Riassunto analitico
In questo elaborato sono descritte attività sperimentali svolte su sistemi compositi GTRM (Glass Textile Reinforced Mortars), con matrice in malta di calce fibrata rinforzati con reti continue in fibre di vetro, usualmente usati in edilizia come materiale di rinforzo per elementi strutturali. Le attività descritte prendono le mosse dal getto di campioni rettangolari sottili, detti coupon, sottoposti a prova di trazione uniassiale, e da campioni prismatici (travetti) sottoposti a prova di flessione a tre punti e successiva compressione delle parti rotte. Per la matrice, sono state utilizzate due diverse malte di calce di classe M5 fibrate, una contenente microfibre sintetiche, prodotta da Bacchi Srl (BM) e l’altra, prodotta da Kerakoll Spa in versione non fibrata, è stata additivata per il 2% in peso con fibre corte di vetro di 6 mm di lunghezza (KM). Per ovviare al caratteristico problema che si associa ai materiali compositi a matrice inorganica, rappresentato dalla debole interazione tra rinforzo e matrice, le reti sono state trattate superficialmente (coating): tramite la tecnica sol-gel sono state depositate su di esse nano-particelle di silice (SC), eventualmente con l’aggiunta di particelle di nano-argilla halloysite (HC). Questi trattamenti superficiali hanno lo scopo di migliorare il legame di interfaccia tra rete e strati di matrice e la rugosità superficiale, per accrescere le prestazioni del sistema composito. Oltre alla prestazione assoluta, si riferisce la prestazione rispetto a campioni con rinforzo non trattato (UC). I travetti sono realizzati privi di rinforzo, allo scopo di determinare la duttilità della matrice fibrata. Lo scopo è di quantificare i benefici arrecati dall’accoppiamento di fibre disperse nella matrice con nano-ricoprimenti sulla fase di rinforzo in tali sistemi, enfatizzando il ruolo della duttilità della matrice nel promuovere l’azione dei trattamenti superficiali, con particolare enfasi per i casi con nano-argilla halloysite, HC. La matrice BM, anche se fibrata, dimostra un comportamento più fragile, con maggiori valori di resistenza e bassa deformazione ultima, probabilmente a causa delle microfibre sintetiche e della granulometria fine. La matrice KM dimostra un comportamento duttile, con elevati valori di energia di deformazione nella prova a flessione sui travetti, grazie anche alle fibre di vetro di 6 mm. I miglioramenti al legame di interfaccia rete/matrice, dovuti ai trattamenti superficiali, sono evidenti nelle prove a trazione, con aumento di resistenza a trazione nei valori di carico di picco e capacità di deformazione. Tali benefici si estendono alla rottura, che avviene per delaminazione interna tra le fasi. In entrambe le matrici BM e KM, si osserva che maggiore riproducibilità dei risultati, quindi minor variabilità statistica, si associa alla halloysite HC. In particolare, G-KM-HC, la combinazione del rivestimento superficiale HC con la matrice KM duttile porta un incremento delle prestazioni molto significativo. Ciò non si raggiunge nel caso della matrice fragile BM, che non consente di sviluppare i benefici post-picco dovuti al ricoprimento. Per ottenere i dati analizzati ed elaborati è stata utilizzata la tecnica DIC, per ottenere le curve di comportamento e valori di interesse, elaborando i dati con anche l’uso del software Vic 2D. Come conferma dei risultati e del comportamento dei materiali e trattamenti sono state svolte delle scansioni SEM, microscopio elettronico a scansione, sulle fibre estratte dai coupon e sulle matrici, post test meccanici, considerandone le composizioni chimiche. In ogni rete trattata sono stati evidenti i materiali di matrice legati ad esse, dimostrando l’efficacia del miglioramento del legame di interfaccia rispetto i casi UC.
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Abstract
This paper describes experimental activities carried out on GTRM (Glass Textile Reinforced Mortars) composite systems, with a fiber lime mortar matrix reinforced with continuous glass knitted textile, usually used in construction as a reinforcement material for structural elements. The activities described start from the casting of thin rectangular samples, called coupons, subjected to a uniaxial tensile test, and from prismatic samples subjected to a three-point bending test and subsequent compression of the broken parts. For the matrix, two different class M5 fiber-reinforced lime mortars were used, one containing synthetic microfibers, produced by Bacchi Srl (BM) and the other, produced by Kerakoll Spa in a non-fiber version, with 2% additives by weight of short glass fibers of 6 mm in length (KM). To overcome the characteristic problem associated with composite materials with an inorganic matrix, represented by the weak interaction between reinforcement and matrix, glass knitted textile were treated superficially (coating): using the sol-gel technique, nano-particles of silica (SC), possibly with the addition of halloysite (HC) nano-clay particles. These coatings aim to improve the interface between glass knitted textile and the matrix layers and the surface roughness, to increase the performance of the composite system. In addition to the absolute performance, it refers to the performance compared to samples with uncoated reinforcement (UC). The prismatic samples are made without reinforcement, in order to determine the ductility of the fiber matrix. The aim is to quantify the benefits brought about by the coupling of fibers dispersed in the matrix with nano-coatings on the reinforcement phase in such systems, emphasizing the role of the ductility of the matrix in promoting the action of coatings, with particular emphasis on cases with halloysite nano-clay, HC. The BM matrix, even if fibrous, shows a more brittle behavior, with higher strength values and low ultimate deformation, probably due to the synthetic microfibers and the fine grain size. The KM matrix demonstrates a ductile behavior, with high values of deformation energy in the bending test on the prismatic samples, thanks also to the 6 mm glass fibers. The improvements in the glass knitted textile / matrix interface, due to the coatings, are evident in the tensile tests, with an increase in tensile strength in the peak load values and deformation capacity. These benefits extend to rupture, which occurs by internal delamination between the phases. In both the BM and KM matrices, it is observed that greater reproducibility of the results, therefore less statistical variability, is associated with halloysite HC. In particular, G-KM-HC, the combination of the surface coating HC with the ductile KM matrix brings a very significant performance increase. This is not achieved in the case of the fragile BM matrix, which does not allow to develop the post-peak benefits due to the coating. To obtain the analyzed and processed data, the DIC technique was used, to obtain the behavior curves and values of interest, processing the data with the use of the Vic 2D software. As confirmation of the results and the behavior of the materials and treatments, SEM scans, Scanning Electron Microscope, on the fibers extracted from the coupons and on the matrices, post mechanical tests, considering the chemical compositions were carried out. In each glass knitted textile treated, the matrix materials linked to them were evidential, demonstrating the effectiveness of the improvement of the interface zone with respect to UC cases.
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