Il calcestruzzo-rinforzato con fibre (FRC) si riferisce a un materiale composito a base di cemento-composto da pasta di cemento, malta o calcestruzzo come matrice e fibre come rinforzo. Il calcestruzzo fibrorinforzato-, noto anche come calcestruzzo fibrorinforzato, si riferisce in genere a un materiale composito a base di cemento-composto da pasta di cemento, malta o calcestruzzo come matrice e fibre corte discontinue o fibre lunghe continue come rinforzo. Le fibre possono controllare l’ulteriore sviluppo di crepe nella matrice del calcestruzzo, migliorando così la resistenza alle fessurazioni. L'elevata resistenza alla trazione e l'allungamento delle fibre migliorano la resistenza alla trazione, alla flessione e all'impatto, l'allungamento e la tenacità del calcestruzzo. I principali tipi di calcestruzzo in fibra includono cemento-amianto, calcestruzzo in fibra di acciaio, calcestruzzo in fibra di vetro, calcestruzzo in fibra di polipropilene, calcestruzzo in fibra di carbonio, calcestruzzo in fibra vegetale e calcestruzzo in fibra sintetica ad alto modulo elastico. È un termine generale per materiali compositi composti da fibre e materiali a base di cemento-(pasta di cemento, malta o calcestruzzo). I principali svantaggi della pasta di cemento, della malta e del calcestruzzo sono la bassa resistenza alla trazione, il basso allungamento ultimo e la fragilità. Questi svantaggi possono essere superati aggiungendo fibre con elevata resistenza alla trazione, elevato allungamento finale e buona resistenza agli alcali.
Il ruolo della fibra nel calcestruzzo:
Il calcestruzzo ordinario è un materiale fragile e presenta numerose microfessure già prima del caricamento. Sotto l’aumento delle forze esterne, queste microfessure si espandono gradualmente e alla fine formano macrofessure, portando al cedimento del materiale. L'aggiunta di un'adeguata quantità di fibra previene e inibisce la crescita di microfessurazioni, migliorando significativamente le resistenze a trazione e flessione, nonché l'energia di frattura, del materiale composito rispetto alla matrice cementizia non rinforzata. Vari tipi di fibre migliorano l'impermeabilità del calcestruzzo, la resistenza al gelo{3}}disgelo, la resistenza alla penetrazione degli ioni cloruro e la resistenza alla carbonatazione a vari livelli. Il cemento fibrorinforzato-utilizza principalmente fibre corte con proporzioni specifiche (il rapporto tra la lunghezza delle fibre e il diametro). Tuttavia, a volte vengono utilizzate fibre lunghe (come il roving in fibra di vetro e la pellicola fibrosa in polipropilene) o prodotti in fibra (come la rete in fibra di vetro e il tappetino in fibra di vetro). La resistenza alla trazione finale può essere aumentata del 30-50%. La funzione principale della fibra nel calcestruzzo fibrorinforzato-è limitare la crescita di crepe nella matrice cementizia sotto l'azione di forze esterne. Nella fase iniziale del carico (tensione e flessione), quando gli ingredienti sono appropriati e viene aggiunto un idoneo agente riduttore d'acqua-ad alta efficienza-, la base di cemento e le fibre sopportano insieme la forza esterna, essendo la prima il principale portatore della forza esterna; quando la base si rompe, le fibre attraverso le fessure diventano i principali portatori della forza esterna. Supponiamo che il contenuto in volume della fibra superi un certo valore critico. In tal caso, l'intero materiale composito può continuare a sopportare carichi più elevati e produrre deformazioni maggiori fino a quando le fibre non vengono rotte o estratte dal materiale di base, distruggendo il materiale composito. Rispetto al calcestruzzo ordinario, il calcestruzzo fibrorinforzato presenta una maggiore resistenza alla trazione e alla flessione, in particolare il miglioramento della tenacità.
Classificazioni comuni delle fibre
Le fibre possono essere classificate in base alle proprietà del materiale:
① Fibre metalliche, come fibre di acciaio (cemento rinforzato con fibre di acciaio) e fibre di acciaio inossidabile (adatte per calcestruzzo resistente al calore-).
② Fibre inorganiche, principalmente fibre minerali naturali (crisotilo, crocidolite, amosite, ecc.) e fibre minerali-artificiali (fibre di vetro resistenti agli alcali-, fibre di carbonio come lana minerale resistente agli alcali-).
③ Fibre organiche, principalmente fibre sintetiche (polietilene, alcool polivinilico, nylon, poliimmide aromatica, ecc.) e fibre vegetali (sisal, agave, ecc.). Il cemento rinforzato con fibre sintetiche non deve essere utilizzato in ambienti con temperature superiori a 60 gradi.
In base al loro modulo elastico, le fibre possono essere suddivise in due grandi categorie:
Le fibre con un modulo elastico inferiore a quello della matrice cementizia sono denominate fibre flessibili, comprese le fibre di polipropilene, le fibre di nylon e le fibre di cellulosa.
Le fibre con un modulo elastico maggiore di quello della matrice sono chiamate fibre rigide, come fibre di acciaio, fibre di vetro e fibre di carbonio.
Fibre di calcestruzzo comuni e loro caratteristiche
Fibra d'acciaio
Il calcestruzzo formulato incorporando una quantità adeguata di fibra di acciaio nel calcestruzzo ordinario è chiamato calcestruzzo con fibra di acciaio o calcestruzzo rinforzato con fibra di acciaio. Rispetto al calcestruzzo ordinario, la sua resistenza alla trazione, resistenza alla flessione, resistenza all'usura, resistenza agli urti, resistenza alla fatica, tenacità, resistenza alle crepe e resistenza alle esplosioni sono significativamente migliorate. Le fibre del tipo-taglio di filo di acciaio ad alta resistenza-a gancio-, le fibre di tipo a gancio-fresate in lingotti-, le fibre di forma speciale-tranciate e le fibre trafilate con fusione di acciaio a bassa lega-stanno ottenendo un'applicazione diffusa nei progetti di ingegneria grazie al loro migliore legame con la matrice del calcestruzzo, prevenendo in modo significativo le crepe, rafforzando e rendendo più tenace il calcestruzzo.
Vantaggi e svantaggi
Il vantaggio tecnico della fibra d'acciaio è la sua capacità di aumentare la tenacità e la resistenza alla trazione del calcestruzzo. Tuttavia, le fibre di acciaio tendono ad aggregarsi durante la miscelazione, con conseguente scarsa lavorabilità, difficoltà di pompaggio, costruzione difficile e suscettibilità alla ruggine. Inoltre, il calcestruzzo in fibra di acciaio è pesante e richiede una produzione significativa di acciaio, aumentandone il consumo e i costi. La forma principale di cedimento delle fibre di acciaio durante l'uso è l'estrazione anziché la rottura, il che indica che l'adesione delle fibre di acciaio al calcestruzzo è insufficiente, il che influenzerà il miglioramento della resistenza alla trazione del calcestruzzo. Il principio di tenacizzazione e rafforzamento è che quando si verificano crepe, l'alto modulo dell'acciaio e l'elevata resistenza alla trazione di una singola fibra impediscono l'ulteriore sviluppo delle crepe; tuttavia, a causa del numero limitato, l'effetto di contenimento delle microfessure non è significativo e il miglioramento delle proprietà anti-infiltrazioni, gelo{5}}disgelo e altre proprietà non è ovvio. Inoltre, la densità delle fibre di acciaio è troppo elevata durante la costruzione e spesso affondano sul fondo del calcestruzzo durante le vibrazioni e il getto, rendendo impossibile una distribuzione uniforme. Questo è il motivo principale per cui le conclusioni teoriche della ricerca sono buone, ma gli effetti applicativi reali variano notevolmente.
Fibra di carbonio
Fibra di carbonioè un materiale composito in cui le fibre di carbonio sono uniformemente disperse all'interno di una matrice cementizia per esaltare le proprietà fisiche e meccaniche del calcestruzzo. Le caratteristiche principali del calcestruzzo in fibra di carbonio includono eccellenti proprietà meccaniche, impermeabilità e resistenza alle fluttuazioni naturali della temperatura, che non si trovano nel cemento armato convenzionale. Presenta inoltre proprietà chimiche stabili, resistenza meccanica-di lunga durata e stabilità dimensionale in ambienti altamente alcalini.
La sostituzione dell’acciaio con la fibra di carbonio elimina il degrado e il deterioramento del cemento armato causato dall’acqua salata, riducendo il peso dei componenti dell’edificio, facilitando l’installazione e la costruzione e abbreviando i tempi di costruzione. La fibra di carbonio ha anche proprietà di smorzamento delle vibrazioni-, assorbendo le onde d'urto e aumentando la resistenza sismica e alla flessione di oltre dieci volte. Il calcestruzzo in fibra di carbonio presenta un'elevata resistenza alla trazione, alla flessione, alla frattura e alla corrosione. Grazie al suo basso coefficiente di dilatazione, il calcestruzzo in fibra di carbonio presenta un'eccellente resistenza al calore e una deformazione termica minima.
La funzione primaria della fibra di carbonio nel calcestruzzo in fibra di carbonio è quella di prevenire la propagazione di microfessure all'interno del calcestruzzo e di prevenire la comparsa e lo sviluppo di macrofessure. Pertanto, la sua resistenza alla trazione e al taglio, alla flessione e alla torsione, che sono principalmente controllate dallo stress di trazione principale, sono significativamente migliorate; allo stesso tempo, ha un'elevata resistenza alla deformazione della matrice, migliorando così la sua resistenza alla trazione, alla flessione e all'impatto. Quando la frazione volumetrica della fibra di carbonio è pari all'1,18%, la resistenza alla trazione a rottura del provino aumenta dell'1,2%. Secondo la regola composita, l’effetto rinforzante della fibra di carbonio dovrebbe aumentare con l’aumento del contenuto di fibre nel cemento. Quando la percentuale in peso della fibra di carbonio è inferiore al 5%, questa relazione è quasi lineare. Quando il contenuto aumenta ulteriormente, la fibra di carbonio è difficile da disperdere uniformemente nella matrice, non è possibile ottenere l'effetto rinforzante e anche la resistenza alla trazione del calcestruzzo in fibra di carbonio viene ridotta. Inoltre, il calcestruzzo in fibra di carbonio ha anche una buona resistenza alla corrosione, resistenza alla permeabilità, resistenza all'usura, resistenza al ritiro e durata.
Fibra di vetro
Il cemento rinforzato con fibra di vetro (GFRC) è un materiale composito realizzato distribuendo uniformemente fibre di vetro resistenti agli alcali- con un modulo elastico elevato nella malta cementizia o nel calcestruzzo convenzionale. Poiché il diametro delle fibre di vetro è di soli 5-20 μm, quasi identico alle particelle di cemento, il legante utilizzato nel GFRC è pasta di cemento o sabbia fine, praticamente priva di aggregati grossolani. Pertanto, i materiali compositi realizzati con questo materiale sono noti anche come cemento armato. GFRC è una tendenza di sviluppo futura nell'ingegneria delle costruzioni. Non solo supera le carenze dei prodotti in calcestruzzo convenzionali, come peso elevato, bassa resistenza alla trazione e scarsa resistenza agli urti, ma possiede anche proprietà non presenti nel calcestruzzo convenzionale. I prodotti GFRC sono più sottili e leggeri. Poiché utilizzano fibre di vetro con resistenza alla trazione estremamente elevata come rinforzo, possiedono un'elevata resistenza alla trazione. La distribuzione uniforme delle fibre di vetro nel calcestruzzo previene la fessurazione superficiale. Poiché assorbono una quantità significativa di energia durante il danneggiamento, presentano un'eccellente resistenza agli urti e un'elevata resistenza alla flessione. I prodotti GFRC offrono inoltre eccellenti proprietà di sformatura e sono facili da lavorare, rendendoli facilmente adattabili a varie forme.
Calcestruzzo in fibra di polipropilene
Il calcestruzzo in fibra di polipropilene è un materiale composito realizzato distribuendo uniformemente fibre di polipropilene tagliate ad una lunghezza specifica all'interno di una malta cementizia o di una matrice di calcestruzzo convenzionale per migliorare le proprietà fisiche e meccaniche della matrice. Questo cemento fibrorinforzato-offre vantaggi quali leggerezza, elevata resistenza alla trazione e resistenza agli urti e alle fessurazioni. Le fibre di polipropilene possono anche sostituire parzialmente l'armatura in acciaio per ridurre il peso del calcestruzzo, aumentando così la resistenza sismica della struttura.
Il calcestruzzo in fibra di polipropilene è il calcestruzzo più ampiamente studiato e applicato. A seconda della forma e della struttura della fibra, le fibre di polipropilene possono essere classificate come monofilamenti, fasci di fibre fibrillate parallele e fibre di film. I monofilamenti hanno un rapporto d'aspetto elevato, mentre i fasci di fibre fibrillate parallele possono essere facilmente dispersi all'interno della matrice cementizia. Mentre il legame chimico è limitato, il legame meccanico è forte e impedisce lo strappo delle fibre sotto stress.
Sebbene le fibre di polipropilene abbiano una resistenza alla trazione maggiore rispetto al calcestruzzo convenzionale, il loro modulo elastico è relativamente basso, rendendole soggette a deformazioni estreme in condizioni di stress elevato. Tuttavia, quando viene aggiunta una quantità adeguata di fibra di polipropilene, la resistenza agli urti di questo materiale composito è molto maggiore di quella del calcestruzzo ordinario. Ciò ha trovato un modo molto promettente per produrre componenti con carichi bassi ma elevata resistenza agli urti e tenacità. Inoltre, la fibra di polipropilene è resistente alla ruggine-e ha una buona resistenza agli acidi e agli alcali.
Fibra di basalto
La fibra continua di basalto (CBF) è un materiale fibroso inorganico costituito da pura roccia estrusiva vulcanica naturale. Viene rapidamente estratto dopo essere stato fuso ad una temperatura elevata di 1450-1500 gradi. Ha un aspetto marrone dorato, eccellenti prestazioni complete e un prezzo basso.
Caratteristiche della fibra di basalto:
(1) Naturalità delle materie prime. Poiché le materie prime per la produzione di CBF dipendono dalla roccia estrusiva vulcanica naturale, oltre alla sua intrinseca elevata stabilità chimica e termica, non contiene componenti dannosi per la salute umana.
(2) Prestazioni complete. La fibra di basalto è una fibra veramente "multi-funzionale". Ad esempio, è resistente agli acidi-resistente agli alcali-resistente, alle basse-temperature-resistente, alle alte-temperature-resistente, termoisolante-isolante elettricamente e isolante acustico-isolante. La sua resistenza alla trazione supera quella delle fibre di carbonio-traino di grandi dimensioni e il suo allungamento alla rottura è migliore di quello delle fibre di carbonio-traino piccole. CBF ha una superficie polare e un'eccellente bagnabilità interfacciale quando miscelato con resina. CBF ha anche dimensioni molecolari tridimensionali che, rispetto alle fibre polimeriche lineari con dimensioni molecolari unidimensionali, hanno resistenza alla compressione, resistenza al taglio e adattabilità agli ambienti difficili e resistenza all'invecchiamento più elevate, oltre ad altre eccellenti proprietà complete.
(3) Basso costo. Il prezzo della fibra di basalto utilizzata nel calcestruzzo cementizio non è elevato, significativamente inferiore a quello della fibra di acciaio, fibra di carbonio, ecc. E paragonabile alle fibre sintetiche.
(4) Compatibilità naturale. La fibra di basalto è una tipica fibra di silicato. È facile da disperdere se miscelato con cemento, calcestruzzo e malta. Il calcestruzzo in fibra di basalto appena miscelato ha un volume stabile, una buona lavorabilità e una buona durata. Ha un'eccellente resistenza alle alte-temperature, alle-infiltrazioni, alle crepe e agli urti. Inoltre, la fibra di basalto è più resistente agli alcali-rispetto al vetro resistente agli alcali-.
Applicazioni del cemento-fibrorinforzato
Il calcestruzzo fibrorinforzato-viene utilizzato in una varietà di applicazioni, a seconda della capacità del costruttore e del costruttore di sfruttare le proprietà statiche e dinamiche del materiale. Alcune applicazioni includono piste, parcheggi, marciapiedi, rivestimenti di tunnel, stabilità dei pendii, gusci, pareti, tubi, chiusini, dighe, strutture idrauliche, viadotti, strade, ponti e pavimenti di magazzini.
La fibra svolge un ruolo fondamentale nel migliorare le prestazioni e la durabilità del calcestruzzo. Che si tratti di fibra di acciaio, fibra di vetro, fibra di polipropilene o fibra naturale, ogni tipo presenta vantaggi unici ed è adatto a diverse esigenze costruttive. Selezionando correttamente il tipo e il dosaggio delle fibre, gli ingegneri possono non solo migliorare efficacemente la resistenza alle crepe, la tenacità e la resistenza a lungo termine del calcestruzzo, ma anche ridurre significativamente i successivi costi di manutenzione. Con il continuo progresso della tecnologia edilizia, il cemento fibrorinforzato-sta diventando una soluzione chiave per creare strutture più resistenti, più sicure e più sostenibili.
