Alma Mater Studiorum Università degli Studi di Bologna FACOLTA’ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Civile D I S T A R T DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELLE STRUTTURE DEI TRASPORTI, DELLE ACQUE, DEL RILEVAMENTO, DEL TERRITORIO CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DI CALCESTRUZZI FIBRORINFORZATI CON FIBRE D’ACCIAIO TESI DI LAUREA IN MECCANICA DEI MATERIALI INNOVATIVI LS Tesi di laurea di Relatore: LUCA ROSSI Chiar.mo Prof. Ing. GIOVANNI PASCALE Correlatori: Chiar.mo Prof. Ing. ANDREA BENEDETTI P.E. ROBERTO CARLI Anno Accademico 2006-2007 Al Nonno Aldo Al Nonno Guido Alla nonna Maria INDICE INTRODUZIONE CAPITOLO 1: CARATTERISTICHE GENERALI DEI CONGLOMERATI CEMENTIZI FIBRORINFORZATI (cid:190) 1.1 GENERALE 1.1 (cid:190) 1.2 MATRICE CEMENTIZIA 1.3 (cid:190) 1.3 FIBRE 1.5 (cid:190) 1.4 INTERFACCIA 1.8 (cid:190) 1.5 PROPRIETA’ REOLOGICHE 1.12 (cid:190) 1.6 PRODUZIONE 1.17 CAPITOLO 2: PROPRIETA’ MECCANICHE DEI CONGLOMERATI CEMENTIZI FIBRORINFORZATI (cid:190) 2.1 COMPORTAMENTO MECCANICO 2.1 (cid:190) 2.2 CENNI SULLA MECCANICA DELLA FRATTURA PER CALCESTRUZZI FIBRORINFORZATI 2.6 (cid:190) 2.3 PROVE SUI CALCESTRUZZI FIBRORINFORZATI 2.16 (cid:190) 2.3.1 COMPRESSIONE 2.16 (cid:190) 2.3.2 TRAZIONE 2.18 (cid:190) 2.3.3 FLESSIONE 2.28 (cid:190) 2.4 PROVE DI FLESSIONE PROPOSTE DA DIVERSE NORMATIVE 2.36 (cid:190) 2.4.1 ASTM C 1018-97 2.37 (cid:190) 2.4.2 UNI 11039-1 2003 2.41 (cid:190) 2.4.3 RILEM TC 162-TDF 2.48 I CAPITOLO 3: ATTIVITA’ SPERIMENTALE (cid:190) 3.1 GENERALE 3.1 (cid:190) 3.2 CONFEZIONAMENTO DEI PROVINI 3.2 (cid:190) 3.2.1 MATERIALI UTILIZZATI 3.3 (cid:190) 3.2.2 FASI OPERATIVE 3.6 (cid:190) 3.2.3 LAVORABILITA’ E MIX DESIGN 3.9 (cid:190) 3.3 ESECUZIONE DELLE PROVE 3.13 (cid:190) 3.3.1 MISURAZIONE E CATALOGAZIONE DEI CAMPIONI 3.13 (cid:190) 3.3.2 PROVA DI COMPRESSIONE 3.16 (cid:190) 3.3.3 PROVA DI TRAZIONE INDIRETTA 3.18 (cid:190) 3.3.4 PROVE ULTRASONICHE 3.19 (cid:190) 3.3.5 PROVA DI FLESSIONE 3.23 CAPITOLO 4: RISULTATI DELLE PROVE (cid:190) 4.1 RISULTATI DELLA PROVA A COMPRESSIONE 4.1 (cid:190) 4.2 RISULTATI DELLA PROVA A TRAZIONE 4.5 (cid:190) 4.3 RISULTATI DELLE INDAGINI ULTRASONICHE 4.7 (cid:190) 4.4 RISULTATI DELLA PROVA A FLESSIONE 4.10 (cid:190) 4.4.1 GRAFICI 4.10 (cid:190) 4.4.2 INDICI DI DUTTILITA’ E SFORZI DI PRIMA FESSURAZIONE: CONFRONTI E COMMENTI 4.47 CAPITOLO 5: MODELLAZIONE DEL COMPORTAMENTO PRE E POST FESSURATIVO (cid:190) 5.1 GENERALE 5.1 (cid:190) 5.2 GENERALITA’ SUL DIAGRAMMA TENSIONE-DEFORMAZIONE 5.3 (cid:190) 5.2.1 INTRODUZIONE 5.3 II (cid:190) 5.2.2 DIAGRAMMI TENSIONE-DEFORMAZIONE ANALIZZATI 5.4 (cid:190) 5.2.2.1 RILEM TC 162-TDF 5.4 (cid:190) 5.2.2.2 MODELLO A DUE LIVELLI 5.6 (cid:190) 5.3 ANALISI DEL DIAGRAMMA TRILINEARE 5.7 (cid:190) 5.3.1 FASE PRE FESSURAZIONE 5.7 (cid:190) 5.3.2 FASE POST FESSURAZIONE 5.11 (cid:190) 5.3.2.1 CONSIDERAZIONI GENERALI 5.11 (cid:190) 5.3.2.2 DIAGRAMMA σ – ε 5.12 (cid:190) 5.3.2.3 DETERMINAZIONE DI ε 5.13 2 (cid:190) 5.3.2.4 DETERMINAZIONE DI σ 5.18 2 (cid:190) 5.3.2.5 DETERMINAZIONE DI ε 5.19 3 (cid:190) 5.3.2.6 DETERMINAZIONE DI σ 5.22 3 (cid:190) 5.3.2.7 VALUTAZIONE DEL DIAGRAMMA σ – ε 5.23 (cid:190) 5.4 ANALISI DEL DIAGRAMMA A DUE LIVELLI 5.27 (cid:190) 5.4.1 FASE POST FESSURAZIONE 5.28 (cid:190) 5.4.1.1 DETERMINAZIONE DI ε 5.28 2 (cid:190) 5.4.1.2 DETERMINAZIONE DI σ 5.31 2 (cid:190) 5.4.1.3 DETERMINAZIONE DI ε 5.32 3 (cid:190) 5.4.1.4 DETERMINAZIONE DI σ 5.35 3 (cid:190) 5.4.1.5 VALUTAZIONE DEL DIAGRAMMA σ – ε 5.35 (cid:190) 5.5 APPLICAZIONE DEL MODELLO A DUE LIVELLI AI DATI SPERIMENTALI 5.38 (cid:190) 5.5.1 PROCEDIMENTO OPERATIVO 5.38 (cid:190) 5.5.2 GRAFICI OTTENUTI 5.40 (cid:190) 5.6 RELAZIONI TRA LE COMPONENTI DI SPOSTAMENTO ANALIZZATE 5.52 (cid:190) 5.7 CONCLUSIONI 5.74 III CAPITOLO 6: CONCLUSIONI E POSSIBILI SVILUPPI PER ANALISI SUCCESSIVE 6.1 IV INTRODUZIONE L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, permette di migliorarne la duttilità aumentando l’assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto quindi come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio. La tesi si suddivide in quattro capitoli: - il primo capitolo definisce in generale il composito fibrorinforzato con le caratteristiche generali delle componenti di base quali la matrice cementizia e le fibre. Vengono inoltre illustrati i legami sussistenti tra queste due componenti, le proprietà reologiche e i metodi principali di produzione del materiale finale. - nel secondo capitolo è stato descritto il comportamento meccanico del materiale fibrorinforzato. Successivamente è stata trattata la meccanica della frattura relativa a questi compositi. Questo studio ha permesso di arrivare all’importante conclusione che l’inclusione di fibre permette di aumentare l’energia di frattura del materiale, rendendolo più duttile. Inoltre sono state esposte le prove