Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e TerritorialeCorso di Laurea Specialistica in Ingegneria CivileOrientamento Strutture

PROPOSTA di una METODOLOGIAper la VALUTAZIONE SPERIMENTALE

delle CAPACITA’ di “AUTO-RIPARAZIONE”di COMPOSTI CEMENTIZI FESSURATI

Relatore: dr. Ing. Liberato FERRARACorrelatori: Ing. Patrick BAMONTE

Ing. Visar KRELANI

Tesi di Laurea di: Irene PESSINA

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

ASSESTAMENTO PLASTICO

RITIRO PLASTICO

CONTRAZIONI TERMICHE

MICROFESSURE

CORROSIONEARMATURE

RITIRO IGROMETRICO

REAZIONIALCALI-AGGREGATI

Fenomeno inevitabile imputabile alla ridotta resistenza a trazione del calcestruzzo

Determina un incremento di deformabilità e permette agli agenti aggressivi di penetrare nel calcestruzzo, compromettendo la durabilità della struttura

ASSESTAMENTO PLASTICO

MICROFESSURE

RITIRO PLASTICO

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 mmXC2, XC3, XC4

0,3 mm0,2 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

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

IL FENOMENO del SELF-HEALING

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

Prova a flessione su 3 punti

Prova a compressione

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

PREPARAZIONE e GETTO dei PROVINI

SENZA ADDITIVO

CON ADDITIVO

Cemento [kg/m3] 300 300

Acqua [kg/m3] 165 165

Sabbia [kg/m3] 975 975

Ghiaia [kg/m3] 975 975

Superfluidificante [kg/m3] 3 3

Additivo [kg/m3] - 3

MIX-DESIGN

Realizzazione di un calcestruzzo a normale resistenza: a/c = 0,55

Confezionamento di due tipi di calcestruzzo: con e senza additivo

1% del peso del cemento

PREPARAZIONE e GETTO dei PROVINI

SENZA ADDITIVO CON ADDITIVO

7 cubi (15 x 15) 8 cubi (15 x 15)

4 cubetti (10 x 10) 4 cubetti (10 x 10)

21 cilindri 21 cilindri

4 lastre (50 x 100 x 5) 4 lastre (50 x 100 x 5)

Numero di provini confezionati:

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 puntiin controllo di apertura di fessura

Clip gauge

PREFESSURAZIONE

0 50 100 150 200 250 300 3500

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

CMOD [μm]

Car

ico

[N

]

0 50 100 150 200 250 300 3500

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

CMOD [μm]

Car

ico

[N

]

1 scarico:• 150

μm

2 scarichi:• 150

μm• 300

μm

“CONDIZIONAMENTO” TERMOIGROMETRICO

0 1 2 3 4 5 6 70

5

10

15

20

25

UR=90%t [ore]

T [

°C]

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

10/ 24 / 11 11/ 3 / 11 11/ 13 / 11 11/ 23 / 11 12/ 3 / 11

day

0

4

8

12

16

20

T (

°C)

0

20

40

60

80

100

RH

(%)

T min

T max

RH

PROVA a FLESSIONE POST TRATTAMENTO

Prova a flessione su 3 punti in controllo di apertura di fessura fino a rottura

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

100

200

300

400

500

600

CMOD [μm]

Car

ico

[N

]

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

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

UR = 90%

senza additivo

con additivo

tempo [giorni]

Rcj

/Rc2

1

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

UR =65%

senza additivo

con additivo

tempo [giorni]

Rcj

/Rc2

1

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

0.20.40.60.8

11.2

Ambiente esterno

senza additivo

con additivo

tempo [giorni]

Rcj

/Rc2

1

L’additivo non modifica le capacità meccaniche del calcestruzzo

PROVA A COMPRESSIONE

0 10 20 30 400

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

senza additivo

con additivo

legge d'in-durimento

tempo [giorni]

fcj

/fc

cmccctm f)t()t(f

2/1

cc t

281sexp)t(

Legge di indurimento

con:

fctm(t) resistenza media a compressione del calcestruzzo al tempo tβcc(t) coefficiente dipendete dall’età del calcestruzzos coefficiente legato alla velocità di sviluppo della resistenza e dipende dal tipo di cemento (s=0,25)

RESISTENZE a TRAZIONE per FLESSIONE

0.00

2.00

4.00

6.00

SENZAadditivo

prima dell'espo-sizone

dopo l'esposizione

1 settimana

fctf

[N

/mm

²]

0.00

2.00

4.00

6.00

SENZA additivo

prima dell'espo-sizone

dopo l'esposione

2 settimane

fctf

[N

/mm

²]

0.00

2.00

4.00

6.00

SENZAadditivo

prima dell'espo-sizone

dopo l'esposione

4 settimane

fctf

[N

/mm

²]

0.00

2.00

4.00

6.00

CONadditivo

prima dell'es-posizione

dopo l'esposizione

1 settimana

fctf

[N

/mm

²]

0.00

2.00

4.00

6.00

CON additivo

prima dell'es-posizione

dopo l'esposizione

2 settimane

fctf

[N

/mm

²]

0.00

2.00

4.00

6.00

CON additivo

prima dell'es-posizione

dopo l'esposizione

4 settimane

fctf

[N

/mm

²]

STIMA della RIGIDEZZA e del DANNO

0 50 100 150 200 250 300 3500

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

pendenza iniziale

pendenza al 1° scarico

pendenza al 2° scarico

CMOD [μm]

Car

ico

[N

]

E0 rigidezza iniziale [N/μm]

Danno accumulato in corrispondenza dello scarico i-esimo:

dove:Ei rigidezza relativa allo scarico i-esimo

0

ii E

E1D

E1 rigidezza al 1°scarico [N/μm]

E2 rigidezza al 2°scarico [N/μm]

RECUPERO dell’APERTURA di FESSURA

020

040

060

080

010

000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

prefessurazione

post-trattamento

CMOD [μm]

Car

ico

[N

]

020

040

060

080

010

000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

prefessurazionepost-trattamentocontinuo curva carico-CMOD

CMOD [μm]

Car

ico

[N

]

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

0 200 400 600 800 10000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

prefessurazione

dopo il trattamento

CMOD [μm]

Car

ico

[N

]

Traslazione lungo l’asse delle ascisse della curva post trattamento finché il suo valore di carico massimo incontra il corrispondente valore sulla curva vergine

new 0

old 0

w

w1IR

Definizione dell’indice di recupero:

0 5000

800

RECUPERO

w0 new

w0 old

INDICE di RECUPERO

130 2700.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90

0.670.730.72

0.67

1 settimana

con additivo

senza additivo

Apertura di fessura [μm]

Ind

ice

di

recu

per

o

130 2700.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90

0.79 0.780.71

0.48

2 settimane

con additivo

senza additivo

Apertura di fessura [μm]

Ind

ice

di

recu

per

o

130 2700.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90

0.70

0.84

0.640.58

4 settimane

con additivo

senza additivo

Apertura di fessura [μm]

Ind

ice

di

recu

per

o

INDICE di RECUPERO

130 2700.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90

0.670.73

0.79 0.780.70

0.84

CONadditivo

1 settimana

2 settimane

4 settimane

Apertura di fessura [μm]

Ind

ice

di

recu

per

o

130 2700.000.100.200.300.400.500.600.700.80 0.72

0.670.71

0.48

0.640.58

SENZAadditivo

1 settimana

2 settimane

4 settimane

Apertura di fessura [μm]

Ind

ice

di

recu

per

o

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

c1s1 σnσ

sc

c1 AnA

Nσ

s2σ

c2σc1σ

s1σ

rl

r2l

b

crNN

S

s2 A

Nσ

s1σ

c1σ0σc2

b

crNN

Tensioni tangenziali

Lunghezza di trasmissione

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

R R RE E E

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

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

20

40

60

80

100

120

140

prima

dopo

Distanza [mm]

Tem

pi

[μm

]