Riassunto analitico
Il calcestruzzo è un materiale di notevoli potenzialità che oggi viene impiegato in molte strutture ed infrastrutture nel campo dell’ingegneria civile. Tuttavia il calcestruzzo presenta notevole resistenza se sottoposto a compressione mentre si rivela debole quando è sollecitato a trazione. Per sopperire a questa limitazione solitamente il calcestruzzo viene armato con barre di acciaio alle quali vengono trasferiti gli sforzi di trazione dopo il raggiungimento del modesto limite del calcestruzzo. Dagli anni sessanta si sviluppa un nuovo concetto di rinforzo del calcestruzzo tramite l’inclusione di fibre corte di tipo metallico. Questo nuovo sistema di rinforzo diffuso conferisce al calcestruzzo ordinario tenacità ed ulteriore capacità di resistenza a trazione e viene denominato Calcestruzzo Fibrorinforzato (FRC). Negli ultimi 50 anni si è assistito ad una evoluzione di questo materiale e ad uno sviluppo nella produzione di fibre di vari materiali (acciaio, polimeri, carbonio ecc). Dalla metà degli anni ottanta le industrie petrolchimiche e tessili hanno sviluppato la produzione di micro fibre in polipropilene utilizzate per attenuare le micro fessurazioni che insorgono nel calcestruzzo in seguito al ritiro plastico durante la fase di maturazione. Più recentemente è iniziata la produzione di macro fibre sintetiche in polipropilene che, oltre ad attenuare i fenomeni fessurativi, conferiscono tenacità al FRC anche dopo la prima fessurazione. Il calcestruzzo rinforzato con questa tipologia di fibre viene detto Macro Syntetic Fibre Reinforced Concrete (MSFRC). Gli studi e le ricerche miranti allo sviluppo delle macro fibre sintetiche in polipropilene sono in continuo avanzamento e la presente tesi si colloca tra queste. In particolare il presente lavoro di ricerca intende offrire uno spunto per il miglioramento delle scarse proprietà di adesione delle macro fibre sintetiche in polipropilene alla matrice cementizia. A questo scopo viene proposto un trattamento delle macro fibre consistente nella deposizione sulla loro superficie di nano particelle di silice. Sono state eseguite indagini con microscopio elettronico a scansione (SEM) per osservare le modifiche superficiali avvenute sulle fibre dopo il trattamento. Ulteriori scansioni SEM si sono eseguite sulle fibre dopo la miscelazione nella matrice cementizia ed a seguito delle prove meccaniche per studiare le interazioni avvenute. L’effetto del trattamento è stato valutato sia a livello della singola fibra, con esperimenti di pull out dalla matrice cementizia, sia a livello macro sul materiale composito finale, tramite test di flessione su travetti realizzati in MSFRC. Dai risultati ottenuti si è potuto constatare che, tramite il trattamento superficiale, vengono migliorate sia le proprietà di adesione delle macro fibre sintetiche in polipropilene sia l’attrito da esse opposto allo sfilamento. Questi risultati sono certamente dovuti ad un miglioramento globale della zona di interfaccia (Interface Transition Zone - ITZ) tra fibra e matrice. Dagli studi di letteratura infatti l’ ITZ è identificata come la zona debole nell’interazione fibra-matrice e, tutti i sistemi che ne aumentano il grado di compattezza o la micro durezza, comportano un miglior accoppiamento della fibra alla matrice. L’impiego del trattamento ha comportato altresì un aumento di tenacità dell’ MSFRC con fibre trattate dimostrando resistenze residue in fase di post fessurazione maggiori rispetto a quelle dimostrate dalle fibre non trattate. In particolare gli incrementi si sono rivelati maggiori per le resistenze residue relative ad aperture di fessura maggiori, essendo in questo caso mobilitata una maggiore superficie d’attrito e risultando quindi superiore l’energia dissipata durante il processo di fessurazione.
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Abstract
Concrete is a material of considerable potential which is now being used in many structures and infrastructures of civil engineering. The concrete’s mechanical properties as construction material make it classifiable as a brittle material with significant differences between tensile and compression behaviour. Concrete, in fact, has considerable strength when compressed while being weak when subjected to tension. To overcome this limitation, in most cases the concrete is reinforced with steel bars to which tensile stresses are transferred after the achievement of the modest concrete tensile strength. Thanks to this synergy, easy industrial production and the significant adaptability of this material today, reinforced concrete (RC) is one of the most popular materials in the construction world. From the 1960s a new concept of concrete reinforcement was developed through the inclusion of short discrete steel fibres. This new reinforcement system, that gives toughness to the plain concrete and offers an additional tensile strength, is called Fibre Reinforced Concrete (FRC). Over the last 50 years, there has been a continuous evolution of this material and a development in the production of fibres of various materials (steel, polymers, carbon, etc.). In particular, since the mid-1980s, the petrochemicals and textiles industries have developed the production of polypropylene (PP) micro-fibres used to mitigate the concrete micro cracking due to the plastic shrinkage occurring during the curing time. Much more recently, the production of macro synthetic PP fibres has begun, which, besides attenuating the cracking phenomena, give toughness to FRC even after first cracking. Concrete reinforced with this type of fibre is called Macro Syntetic Fibre Reinforced Concrete (MSFRC).
Studies and researches aimed at the development of the technological properties of PP macro synthetic fibres are in continuous progress and this thesis is among these. In particular, this research work is intended to provide a contribute for the improvement of the poor bonding properties of PP macro synthetic fibres to the cement matrix. For this purpose a treatment is proposed consisting in deposition of nano-silica particles on the macro synthetic fibres surface. Scanning electron microscopy (SEM) surveys were performed to observe surface modifications of fibres following treatment. Further SEM scans were executed on the fibres, following the mixing in the cement matrix and following mechanical testing, to study the interactions that had taken place. The effect of the treatment on the adhesion of the fibres was evaluated both at the single fibre level, with pull out experiments, and to the macro level on the final composite material, by flexural tests on prismatic specimens made in MSFRC. Improvements were found both in the bonding properties of treated fibres and in their frictional response in the pullout process. These results are certainly due to a global enhancement of the Interface Transition Zone (ITZ) between fibre and matrix. From literature studies, ITZ is generally identified as the weak area in fibre-matrix interaction, and all systems that increase its degree of compactness or micro-hardness generally result in a better coupling of fibre to the matrix. The use of the nano-treatment also resulted in increased toughness of MSFRC with treated fibres, showing residual post-cracking strengths greater than those displayed by untreated fibres. In particular more consistent increments have been found for the residual post cracking strengths corresponding to large crack openings, since in this case a bigger effective frictional area is mobilized and consequently the energy dissipated in the cracking process is more significant.
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