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Fibrorinforzi per strade in calcestruzzo
pavimentazioni &manti
FIBRORINFORZI
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PER STRADE IN CALCESTRUZZO
Le pavimentazioni stradali rigide sono costituite da una lastra in calcestruzzo posata su uno o più strati di fondazione progettati in funzione della capacità portante dei terreni e del traffico previsto sull’arteria stradale. Rispetto alle pavimentazioni flessibili, costituite da un manto e da una base in conglomerato bituminoso, le pavimentazioni stradali in calcestruzzo presentano spesso indubbi vantaggi in termini ambientali e di sicurezza. Questi vantaggi diventano sensibili e sostanziali in alcune particolari situazioni, come per esempio nei tratti in galleria e in tutti quei tratti dove il manto è soggetto ad intense sollecitazioni di taglio trasmesse dalle ruote dei veicoli. In queste specifiche situazioni, il conglomerato bituminoso diventa più facilmente deteriorabile oppure può causare problematiche ambientali e di sicurezza, diventando nel contempo anche antieconomico. In generale, il vantaggio economico delle pavimentazioni rigide in calcestruzzo deriva principalmente dal mantenimento delle caratteristiche strutturali e prestazionali per almeno due/ tre decenni. Ne consegue una scarsa frequenza di interventi manutentivi, che si traducono in vantaggi economici nel medio e lungo periodo. L’economicità di una pavimentazione rigida si amplifica nei casi in cui la strada è sottoposta a forti sollecitazioni di tipo tangenziale: stiamo parlando ad esempio delle corsie di entrata ed uscita veloce dalle autostrade, sottoposte a frenate ed accelerazioni, oppure delle rotatorie dove, alle sollecitazioni radiali per effetto della forza centrifuga agente sui veicoli, si aggiunge l’aumento dello stato tensionale causato dagli sforzi di rotazione degli assi dei mezzi pesanti. Ciò causa un veloce degrado che inizia con il distacco degli aggregati del conglomerato bituminoso, prosegue con lo scorrimento dello strato superficiale e termina con la rottura per fatica della sovrastruttura. Nelle gallerie, oltre all’economicità a mediolungo termine, si aggiungono fattori non trascurabili collegati all’ambiente e alla sicurezza. Le pavimentazioni in calcestruzzo garantiscono infatti un fattore di luminanza nettamente superiore rispetto al conglomerato bituminoso. Il coefficiente di riflessione delle pavimentazioni in calcestruzzo è pari a
1. Nelle rotatorie ad elevato flusso veicolare, le strade in calcestruzzo possono risultare economicamente vantaggiose
2. Nelle gallerie, la pavimentazione in calcestruzzo genera vantaggi sia in termini ambientali che di sicurezza PAVIMENTAZIONI IN CLS
0,10, contro valori attorno a 0,07 delle pavimentazioni bituminose, con indubbi vantaggi sia per i conducenti che per i gestori dell’infrastruttura. I conducenti migliorano le condizioni di guida con una visione più nitida della carreggiata, delle sue dimensioni, dei suoi bordi e di eventuali ostacoli. I Gestori dell’infrastruttura riducono i costi energetici e di manutenzione degli impianti di illuminazione. In una galleria, a pari di livello d’illuminazione, la pavimentazione in calcestruzzo può garantire, durante l’intera vita di esercizio, un risparmio complessivo anche del 30% rispetto ai costi necessari con pavimentazioni flessibili in conglomerato bituminoso scuro. Le considerazioni ambientali e di sicurezza diventano determinanti nei casi di incendio all’interno di gallerie. In questo caso, il comportamento del calcestruzzo non è minimamente paragonabile rispetto al conglomerato bituminoso. Quest’ultimo, quando esposto a temperature maggiori di 500 °C, emette rapidamente sostanze gassose tossiche, soffocanti e cancerogene, dando luogo a una reazione fortemente esotermica in grado di alimentare l’incendio e di far perdere rapidamente tutte le caratteristiche meccaniche del manto stradale. La pavimentazione in calcestruzzo, al contrario, è sostanzialmente inerte rispetto al rischio incendio. Il calcestruzzo esposto al fuoco non alimenta la combustione, non emette gas o fumi tossici e quindi non è d’ostacolo all’evacuazione degli occupanti e alle attività di soccorso. Le condizioni di esercizio e sicurezza garantite dalla pavimentazione in calcestruzzo in caso di incendio in galleria non sono quindi paragonabili rispetto ai conglomerati bituminosi e ciò andrebbe sempre attentamente valutato in fase progettuale.
LE FIBRE READYMESH PER L’INCREMENTO DELLA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO
Le tipologie di degrado del calcestruzzo sono ben note. Le Normative europee identificano i requisiti minimi del calcestruzzo in funzione della classe d’esposizione ambientale. Questi requisiti hanno lo scopo di aumentare la durabilità del calcestruzzo e, nel caso di pavimentazioni stradali rigide, di diminuire e rallentare il rischio di ammaloramento e logoramento delle superfici. Un abaco interessante che riassume le forme di ammaloramento che si verificano nel settore delle strade in calcestruzzo è quello derivante dal lavoro di M.Y. Shanin “Pavement management for airports, roads and parking lots”, riassunto in Figura 3. Prestazioni e durabilità delle pavimentazioni stradali rigide possono essere notevolmente migliorate dall’introduzione di fibre Readymesh di Azichem nel mix design del calcestruzzo. Le fibre Readymesh svolgono molteplici azioni positive, tecnicamente ampiamente documentate, nei confronti di diverse tipologie di degrado tipiche del calcestruzzo. In particolare, tutte le tipologie di ammaloramento causate da quadri fessurativi, riescono a essere efficacemente contrastate durante tutto il ciclo di vita del calcestruzzo.
L’ANALISI DELLA FASE POST- FESSURATIVA DI CALCESTRUZZI FIBRORINFORZATI CON FIBRE READYMESH
Il calcestruzzo fibrorinforzato (FRC) è un materiale composito, appartenente alla famiglia dei calcestruzzi speciali, costituito da calcestruzzo ordinario arricchito da elementi fibrosi. Le fibre possono essere di natura metallica, sintetica o un mix delle due tipologie. L’introduzione di fibre nel calcestruzzo può avere finalità prettamente antifessurative, quindi collegate con la durabilità intrinseca del conglomerato, o anche strutturali.
3. La schematizzazione delle tipologie di degrado nelle pavimentazioni stradali in calcestruzzo
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Quando si richiedono finalità strutturali, la miscela del calcestruzzo fibrorinforzato deve essere sottoposta a valutazione preliminare secondo le Linee Guida per la qualificazione degli FRC. Particolarmente significativa, a questo scopo, risulta la determinazione dei valori di resistenza a trazione residua fR1k (per lo stato limite di esercizio) e fR3k (per lo Stato limite Ultimo) determinati secondo UNI EN 14651, descritta nel paragrafo riguardante la marcatura CE per le fibre d’acciaio. Le NTC 2018 prevedono inoltre che le fibre siano opportunamente marcate CE, in accordo alle Norme europee armonizzate, quali la UNI EN 14889-1 per le fibre realizzate in acciaio, e la UNI EN 14889-2 per le fibre realizzate in materiale polimerico.
LA MARCATURA CE PER FIBRE D’ACCIAIO (EN 14889-1)
La Norma UNI EN 14889-1:2006 descrive le prove e le specifiche tecniche che le fibre di acciaio devono soddisfare per ottenere la nota “marcatura CE” o dichiarazione di conformità CE. La Norma nel suo complesso contiene le indicazioni circa i test da effettuare, i riferimenti alle Norme tecniche che descrivono come eseguire i test prescritti, i valori che devono essere garantiti, il tipo di impasto da utilizzare per la realizzazione del calcestruzzo fibrorinforzato da testare, ecc.. Uno dei riferimenti più importanti contenuti in questa Norma è certamente quello della valutazione degli effetti dell’introduzione delle fibre sulla resistenza a flessione del calcestruzzo. La Norma è la EN 14651 e il test si realizza sottoponendo dei travetti intagliati in mezzeria ad una prova di flessione a tre punti, rilevando i carichi applicati e la corrispondente apertura dell’intaglio praticato nella mezzeria della trave. Analizzando la curva “sforzo-apertura dell’intaglio” si osserva che il ramo crescente, nel tratto che precede la fessurazione del conglomerato, è sostanzialmente identico a quello del calcestruzzo ordinario. Questo testimonia che l’aggiunta delle fibre non modifica la resistenza a compressione e il modulo elastico del calcestruzzo prima della sollecitazione
della fessurazione. L’andamento della curva nella fase postfessurativa, invece, varia rispetto ad un normale calcestruzzo e ciò dipende dalla natura della fibra, dalla sua conformazione geometrica, dal rapporto di aspetto (rapporto tra la lunghezza della fibra e il suo diametro equivalente), dal dosaggio di fibre nell’impasto. 4A e 4B. La formatura di travetti 15x15x60 cm e la curva “sforzo-apertura dell’intaglio” secondo la UNI In particolare, rispetto al calceEN 14651 struzzo ordinario, che evidenzia un comportamento fragile, con rapido collasso dopo la comparsa della fessurazione, il calcestruzzo fibrorinforzato è capace di sopportare ancora livelli di carico più o meno elevati a seconda del tipo, del dosaggio e della conformazione della fibra. Lo sviluppo della curva “sforzoapertura dell’intaglio” può andare perciò da comportamenti “degradanti o softening” (caratterizzati da un più o meno rapido decremento dello sforzo di flessotrazione in fase di apertura dell’intaglio) a “incrudenti o hardening” (caratterizzati da incremento delle resistenze meccaniche a flessotrazione anche durante la fase di apertura dell’intaglio).
LA MARCATURA CE PER FIBRE SINTETICHE (EN 14889-2)
La Norma sulle fibre sintetiche differenzia due distinti metodi di certificazione: • fibre per applicazioni generiche: sistema 3; • fibre per applicazioni strutturali: sistema 1.
Il sistema 3
La marcatura CE per le fibre sintetiche con il sistema di certificazione “3” si basa sul presupposto che la fibra in questione non sarà utilizzata per scopi strutturali. I test più importanti da effettuare sono la prova di trazione sulla fibra (EN 10002-1) e il test sugli effetti della fibra sulla consistenza del calcestruzzo (EN 12350-3).
Il sistema 1
La marcatura secondo la Norma EN 14889-2 con il sistema 1 è stata concepita per testare e certificare la compatibilità delle fibre per applicazioni strutturali. La procedura per ottenere questa certificazione è una diretta derivazione di quella utilizzata per certificare le fibre d’acciaio con la EN 14889-1. Il sistema 1 richiede che le prove siano effettuate da un organismo notificato con autorizzazione ministeriale e che i campioni di materiale siano prelevati da un ispettore di detto organismo direttamente presso il sito di produzione del fornitore. Oltre a tutti i test previsti per la sistema 5. Il fibrorinforzo deve distribuirsi omogeneamente nel calcestruzzo e, 3, la 1 richiede anche la caratterizzazione del allo scopo, sono basilari lo studio e comportamento a flessione secondo la Norma la prequalifica del mix design EN 14651.
PAVIMENTAZIONI IN CLS
In questo contesto progettuale e normativo si inserisce la gamma completa e innovativa, delle fibre Readymesh di Azichem per pavimentazioni stradali rigide che offre a Progettisti ed applicatori soluzioni tecnologicamente molto avanzate e adattabili a qualsiasi esigenza progettuale e cantieristica. Le gamma delle fibre Readymesh può essere riassunta nelle Figure 6, 7 e 8 dove le fibre vengono suddivise in tre grandi famiglie: • metalliche; • sintetiche antifessurative; • sintetiche strutturali. Ciascuna fibra viene identificata e descritta con i seguenti parametri: • lunghezza della fibra (l), ossia la distanza tra le estremità della fibra misurata in accordo con le Norme di riferimento specifiche; • diametro equivalente (d), ossia il diametro di un cerchio con area uguale all’area media della sezione trasversale della fibra; • rapporto d’aspetto, definito come quoziente tra la lunghezza e il diametro equivalente della fibra; • resistenza a trazione; • dosaggi; • morfologia.
I VANTAGGI INDOTTI DALLE FIBRE READYMESH
Le fibre Readymesh, aggiunte in forma dispersa in un conglomerato cementizio, modificano le proprietà del materiale composito fibrorinforzato sin dalle prime fasi di lavorazione dell’impasto e fino ad indurimento completamente avvenuto, agendo perciò: • durante lo stato “fresco”; • durante la maturazione; • durante il suo intero ciclo di vita. In generale, le fibre contrastano l’apertura delle fessure, sia quelle da ritiro plastico che quelle da ritiro igrometrico, mentre le fibre “strutturali”, oltre ad essere “antifessurative”, migliorano anche il comportamento a trazione, la duttilità e l’energia di frattura del conglomerato.
L’azione antifessurativa è fondamentale per aumentare la durabilità della piastra in calcestruzzo. Fessure ampie oltre i limiti fisiologici, producono diversi scompensi: • sono sgradevoli esteticamente; • sono causa di infiltrazione d’acqua e di degrado ad essa collegato; • espongono l’armatura all’azione di agenti chimici che la possono intaccare; • peggiorano l’isolamento termico del manufatto; • riducono o compromettono la resistenza del manufatto e la durabilità dell’opera. Le fibre Readymesh influiscono positivamente sul calcestruzzo fresco in fase plastica. Durante questa fase possono frequentemente verificarsi condizioni meteorologiche e realizzative (riduzioni di spessore, scompensi nel posizionamento degli acciai d’armatura, ecc.) in cui il conglomerato cementizio, non avendo ancora sviluppato sufficienti resistenze meccaniche, non riesce a opporsi alle tensioni che si generano al suo interno, scatenando crepe e fessure. Le proprietà antifessurative delle fibre Readymesh agiscono già in questa fase iniziale, riducendo sensibilmente l’ampiezza delle lesioni. Le fibre Readymesh presenti all’interno dell’FRC sono quindi di grande beneficio, in quanto costituiscono un reticolo tridimensionale che aiuta a distribuire meglio gli sforzi, aumentando la resistenza del manufatto sia quando esso è perfettamente sano, sia qualora vi dovessero essere delle micro-fratture. In tal caso, infatti, la fessura è attraversata da un fascio di fibre che crea una sorta di continuità strut-
6. La gamma Azichem di fibre metalliche strutturali (MF-500, MX-500 e MX-350 ) e antifessurative (MR 200 e MM 150) 7. La gamma Azichem di fibre sintetiche strutturali 8. La gamma Azichem di fibre sintetiche antifessurative
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turale, alleviando le sollecitazioni sul calcestruzzo stesso, specialmente in corrispondenza dell’apice della fessura. Le fibre Readymesh hanno una caratteristica molto importante, cioè quella di creare moltissime micro-superfici di separazione tra fibra e matrice cementizia, disperse in tutto il volume del manufatto e orientate in tutte le direzioni. In presenza di una fessura in propagazione, le fibre vanno a costituire una miriade di trappole che deviano e quindi disturbano l’avanzamento della microlesione (in letteratura “trappola di Cook-Gordon”), molto spesso arrestandone l’avanzamento con successo. Sulla base di queste considerazioni, risulta evidente che la distri-
buzione delle fibre nell’intera sezione del pavimento industriale permette un altro importante vantaggio: l’arresto precoce della fessurazione in profondità. Immaginando il comportamento di una fessura in un pavimento solamente armato con rete elettrosaldata confrontato con un pavimento armato con rete e contenente fibre, la diversa profondità di propagazione della fessura è quella visibile nel disegno. L’arresto precoce della fessurazione non permette la propagazione dell’acqua in profondità, con indubbi benefici in termini di durabilità della piastra e delle 9. Il fibrorinforzo deve consentire una perfetta pompabilità del calcestruzzo, sia reti d’armatura eventualmente presenti. con consistenze plastiche che con consistenze fluide Il reticolo 3D creato dalle fibre, nel caso delle fibre strutturali, consente di conservare una certa resistenza anche nel caso di calcestruzzi fratturati lungo tutta la sezione, proprio in virtù dei filamenti che attraversano la rottura, capaci di sostenere determinati carichi strutturali (questo solamente per alcuni particolari modelli e per determinati dosaggi di fibre dette per l’appunto “strutturali”). In sintesi: l’aggiunta di fibre alla matrice del calcestruzzo consente di incrementare la durabilità della piastra di pavimentazione e, nel caso si introducano fibre strutturali, anche la duttilità del calcestruzzo e la resistenza a flesso-trazione dopo l’insorgenza di fessurazioni. Per ottenere questi risultati è però indispensabile considerare attentamente la qualità, la quantità e le prestazioni delle fibre che si introducono nel mix design del calcestruzzo. A questo scopo il servizio tecnico di Azichem è a disposizione di Progettisti ed Imprese per consigliare e prescrivere qualità e quantità di fibre Readymesh necessarie per la specifica situazione. n
10A e 10B. L’avanzamento della fessura su calcestruzzo senza fibre (10A) e con fibre Readymesh (10B) (1) Direzione Tecnica, Ricerca e Sviluppo di Azichem Srl
