strutturali di un copolimero a base di polietilene/polipropilene, aventi lunghezza 54 mm, diametro equivalente 0,48 mm e rapporto d’aspetto (l/d) pari a 113. Questa tipologia di fibre non subisce i fenomeni legati alla corrosione ed è chimicamente inerte. In Tab. 1 sono riassunte le proprietà delle fibre RXF 54.

4. STUDIO DELLE MISCELE

In totale sono state messe a punto 6 miscele: 2 per ogni tipo di disaerante impiegato; un impasto è stato confezionato con 4,5 Kg/m³ di fibre, il secondo, invece, senza rinforzo fibroso.

Tutte le miscele sono state additivate con il superfluidificante PC2 dosato al 1% in volume sul peso del cemento.

In Tab. 2 sono riportati i mix design delle miscele confezionate.

5. DESCRIZIONE DELLE PROVE

Le modalità di prova adottate sono conformi alla norma EN 14488-5.

Le piastre, di dimensioni 600x600x100 mm (lxpxh), sono state sottoposte a un carico, sotto controllo della freccia, per mezzo di un blocco di acciaio rigido posizionato al centro della lastra. In Fig. 3 è riportato lo schema di prova.

Le prove sono state eseguite dopo aver lasciato per 28gg le piastre a maturare in ambiente controllato (20°C e 55% U.R.).

Nel corso di ogni prova è stata registrata la curva carico/flessione fino al raggiungimento della rottura dell’elemento (nel caso delle lastre non rinforzate) o di una freccia di almeno 30 mm per le piastre fibrorinforzate.

Dalla curva carico/flessione si è poi calcolata, per le miscele con le fibre RXF 54, una seconda curva che correla l’energia assorbita in funzione a una freccia di 20 mm.

La capacità di assorbimento di energia così determinata può essere correlata alla distribuzione delle fibre all’interno della piastra: una perfetta ed omogenea distribuzione del rinforzo fibroso permette di ottenere valori di energia più elevati.

Sono state realizzate allo scopo, 10 piastre di dimensioni 600x600x100 (lxpxh) per ogni tipo di miscela alleggerita fibrorinforzata.
Per le corrispondenti miscele realizzate senza fibre, quale riferimento, invece, sono state realizzate 3 piastre.

6. RISULTATI SPERIMENTALI

6.1 Miscele A
Le miscele MIX A.1 e MIX A.2 sono state confezionate impiegando il disaerante ST.

Il meccanismo di frattura delle piastre confezionate con la miscela MIX A.1 e prive di rinforzo fibroso è stato fragile, con una quadro fessurativo radiale.

In Fig. 4 è riportata la curva carico/flessione rappresentativa dei valori medi ottenuti con la miscela MIX A.1: l’andamento del grafico conferma la frattura fragile del provino.

In Fig. 5, invece, è riportata la curva carico/flessione rappresentativa dei valori medi ottenuti per le piastre confezionate con la miscela MIX A.2 fibrorinforzata. La curva presenta un “ramo discendente” indice della presenza delle fibre RXF 54 come rinforzo tridimensionale.

La Fig. 6, invece, riporta la curva dell’energia assorbita in funzione della freccia delle piastre realizzate con la miscela MIX A.2.

6.2 Miscele B

Le miscele MIX B.1 e MIX B.2 sono state confezionate impiegando il disaerante EOPO.

Il meccanismo di frattura delle piastre confezionate con la miscela MIX B.1 e prive di rinforzo fibroso è stato fragile, con una quadro fessurativo radiale. In Fig. 7 è riportata la curva carico/flessione rappresentativa dei valori medi ottenuti con la miscela MIX B.1: l’andamento del grafico conferma la frattura fragile del provino.

In Fig. 8, invece, è riportata la curva carico/flessione rappresentativa dei valori medi ottenuti per le piastre confezionate con la miscela MIX B.2 fibrorinforzata. La curva presenta un “ramo discendente” indice della presenza delle fibre RXF 54 come rinforzo tridimensionale.

La Fig. 9, invece, riporta la curva dell’energia assorbita in funzione della freccia delle piastre realizzate con la miscela MIX B.

6.3 Miscele C

Le miscele MIX C.1 e MIX C.2 sono state confezionate impiegando il disaerante TBF.

Il meccanismo di frattura delle piastre confezionate con la miscela MIX C.1 e prive di rinforzo fibroso è stato fragile, con una quadro fessurativo radiale.

In Fig. 10 è riportata la curva carico/flessione rappresentativa dei valori medi ottenuti con la miscela MIX B.1: l’andamento del grafico conferma la frattura fragile del provino.

In Fig. 11, invece, è riportata la curva carico/flessione rappresentativa dei valori medi ottenuti per le piastre confezionate con la miscela MIX C.2 fibrorinforzata. La curva presenta un “ramo discendente” indice della presenza delle fibre RXF 54 come rinforzo tridimensionale.

La Fig. 12, invece, riporta la curva dell’energia assorbita in funzione della freccia delle piastre realizzate con la miscela MIX C.2

7. DISCUSSIONE DEI RISULTATI

Le prove di punzonamento hanno evidenziato, innanzitutto, che le piastre senza rinforzo fibroso e confezionate con i 3 tipi di disaerante, mostrano un comportamento comparabile tra loro.

Questo indica che l’agente disaerante non influenza la realogia dell’impasto alleggerito non rinforzato con le fibre.

L’utilizzo di agenti disaeranti diversi non modifica significativamente il carico di picco (vedi tabella 3 comparativa), ne influisce sul meccanismo di rottura delle piastre non fibrorinforzate.

Le piastre prive di rinforzo fibroso mostrano un quadro fessurativo con il classico sviluppo radiale lungo 4 direttrici e la rottura della piastra in 4 parti. Le curve di carico/flessione non evidenziano un comportamento post-fessurativo.

La Fig. 13 mostra, a titolo esemplificativo, il quadro fessurativo sulla faccia inferiore della piastra realizzata con la miscela MIX A.1 e ricomposta dopo la rottura.

Le piastre fibrorinforzate, invece, hanno un comportamento alla prova di carico che dipende dal tipo di agente disaerante impiegato.

Le fibre agiscono contro la propagazione della fessurazione della matrice, assorbendo energia durante il processo di frattura,conferendo una resistenza post-fessurazione.

Inoltre, a conferma di risultati ben noti, l’aggiunta di fibre nelle miscele alleggerite non modifica significativamente il valore del carico di picco.

In Tab. 4 sono riportati a confronto i valori medi di carico massimo di tutte le miscele confezionate.

Dall’analisi dei valori di energia assorbita (Tab. 5), si evidenzia che il disaerante EOPO consente di ottenere il valore più elevato.

L’energia così determinata può essere correlata alla distribuzione delle fibre all’interno della piastra: maggiore è questo valore, più uniforme è la distribuzione delle fibre all’interno della matrice e, di conseguenza, la barriera stradale di contenimento sarà in grado di assorbire l’urto con maggiore efficacia.

La dispersione dei risultati sperimentali ottenuti per le piastre fibrorinforzate e confezionate con le 3 differenti miscele, è confermato anche dal confronto tra le rispettive curve carico/flessione, come ben evidenziato dalla Fig. 14.

L’agente disaerante EOPO consente di confezionare miscele alleggerite in cui le fibre RXF 54 realizzano un rinforzo tridimensionale ben distribuito, conferendo così al manufatto duttilità e capacità di assorbire energia.

La Fig. 15 mostra, a titolo esemplificativo, il quadro fessurativo di una delle 10 piastre confezionate con il disaerante EOPO e 4,5 kg/m³ di fibre RXF 54 (MIX B.2): la presenza delle fibre genera una fessurazione radiale più diffusa, indice proprio dell’elevata duttilità della piastra.

L’agente disaerante EOPO fa parte di un gruppo di prodotti definiti “antischiuma molecolari”, il cui meccanismo d’azione si esplica proprio a livello molecolare.

Gli “antischiuma molecolari” sono veri e propri agenti attivi di superficie che disgregano la schiuma a livello molecolare. Solitamente i legami ionici o a idrogeno e le forze di Van Der Walls determinano la stabilità della schiuma medesima. Nei sistemi acquosi, gli “antischiuma molecolari” destabilizzano la lamella di schiuma, rompendo queste forze di legame intermolecolare e determinando la scomparsa dell’effetto schiumogeno. Quando il disaerante molecolare viene assorbito all’interfaccia della schiuma, esso riduce l’elasticità superficiale delle bolle di schiuma diminuendone la stabilità nel tempo. Inoltre esso riduce anche la viscosità di superficie della lamella.

Per questi motivi essi rimangono attivi nel sistema acquoso molto a lungo, a differenza di quanto accade con i disaeranti tradizionali.

La Fig. 16 mostra schematicamente il differente meccanismo d’azione di un disaerante tradizionale e di uno molecolare.

8. CONCLUSIONI

Il presente lavoro presenta i risultati sperimentali inerenti il comportamento di piastre alleggerite e fibrorinforzate, realizzate con 3 diverse tipologie di agenti disaeranti, tramite prove di carico in funzione della flessione.

I dati ottenuti dalle prove sperimentali evidenziano che l’uniforme distribuzione delle fibre all’interno della miscela alleggerita è influenzata dal tipo di disaerante utilizzato.

In particolare agenti disaeranti, come EOPO, denominati “molecular defoamers” risultano, per questa particolare applicazione, i migliori agenti disaeranti da impiegarsi.

Questi antischiuma molecolari rompono la schiuma a livello molecolare, rimanendo attivi nella miscela alleggerita fibrorinforzata, senza causare disomogeneità tra i diversi costituenti del composito.

Le prove di carico in funzione della flessione condotte su piastre di dimensioni 600x600x100 mm, hanno dimostrato che le piastre confezionate con l’agente disaerante EOPO e le fibre sintetiche strutturali RXF 54 dosate a 4,5 kg/m³, mostrano un comportamento post-fessurazione molto duttile e sono in grado di assorbire energia in fase di impatto.

In particolare le fibre RXF 54 permettono di ridistribuire le tensioni e, modificando il meccanismo di formazione e di aperture di fessure, rendono la marice alleggerita più duttile, ossia capace di mantenere una certa capacità portante residua.

L’armatura tridimensionale generata dalle fibre determina un maggiore assorbimento dell’energia di deformazione.

L’effetto sinergico dell’agente disaerante EOPO e delle fibre RXF 54 conferisce tenacità al materiale composito della miscela MIX B.2, modificandone il legame tra lo sforzo e la deformazione.

Come conseguenza pratica, ne deriva che è possibile realizzare una barriera stradale di contenimento in grado di attutire l’urto dell’autoveicolo e di contenere i frammenti del manufatto, sfruttando il contributo del rinforzo fibroso che interviene nella fase post-fessurativa

9. BIBLIOGRAFIA

[1] S. LEONARDI, G. PAPPALARDO, “Analisi critica delle caratteristiche prestazionali delle barriere di sicurezza”. Quaderno n. 110 – Istituto di Strade Ferrovie e Aeroporti, Università degli Studi di Catania, luglio 2000

[2] G. DONDI, A. SIMONE, “Analisi di dispositivi di sicurezza mediante simulazioni numeriche e modelli in scala ridotta”. Atti del Convegno “La sicurezza stradale”, Pisa, 1997

[3] AA.VV. Società Autostrade, “Manuale delle protezioni di sicurezza”, gennaio 1992

[4] JAPAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS, “Manual for Design and Costruction of Artificial Lightweight Aggregate Concrete”, Concrete Library n. 56, 1985

[5] S.P. SHAH, B.V. RANGAN, “Fibre reinforced concrete properties”. ACI Journal Proceedings, 68, pp. 126-134, 1971.

[6] A. AHNAD, M. DI PRISCO, C. MEYER, G.A. PLIZZARI S.P. SHAH, “Fiber reinforced concrete: from theory to practise”, Bergamo 2004

[7] V.S. GOPALARATNAM, R. GETTU, “On the characterization of flexural toughness in fiber reinforced concretes”, Cement and Concrete Composites, vol. 17, n.3, pp. 239-254, 1995

[8] A. HILLERBORG, M. MODEER, P.E. PETERSSON, “ Analysis of crack formation and growth in concrete my means of fracture mechanics and finite elements”, Cement and Concrete Research, vol 6, pp. 773-782, 1976

[9] E. SAKAI, M. DAIMON, “Dispersion Mechanisms of Comb-type Superplasticizers Containg Grafted Poly(ethylene oxide) Chains, Macromol. Symp., vol. 175, pp. 367-376, 2001

[10] EN 14488-5, “Testing sprayded concrete – Part 5 Determination of energy absorption capacity of fiber reinforced slab specimens”, 2006

[11] EN 13055-1, “Testing sprayded concrete – Part 5 Determination of energy absorption capacity of fiber reinforced slab specimens”, 2006