PROPOSTA di una METODOLOGIA per la VALUTAZIONE SPERIMENTALE Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Civile Orientamento Strutture PROPOSTA di una METODOLOGIA per la VALUTAZIONE SPERIMENTALE delle CAPACITA’ di “AUTO-RIPARAZIONE” di COMPOSTI CEMENTIZI FESSURATI Tesi di Laurea di: Irene PESSINA Relatore: dr. Ing. Liberato FERRARA Correlatori: Ing. Patrick BAMONTE Ing. Visar KRELANI

OBIETTIVO dello STUDIO Valutazione della capacità di “auto-riparazione” del calcestruzzo fessurato indotta da un additivo aero- cristallizzante Indice degli argomenti trattati: il problema della fessurazione il fenomeno del self-healing (“auto-riparazione”) campagna sperimentale

IL PROBLEMA della FESSURAZIONE Fenomeno inevitabile imputabile alla ridotta resistenza a trazione del calcestruzzo ASSESTAMENTO PLASTICO MICROFESSURE RITIRO PLASTICO MICROFESSURE REAZIONI ALCALI-AGGREGATI ASSESTAMENTO PLASTICO RITIRO IGROMETRICO CORROSIONE ARMATURE CONTRAZIONI TERMICHE RITIRO PLASTICO Determina un incremento di deformabilità e permette agli agenti aggressivi di penetrare nel calcestruzzo, compromettendo la durabilità della struttura

CONTROLLO della FESSURAZIONE RIFERIMENTI NORMATIVI (Eurocodice 2) L’ampiezza delle fessure è definita: wk = sr,max (εsm - εcm) dove: sr,max distanza massima tra le fessure εsm deformazione media dell’armatura εcm deformazione media del calcestruzzo tra le fessure Questo valore non deve superare l’ampiezza ammissibile wmax definita in funzione delle condizioni ambientali e del tipo di carichi applicati Classe di esposizione Elementi di calcestruzzo armato normale e precompresso con cavi non aderenti Elementi precompressi con cavi aderenti Combinazione di carico quasi-permanente Combinazione di carico frequente X0, XC1 0,4 mm 0,2 mm XC2, XC3, XC4 0,3 mm XD1, XD2, XS1, XS2, XS3 Decompressione

IL FENOMENO del SELF-HEALING Capacità dei composti cementizi di “auto-riparare” le fessure presenti nel materiale senza un intervento di riparazione esterno CAUSE: Idratazione del cemento non idratato Formazione dei cristalli di carbonato di calcio Chiusura delle fessura attraverso le particelle provenienti dalla superficie della fessura stessa o da impurità presenti nell’acqua ELEMENTO ESSENZIALE: Presenza d’acqua

IL FENOMENO del SELF-HEALING PARAMETRI che INFLUENZANO il FENOMENO: Ampiezza della fessura Pressione, pH, temperatura e durezza dell’acqua Concentrazione di cloruri BENEFICI: Riduzione della permeabilità del calcestruzzo Recupero di resistenza e del modulo elastico del materiale

ADDITIVI AERO-CRISTALLIZZANTI Vengono inseriti nel mix-design in fase di confezionamento del calcestruzzo Gli ingredienti reagiscono con i minerali presenti nel calcestruzzo e formano un composto cristallino (CSH, silicato di calcio idrato) Riducono la permeabilità garantendo la protezione della matrice interna all’attacco di sostanze aggressive Cristalli filiformi e insolubili

ATTIVITA’ SPERIMENTALE Valutare la capacità di “auto-riparazione” del calcestruzzo Confezionamento di una serie di provini prismatici contenenti o non contenenti l’additivo aero-cristallizzante Variabili della ricerca: presenza o meno dell’additivo differenti esposizioni ambientale: camera climatica immersione in acqua condizioni ambientali reali diverse apertura di fessura: calcestruzzo vergine w1 =100 μm w2 =200 μm

PROVE PRELIMINARI OBIETTIVO: Verificare se l’additivo influisce sulle proprietà meccaniche del materiale Realizzazione di due tipi di malta: con e senza additivo Stagionatura dei provini prismatici (40x40x160 cm) in diverse condizioni: T=20°C con UR=90% e UR=65% e ambiente esterno Prova a compressione Prova a flessione su 3 punti

PREPARAZIONE e GETTO dei PROVINI Realizzazione di un calcestruzzo a normale resistenza: a/c = 0,55 Confezionamento di due tipi di calcestruzzo: con e senza additivo SENZA ADDITIVO CON ADDITIVO Cemento [kg/m3] 300 Acqua 165 Sabbia 975 Ghiaia Superfluidificante 3 Additivo - MIX-DESIGN 1% del peso del cemento

PREPARAZIONE e GETTO dei PROVINI Numero di provini confezionati: SENZA ADDITIVO CON ADDITIVO 7 cubi (15 x 15) 8 cubi (15 x 15) 4 cubetti (10 x 10) 21 cilindri 4 lastre (50 x 100 x 5) Stagionatura in camera umida (T=20°C e UR=90%) per 30 giorni Suddivisione delle lastre in 72 travetti

PREFESSURAZIONE Prova a flessione su 3 punti in controllo di apertura di fessura Clip gauge

PREFESSURAZIONE 1 scarico: 150 μm 2 scarichi: 150 μm 300 μm

“CONDIZIONAMENTO” TERMOIGROMETRICO Camera climatica 3 tempi di condizionamento: 1 settimana 28 cicli 2 settimane 56 cicli 4 settimane 112 cicli

"CONDIZIONAMENTO” TERMOIGROMETRICO Immersione in acqua per 4 settimane Esposizione ad ambiente esterno per 4 settimane

PROVA a FLESSIONE POST TRATTAMENTO Prova a flessione su 3 punti in controllo di apertura di fessura fino a rottura

ELABORAZIONE dei RISULTATI SPERIMENTALI PROVE PRELIMINARI resistenza a compressione PROVE di PREFESSURAZIONE e POST TRATTAMENTO: carico massimo e rispettiva resistenza a trazione fctf rigidezza iniziale rigidezza allo scarico danno al progredire dell’apertura di fessura recupero dell’apertura di fessura

PROVE PRELIMINARI L’additivo non modifica le capacità meccaniche del calcestruzzo

PROVA A COMPRESSIONE Legge di indurimento con: fctm(t) resistenza media a compressione del calcestruzzo al tempo t βcc(t) coefficiente dipendete dall’età del calcestruzzo s coefficiente legato alla velocità di sviluppo della resistenza e dipende dal tipo di cemento (s=0,25)

RESISTENZE a TRAZIONE per FLESSIONE

STIMA della RIGIDEZZA e del DANNO E0 rigidezza iniziale [N/μm] E1 rigidezza al 1°scarico [N/μm] E2 rigidezza al 2°scarico [N/μm] Danno accumulato in corrispondenza dello scarico i-esimo: dove: Ei rigidezza relativa allo scarico i-esimo

RECUPERO dell’APERTURA di FESSURA Curve carico-CMOD: prefessurazione post-trattamento Fare coincidere il punto iniziale della curva post-trattamento con punto finale della curva di prefessurazione

RECUPERO dell’APERTURA di FESSURA Traslazione lungo l’asse delle ascisse della curva post trattamento finché il suo valore di carico massimo incontra il corrispondente valore sulla curva vergine Definizione dell’indice di recupero: w0 new RECUPERO w0 old

INDICE di RECUPERO

INDICE di RECUPERO

CONCLUSIONI La metodologia utilizzata può essere considerata “affidabile” al fine di valutare gli effetti del self heling di quantità ingegneristiche Si è appurata l’“innata” capacità di “auto-riparazione” dei composti cementizi L’additivo promuove le reazioni di cristallizzazione caratteristiche del self healing L’effetto dell’additivo è più marcato all’aumentare della durata dei cicli di condizionamento termoigrometrico e dell’apertura di fessura

SVILUPPI FUTURI Confronto del comportamento dei provini immersi in acqua ed esposti a condizioni ambientali reali Nuovo ciclo di condizionamento in camera climatica: ciclo estivo Condizioni di esposizione più severe: immersione in acqua marina cicli di gelo e disgelo Estensione della ricerca a calcestruzzi fibrorinforzati con l’obiettivo di valutare la sinergia tra l’effetto di cucitura delle fessure esercitato dalle fibre e il fenomeno self healing

MODELLO di CALCOLO

MECCANISMI di ADERENZA Lunghezza di trasmissione Tensioni tangenziali

PROVA ad ULTRASUONI OBIETTIVO: Valutazione qualitativa degli effetti del self-healing sui provini Esecuzione delle prove prima e dopo il trattamento termoigrometrico Registrazione del tempo di propagazione da emettitore a ricevitore del treno d’onda Calcolo delle relative velocità E R E R E R

PROVE ad ULTRASONI Confronto delle velocità di propagazione del segnale prima e dopo il trattamento Nessuna diminuzione della velocità nel tratto in corrispondenza della fessura Si ipotizza che la scarsa attendibilità dei risultati sia dovuta alla particolare geometria dei provini