Riassunto analitico
Numerosi studi sono stati condotti sull'impiego di fibre in polipropilene (PP) per il rinforzo di matrici cementizie in vista della loro resistenza a trazione, duttilità, basso costo e resistenza chimica. Tuttavia i compositi a matrice cementizia rinforzati con fibre in PP (PFRCC) presentano alcuni svantaggi come la tendenza alla segregazione, il creep ed una prestazione meccanica inconsistente. Quest'ultima, in particolare, è imputabile ad una adesione fibra-matrice chimicamente e meccanicamente debole. Per migliorare l'adesione tra fasi costituenti e, di conseguenza, per incrementare le prestazioni meccaniche, possono essere applicati rivestimenti o trattamenti chimici sulla superficie delle fibre. Il lavoro svolto nell'ambito di questa tesi è stato finalizzato ad individuare un trattamento superficiale efficace, riproducibile e a basso costo che fosse in grado di modificare le proprietà superficiali delle fibre in PP e di fornire una miglior compatibilità con l'ambiente circostante. Sono stati, quindi, considerati due trattamenti superficiali ed una loro combinazione per poter modificare alcune caratteristiche chimiche-fisiche tra cui scabrezza, reattività chimica e bagnabilità. Per la caratterizzazione delle fibre differentemente trattate e dei loro compositi sono state impiegate la spettroscopia ad infrarossi (IR) e la microscopia elettronica a scansione (SEM). Inoltre, il comportamento meccanico dei compositi è stato analizzato mediante test meccanici di sfilamento e di flessione per tre punti, su provini prismatici a scala ridotta, ed in accordo con la UNI-EN 1015-11. La metodologia SEM è stata ulteriormente impiegata per comparare la morfologia tra fibre trattate e non trattate, sia prima che dopo l'esecuzione dei test meccanici. Infine, con lo scopo di comprendere meglio i risultati ottenuti dai test a flessione, è stato creato un modello 3D agli elementi finiti mediante l'utilizzo del software di calcolo Abaqus. Le simulazioni evidenziano l'efficacia dei trattamenti adottati mostrando l'esistenza di una correlazione tra l'aumento dell'adesione interfacciale ed il miglioramento delle proprietà meccaniche del composito. I test di pull-out indicano che la resistenza a scorrimento per taglio trae beneficio dall'applicazione dei trattamenti superficiali. Nello specifico, l'incremento di energia di deformazione registrato durante i test di pull-out e di flessione può essere imputato al miglioramento delle proprietà all'interfaccia tra fasi costituenti. Come è stato osservato dall'analisi SEM condotta a test meccanici ultimati, le superfici delle fibre in PP trattate sono risultate più deteriorate rispetto a quelle non trattate, suggerendo quindi l'esistenza di un'interazione più efficace all'interfaccia. Tale fenomeno può essere esplicato considerando che l'aumento di adesione e di resistenza a taglio per attrito, promosso dalle alterazioni superficiali, ha privilegiato la crisi della fibra stessa piuttosto che la crisi per delaminazione. In conclusione, l'incremento di energia richiesta per l'estrazione delle fibre trattate ha condotto ad un aumento del carico residuo post-picco e ad una riduzione della propagazione delle fratture, mentre non vi sono evidenze sperimentali riguardo l'efficacia del doppio trattamento.
|
Abstract
Polypropylene fibres have long been studied as a means to reinforce cementitious-based materials in light of their tensile strength, ductility, low-cost and chemical resistance. However, Polypropylene-based Fibre Reinforced Cementious Composites (PFRCCs) suffer from some major drawbacks such as poor mixing attitude in the fresh compound (segregation), creep and a generally inconsistent mechanical performance. Indeed, the latter is due to poor chemical and mechanical adhesion between the cementitious matrix and the synthetic fibre. Application of coatings and sizings may be considered to enhance the interphase adhesion and thereby increase performance. In this context, the aim of this study is to find an efficient, reliable and low-cost surface treatment that would modify the PP fibre surface properties and impart greater compatibility to the surrounding matrix. In general terms, surface treatments allow increasing some key chemical-physical characteristics such as roughness, surface functional groups, wettability and morphology. In this work, two treatments have been considered, either alone or in combination. Infrared spectroscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) are used to characterise both the thus treated PP-fibres and their embedment in the cementitious composites. Mechanical performance of the composites is assessed in three-point bending tests of prismatic specimens, while the fibre-to-matrix adhesion is evaluated in pull-out tests. Tests are performed according to UNI-EN 1015-11 in a small-scale setup where the fibre size has been scaled accordingly. Scanning Electron Microscopy (SEM) is also adopted to compare the surface features of untreated against treated fibres, both before and after mechanical testing. Finally, in order to have a deeper understanding of the bending behaviour, a 3D finite element model is developed by using the Abaqus software. Simulations clearly support the effect of the considered treatments and, in particular, they show a strong correlation between the enhancement of the adhesion properties and the increase of the overall mechanical performance of the composite. Pull-out tests indicate that interfacial strength greatly benefits from fibre surface modification. In more detail, improvement in the pull-out and bending deformation energies can be explained through the enhanced interfacial properties associated to the treatments. Remarkably, no benefit seems to come from the hybrid treatment. As it has been observed during SEM analysis performed after mechanical tests, the surface of treated PP-fibres was abraded and peeled in a more severe way compared to untreated ones. This phenomenon could be explained considering that both frictional shear stress and adhesion between fibres and matrix have been increased, by modifying the fibre surface, thus bringing to fibre failure as opposed to delamination. The higher energy associated to pull-out of the treated PP-fibres translates into an increase of the post-peak residual strength and into a reduction in crack propagation.
|
