"F" COME Fessurazione

ma anche come fibre

 
     
   
Per la prima volta saranno abbinate due “voci” (fessurazione e fibre) alla lettera alfabetica (f) di questa rubrica. La ragione è semplice: la fessurazione, è il principale inconveniente del calcestruzzo; e le fibre in prospettiva se non già attualmente, rappresentano la migliore prevenzione per annullare, o almeno limitare, questo inconveniente.
Ma prima di addentrarci sulla prevenzione o limitazione della fessurazione con l’impiego delle fibre, esaminiamo perché la fessurazione è un inconveniente - anzi l’inconveniente - del calcestruzzo.

LA FESSURAZIONE INSIDIA LA DURABILITA'

Una struttura in calcestruzzo fessurata molto spesso non è più in grado di garantire il servizio al quale era stata destinata: per esempio, una trave in calcestruzzo normale, una volta che si è fessurata , non è più in grado di sopportare le sollecitazioni flessionali in servizio. Proprio per questo, da molto tempo, il calcestruzzo normale è stato rinforzato con i ferri di armatura che sopperiscono alle intrinseche deficienze strutturali del conglomerato, ed in particolare alla tendenza di questo materiale a fessurarsi sotto l’azione di sollecitazioni di trazione e flessione neppure rilevanti. Se le armature metalliche hanno risolto brillantemente i problemi strutturali del calcestruzzo quando è sottoposto ai carichi statici e dinamici in servizio, esse non hanno però risolto - e per certi aspetti hanno esasperato - l’altro problema connesso con la fessurazione: la durabilità della struttura.
Val la pena di ricordare che le armature metalliche, sapientemente disposte dal progettista, possono eliminare la frattura ed il conseguente collasso della struttura. Esse possono, inoltre, ridurre l’ampiezza di un’unica macrofessura, che si verificherebbe in un calcestruzzo non armato, in tante microfessure di ampiezza minore. Rimane il fatto, però, che il calcestruzzo, ancorché armato, è suscettibile di fessurarsi, magari in forma di micro anziché di macro-fessure (Fig. 1). Ed è questo il problema, ancora irrisolto, che rimane da affrontare in relazione alla durabilità.
La durabilità - cioè la capacità di durare nel tempo, ma non all’infinito, alle aggressioni ambientali - viene oggi convenzionalmente assicurata per non più di 50 anni, purché si adotti un copriferro sufficientemente spesso ed un rapporto acqua/cemento (a/c) sufficientemente basso per impedire agli agenti aggressivi dell’ambiente di entrare all’interno del calcestruzzo, e purché siano rispettate alcune regole fondamentali - spesso, però disattese nella pratica - di assicurare un minimo di stagionatura umida soprattutto dopo una precoce scasseratura (Si veda Enco Journal n°4, “D come Durabilità”). Tuttavia, soprattutto in strutture con grande estensione superficiale rispetto alla massa, come si verifica per i pavimenti o le volte sottili, un calcestruzzo non è durabile - anche se confezionato con basso rapporto a/c - se presenta fessure o anche solo microfessure (cioè non visibili a occhio nudo ma rilevabili con microscopio ottico : < 100 mm). Infatti, l’obiettivo di ridurre la macroporosità della matrice cementizia e quindi l’accesso degli agenti aggressivi mediante la riduzione del rapporto a/c, può essere completamente vanificato dalla presenza di fessure o microfessure attraverso le quali gli agenti aggressivi possono penetrare nonostante una densa e compatta matrice cementizia (Si veda Enco Journal n° 3, “Calcestruzzo per sempre”).
L’aspetto più preoccupante nell’aggressione ambientale, perpetrata attraverso i cammini preferenziali rappresentati dalle fessure e microfessure, riguarda proprio i ferri di armatura particolarmente esposti al rischio di prematura corrosione per l’ingresso di aria umida, e quindi di un gas che permea facilmente le fessure ma anche le invisibili microfessure. Nel giro di qualche anno l’incipiente corrosione dei ferri prima farà apparire le macchie di ruggine in corrispondenza delle microfessure, successivamente tramuterà le micro in macrofessure ed infine provocherà il distacco del copriferro a causa dell’aumento di volume delle armature per effetto della corrosione promossa dalla carbonatazione (Si veda Enco Journal n°4, “D come Durabilità”). Insomma, il confezionamento di un calcestruzzo di qualità, con un basso rapporto a/c in conformità alle normative, è condizione necessaria, ma non sufficiente per garantire la durabilità di una struttura, soprattutto se l’aspettativa di durabilità va ben oltre i 50 anni previsti dalla normativa europea . Se questa aspettativa si protrae per qualche secolo, come pure sarebbe lecito attendersi per opere di alto valore architettonico e di grande interesse sociale, è assolutamente indispensabile controllare, se non eliminare, il quadro fessurativo e micro-fessurativo del calcestruzzo.


Fig. 1 - Fessurazione provocata da escursioni termo-igrometriche.

FESSURAZIONE E
RIGIDITA'


Quali sono le principali cause che determinano nel calcestruzzo un’elevata tendenza alla fessurazione anche in assenza di carichi statici e dinamici in servizio? Sono fondamentalmente due: una scarsa resistenza (Rt) alle sollecitazioni di trazione (
st ); un elevato modulo elastico (E) cioè una scarsa deformabilità soprattutto al momento della rottura sostanzialmente fragile.
Se una struttura è sollecitata con una tensione (
st ) che supera la resistenza (Rt), il calcestruzzo, come ogni altro materiale, si fessura. Ovviamente occorrerà evitare che si verifichi questa diseguaglianza:

 


st > Rt

[1]


Noto il valore di Rt (di solito molto basso: 1-7 N/mm2) si deve fare in modo che le sollecitazioni statiche o dinamiche in servizio non inducano sforzi maggiori di Rt , pena la fessurazione del calcestruzzo. Con più difficoltà, invece, si potrà evitare le insidie che si nascondono nelle deformazioni di origine igrometrica o termica che, se impedite o comunque ostacolate, di fatto si tramutano in tensioni. Si consideri, per esempio, una lastra di calcestruzzo appoggiata su terreno. Si supponga che - per effetto dell’ambiente insaturo di umidità, e del conseguente asciugamento del calcestruzzo - la lastra subisca un ritiro igrometrico
ei . Se non esistesse alcun vincolo alla contrazione, se per esempio non ci fosse alcun attrito tra calcestruzzo e terreno, la lastra si accorcerebbe di ei senza alcuna conseguenza negativa. Se, all’opposto, la lastra è del tutto impedita nell’accorciamento, essa è costretta a rimanere nella sua posizione originale sotto l’azione di una tensione di trazione st, calcolabile in prima approssimazione, con la legge di Hooke:

st = E ei

[2]

In sostanza, per una data contrazione da ritiro igrometrico (ei ), la tensione di trazione (st), indotta proprio dall’impedimento alla contrazione, diventa tanto maggiore, quanto più alto è il modulo elastico (E) del calcestruzzo.


Fig. 2 - A parità di sviluppo della resistenza meccanica a trazione (Rt), ed a parità di ritiro (ei), la fessurazione
avviene sono nel calcestruzzo B dotato di maggior modulo elastico EB, non appena la tensione (
st) indotta
dal ritiro impedito, supera la resistenza a trazione (Rt).


Due calcestruzzi (A e B), dotati di moduli elastici diversi (EA < EB), ma con stessa resistenza a trazione Rt, (Fig. 2), potrebbero comportarsi - dal punto di vista fessurativo - in modo completamente diverso nei confronti delle tensioni indotte dallo stesso ritiro igrometrico (ei ). Infatti, per il calcestruzzo A, meno rigido, la stA indotta potrebbe risultare inferiore alla resistenza Rt, mentre per il calcestruzzo B più rigido (EB > EA ) la stB indotta potrebbe superare Rt e provocare, quindi la fessurazione del materiale:

stB = EB· ei > Rt > stA = EA · ei

[3]


In generale i valori di E, di ei e di st che si riscontrano normalmente nei calcestruzzi dovrebbero portare ad una situazione come quella indicata in Fig. 1 per il calcestruzzo B. In altre parole ci si dovrebbe aspettare una fessurazione indotta da ritiro in quasi tutte le strutture. Poiché, però, fortunatamente ciò non accade, vuol dire che la tensione indotta dal ritiro, calcolata secondo l’equazione [2] è in realtà attenuata da un concomitante fenomeno che riduce di fatto la contrazione da ritiro ei . Questo fenomeno è individuabile nella deformazione viscosa o creep (ec) generata dall’insorgere della stessa tensione di trazione st consistente in un allungamento (ec) e quindi di segno opposto al ritiro. Insomma, se la contrazione ei genera una tensione st, quest’ultima a sua volta produce un rilassamento del materiale attraverso un allungamento viscoso ec di segno opposto ad un allungamento ei . E’ come se l’equazione [2] diventasse:

st = E(ei - ec

[4]



La Fig. 3 riassume i concetti sopra esposti mostrando comparativamente il comportamento del calcestruzzo B: nella ipotesi che ci sia l’allentamento della tensione a causa del creep la fessura non si manifesta.
In sostanza, per non avere fessure occorrerebbe un calcestruzzo con alta resistenza, basso ritiro e soprattutto con basso modulo elastico (su una elevata deformazione viscosa, ec, che pure ridurrebbe la tensione di trazione st, è meglio non contare per evitare altri problemi: per esempio rilassamento dello stato di coazione nel calcestruzzo precompresso).
Insomma è il sogno di tutti i ricercatori, i tecnologi e i progettisti: inventare, sviluppare ed impiegare un calcestruzzo resistente, ma poco rigido, cioè con modulo elastico così basso da poter praticamente annullare le tensioni di trazione che insorgono per effetto del ritiro igrometrico e della contrazione termica; e più in generale per cancellare le differenze nello stato tensionale che insorgono per effetto delle diverse variazioni dimensionali generate da gradienti igrometrici o termici.
Si pensi, per esempio, alla situazione di una struttura esposta alle escursioni termiche ed igrometriche ambientali: queste escursioni, di carattere giornaliero e stagionale, provocheranno una lenta ma progressiva microfessurazione sull’epidermide del calcestruzzo proprio per la sua rigidità e per effetto delle differenze di temperatura e di umidità rispetto agli strati più interni e quindi più protetti dalle escursioni termo-igrometriche. Questo meccanismo, che è alla base della microfessurazione iniziale, è il precursore del degrado a lungo termine, soprattutto nelle armature metalliche protette da un copriferro di inadeguato spessore.

UNA PELLE ELASTICA SUL CALCESTRUZZO RIGIDO

Per ritornare al sogno di un calcestruzzo poco rigido, che annullerebbe in un sol colpo gran parte dei problemi della fessurazione e della durabilità a lungo termine, esso è stato in parte risolto impiegando come ingrediente aggiuntivo - oltre a quelli tradizionali (cemento, inerti) - un polimero elastomerico: una sorta di gomma sintetica, dispersa in forma di particelle finemente suddivise in un mezzo acquoso (lattice) da impiegare al posto della normale acqua di impasto. Grazie a questa aggiunta, il modulo elastico del sistema polimero-cemento diventa minore di 1000 N/mm2, contro un valore tipicamente compreso tra 20000 e 40000 N/mm2 per i più rigidi sistemi cementizi tradizionali. Esistono, però, due limiti a questa strategia: il costo elevato del componente elastomerico rispetto agli altri ingredienti tradizionali che ne rende proibitivo l’impiego massiccio nel calcestruzzo; la diminuzione di resistenza meccanica a compressione che accompagna la diminuzione del modulo elastico. Per questo motivo il sistema polimero-cemento è finora impiegato in forma di malta da applicare come rivestimento sottile (circa 2 mm), duttile, flessibile, e capace di impermeabilizzare, come una guaina elastica su misura, il substrato rigido in calcestruzzo. Una delle proprietà maggiormente studiate ed apprezzate per questi rivestimenti elastici è la cosiddetta crack-bridging-ability, cioè la capacità di formare un “ponte” elastico ed integro sulle inevitabili fessure della sottostante struttura in calcestruzzo rigido (Fig. 4). In sostanza, una pelle elastica può sopperire alla rigidità del substrato in calcestruzzo ed alla sua suscettibilità alla microfessurazione causata da carichi statici o dinamici in servizio, oppure indotta dalle variazioni termo-igrometriche dell’ambiente. Un sottile (2 mm) rivestimento flessibile con le caratteristiche elastiche sopra descritte, dovrebbe sempre completare la finitura superficiale di una nuova costruzione in calcestruzzo armato la cui attesa di vita in servizio supera i 50 anni.


Fig.3 - Effetto del creep (
ec) sull'allentamento della tensione st indotta dal ritiro (ei): la curva della tensione (stB) supera quella della resistenza (Rt) in assenza di creep; la tensione (st), in presenza di creep, si attenua e non si verifica la fessurazione o si verifica a tempi più lunghi.


Fig.4 - Trave armata sollecitata a flessione: le fessure del substrato in calcestruzzo sono coperte dal rivestimento flessibile in superficie.


IL CALCESTRUZZO FIBRO-RINFORZATO

L’impiego di fibre in un sistema cementizio (calcestruzzo, malta, o anche pasta) è la migliore prevenzione alla fessurazione, o meglio alla propagazione delle fessure, indotta dall’insorgere delle tensioni di trazione. Se il rivestimento elastico sulla superficie di calcestruzzo non ne elimina la intrinseca rigidità (ma semplicemente copre le fessure del substrato impedendo l’accesso agli agenti aggressivi) un calcestruzzo fibro-rinforzato può diventare duttile e tenace.
In realtà le fibre non modificano significativamente - a meno che non siano presenti a dosaggi considerevoli - nè il modulo elastico (E), nè la resistenza a trazione (Rt). Da questo punto di vista, quindi, non appare ancora del tutto risolto il problema della eliminazione delle microfessure che agiscono da precursore nel degrado a lungo termine anche di un calcestruzzo di buona qualità, cioè con basso rapporto a/c.
Nonostante questi aspetti non del tutto soddisfacenti, il calcestruzzo fibro-rinforzato rappresenta sicuramente una delle innovazioni più ragguardevoli nello sviluppo di questo materiale. Nel seguito sono illustrate sinteticamente le principali caratteristiche del calcestruzzo con e senza fibre.
La Fig. 5 illustra schematicamente il comportamento di un calcestruzzo ordinario e quello di un calcestruzzo adeguatamente fibro-rinforzato per tipo e quantità di fibre.
La resistenza a trazione (Rt), intesa come la sollecitazione st che provoca l’incipiente fessurazione, non cambia significativamente in presenza di fibre. Nè cambia sostanzialmente la pendenza della curva nell’iniziale tratto lineare (cioè il modulo elastico E) per l’aggiunta di fibre. In sostanza, il comportamento del sistema (con e senza fibre) prima della fessurazione seguita ad essere governato dal comportamento della matrice cementizia che rimane un materiale fondamentalmente rigido e fragile. Le fibre, invece, modificano sensibilmente il comportamento post-fessurativo del sistema. Infatti, il calcestruzzo senza fibre collassa quasi subito dopo l’apparizione della prima fessura che rapidamente assume dimensioni rilevanti fino alla completa rottura: in altre parole la deformazione al momento dell’apparizione della prima fessura (ef) è di poco inferiore ( e quasi coincidente) alla deformazione che corrisponde alla completa rottura (er) come tipicamente avviene nei materiali fragili.
Nel calcestruzzo fibro-rinforzato, invece, la deformazione (ef) è molto inferiore a quella (er) che si registra a completa rottura come tipicamente avviene nei materiali duttili. Un’altra caratteristica interessante del calcestruzzo fibro-rinforzato riguarda l’aumento della tensione che occorre applicare, dopo la prima fessurazione (f) della matrice cementizia, per seguitare a deformare il sistema fibro-rinforzato: in altre parole, mentre il calcestruzzo ordinario si comporta come un materiale rigido e presenta un comportamento elastico-lineare pressoché fino alla rottura fragile, il calcestruzzo fibro-rinforzato, invece, si comporta come un materiale duttile con un comportamento elasto-plastico nella fase post-fessurativa, cioè con capacità di sopportare anche carichi maggiori dopo l’iniziale fessurazione. Un’ultima caratteristica, connessa alla precedente, è rappresentata dalla tenacità del calcestruzzo fibro-rinforzato, intesa come lavoro totale che occorre spendere per portare a completa rottura il materiale e che viene espressa dall’area sottesa dalla curva tensione-deformazione. Alla tenacità del calcestruzzo fibro-rinforzato (caratteristica opposta alla fragilità del calcestruzzo ordinario) si deve la capacità di resistere agli urti, qualità particolarmente apprezzata nelle strutture sottoposte a sollecitazioni impulsive e ripetute (giunti autostradali, pavimenti industriali esposti a carichi dinamici, ecc.).
Esistono diversi tipi di fibre (polimeriche, vetrose e metalliche) per composizione, forma e geometria. A parità di composizione e di dosaggio, l’efficacia delle fibre migliora se aumenta il cosiddetto rapporto d’aspetto (lunghezza/diametro) e se la forma assume un contorno irregolare che favorisca l’adesione alla matrice cementizia.
E’ impossibile, in questa sede, analizzare in dettaglio i criteri per la scelta della composizione e del dosaggio delle fibre, come anche, del suo rapporto d’aspetto e della forma, in relazione alla particolare prestazione che si vuole conseguire nel calcestruzzo. Si può solo accennare a due tra le più importanti applicazioni pratiche:


Fig.5 - Tipiche curve di tensione-deformazione per sollecitazione a trazione uniassiale
(f indica la formazione della prima fessura).


a) l’impiego di fibre polimeriche (in particolare di quelle polipropileniche e poliacrilonitriliche) per ridurre, o addirittura eliminare, le fessure indotte dal ritiro plastico (cioè quello che si manifesta nelle prime 24 ore dal getto) nelle pavimentazioni e negli intonaci particolarmente esposti, per la loro estensione superficiale, alla evaporazione dell’acqua di impasto;
b) l’impiego di fibre in acciaio per la produzione di calcestruzzi iperprestazionali caratterizzati da tenacità e quindi alta resistenza agli urti.