Calcestruzzo fibrorinforzato (FRC), tutto quello che occorre sapere

In questo focus analizziamo le caratteristiche, gli usi, i vantaggi e le norme di riferimento del calcestruzzo fibrorinforzato, anche a seguito della pubblicazione delle nuove NTC 2018

Il calcestruzzo fibrorinforzato è un materiale composito  – appartiene alla famiglia dei calcestruzzi speciali – costituito da calcestruzzo ordinario e elementi fibrosi.

Le componenti principali di un calcestruzzo fibrorinforzato sono:

  • matrice costituita da calcestruzzo ordinario
  • elementi fibrosi discontinui dispersi nella matrice

L’aggiunta di fibre in forma dispersa in un conglomerato cementizio ne modifica le proprietà meccaniche e fisiche e, in particolare, migliora il comportamento a trazione contrastando l’apertura progressiva delle fessure.

Nei cementi fibrorinforzati le fibre esercitano sul calcestruzzo una vera e propria azione di cucitura, in grado di limitare notevolmente la formazione di fessure.

In particolare, una volta raggiunta la fessurazione del conglomerato, le fibre sono in grado di manifestare il proprio contributo, conferendo al composito una buona resistenza post-fessurazione, assente nella matrice senza fibre.

La presenza delle fibre conferisce dunque al calcestruzzo dopo la fessurazione:

  • significativa resistenza residua a trazione
  • buone caratteristiche di tenacità e durabilità
  • buona resistenza all’urto (resilienza), alla fatica all’abrasione.

Ntc 2018 e nuovi documenti tecnici su FRC

Le nuove norme tecniche per le costruzioni, NTC 2018, approvate con dm 17 gennaio 2018, al §11.2.12, includono il calcestruzzo fibrorinforzato tra i materiali per la realizzazione di elementi strutturali.

Dopo più di 50 anni di ricerche in tutto il mondo, il calcestruzzo fibrorinforzato trova spazio nelle norme tecniche sia italiane che internazionali, incluso microcodice 2 nella sua nuova edizione in fase di preparazione.

Le NTC 2018, prevedono che le fibre siano marcate CE in accordo alle norme europee armonizzate, quali la UNI EN 14889‐1 ed UNI EN 14889‐2 per le fibre realizzate in acciaio o materiale polimerico.

La miscela del calcestruzzo fibrorinforzato deve essere sottoposta a valutazione preliminare secondo le indicazioni riportate nel § 11.2.3, con 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 14651:2007.

Intanto, il Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici sta preparando 2 documenti fondamentali per l’FRC:

  1. linee guida per la qualificazione del materiale, necessario per l’ottenimento del Certificato di Idoneità Tecnica (CIT) per produrre l’FRC
  2. linee guida per la progettazione degli elementi strutturali in FRC, documento rivolto ai progettisti

Caratteristiche e utilizzi del calcestruzzo fibrorinforzato

La presenza di fibre nel calcestruzzo può ridurre la propagazione delle fessurazioni dovute al ritiro igrometrico grazie all’azione di cucitura. Per tale motivo i calcestruzzi fibrorinforzati (con fibre in acciaio o di tipo polimerico) sono frequentemente utilizzati per la realizzazione di pavimentazioni industriali (in questo caso le fibre si sostituiscono alle reti elettrosaldate nel contrastare la propagazione delle fessure).

Il calcestruzzo fibrorinforzato presenta una matrice cementizia, costituita da cemento, acqua, aggregati, fibre ed eventuali additivi; i diversi componenti devono essere opportunamente combinati per ottenere le proprietà allo stato fresco e le caratteristiche meccaniche allo stato indurito richieste dalla committenza.

Conseguentemente, per ottenere un calcestruzzo fibrorinforzato a prestazioni garantite, non basta semplicemente aggiungere delle fibre ad una matrice di calcestruzzo, ma la miscela del composito deve essere opportunamente progettata.

Relativamente alle fibre, esse risultano caratterizzate, oltre che dal tipo di materiale, da parametri geometrici quali

  • la lunghezza della fibra (lf), ossia la distanza tra le estremità della fibra misurata in accordo con le norme di riferimento specifiche – la lunghezza in sviluppo della fibra (ld) è la lunghezza della linea d’asse della fibra
  • il diametro equivalente (df), ossia il diametro di un cerchio con area uguale all’area media della sezione trasversale della fibra
  • il rapporto d’aspetto, definito come quoziente tra la lunghezza e il diametro equivalente della fibra
  • la forma (fibre lisce, uncinate, ecc.).

Vantaggi e svantaggi del calcestruzzo fibrorinforzato

I principali vantaggi derivanti dall’utilizzo di fibre sono sia costruttivi che strutturali: basti pensare all’eliminazione (o alla notevole riduzione) dei tempi di posa in opera dell’armatura, con conseguente riduzione dei costi della manodopera e dei tempi di controllo della direzione lavori, al miglioramento del comportamento fessurativo (con il conseguente aumento della durabilità dell’opera).

Il vantaggio principale offerto dalle fibre è quello di migliorare la duttilità del conglomerato nella fase successiva all’innesco del fenomeno fessurativo.

Infatti, essendo l’allungamento a rottura di tutte le fibre circa 2-3 ordini di grandezza superiori alla deformazione a rottura della matrice cementizia, la crisi del conglomerato avviene molto prima che si possa verificare la rottura delle fibre.
Pertanto le fibre riducono il comportamento fragile della matrice cementizia.

Raggiunta la deformazione di prima fessurazione, il calcestruzzo fibrorinforzato ha un comportamento elasto-plastico (comportamento duttile) nella fase postfessurata, cioè è in grado di sopportare carichi anche dopo l’insorgere delle prime fessurazioni.

Altri pregi del calcestruzzo fibrorinforzato rispetto a quello convenzionale sono:

  • maggiore resistenza alla fatica
  • maggiore resistenza agli urti
  • maggiore resistenza allo stress termico
  • maggiore resistenza all’abrasione.

Tra gli svantaggi dei calcestruzzi fibrorinforzati si segnala solo la minore lavorabilità dell’impasto: l’aggiunta di fibre, infatti, comporta una riduzione della lavorabilità dell’impasto cementizio. Tali difficoltà possono essere comunque risolte agevolmente: per garantire al calcestruzzo un’adeguata lavorabilità si aggiungono all’impasto additivi super-fluidificanti.

Tipologie di calcestruzzo fibroriforzato

Esistono diverse tipologie di calcestruzzo fibrorinforzato, classificabili in funzione delle fibre utilizzate.

Alla fine degli anni ’40 fecero la loro comparsa negli Stati Uniti le fibre di acciaio; successivamente, negli anni ’60, apparirono le fibre di vetro e poi quelle organiche provenienti da trattamenti di sintesi.

Recentemente sono state utilizzate nella produzione del calcestruzzo anche fibre di ghisa, di ottone, poliolefiniche, etc.; ad oggi, tuttavia, si preferisce ricorrere principalmente alle fibre di acciaio, di vetro, in polipropilene e in polacrilonitrile.

In linea generale possiamo trovare le seguenti fibre rinforzanti:

  • fibre di acciaio
  • fibre di vetro e fibre di natura organica

 

Tipologie di fibre

Tipologie di fibre

Le fibre di acciaio, sono disponibili in forma di aghi di diversa conformazione geometrica: a sezione circolare o rettangolare, ad estremità piegate, dentate, ecc. con diametro equivalente compreso fra 0.4 e 1.2 mm e lunghezza variabile tra 25 e 80 mm. Esse, a seconda delle prestazioni da conseguire, vengono aggiunte in misura variabile da 25 fino a 150 kg/m³ di calcestruzzo.

Le principali applicazioni dei calcestruzzi rinforzati con fibre di acciaio riguardano:

  • la realizzazione di pavimentazioni industriali in calcestruzzo dove le fibre vengono convenientemente impiegate in sostituzione della tradizionale armatura in forma di rete elettrosaldata;
  • la realizzazione di conci prefabbricati per i rivestimenti definitivi delle gallerie;
  • per i rivestimenti sia provvisori che definitivi realizzati con calcestruzzi spruzzati.

 

 

Le fibre di vetro e quelle di natura organica (prevalentemente poliacrilonitrile, poliestere e polipropilene) attualmente impiegate si distinguono in:

  • fibre non metalliche strutturali, di lunghezza variabile tra 20 e 60 mm e diametro equivalente di 0.8-1.3 mm aggiunte in quantità comprese fra 2.5 e 6.0 Kg/m³ per la produzione di conglomerati destinati alle stesse applicazioni di quelli prodotti con le fibre di acciaio;
  • fibre non metalliche non strutturali, di lunghezza variabile da 10 a 30 mm e diametro di 0.01-0.02 mm aggiunte in misura di 0.8-1.2 kg/m³ per la realizzazione di calcestruzzi destinati prevalentemente a solette e pavimenti di piccolo spessore per attenuare il rischio fessurativo derivante dal ritiro plastico del conglomerato.

  • in materiale polimerico: in questo caso il calcestruzzo fibrorinforzato viene definito SNFRC (Synthetic Fiber Reinforced Concrete). Tali fibre hanno una bassa resistenza al fuoco, ai raggi ultravioletti e all’ossigeno. Si suddividono in:
    • a basso modulo elastico: non accrescono la resistenza a trazione del materiale però migliorano la tenacità e sono utili a contrastare il fenomeno fessurativo della matrice cementizia. Tra le più utilizzate ci sono:
      • le fibre polipropileniche non strutturali;
      • le fibre polietileniche;
      • le fibre di poliestere;
      • le fibre di nylon.
    • ad alto modulo elastico: rispetto alle precedenti garantiscono anche un aumento della resistenza a trazione del calcestruzzo. Tra le più utilizzate ci sono
      • le fibre polipropileniche strutturali;
      • le fibre di PVA (polivinilalcol)
      • le fibre di carbonio
      • le fibre acriliche (le fibre poliacrilonitriliche)
      • le fibre aramidiche

  • in materiali naturali: in questo caso si parla di NFRC (Natural Fiber Reinforced Concrete). Questi tipi di fibre sono poco utilizzate poiché devono subire diversi trattamenti prima di essere impiegate.

Le fibre possono avere diverse forme, oltre a quella semplicemente rettilinea, infatti esistono fibre ondulate, uncinate, nervate, ad estremità schiacciate, ecc.

Commercialmente le fibre si presentano sotto forma di:

  • monofilamento: ogni fibra si presenta separata dalle altre;
  • bundles: le fibre si presentano in gruppi. Le fibre bundles dette placchettate, durante la miscelazione con la matrice cementizia si separano tra di loro e diventano monofilamenti.

Le fibre inoltre si distinguono in base alle loro dimensioni in:

  • microfibre: sono idonee a contrastare le piccole fessure come quelle che si formano a seguito dell’azione del ritiro plastico;
  • macrofibre: sono idonee a contrastare le fessure dovute ai carichi esterni e al ritiro igrometrico. Alcune macrofibre possono aumentare la resistenza a trazione e la tenacità del calcestruzzo.

Prove su calcestruzzi fibrorinforzati

Le proprietà del calcestruzzo fibrorinforzato si valutano, in accordo alla norma UNI EN 14651, sottoponendo i travetti intagliati 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 “forza-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: l’aggiunta delle fibre non modifica le proprietà del calcestruzzo prima della fessurazione. L’andamento della curva, invece, nella fase post-fessurativa dei calcestruzzi fibrorinforzati varia rispetto ad un normale calcestruzzo e dipende dalla natura della fibra, dalla sua conformazione geometrica, dal rapporto di forma o di aspetto (rapporto tra la lunghezza della fibra e il  suo diametro equivalente), dal dosaggio di fibre nell’impasto.

In particolare, rispetto al calcestruzzo ordinario, che evidenzia un comportamento fragile in quanto dopo la comparsa della fessurazione volge immediatamente al collasso, il calcestruzzo fibrorinforzato è capace di sopportare ancora livelli di carico più o meno elevati a seconda del tipo, del dosaggio della conformazione della fibra. L’aggiunta di fibre alla matrice consente di incrementare la duttilità del calcestruzzo e di far si che essa abbia capacità resistenti anche dopo la fessurazione.

Sebbene, il reale andamento della curva nella fase post-fessurativa dipenda, come sopra evidenziato, da una serie di fattori a volte tra loro strettamente collegati da non poterlo generalizzare, tuttavia, si possono riportare alcune considerazioni derivanti dall’introduzione delle fibre nell’impasto sul legame costitutivo del materiale.

Comportamento strutturale degli elementi in calcestruzzo fibrorinforzato

Come abbiamo già visto, l’aggiunta di fibre disperse in una matrice cementizia ne modifica le proprietà meccaniche: migliora il comportamento a trazione contrastando l’apertura progressiva delle fessure. Una volta raggiunta la fessurazione della matrice, le fibre sono in grado di manifestare il proprio contributo, conferendo al composito una resistenza post-fessurazione assente nella matrice senza fibre.

Il comportamento degradante, tipico di una prova di trazione monoassiale sul calcestruzzo, può essere modificato in modo significativo dall’aggiunta di fibre, al crescere della percentuale volumetrica di esse. Per piccole percentuali volumetriche di fibre – circa 0.2-2% –,  il legame carico-spostamento a trazione di un FRC presenta ancora un ramo discendente (comportamento degradante), ma è caratterizzato da una resistenza residua e da una maggiore tenacità (V. figura successiva – fonte CNR-DT 204/2006).

Per percentuali volumetriche di fibre superiori (circa 2-8%), il comportamento può diventare incrudente, grazie alla comparsa di una multi-fessurazione (V. figura successiva – fonte CNR-DT 204/2006).

La presenza di fibre, pertanto aumenta la tenacità (capacità del calcestruzzo di resistere all’avanzamento delle fessure) del calcestruzzo: previene la propagazione delle fessure, che si generano nel calcestruzzo a causa dell’insorgere di tensioni di trazione (dovute al ritiro e/o ai carichi esterni) che, già a bassi livelli di intensità, superano la resistenza a trazione del conglomerato, determinando la frattura della matrice cementizia.

A dosaggi di fibre piuttosto elevati (indicativamente per volumi di fibre superiori al 2%) le fibre migliorano sensibilmente anche la resistenza del calcestruzzo a:

  • flessione;
  • trazione pura;
  • taglio.

Le fibre non apportano nessun vantaggio significativo in termini di resistenza a compressione del calcestruzzo e non sono in grado di influenzare apprezzabilmente il modulo elastico a compressione.

Grazie all’effetto di cucitura, la fibra garantisce al calcestruzzo una resistenza residua a trazione anche nella fase postfessurata poiché questa consente il trasferimento degli sforzi di trazione da un lembo all’altro della lesione; questo fenomeno viene spesso indicato in letteratura come tension-softening.

Inoltre, l’aggiunta di fibre comporta un sostanziale miglioramento dell’aderenza tra calcestruzzo e barre circostanti (tension stiffening).

 

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