Articolo tratto da: “Atti IV Convegno Monitoraggio e Conservazione preventiva dei Beni Culturali”, a cura di G. Mascolo, Università di Cassino, 27-29 maggio 2010, p. 249-256. Autorizzazione alla ristampa concessa.

RIASSUNTO

Allo scopo di mettere a punto materiali leganti adatti al ripristino di manufatti edilizi di interesse nei beni culturali, si sono studiate le proprietà fisico-meccaniche di malte di calce idraulica rinforzate mediante aggiunta di fibre corte di vetro e di basalto. All’uopo sono state valutate, in funzione della tipologia e della concentrazione delle fibre nel manufatto, la porosità accessibile all’acqua e le resistenze a compressione e flessione. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli relativi ad una malta di calce idraulica convenzionale non rinforzata. Lo studio è stato completato da una caratterizzazione morfologica in microscopia elettronica a scansione (SEM) dell’interfaccia fibra-matrice, per indagare sul meccanismo di rottura dei provini.

Le malte fibro-rinforzate, pur denunciando resistenze meccaniche mediamente inferiori al riferimento, hanno di converso mostrato un netto miglioramento nel comportamento post-fessurativo. L’aggiunta di fibre, indipendentemente dalla tipologia e dalla concentrazione, ha comportato il passaggio da un meccanismo di rottura di tipo fragile ad uno di tipo duttile. I migliori risultati sono stati ottenuti con campioni di malta rinforzati col 2% di fibre di vetro, che, oltre ad aver guadagnato in termini di tenacizzazione, hanno evidenziato una resistenza a flessione più elevata della malta convenzionale.

1. INTRODUZIONE

Pur costantemente rinnovato per lo sviluppo di nuove tecnologie e soluzioni costruttive, così come per il miglioramento di materiali e tecniche, quello dell’edilizia resta pur sempre un mondo fortemente legato alle proprie radici.

In quest’ottica, per arginare il progressivo invecchiamento del patrimonio edilizio, si è recentemente registrato un ritorno a metodologie, sia in termini di materiali che di tecniche, passate in secondo piano con il boom edilizio degli anni ’50 e ’60 e con il successivo avvento di materiali innovativi. Ha fatto da traino la costante crescita del mercato del restauro e del recupero dell’edilizia storica e la connessa esigenza di materiali che garantissero compatibilità e coerenza con le tecniche costruttive originarie. Crescente attenzione si è anche rivolta all’impatto ambientale, con la proposizione di soluzioni che meglio si armonizzassero con l’esistente costruito. Dalla sintesi di queste tendenze emerge l’interesse a rivolgersi a materiali e tecniche tipici della più genuina tradizione. In tale contesto le malte a base di calce possono rappresentare un’importante risorsa, sia per le loro proprietà tecniche, sia soprattutto per le indiscutibili doti di compatibilità con il costruito storico (1-3). La calce idraulica di origine naturale può, infatti, sostituire in molti casi il cemento, garantendo alle opere restaurate, principalmente intonaci, una migliore regolazione termoigrometrica (maggiore traspirabilità, capacità deumidificanti, coibenza), e quindi condizioni microclimatiche interne ottimali ed equilibrate (4). Le malte a base di calce sono peraltro soggette, ancor di più di quelle cementizie, al grave inconveniente della fessurazione da ritiro plastico, soprattutto in ambiente secco, a causa della rapida evaporazione dell’acqua. Mutuando i risultati ottenuti negli ultimi anni per le malte cementizie, tale problema può essere superato con l’aggiunta di fibre, in grado di resistere alle tensioni da ritiro plastico e allo stesso tempo migliorare alcune prestazioni del manufatto, quali la duttilità, la resistenza a flessione e agli urti, e la durabilità (in particolare, la resistenza ai cicli di gelo/disgelo).

In considerazione del fatto che dimensione e tipologia delle fibre condizionano le prestazioni dell’opera, negli ultimi anni sono state utilizzate fibre corte di diversa natura, disperse all’interno della matrice legante, in grado di realizzare una microarmatura tridimensionale che contrasti le tensioni da ritiro plastico e riduca la formazione di micro-fessurazioni (5,6).

L’obiettivo del presente lavoro è stato pertanto quello di valutare tipologia e concentrazione di fibre corte, atte al confezionamento di malte rinforzate di calce idraulica per potenziali impieghi nel campo del recupero e ripristino di edifici storici.

2. MATERIALI E METODI

Per il confezionamento delle malte sono stati utilizzati i seguenti materiali: calce idraulica bianca, comunemente impiegata in edilizia per la preparazione di malte per intonaco, per allettamento o per massetti, prodotta dalla MGN, Schio (VI), sabbia silicea fine della Gras Calce di Trezzo sull’Adda (MI), latex (lattice polimerico) e fibre di vetro, entrambi prodotti Mapei, fibre di basalto (Basaltex, Wevelgem, Belgio), acqua distillata.

Leganti e inerti sono stati analizzati mediante analisi termogravimetrica (TG, Netzsch, modello 409ST Luxx) ed analisi diffrattometrica ai raggi X (XRD, Philips PW 1730, rad. CuKα1). La distribuzione granulometrica della sabbia silicea di fiume (lavata e selezionata) è stata valutata mediante setacciatura, in accordo alla norma Europea (7). La calce è risultata composta per il 23% di Ca(OH)₂ e il 25% di CaCO₃. Il resto è costituito da silicati e alluminati di calcio, sui quali peraltro non si è approfondita l’analisi quali- e quantitativa. La sabbia è composta per la quasi totalità da quarzo. Componenti assolutamente minori sono l’albite e la calcite (circa 4%). La sua composizione granulometrica è compresa tra 0 e 1 mm con un passante a 0,5 mm pari al 90%.

Le fibre di vetro utilizzate, comunemente impiegate per il rinforzo di malte cementizie, calcestruzzi, intonaci e gesso, hanno le seguenti caratteristiche: sono derivate per taglio da filati in vetro trattati con appretto (di natura acrilica) solubile in acqua (chopped strands), sono di tipo “E” (rapporto medio SiO₂/Al₂O₃ prossimo a 6,25, modificatori di reticolo di natura alcalino-terrosa), hanno lunghezza media di circa 10 mm e diametro medio di circa 13 µm. Le fibre cosiddette di basalto, anch’esse vetrose, sono ottenute dalla fusione di rocce vulcaniche di composizione basaltica (SiO₂/Al₂O₃ ≈ 5,2), tagliate (chopped strands), aventi lunghezza media di 4-5 mm, diametro medio di 8-10 µm, modulo elastico E pari a 84 GPa, non apprettate, comunemente utilizzate per il rinforzo di materiali compositi in genere.

Per il confezionamento di tutte le miscele, sono state rispettate le prescrizioni dettate dalla vigente norma europea (8), nella quale vengono indicate sia le modalità di confezionamento delle malte che quelle di esecuzione delle successive prove meccaniche. In particolare, sono stati prodotti provini con rapporto calce idraulica-sabbia pari a 1:3, di dimensioni 160x40x40 mm, rinforzati con fibre di vetro (campioni indicati con le sigle V1 e V2, a seconda delle percentuali di fibre immesse nella malta, 1% o 2%) e con fibre di basalto (campioni indicati con le sigle B1 e B2). Il lattice è stato costantemente aggiunto nella misura dell’1,5%. I provini di riferimento, costituiti unicamente da malta e sabbia, sono indicati con la sigla TQ.

Dopo il confezionamento dei provini, si è proceduto con la fase di stagionatura in cella climatica (MSL, mod. Humichamber EC 125), in modo da controllare la temperatura (20°C) e l’umidità (95% per i primi 7 giorni e 65% per i successivi 21 giorni).

La prova di resistenza a flessione è stata eseguita con un’apparecchiatura Instron 5566, dotata di cella di carico da 5 kN e provvista di un apposito dispositivo per prova di flessione a tre punti. La prova di resistenza a compressione è stata invece eseguita con un’apparecchiatura Instron 8501, dotata di cella di carico da 50 kN e provvista di un apposito dispositivo per lo schiacciamento del provino.

Entrambe le prove sono state condotte in controllo di spostamento, con velocità pari a 0,6 mm/min.

Lo studio morfologico dei campioni di malta dopo indurimento è stato effettuato sottoponendo all’analisi in microscopia elettronica a scansione (SEM, Cambridge S440) superfici di frattura delle malte indurite, recuperate dalle prove di misura delle resistenze meccaniche.

Su tutte le malte prodotte è stata effettuata la valutazione della porosità accessibile all’acqua, attraverso valutazione, secondo norma (9), del volume dei pori esterni (porosità “aperta”) e del volume apparente del campione.

3. RISULTATI E DISCUSSIONE

La Tab. 1 riassume il complesso dei parametri fisico-meccanici relativi alle malte considerate. Le malte rinforzate presentano una porosità accessibile all’acqua, compresa tra il 44% del campione V2 ed il 55% del campione B2, decisamente più elevata di quella della malta di riferimento (35%) (vedi 2a colonna). L’aggiunta di fibre, infatti, modifica la lavorabilità della malta e favorisce la formazione di micro-vuoti, ai quali è inibito l’accesso dei prodotti di idratazione dell’impasto.

La micrografia elettronica in Fig. 1, che evidenzia le caratteristiche morfologiche dell’interfaccia fibra-matrice, conferma i dati della tabella, ponendo in risalto la presenza di spazi vuoti, cui è addebitabile l’aumento della porosità.

I dati della Tab. 1 suggeriscono in aggiunta che l’incremento di porosità si registra principalmente con le fibre di basalto, in sostanziale accordo con la maggiore difficoltà riscontrata per la miscelazione dei due componenti.

Come era da attendersi e come si evidenzia dai dati relativi alle resistenze a compressione (3a e 4a colonna) e a flessione (5a e 6a colonna), riassunti nella Tab. 1, l’aumento della porosità influisce negativamente sulle proprietà meccaniche delle malte fibro-rinforzate. Si nota infatti che i valori di picco delle resistenze a compressione dei provini fibro-rinforzati sono sempre inferiori a quelli relativi al campione di riferimento. Anche nel comportamento a flessione, l’aggiunta di fibre di entrambe le tipologie si traduce in resistenze di picco più basse del riferimento, con una sola eccezione (V2, con una Rf pari a 2.41 MPa, rispetto a 2.15 MPa del campione di riferimento). Gli altri tre provini (V1, B1, B2) danno valori prossimi o comunque inferiori a quelli relativi al campione senza fibre.

L’inclusione di fibre, seppur responsabile di risultati negativi nella fase pre-fessurativa, determina al contrario notevoli miglioramenti nella fase post-fessurativa, in dipendenza del fatto che le fibre corte svolgono un’azione di “cucitura” delle fessure (5). Poiché in una malta idraulica indurita la fessurazione ha luogo come risultato di una propagazione di micro-fessure all’interno della matrice o sull’interfaccia matrice-aggregato e di un successivo allineamento delle micro-fessure a dar luogo a delle macro-fessure, il meccanismo di azione delle fibre si risolve in una “interruzione” della continuità della matrice, con conseguente rallentamento della propagazione delle micro-fessure.

Quanto detto è confermato dai risultati delle prove a flessione su tre punti, riportati nella Fig. 2. Dall’analisi dell’andamento delle curve carico-spostamento appare evidente che l’aggiunta di fibre comporta il passaggio da una curva tipica di un materiale fragile (curva TQ) a curve caratteristiche di materiali duttili.

Le fibre di vetro sembrano, peraltro, avere scarsa influenza sul comportamento elastico del materiale (la pendenza del tratto iniziale delle curve TQ, V1, V2 è sostanzialmente la stessa), con una più decisa influenza sui valori di picco delle resistenze a flessione. Viceversa, la presenza di fibre di basalto non si traduce in sostanziali modifiche sui valori di picco delle resistenze a flessione, mentre sembra influenzare il comportamento del materiale in fase elastica (la curva B2, in particolare, presenta una pendenza del tratto iniziale decisamente inferiore rispetto alle altre).

Complessivamente, i migliori risultati sono stati ottenuti con il campione V2, che tra tutti i campioni esaminati ha mostrato sia il valore di picco più elevato (circa 1100 N) che la più ampia area sottesa dalla curva in Fig. 2 (valore correlabile alla tenacità del materiale).

Ulteriori informazioni relative al meccanismo di rottura delle malte sono state ottenute dall’analisi morfologica dell’interfaccia fibra-matrice. Come si può rilevare dalla Fig. 3, nel campione V2 la fibra di vetro ha subito un fenomeno di pullout dalla matrice legante, dovuto al superamento dello sforzo di ancoraggio, registratosi prima del raggiungimento della resistenza meccanica della fibra stessa (10). Si noti anche l’ottima aderenza tra fibra e matrice; non si rileva, infatti, alcun evidente “scollamento” tra le due fasi, a conferma che la buona tenacizzazione dei campioni di malta fibro-rinforzati è dovuta alla natura del legame fibra-matrice.

CONCLUSIONI

I risultati della presente sperimentazione pongono in rilievo l’attitudine delle fibre di vetro e di basalto a contribuire al miglioramento di alcune caratteristiche meccaniche delle malte idrauliche a base di calce. Si è infatti messo in evidenza che, indipendentemente dalla tipologia e concentrazione delle fibre, si consegue un deciso miglioramento della resistenza a flessione e della tenacità delle malte indurite nella fase post-fessurativa. Tale comportamento è significativamente marcato con l’aggiunta del 2% di fibre di vetro.

Se ne deduce che materiali di tal fatta possono essere d’interesse nel ripristino del patrimonio edilizio, quando si debbano far coincidere esigenze di compatibilità dei materiali con l’adeguatezza del comportamento meccanico nella fase post-fessurativa. La sostanziale riduzione dei valori di picco delle resistenze a flessione e a compressione non pregiudica peraltro le possibilità d’impiego, ove esso venga orientato soprattutto al ripristino d’intonaci o di opere che non abbiano funzione portante.

RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia il Sig. Giovanni Albano per la collaborazione prestata nell’esecuzione della parte sperimentale.

BIBLIOGRAFIA
(1) Moropoulou, A., Bakolas, A., Bisbikou, K., “Investigation of the technology of historic mortars”, J. Cult. Herit., (2000) 1 45-58.

(2) Biscontin G., Pellizon Birelli M., Zendri E., “Characterization of binders employed in the manufacture of Venetian historical mortars”, J. Cult. Herit., (2002) 3 31-37.

(3) Fassina V., Favaro M., Naccari A., Pigo M., “Evaluation of compatibility and durability of a hydraulic lime-based plaster applied on brick wall masonry of historical buildings affected by rising damp phenomena”, J. Cult. Herit., (2002) 3 45-51.

(4) Lanas, J., Perez Bernal, J.L., Bello, M.A., Alvarez Galindo, J.I., “Mechanical properties of natural lime-based mortars”, Cem, Conc. Res. (2004) 34 2191-2201.

(5) Betterman, L.R., Ouyang, C., Shah, S.P., “Fiber – matrix interaction in microfiber-reinforced mortar”, Advan. Cem. Bas. Mat., 1995, 2, 53-61.

(6) Pigeon, M., Pleau, R., Azzabi, M., Banthia, N., Durability of microfibre-reinforced mortars, Cem. Conc. Res. (1996) 4 601-609.

(7) UNI EN 933-1 (2009) “Prove per determinare le caratteristiche geometriche degli aggregati - Parte 1: Determinazione della distribuzione granulometrica - Analisi granulometrica per setacciatura”.

(8) UNI EN 1015-11(2007) “Metodi di prova per malte per opere murarie - Parte 11: Determinazione della resistenza a flessione e a compressione della malta indurita”

(9) RILEM Commission 25-PEM (1980) “Recommended tests to measure the deterioration of stone and to assess the effectiveness of treatment methods: Test n.1.1: Porosity accessible to Water” J. Mater. Struct., 13 75, 177–179.

(10) Silva, F.J., Thaumaturgo, C., “Fibre reinforcement and fracture response in geopolymeric mortars”, Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 2003, 26, 167-172