MATERIALI COMPOSITI E CALCESTRUZZO

Economico e versatile, il calcestruzzo è semplicemente il miglior materiale da costruzione per molte applicazioni. Il problema è come rendere il calcestruzzo in grado di resistere ai carichi ambientali e strutturali per prestazioni a lungo termine. Un vero composito, calcestruzzo tipicamente costituito da ghiaia e sabbia-aggregato-legati insieme in una matrice di cemento Portland fine, con tondo per cemento armato metallo di solito incorporato per resistenza. Esegue mirabilmente sotto compressione, ma tende ad essere fragile e un po ‘ debole in tensione. Lo stress tensionale e il restringimento della plastica durante la cura portano a crepe, che invitano all’ingresso di umidità che alla fine porta alla corrosione del metallo incorporato e all’eventuale perdita di integrità man mano che il metallo si deteriora.

I compositi polimerici rinforzati con fibre (FRP) sono stati a lungo considerati come materiali abilitanti per migliorare le prestazioni del calcestruzzo. L’American Concrete Institute (ACI) e altri gruppi, come la Japan Society for Civil Engineers, hanno contribuito allo sviluppo di specifiche e metodi di prova per materiali compositi di rinforzo, molti dei quali sono accettati e ben consolidati oggi nella costruzione in calcestruzzo. “Oltre ai documenti delle linee guida di progettazione, ora abbiamo i metodi di prova”, afferma John Busel, presidente del Comitato 440 dell’ACI, costituito nel 1990 per fornire a ingegneri e progettisti informazioni e indicazioni per i materiali compositi. I metodi di prova sono descritti in ACI 440.3 R-04. (Questo e altri importanti documenti pubblicati relativi al rinforzo composito del calcestruzzo possono essere trovati nella barra laterale di accompagnamento, “Concrete Design Guides”) “Stiamo anche lavorando con fermezza su una revisione del nostro rapporto 1996 state-of-the-art, per aggiornare gli operatori concreti sulle molte nuove applicazioni e opportunità di mercato emergenti,” dice Busel.

Il tondo per cemento armato composito e le griglie di rinforzo continuano a trovare impiego in una serie di applicazioni. Più recentemente, sono stati sviluppati prodotti e stanno iniziando a proliferare le applicazioni per il calcestruzzo fibrorinforzato, un materiale che utilizza fibre di acciaio o polimero come rinforzo in pavimentazioni, solai e parti prefabbricate.

TONDO PER CEMENTO ARMATO COMPOSITO: TECNOLOGIA CONSOLIDATA

Negli ultimi 15 anni, il tondo per cemento armato composito è passato da prototipo sperimentale a sostituzione efficace dell’acciaio su molti progetti, in particolare con l’aumento dei prezzi dell’acciaio. “Il tondo per cemento armato della vetroresina è comunemente usato ed è un mercato molto competitivo,” dice Doug Gremel, direttore del rinforzo non metallico per Hughes Bros. (Seward, Neb.), un produttore stabilito dei prodotti del tondo per cemento armato. “Lo stato di conoscenza del settore sul materiale è immensamente migliore rispetto a 10 anni fa.”

Per alcuni progetti di costruzione, come le strutture di risonanza magnetica (MRI) negli ospedali o gli approcci alle cabine stradali a pedaggio che impiegano la tecnologia di identificazione a radiofrequenza (RFID) per identificare i clienti prepagati, il tondo per cemento armato composito è l’unica scelta. Il tondo per cemento armato d’acciaio non può essere usato, perché interferisce con i segnali elettromagnetici. Oltre alla trasparenza elettromagnetica, il tondo per cemento armato composito offre anche un’eccezionale resistenza alla corrosione, leggerezza — circa un quarto del peso dell’acciaio-e isolamento termico, perché resiste al trasferimento di calore nelle applicazioni edilizie. I due maggiori produttori sono Hughes e Pultrall (Thetford Mines, Canada).

Il tondo per cemento armato composito è tipicamente pultruded, facendo uso dei rovings della fibra di E-vetro e della resina dell’estere del vinile, con le tecniche di formazione standard. I prodotti Aslan di Hughes sono realizzati con un involucro elicoidale per creare un profilo ondulato, mentre la barra A V di Pultrall è liscia. Entrambi hanno un rivestimento esterno in sabbia, applicato durante la produzione, per creare una superficie ruvida per un’adesione ottimale del legame. Secondo Gremel, è necessaria una resina vinilestere di alta qualità, accoppiata con le corrette dimensioni delle fibre, per ottenere le migliori proprietà di corrosione e resistenza agli alti alcali nel cemento Portland, nonché un legame tenace.

Poiché le proprietà meccaniche della vetroresina sono differenti che l’acciaio, progettazione della struttura concreta con il tondo per cemento armato composito è sviluppato facendo uso di ACI 440,1 R-03, guida per la progettazione e la costruzione di calcestruzzo armato con le barre di FRP. La guida affronta la flessione, la facilità di manutenzione, la rottura del creep e la fatica, oltre al taglio e ai dettagli per le staffe, afferma Busel. Sia Hughes che Pultrall sono membri del FRP Rebar Manufacturers Council, sotto l’egida dell’American Composites Manufacturers Assn. (ACMA) e sono coinvolti con ACI nello sviluppo di standard minimi di prestazioni per tondo per cemento armato. Mentre è vero che il tondo per cemento armato composito non può essere piegato in cantiere per soddisfare condizioni impreviste, Gremel dice che è un non-problema. “Le barre di acciaio con rivestimento epossidico non possono essere piegate, senza rompere il rivestimento epossidico”, afferma. “Possiamo pre-piegare barre in fibra di vetro durante la produzione al disegno di un ingegnere, secondo un programma dettagliato, che è come dovrebbe essere fatto.”Con il rilascio dei nuovi metodi di prova per calcestruzzo con tondo per cemento armato composito, proprietari e progettisti hanno ora la certezza che la struttura funzionerà come previsto. Gremel osserva che il documento di prova verrà convertito in uno standard ASTM.

Pultrall V-ROD è distribuito negli Stati Uniti esclusivamente da Concrete Protection Products Inc. (CPPI, Dallas, Texas). Il presidente di CPPI Sam Steere riporta diversi progetti recenti che impiegano V-ROD, tra cui un nuovo ponte che attraversa l’autostrada statunitense I-65 nella contea di Newton, nell’Indiana. Il ponte a tre campate lungo 58 m/191 piedi è largo 10,5 m / 34,5 piedi con un ponte in cemento armato che si trova in cima a travi a I in acciaio, supportate su pilastri in cemento. Il ponte di cemento spesso 203 mm/8 pollici è rinforzato con tondo per cemento armato in acciaio epossidico nella metà inferiore, ma la barra composita a V resistente alla corrosione viene utilizzata nella metà superiore, dove il potenziale di contatto con i sali di sbrinamento è maggiore. Sono state posizionate due dimensioni di barra composita, ciascuna su centri da 152 mm/6 pollici-#5 bar (diametro 16 mm/0,625 pollici) nella direzione trasversale e # 6 (diametro 19 mm/0,75 pollici) in direzione longitudinale. L’intera struttura è stata strumentata con sensori in fibra ottica da ricercatori della Purdue University, per una valutazione continua delle prestazioni del ponte tramite una connessione remota. È il primo uso della barra composita in un’applicazione di ponte da parte del Dipartimento dei trasporti dell’Indiana, afferma Steere.

Hughes Bros. Le barre in fibra di vetro Aslan 100 sono state recentemente installate in un ponte in cemento fuso a Morrison, Colo., costruito dal Colo. Dipartimento. di trasporto (CDOT) in collaborazione con la città e la contea di Denver Parks and Recreation Dept. Il ponte lungo 13,8 m / 45 piedi, che si estende su Bear Creek, ha utilizzato armature in fibra di vetro nei basamenti, nei pilastri, nelle pareti delle ali, nei parapetti e in un arco curvo in cemento armato. Un ponte di un pezzo, interamente composito che si trova in cima all’arco di cemento è stato fabbricato da Kansas Structural Composites (Russell, Kan.). Un certo numero di diverse dimensioni di tondo per cemento armato sono stati incorporati negli elementi di fusione, tra cui #5, #6 e #7 (diametro 19 mm/0,75 pollici). Sono state necessarie molte staffe piegate e forme uniche per ottenere il design dettagliato, sottolinea Gremel, aggiungendo che tutte sono state fabbricate in fabbrica prima della spedizione. CDOT ingegnere Mark Leonard dice che lo stato ha avuto un buon successo con tondo per cemento armato composito in progetti passati e selezionato Aslan perché Hughes ha presentato l’offerta più bassa. Anche se il ponte ottiene il traffico minimo a basse velocità, Leonard dice il progettista del ponte, Parsons Brinkerhoff (Denver, Colo.), ha seguito tutte le linee guida di progettazione ACI e ha utilizzato i nuovi metodi di prova ACI440.3R-04 per certificare i materiali.

Il mercato del tondo per cemento armato composito dovrebbe diventare ancora più competitivo come un nuovo materiale — fibra di basalto-guadagna un punto d’appoggio. Sudaglass Fiber Technology (Houston, Texas), un produttore di fibre di basalto con strutture in Russia e Ucraina, ha rotto terreno su un impianto di produzione statunitense nel nord del Texas, dice Sudaglass’ executive VP Graham Smith. Basalto / resina epossidica tondo per cemento armato è attualmente in fase di pultruded in Ucraina, ed è in procinto di essere certificato per la costruzione degli Stati Uniti, secondo Smith.

Con una densità solo leggermente superiore alle tipiche fibre di vetro, le fibre di basalto dell’azienda hanno un intervallo termico molto più ampio da -260°C a 982°C (da -436°F a 1850°F) rispetto a un intervallo nominale da -60°C a 650°C (da -76°F a 1202°F) per il vetro e un punto di fusione di 1450°C (2642°F), rendendo il basalto utile resistenza. Inoltre, Smith osserva che il materiale dimostra un’eccellente resistenza al contenuto di alcali nel calcestruzzo senza ricorrere alle speciali dimensioni utilizzate per proteggere le fibre di vetro.

Qualunque sia la scelta di rinforzo, il tondo per cemento armato composito dovrebbe avere un ampio appeal tra i decisori del progetto. “La linea di fondo è che un buon ingegnere o progettista sta cercando di risolvere il problema della corrosione”, conclude Gremel. “Per un costo maggiore del 5-7% nei materiali di progetto, con questo prodotto si ottiene una vita più lunga di 10-20 anni per la struttura.”

COMPOSITO GRIGLIE IN PREFABBRICATI PANNELLI: ALTO POTENZIALE

Dal CT segnalato la prima volta l’uso di fibra di polimero rinforzato con griglie in cemento prefabbricati pannelli da costruzione (“le Soluzioni Composite a Soddisfare la Crescente Costruzione Civile, Richieste,” CT agosto 2002, p. 40), il mercato ha registrato una crescita significativa, dice Busel. “Questa applicazione è enorme”, sostiene. “C’è un enorme potenziale.”

La carica è guidata da AltusGroup, un consorzio di cinque produttori di calcestruzzo prefabbricato e produttore di rinforzo TechFab LLC (Anderson, S. C.), formato appositamente per promuovere la tecnologia CarbonCast in cui le griglie C-GRID in fibra di carbonio/epossidiche sostituiscono la tradizionale griglia in acciaio o il tondo per cemento armato nelle strutture prefabbricate come rinforzo secondario. TechFab è una joint venture 50/50 di Hexcel (Dublino, California.) e Chomarat Group (Le Cheylard, Francia). Finora, i membri di AltusGroup includono Oldcastle Precast (Edgewood, Md.), ALTE strutture in calcestruzzo (Denver, Pa.), due prefabbricati di proprietà di società Cretex (Elk River, Minn.) e Metromont Prestress (Greenville, S. C.), ma è probabile che vengano aggiunti nuovi membri a causa del crescente volume delle vendite, afferma John Carson, direttore dello sviluppo commerciale di TechFab e leader del programma per la tecnologia C-GRID.

Una varietà di prodotti CarbonCast sono offerti da AltusGroup, tra cui pannelli murali coibentati strutturali e non strutturali e rivestimenti architettonici. C-GRID sostituisce tipicamente elementi di rinforzo in rete metallica secondaria-il tondo per cemento armato in acciaio convenzionale viene ancora utilizzato per il rinforzo primario nella maggior parte dei casi. C-GRID è realizzato in un processo di quasi-tessitura efficiente e proprietario che allinea le fibre di carbonio di trama e ordito sovrapposte bagnate con una resina epossidica a rapida polimerizzazione, in una struttura aperta. Le aperture della griglia variano di dimensioni da 25,4 mm a 76 mm (da 0,25 pollici a 3 pollici), a seconda dei requisiti di resistenza del pannello, del tipo di calcestruzzo e delle dimensioni dell’aggregato. Durante il processo di produzione, alla griglia viene data una superficie ruvida che migliora la forza di legame tra la griglia e il calcestruzzo indurito. Nella linea di prodotti MEC-GRID di TechFab sono disponibili anche griglie in fibra di vetro, aramidica o polimerica in combinazione con una qualsiasi delle varie resine. Le griglie in carbonio e non carbonio trovano impiego in altre applicazioni, come elementi decorativi, calcestruzzo fuso e riparazione/riabilitazione.

I vantaggi dei pannelli CarbonCast sono significativi, afferma Carson. C-GRID è molto più leggero e ha quasi sette volte maggiori proprietà di trazione rispetto all’acciaio. Il cracking dovuto al ritiro della cura è notevolmente ridotto e C-GRID non si corrode, eliminando la colorazione superficiale spesso sgradevole che si verifica sui pannelli in calcestruzzo con griglie in acciaio. La sua resistenza alla corrosione consente l’uso di un minimo di 6,35 mm/0,25 pollici di copertura in calcestruzzo, mentre possono essere necessari fino a 76,2 mm/3 pollici di copertura per proteggere la griglia in acciaio dall’umidità. Pertanto, il peso del pannello può essere ridotto fino al 66% rispetto al prefabbricato convenzionale. I pannelli più leggeri tengono conto il peso globale più basso della parete, che a sua volta richiede la sottostruttura d’acciaio meno sostanziale, con conseguente costi di costruzione significativamente più bassi. C-GRID è anche termicamente non conduttivo, quindi il valore di isolamento del pannello non è compromesso. Inoltre, le aperture possono essere tagliate nei pannelli sul luogo di lavoro con una sega elettrica, cosa che non è possibile con una griglia in acciaio. Tutti questi vantaggi si traducono in minori costi di trasporto, costruzione e sovrastruttura per una costruzione più efficiente.

Oltre 3 milioni di ft2 di prodotti CarbonCast panel sono stati venduti fino ad oggi e la domanda è così alta che TechFab ha recentemente annunciato importanti piani di espansione. Un nuovo impianto ospiterà una linea di produzione di rete aggiuntiva che, secondo Carson, dovrebbe essere operativa entro ottobre di quest’anno. L’annuncio ha seguito da vicino l’accordo pluriennale annunciato dalla società con Zoltek Corp.(St. Louis, Mo.), il fornitore della fibra di grande rimorchio di Panex 35 utilizzata in C-GRID. Secondo Carson, l’accordo garantirà una fornitura coerente per C-GRID durante gli anni iniziali di lancio del prodotto. “Zoltek è stato il nostro principale fornitore di fibre e sostenitore dal primo giorno di questo progetto”, osserva.

I pannelli prefabbricati sono stati utilizzati in progetti diversi come cinema, chiese e parcheggi. Un progetto recente è stato il complesso Cardinal Health office/warehouse 332,000-ft2 vicino a Baltimora, Md. Pannelli CarbonCast lunghi fino a 15,5 m/51 piedi sono stati fusi per formare le pareti esterne verticali dell’edificio a due piani. Ogni pannello è una costruzione a sandwich con 152 mm / 6 pollici di isolamento in schiuma (raggiungimento del valore di isolamento R-16) tra i fogli di facciata costituiti da un wythe esterno spesso 50 mm/2 pollici (strato di calcestruzzo) e un wythe interno spesso 100 mm/4 pollici, la GRIGLIA C posizionata perpendicolarmente alle facce del pannello collega i wythes interni ed esterni, fornendo

“Ci stiamo muovendo in marcia alta con questo concetto,” dice Carson. “Stiamo aggiungendo nuovi prodotti per soddisfare la crescita delle applicazioni.”

CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO: IN ARRIVO FORTE

L’uso di fibre corte nel calcestruzzo per migliorare le proprietà è stata una tecnologia accettata per decenni – persino secoli, considerando che nell’impero romano le malte strutturali erano rinforzate con crine di cavallo. I rinforzi della fibra aumentano la durezza e la duttilità del calcestruzzo (la capacità di deformare plasticamente senza fratturare) trasportando una parte del carico nel caso del guasto della matrice e arrestando la crescita della crepa. Il Dott. Victor Li dell’Università del Michigan ha studiato le proprietà dei compositi cementizi rinforzati con fibre ad alte prestazioni, un sottoinsieme di calcestruzzo fibrorinforzato ad alte prestazioni, e crede che l’accettazione del materiale crescerà, purché vengano mantenute prestazioni, basso costo e facilità di esecuzione.

“L’utilizzo di questo materiale può portare all’eliminazione delle barre di rinforzo a taglio, con conseguente riduzione dei costi di materiale e manodopera”, afferma Li. “Una struttura più sottile riduce il volume del materiale e il carico morto e facilita il trasporto. Queste riduzioni complessive dei costi possono facilmente giustificare il costo del materiale rinforzato con fibre.”

Il riconoscimento ufficiale del calcestruzzo fibrorinforzato ha stimolato la pubblicazione di norme e linee guida per il suo utilizzo negli ultimi cinque anni (vedi CT luglio/agosto 2001, p. 44). Da quel momento, le applicazioni commerciali sono fiorite.

Materiali da costruzione giant Lafarge SA (Parigi, Francia) ha promosso il suo materiale in calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni, con marchio commerciale Duttale, per quasi dieci anni, mirando a un’ampia varietà di infrastrutture civili e applicazioni architettoniche. Ductal è una miscela di cemento Portland, fumi di silice, farina di quarzo, sabbia silicea fine, plastificanti, acqua e fibre di acciaio o organiche, tipicamente 12 mm/0,5 pollici di lunghezza. Vic Perry, VP / general manager per Ductal, afferma che la combinazione di polveri fini, selezionate per la granulometria relativa, crea la massima compattazione durante la polimerizzazione, con conseguente completa assenza di porosità continua, che elimina virtualmente l’ingresso di umidità e la potenziale corrosione delle fibre di acciaio. Per essere sicuri, le fibre di alcool polivinilico (PVAL) sono tipicamente specificate per applicazioni architettoniche o decorative, per escludere qualsiasi possibilità di colorazione superficiale che potrebbe verificarsi con fibre di acciaio arrugginite ed eliminare l’abrasività dove il contatto umano è una preoccupazione. I materiali sono venduti in sacchi sfusi a prefabbricati o fornitori di calcestruzzo preconfezionato.

“L’aggiunta delle fibre rende il materiale deformabile in modo duttile e supporta i carichi di trazione”, afferma Perry. “Le fibre forniscono la durezza e le proprietà microstrutturali migliorate.”

A seconda del tipo di fibra utilizzata, la resistenza alla compressione delle gamme duttali da 150 MPa a 200 MPa (da 21.750 psi a 29.000 psi), rispetto al calcestruzzo standard da 15 MPa a 50 MPa (da 2.175 psi a 7.250 psi). Testato resistenza alla flessione è alto come 40 MPa / 5.800 psi, dice Perry. Il duttale rinforzato con fibre di acciaio Forta di Lafarge è stato utilizzato per la costruzione prefabbricata e in diverse applicazioni di travi a ponte di precompressione. A Saint Pierre La Cour, in Francia, è stato progettato un ponte veicolare lungo 20 m/65 piedi con 10 travi a I duttali che supportano un ponte in cemento armato tradizionale da 170 mm/6,5 pollici di spessore. Le travi prefabbricate, che non contengono armature, sono profonde 600 mm/24 pollici e sono state precompresse con cavi in acciaio da 13 mm/0,5 pollici, posizionati nella flangia inferiore. La tensione viene applicata ai fili prima che il duttale venga versato nella forma del fascio. Una volta che il calcestruzzo copre i fili e il materiale ha iniziato a curare, vengono tagliati, il che in effetti pone stress di compressione sulla miscela di calcestruzzo.

Quando si sottopone una trave precompressa a qualsiasi flessione, spiega Perry, non subisce stress tensionale ma “decomprime”, migliorando notevolmente le prestazioni. A causa della forza del duttale, le travi non richiedono il tondo per cemento armato, che riduce significativamente il peso per piede.

Strutture duttali sagomate in sezione come la lettera maiuscola greca “Π” (essenzialmente una trave a scatola senza flangia inferiore) funzionano sia come ponte che come travi su un ponte sperimentale installato su una pista di prova presso il Turner Fairbank Laboratory della Federal Highway Authority (FHWA) degli Stati Uniti, per studiare l’idoneità del progetto per la futura costruzione di autostrade. La trave/ponte” Π ” è progettata per resistere alle configurazioni di carico HL-93 dell’American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).

“Le travi duttali consentono campate più lunghe per lo stesso peso del fascio”, afferma Perry. “Alla fine, vedremo il cemento fibrorinforzato in travi e ponti.”

SI Sistemi in calcestruzzo. (Chattanooga, Tenn.) è un produttore di rinforzo in fibra per calcestruzzo. SI offre Novomesh, Fibermesh e altri prodotti in fibra che vengono utilizzati come alternativa al rinforzo secondario della rete metallica in acciaio e al tondo per cemento armato leggero in applicazioni commerciali e residenziali, afferma Hal Payne di SI, responsabile delle alleanze strategiche. SI offre fibre di polipropilene (PP), fibre di acciaio, fibre macrosintetiche e miscele ingegnerizzate. Secondo Payne, i prodotti in fibra di polipropilene di SI sono fondamentali per il controllo delle crepe di restringimento in plastica “in età precoce” per evitare che queste crepe si trasformino in difetti importanti mentre il calcestruzzo si cura. Novomesh 950 è un nuovo prodotto per l’azienda e consiste in una miscela di fibre microsintetiche monofilamento macrosintetiche e fascicolate fibrillate. Secondo Payne, il prodotto dà un buon risultato come fibre di acciaio nella sua destinazione d’uso per solai commerciali.

Kingspan (Sherburn, Malton, N. Yorkshire, Regno Unito) è uno specialista di costruzioni in calcestruzzo che utilizza additivi per fibre di calcestruzzo di Bekaert Building Products (Friedrichsdorf, Germania). Le fibre di acciaio Dramix sagomate di Bekaert vengono aggiunte al calcestruzzo per produrre pavimenti e tetti senza reti di rinforzo in acciaio. Secondo quanto riferito, il prodotto è ideale per cantieri angusti come lo sviluppo di Spurriergate a tre piani nella storica città britannica di York. Poiché il calcestruzzo non richiede il rinforzo della griglia in acciaio, il costo della griglia in acciaio e la manodopera necessaria per consegnare i rotoli ingombranti, quindi tagliarlo e posizionarlo in edifici a più piani prima delle operazioni di colata di calcestruzzo è completamente eliminato. I pavimenti in calcestruzzo fibrorinforzato del progetto sono stati collocati in un’unica operazione, semplicemente consegnando il materiale fibrorinforzato direttamente a ciascun piano utilizzando attrezzature di pompaggio automatizzate.

In Australia, Francia, Giappone e Stati Uniti, le guide provvisorie alla progettazione (elencate nella barra laterale) ora forniscono indicazioni e permessi per il calcestruzzo fibrorinforzato, un fattore significativo nella sua maggiore accettazione da parte di progettisti, ingegneri e decisori di progetto nel mercato delle infrastrutture. “Il materiale offre soluzioni come velocità di costruzione, estetica migliorata, durata superiore e resistenza alla corrosione”, conclude Perry. “Ciò si traduce in una manutenzione ridotta e una maggiore durata della struttura.”

Nota del redattore: Guarda il nostro prossimo articolo sull’uso di materiali compositi per la riparazione delle infrastrutture (CT giugno 2005) e futuri articoli su barre di tassello in fibra di vetro e tendini di precompressione.