Riassunto analitico
Recentemente, notevole interesse è indirizzato allo studio di materiali compositi a matrice inorganica, sotto forma di TRM. Tale interesse deriva dalle caratteristiche di basso costo, inerzia chimica e resistenza, anche alle alte temperature e permeabilità al vapore proprie della matrice cementizia. Nonostante questi vantaggi, tuttavia, rispetto all’impiego di FRP, si evidenzia il problema di una prestazione meccanica inconsistente, per lo più ascrivibile ad una scarsa affinità tra le fasi del rinforzo e della matrice. Tale svantaggio è alla base della soverchiante applicazione di sistemi FRP rispetto a soluzioni TRM, per i quali ancora molto sviluppo tecnologico si rende necessario. Tra le numerose soluzioni proposte per migliorare l’adesione tra le fasi, e di conseguenza migliorarne le prestazioni, la modificazione superficiale del rinforzo, sotto forma di applicazione di nano-rivestimenti sulla superficie delle fibre stesse, è qui indagata.
Il lavoro svolto nell’ambito di questa tesi è finalizzato alla ottimizzazione del binomio fibre-matrice, che permetta di ottenere le migliori prestazioni meccaniche. Infatti, la prestazione del sistema composito è influenzata dalla capacità della fase di lavorare congiuntamente. Per ottenere un comportamento meccanico migliore è necessario agire sia sulle fibre che sulla composizione della matrice. Per la prima strategia, si adottano trattamenti superficiali con il fine di modificare le proprietà del tessuto di rinforzo, aumentandone l’affinità chimica e aumentandone la resistenza meccanica allo sfilamento. I trattamenti esaminati in questo lavoro di tesi prevedono la deposizione di nanosilice e di nanoargille tramite tecnica sol-gel. Tale tecnica è utile per ottenere una dispersione uniforme delle nanoargille e conseguentemente ottenere una deposizione omogenea sul tessuto. Per la seconda strategia, è di fondamentale importanza la scelta della matrice e la duttilità di quest’ultima. Si osserva come, all’aumentare della duttilità, sia maggiormente visibile il contributo migliorativo apportato dai trattamenti superficiali. Proprio per mettere in luce questo aspetto, sono stati confrontate matrici a base di calce semplici e le medesime matrici additivate con fibre corte casualmente disperse.
Il comportamento meccanico dei campioni è stato analizzato mediante test di flessione a tre punti su provini prismatici non intagliati e test di compressione sulle parti residuali derivanti dalla prova di flessione. Entrambe le prove sono state eseguite in accordo con la noma UNI EN 12390:2019. Inoltre, sono state eseguite prove di trazione su laminati prismatici appositamente realizzati in accordo con la UNI EN 1015-11:2019.
La prova di flessione mostra come l’aggiunta di fibre corte alla matrice determini un cambiamento sostanziale nelle caratteristiche meccaniche dei campioni. Come atteso, i miglioramenti più evidenti riguardano la duttilità e l’energia di deformazione.
La prova di trazione evidenzia come la duttilità della matrice sia un parametro importante nella determinazione delle prestazioni globali del composito. Infatti, il contributo benefico dato dai trattamenti è visibile solo nei campioni realizzati con una matrice prevalentemente duttile, che permetta una migliore ridistribuzione del carico e delle tensioni interne. Da questi risultati è quindi chiaro come la prestazione globale del composito non dipenda solo da una delle fasi presenti al suo interno, ma dipenda piuttosto da un’ottimizzazione di tutte le fasi costituenti. In conclusione, l’utilizzo di nanoargille all’interno di un ricoprimento a base silicea porta miglioramenti apprezzabili solo se affiancato ad una matrice di tipo duttile. Il miglioramento apportato dalla presenza di nanoargille si esplicita in un aumento delle prestazioni in termini di duttilità, energia di deformazione e tensione massima, oltre che una migliore ridistribuzione del carico da parte dei tessuti.
|
Abstract
Recently, an increasing interest has been directed towards the study of cement-based composite materials, in the form of TRM (textile reinforced mortar). Such an interest comes from the advantages associated with these materials, namely cost effectiveness, chemical, mechanical and high temperature resistance, and water vapor permeability, all connected with the cementitious matrix. Despite these advantages, compared to the use of FRP, TRM present the inconvenience of an inconsistent mechanical performance, that is mostly due to poor affinity between the reinforcing phases and the matrix. This disadvantage is at the base of the overwhelming application of FRP systems as opposed to TRM solutions, for which much technological development is still necessary. Between the diverse approaches available with the aim of improving the adhesion between the phases, and consequently improve performance, surface modification of the reinforcement is here investigated. In particular, application of nano-coatings on the surface of the fibres is studied.
The aim of this work is the optimisation of the fibre-matrix pairing, which allows to obtain the best mechanical performance. In fact, the composite performance depends on the ability of the phases to work together. To obtain a consistent mechanical response, it is required to address both the fibres and the matrix composition. For the first strategy, surface treatments are adopted to modify the reinforcement textile, increasing the chemical affinity, and increasing the debonding resistance. The treatment examined in this work involved nano-silica and nano-clays deposition using the sol-gel technique. This technique is useful to obtain a uniform nano-clays dispersion and a homogeneous deposition on the fibres. For the second strategy, the choice of the matrix and its ductility are crucial. We observe that as the ductility increases, the contribution brought by the surface treatment becomes more substantial. To highlight this aspect, we compare plain lime-based matrices and the same matrices with the addiction of randomly dispersed short fibres.
The mechanical behaviour of the samples has been tested through three point bending tests on unnotched prismatic specimens and compression test, carried out on the residual parts derived from the flexural test. Both tests are carried out according to UNI EN 12390:2019. Moreover, tensile test is performed on laminated specimens according to UNI EN 1015-11:2019.
Flexural tests show that the addition of short fibres in the matrix determine a substantial ductile enhancement, which greatly increases the deformation energy.
Tensile tests show how matrix ductility plays a fundamental role in the determination of the global performance of the composite. Indeed, the beneficial contribution given by the treatments is visible only in the samples made of ductile matrix, which sustain greater loads and deformations. From these results it is therefore clear that the overall performance of the composite does not depend only on the quality of a single phase, but rather depends on the best matching of all the constituent phases. In conclusion, the use of nano-clays within a silica-based coating brings along remarkable improvements in mechanical performance provided that it is deployed in combination with a ductile matrix. The improvement brought by the presence of nano-clays is expressed in terms of ductility, deformation energy and maximum tension, leading to internal delamination.
|
