Il calcestruzzo fibrorinforzato (o FRC o Fiber Reinforced Concrete) è un materiale compositogeneralmente si definisce materiale composito quello generato dall'unione di due (o più) materiali, dette fasi, con caratteristiche fisico- chimiche diverse (che mantengono invariate anche dopo la loro unione) e che una volta uniti contribuiscono mutuamente a fornire proprietà meccaniche e fisiche superiori a quelle delle singole fasi prese separate. I due componenti vengono chiamati matrice e rinforzo (appartiene alla famiglia dei calcestruzzi speciali) costituito da una matrice: calcestruzzo ordinario (cemento + acqua + inerte fine + inerte grosso), malta (cemento + acqua + inerte fine) o pasta (cemento +acqua) di cemento, nel quale vengono aggiunti e distribuiti in maniera omogenea elementi fibrosi discontinui (rinforzo) per rinforzare la matrice cementizia. Gli elementi fibrosi possono essere di diversa natura: acciaio, plastica, vetro, ghisa, ecc. Contrariamente a quanto comunemente ritenuto, l'aggiunta di fibre, di qualsiasi tipo e nei dosaggi usualmente impiegati nelle applicazioni pratiche, non è in grado di ridurre apprezzabilmente il ritiro igrometrico del calcestruzzo e neppure è in grado di ridurre l'apertura delle fessure indotte dal ritiro. Invece, la presenza di fibre nel calcestruzzo può ridurre la propagazione delle fessurazioni dovute al ritiro igrometrico grazie all'azione di cucitura di cui si parlerà in seguito. Tale effetto cucitura garantisce anche una elevata resistenza residua a trazione dopo la microfessurazione della matrice cementizia (tale resistenza viene chiamata tenacità). 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).
Storia Già nell'antichità si era capito che accoppiando diversi materiali fra di loro si ottenevano prodotti finiti con caratteristiche migliori: un esempio sono i mattoni realizzati con argilla e paglia ed essiccati al sole, utilizzati dalle civiltà della Mesopotamia e più recentemente, all'inizio del XX secolo, l'utilizzo delle fibre di amianto per migliorare le proprietà meccaniche delle paste di cemento (eternit). Le prime applicazioni sperimentali del FRC a livello strutturale furono realizzate negli Stati Uniti per la esecuzione di pavimentazioni aeroportuali, di barriere per la protezione delle darsene portuali e di rivestimenti temporanei delle gallerie. L'impiego di fibre in acciaio nei sistemi a base cementizia risale al 1962 con gli studi e il conseguente brevetto depositato negli USA da J. P. Romualdi e G. B. Batson. Negli anni '70 il calcestruzzo fibrorinforzato inizia a prendere piede anche in Europa. In Italia questo materiale fu utilizzato esclusivamente nella realizzazione di piccoli elementi prefabbricati quali le tubazioni di fognatura e i pozzetti prefabbricati. Il suo sviluppo a livello strutturale è stato limitato negli anni a causa della mancanza di una normativa specifica.
Benefici generali L'effetto benefico 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 che altrimenti tenderebbe a collassare dopo l'insorgere delle prime fessurazioni. Raggiunta la deformazione di prima fessurazione il calcestruzzo fibrorinforzato ha un comportamento elasto-plastico (comportamento duttile) nella fase postfessurata, cioè può ancora sopportare carichi dopo l'insorgere delle prime fessurazioni. La presenza di fibre, pertanto aumenta la tenacità (capacità del calcestruzzo di resistere all'avanzamento delle fessure) del calcestruzzo La tenacità del calcestruzzo fibro-rinforzato (opposta alla fragilità del calcestruzzo ordinario) è la proprietà che misura la resistenza opposta dal materiale all'avanzamento del processo fessurativo. Tale qualità è richieste specialmente da quelle strutture sottoposte a sollecitazioni impulsive e ripetute (opere stradali, pavimenti industriali, ecc.). Infatti la presenza di fibre nella matrice cementizia 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: Il comportamento post fessurativo del calcestruzzo a trazione è influenzato dall'efficace azione di cucitura esercitata dalle fibre, che comporta l'innesco progressivo di una molteplicità di fessure fino al raggiungimento di una tensione di collasso che è maggiore di quella che ha provocato la comparsa della prima lesione. Con dosaggi bassi di fibre (indicativamente per volumi di fibre inferiori al 2%) il calcestruzzo invece dopo l'innesco della fessura, è in grado di sopportare sollecitazioni di trazione a patto che queste siano inferiori a quella che hanno provocato la fessurazione della matrice cementizia; a 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. L'azione delle fibre si manifesta solo dopo la fessurazione del calcestruzzonella fase prefessurata la presenza di fibre non influenza il comportamento della matrice cementizia che si comporta come se il materiale fibroso non fosse presente. Infatti dopo la formazione delle prime fessure nella matrice cementizia le fibre vengono attivate assumendo un effetto di cucitura delle aperture creando una sorta di ponte di collegamento (crack-bridging) tra lembi delle fessure stesse. Questo comporta una riduzione dell'ampiezza delle fessure e, 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). La combinazione di questi due effetti (quello irrigidente del tension stiffening e quello della trasmissione di sforzi post-picco del tension-softening) comportano un sostanziale cambiamento nel comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo armato, soprattutto per quel che riguarda la fessurazione, la distanza tra le fessure e la loro ampiezza. A vista un calcestruzzo normale, una volta fessurato, presenta aperture ampie e localizzate mentre quello FRC è caratterizzato da fessurazioni diffuse e di minor ampiezza, il che determina sicuramente un beneficio nei confronti della durabilità del materiale poiché si riduce il rischio di attacco da parte di agenti atmosferici aggressivi. Aumentando il tenore di fibre aumenta la resistenza a trazione nella fase postfessurata del calcestruzzo; a dosaggio molto alti si può anche arrivare a bloccare l'evoluzione del fenomeno fessurativo. 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. L'aggiunta di fibre però comporta una riduzione della lavorabilità dell'impasto cementizio. Per garantire al calcestruzzo una adeguata lavorabilità si aggiungono all'impasto gli additivi superfluidificanti.
Tipologie di fibre
Le fibre utilizzate sono di diversa natura e vengono prodotte in varie forme e dimensioni. Tali fibre vengono utilizzate (da sole o in mix) in funzione del compito che devono assolvere; ognuna di queste garantisce determinate caratteristiche al calcestruzzo. Le fibre più utilizzate sono: 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 acciaio: in questo caso di parla di calcestruzzo rinforzato con fibre di acciaio (Steel Fiber Reinforced Concrete o SFRC); in vetro: il calcestruzzo fibrorinforzato è noto come GFRC (Glass Fiber Reinforced Concrete). La fibra di vetro viene utilizzata generalmente in manufatti di tipo non strutturale perché si deteriorano facilmente in ambiente alcalino. 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 dimensionila dimensione di una fibra viene espressa dal suo rapporto d'aspetto di cui si parerà in seguito 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.
Dosaggio L'efficacia del rinforzo fibroso è funzione del dosaggio e del rapporto d'aspetto (di cui si parlerà al punto successivo). In merito al tenore di fibre questo deve essere tale da garantirne una presenza continua del fibrorinforzo all'interno della matrice cementizia. Le varie norme prescrivono i seguenti dosaggi minimi: istruzioni CNR DT204: percentuale volumetrica minima di fibre pari al 0,3% UNI 11039: dosaggio minimo di fibre di acciaio pari a 25 kg/m³ (0,32% in volume). I dosaggi normalmente impiegati per le fibre in acciaio variano da 25 a 60 kg/m³ cui corrispondono percentuali volumetriche comprese tra 0,30% e 0,75%.
Rapporto d'aspetto e effetto cucitura