Una deformazione ultima a trazione fino al 4,5% è il risultato che meglio sintetizza lo studio di Qiwei Wang, Chao Xu e Dingtao Yang sui compositi geopolimerici ingegnerizzati ad altissima tenacità a base di ceneri volanti, gli Engineered Geopolymer Composites (EGC), pubblicato su CivilEng, Vol. 7, pag. 66 (doi: 10.3390/civileng7040066). Per una matrice geopolimerica, un allungamento specifico di questa entità descrive un comportamento pseudo-plastico, ben distante dalla fragilità del legante privo di fibre.
La ricerca si è articolata su tre piani: la definizione delle proporzioni di miscela, la valutazione dell’influenza del curing a temperatura sub-elevata sulla risposta a trazione e la riproduzione numerica del comportamento del materiale. Le prove sono state condotte su provini di trazione a dumbbell, affiancate da analisi microstrutturali e dalla correlazione d’immagine digitale, la Digital Image Correlation (DIC).
Proporzioni della miscela e azione delle fibre
Il primo obiettivo è stato l’ottimizzazione delle proporzioni di miscela, con la finalità di conseguire contestualmente resistenza e capacità di deformazione a trazione. L’inserimento delle fibre risulta determinante: il loro intervento riduce in modo significativo la fragilità intrinseca della matrice e consente al composito di raggiungere il 4,5% di allungamento ultimo. Una deformabilità di questo livello non è attribuibile alla sola matrice: dipende dalla capacità del sistema fibroso di sostenere una fessurazione distribuita anziché concentrata in un’unica fessura, aspetto che la parte sperimentale ha poi verificato direttamente.
Curing a temperatura ambiente o sub-elevata
Il confronto tra i due regimi di indurimento evidenzia comportamenti divergenti. In cura a temperatura ambiente, resistenza a trazione e capacità di deformazione crescono con l’età del materiale. Il curing a temperatura sub-elevata, invece, migliora in misura marcata le proprietà meccaniche a giovane età; alle età successive la resistenza continua ad aumentare, mentre la capacità di deformazione registra una lieve contrazione.
| Regime di cura | Comportamento osservato |
|---|---|
| Ambiente | Resistenza a trazione e capacità di deformazione in aumento con l’età |
| Temperatura sub-elevata | Marcato miglioramento delle proprietà meccaniche a giovane età; alle età successive, resistenza ulteriormente crescente e capacità di deformazione in lieve calo |
Il dato operativo per il progettista è il compromesso che ne deriva: la cura termica moderata accelera lo sviluppo delle prestazioni iniziali, con una riduzione contenuta della deformabilità ultima raggiungibile a maturità.
Microstruttura e DIC: da dove nasce la duttilità
Le analisi microstrutturali chiariscono il meccanismo alla base degli effetti del curing: la temperatura sub-elevata accelera il processo di geopolymerizzazione, con conseguente densificazione della matrice. Una struttura più compatta è coerente con l’incremento di resistenza registrato alle età mature.
La DIC ha fornito la conferma sperimentale dell’origine della duttilità: l’elevata capacità di deformazione dell’EGC deriva dalla propagazione di molteplici microfessurazioni, non dall’apertura di una fessura localizzata tipica dei leganti fragili. Misurando a campo pieno gli spostamenti superficiali del provino durante la prova, la tecnica permette di seguire l’evoluzione e la distribuzione delle fessurazioni nel corso del caricamento.
Il modello di danno Menetrey-Willam nelle simulazioni numeriche
La componente numerica dello studio adotta il modello di danno di Menetrey-Willam per riprodurre il comportamento a trazione del materiale. Le simulazioni riescono a cogliere la concentrazione di tensioni e il processo di redistribuzione del danno, fornendo una conferma meccanica della pseudo-plasticità dell’EGC e della sua evoluzione di danno multiplo. In termini pratici, il modello consente di rappresentare in ambiente di calcolo un materiale che non esaurisce la propria resistenza con l’apertura di una singola fessura, ma prosegue il trasferimento degli sforzi attraverso la rete di microfessurazioni distribuite.
Per chi lavora su matrici alternative al Portland, i riferimenti utili sono due: l’ordine di grandezza della deformazione ultima raggiungibile, fino al 4,5%, e la sensibilità di resistenza e deformabilità al regime di cura adottato. La disponibilità di un modello costitutivo in grado di riprodurre il comportamento osservato completa il quadro, offrendo un punto di partenza per simulazioni numeriche coerenti con la risposta sperimentale.
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