Categoria: Calcestruzzo

Collocare il calcestruzzo geopolimerico ibrido nella zona tesa di una trave modifica la risposta flessionale dell’elemento in modo misurabile. Nelle prove a quattro punti condotte su dieci travi in calcestruzzo armato, la configurazione funzionalmente graduata con il geopolimero nella zona di trazione ha portato a un aumento della deflessione ultima del 30% e della duttilità del 73%. È migliorata anche la capacità portante, rispetto alle travi realizzate con la corrispondente miscela a base cementizia.

L’impianto sperimentale: dieci travi, un solo impasto geopolimerico

Le travi oggetto delle prove sono state realizzate con calcestruzzo funzionalmente graduato (FGC, functionally graded concrete), impostazione costruttiva che consente a un componente strutturale di soddisfare, porzione per porzione, specifiche meccaniche e di durabilità differenti. Il campione conta dieci travi armate: le sezioni trasversali differiscono da elemento a elemento e, all’interno di ciascuna trave, gli strati di calcestruzzo assumono disposizioni differenti. La risposta strutturale è stata valutata con prove di flessione a quattro punti.

Sul piano dei materiali la ricerca impiega un solo confezionamento di calcestruzzo geopolimerico ibrido (HGC, hybrid geopolymer concrete), posto a confronto con la corrispondente miscela di controllo a base cementizia. Nella formula geopolimerica la funzione legante è affidata a cenere volante (FA, fly ash), scorie d’altoforno (slag) e polvere di dolomite (DP, dolomite powder). L’obiettivo del programma di prova riguarda la risposta a flessione e la sostenibilità delle travi FGC armate.

Duttilità e deflessione ultima: l’effetto dell’HGC in zona tesa

Le travi con l’HGC collocato nella zona di trazione presentano una duttilità più elevata e una capacità portante superiore rispetto a quelle costruite con il calcestruzzo cementizio corrispondente. Il confronto tra le diverse disposizioni degli strati, su un campione con sezioni trasversali variabili, mette in luce il peso della posizione del materiale all’interno dell’elemento.

Quando il geopolimero viene disposto nella zona critica di trazione, la configurazione funzionalmente graduata determina un aumento della deflessione ultima del 30% e della duttilità del 73%. Due indicatori che descrivono una risposta più deformabile dell’elemento fino a rottura.

Cemento, emissioni di carbonio e resilienza strutturale

La lettura di sostenibilità accompagna i risultati strutturali: l’impiego dell’HGC nelle travi in calcestruzzo funzionalmente graduato riduce il fabbisogno di cemento e le emissioni di carbonio associate, esito in linea con la composizione dell’impasto, che ricorre a cenere volante, scorie d’altoforno e polvere di dolomite in luogo del legante cementizio.

Il quadro complessivo comprende anche la resilienza strutturale, sostenuta dal comportamento più duttile e dalla capacità portante accresciuta: condizioni che, per gli autori, disegnano una via verso strutture in calcestruzzo sostenibili e ad alte prestazioni.

Il lavoro, firmato da Ahmed Al-Mowafy, Mohamed E. El-Zoughiby, El-Sayed Abd-Elaal, Mohamed Ghalla, Mohanad Abdulazeez e Osama Youssf, è stato pubblicato sulla rivista Infrastructures (volume 11, articolo 292, doi: 10.3390/infrastructures11080292).

Fino al 75% di ritiro da essiccamento in meno sui calcestruzzi compresi tra 40 e 60 MPa: è il dato più rilevante emerso dalla campagna sperimentale condotta da Tamim A. Samman, Khatib Zada Farhan e Md Ashraful Hossain su 84 provini ad anello secondo ASTM C1581, pubblicata su Construction Materials (vol. 6, pag. 28, doi: 10.3390/constrmater6030028). In parallelo, le fibre di polipropilene dosate tra lo 0,25 e lo 0,5% hanno raggiunto riduzioni fino al 66%, azzerando la fessurazione in svariati casi.

Perché il ritiro pesa di più sui calcestruzzi ad alta resistenza

Il ritiro da essiccamento resta uno dei fenomeni più delicati per la durabilità delle strutture in calcestruzzo, e lo diventa ancora di più nelle miscele ad alta resistenza. Il basso rapporto acqua/cemento e la microstruttura densa che caratterizza questi leganti idraulici li espongono in misura maggiore alla fessurazione precoce: una matrice compatta, quando perde umidità, tende a sviluppare fessure nelle prime età con maggiore facilità.

Ottantaquattro anelli ASTM C1581 e tre condizioni di esposizione

Il comportamento è stato valutato in condizioni di vincolo, secondo il metodo ad anello previsto dalla norma ASTM C1581, che impedisce la libera deformazione del provino e rende direttamente osservabile l’insorgere delle fessure. I 84 esemplari coprono un ampio spettro di resistenze a compressione, da 23 a 84 MPa, a cavallo tra calcestruzzi ordinari e ad alta resistenza.

Gli ambienti di esposizione sono stati tre: il clima esterno, le condizioni di laboratorio a 25 °C e 50% di umidità relativa e la camera climatica a 50 °C e 30% di umidità relativa, quest’ultima il più spinto dei tre scenari per temperatura elevata e aria secca.

I valori a 90 giorni sulle miscele senza fibre

Sui provini senza fibre il ritiro cresce al crescere della severità dell’ambiente e, secondo l’impostazione generale dello studio, della resistenza della miscela. La serie misurata a 90 giorni in laboratorio non segue però una scala lineare lungo le classi: il massimo si tocca sul calcestruzzo da 60 MPa, mentre le miscele da 40 e da 84 MPa restano più contenute e persino la classe più debole, quella da 23 MPa, le supera.

I valori si riferiscono ai provini privi di fibre, esposti a 25 °C e 50% di umidità relativa. Restano i punti critici per la durabilità: le miscele ad alta resistenza mostrano una suscettibilità alla fessurazione superiore rispetto alle classi ordinarie.

Fibre di acciaio e polipropilene: l’effetto dipende dal dosaggio

Fibre di acciaio tra l’1,0 e l’1,5%: riduzione del ritiro fino al 75% sui calcestruzzi tra 40 e 60 MPa. Fibre di polipropilene tra lo 0,25 e lo 0,5%: riduzioni fino al 66%, con fessure del tutto eliminate in diversi casi.

L’aggiunta delle fibre agisce su entrambi i versanti del fenomeno, entità della deformazione da ritiro e insorgenza delle fessure, e l’intensità del beneficio segue il dosaggio: aumentando la percentuale inserita, aumenta il contenimento. Le due tipologie si distinguono per campo di impiego e modalità di azione. Le fibre metalliche lavorano a dosaggi più alti e registrano la massima efficacia sulle classi intermedie, tra 40 e 60 MPa. Quelle polimeriche operano con percentuali minori e risultano determinanti sul fronte della fessurazione, che in svariati casi scompare completamente.

La sintesi della campagna è chiara: resistenza della miscela, severità dell’ambiente di esposizione, tipo di fibra e dosaggio concorrono congiuntamente a determinare ritiro e resistenza alla fessurazione, e nessuno di questi parametri, preso isolatamente, descrive il comportamento del materiale. Con la copertura delle resistenze da 23 a 84 MPa e di tre climi distinti, il quadro sperimentale offre ai tecnici un riferimento numerico puntuale sui benefici attesi dalle fibre in funzione della classe di resistenza e delle condizioni di essiccamento previste in opera.

Fluage e fessurazione governano la risposta flessionale di lungo periodo delle travi in cemento armato sotto carico sostenuto; in condizioni di servizio pesano anche l’irrigidimento da trazione (tension stiffening) e la variazione della curvatura. Su questo terreno interviene lo studio di Bassel Bakleh, George Wardeh, Hala Hasan, Ali Jahami e Antonio Formisano, pubblicato su CivilEng, che accosta analisi numeriche e prove sperimentali per seguire il comportamento flessionale delle travi in cemento armato fessurate.

Il nucleo del lavoro è un framework monodimensionale agli elementi finiti, di tipo fisicamente fondato, pensato per la risposta di lungo periodo. La portata della validazione si misura su un ampio database di travi: l’84,5% delle frecce calcolate ricade entro ±1 mm dai valori misurati, con un ( R^2 ) pari a 0,960.

Fibre stratificate, danno e fluage: l’architettura del modello monodimensionale

La trave viene descritta con un elemento finito monodimensionale e la sezione segue un approccio a fibre stratificate. L’impianto integra il comportamento non lineare dei materiali, la meccanica del danno e gli effetti dipendenti dal tempo, con il fluage preso in considerazione tanto in compressione quanto in trazione.

L’equilibrio viene risolto con un procedimento iterativo di Newton-Raphson. In uscita il calcolo restituisce con accuratezza deformazioni, curvatura e l’evoluzione nel tempo delle forze interne.

Verifica sperimentale e confronto con ABAQUS

Prima del test statistico su larga scala, il modello affronta il confronto diretto con l’osservazione sperimentale e con le simulazioni condotte in ABAQUS. L’accordo risulta ottimo: il calcolo segue le tendenze della freccia e lo sviluppo delle fessure rilevati nelle prove e nelle analisi numeriche di riferimento.

Il database delle 55 travi: i numeri della validazione

La verifica viene poi estesa a un insieme di dati più ampio, costituito da 55 travi in cemento armato. Il banco di prova non si limita al materiale convenzionale: tra i campioni compaiono elementi realizzati con aggregati riciclati e con rinforzo in fibre.

Due indicatori sintetizzano l’esito della campagna di validazione.

La quota di previsioni che resta nell’ordine del millimetro di scostamento, unita al coefficiente di determinazione, descrive una stima coerente con le misurazioni sull’intero insieme di dati.

Analisi di sensibilità con il metodo di Sobol

L’analisi di sensibilità, impostata con gli indici di Sobol, ordina i parametri che pesano sulla freccia di lungo periodo. In cima alla classifica si colloca il rapporto di carico; dietro arrivano la resistenza del calcestruzzo e l’umidità.

La gerarchia che ne risulta antepone il livello del carico applicato alle caratteristiche del materiale e alle condizioni ambientali. Un ordine di priorità che indirizza l’attenzione quando occorre stimare la deformazione differita di una trave fessurata.

Tra regole semplificate e simulazioni tridimensionali

Il posizionamento del metodo è quello di uno strumento efficiente e robusto per la previsione delle frecce differite, capace di congiungere le regole di calcolo semplificate e le simulazioni tridimensionali complesse. Un passaggio intermedio, insomma, tra le formule di progetto e l’analisi integrale in 3D.

Lo studio, dal titolo A Physically Based 1D Finite Element Framework for Long-Term Flexural Response of Reinforced Concrete Beams, è disponibile su CivilEng con il doi 10.3390/civileng7010015.

Le proprietà meccaniche del calcestruzzo stampato in 3D dipendono non solo dalla miscela, ma anche da come il getto indurisce. Su Construction Materials (Vol. 6, pag. 33, doi: 10.3390/constrmater6030033) Eric J. Faierson, Benjamin D. Nelson ed Elizabeth S. Poblete hanno confrontato tre metodi di cura, evidenziando un aspetto che chi lavora sull’Additive Construction conosce bene: la fessurazione da indurimento è il vero punto critico, più che la resistenza a compressione.

Il programma sperimentale

Lo studio ha coinvolto due miscele concrete per stampa tridimensionale, caratterizzate dalla presenza o assenza di fibre di vetro alcaline_resistenti (AR glass fibers). Per la verifica delle prestazioni sono stati stampati travetti destinati alla prova di flessione, mentre da altre deposizioni sono stati estratti carote per determinare la resistenza a compressione e quella a trazione indiretta (split tensile). Le condizioni di indurimento confrontate erano tre: cura all’aria, cura con copertura in plastica e cura mediante spruzzatura d’acqua.

Dopo il ciclo di cura, i travetti sono stati analizzati anche sotto il profilo della fessurazione, con una verifica della dimensione e della posizione delle creste per ciascuna combinazione di miscela e metodo di cura.

Modulo di flessione: risultati differenziati

Sui travetti privi di fibre la copertura in plastica ha prodotto i valori più alti di modulo di flessione, mentre la cura all’aria si è confermata la condizione meno favorevole. Con le fibre AR il quadro resta simile: i travetti curati sotto plastica presentano moduli di flessione superiori a quelli curati all’aria. Fa eccezione la cura a spruzzo, che ha dato risultati anomali su una delle serie: un valore di modulo risulta superiore a quelli ottenuti con la cura in plastica, l’altro inferiore a quelli della cura all’aria. Un dato che invita a prudenza nell’uso di questa tecnica di indurimento in assenza di ulteriori approfondimenti.

Resistenze a compressione e trazione indiretta

Le prestazioni a 28 giorni si sono rivelate relativamente stabili. Le resistenze a compressione ricadono in un intervallo ristretto, tra circa 19,3 e 22,1 MPa (2800 e 3200 psi), mentre quelle a trazione indiretta oscillano tra circa 1,7 e 2,0 MPa (240 e 290 psi). Va segnalato che alcune prove hanno mostrato una dispersione rilevante dei dati.

Conseguenza pratica: né la presenza delle fibre AR né il tipo di cura hanno esercitato un’influenza apprezzabile su compressione e trazione indiretta. In termini di dimensionamento, la scelta della strategia di indurimento non sembra quindi pilotare queste due grandezze.

Il controllo della fessurazione da cura

Dove l’effetto si fa marcato è sulla fessurazione. L’aggiunta di fibre AR e l’uso della copertura plastica durante l’indurimento riducono significativamente numero, larghezza e profondità delle creste derivanti dal processo di cura. La cura sotto plastica si è dimostrata la più efficace: le creste formate in questa condizione risultano estremamente fini, con effetti nulli o trascurabili sulle proprietà meccaniche.

Per chi opera nella stampa tridimensionale di calcestruzzo, il messaggio operativo è chiaro: la gestione dell’indurimento va progettata con attenzione, perché determina la qualità superficiale e l’integrità fessurativa degli elementi depositati, mentre le resistenze di base restano governate dalla miscela.

Tredici solette a lastra piatta in calcestruzzo ECC, rinforzate con polvere di forno cementiero e granuli di gomma riciclata, sono state provate a rottura per caratterizzare il comportamento a punzonamento. Il programma sperimentale, pubblicato su Infrastructures (Vol. 11, pag. 304, doi: 10.3390/infrastructures11090304), è stato condotto da Rabie A. M. Amnisi, Mohamed E. El-Zoughiby, Basem S. Abdelwahed e Osama Youssf.

Programma sperimentale: geometrie e variabili di studio

Tutte le solette avevano dimensioni identiche, 1100 × 1100 × 100 mm, con al centro una colonna quadrata di sezione 160 × 160 mm. Le variabili indagate sono state tre: la sostituzione del 50% della gomma, senza trattamento previo oppure dopo trattamento; il rapporto di armatura flessionale, considerato sia nella zona tesa inferiore sia in quella compressa superiore; la resistenza cubica del calcestruzzo ECC, con valori di fcu pari a 50, 65 e 70 MPa.

I quantitativi di armatura flessionale adottati nelle zone tesa e compressa erano dell’1,0%, 1,2% e 1,6%. Per ogni provino sono stati registrati il primo carico di fessurazione, il carico ultimo, lo schema di fessurazione, la risposta carico-spostamento, la rigidezza e le deformazioni delle barre.

Il peso dell’armatura tesa supera quello della resistenza del calcestruzzo

Dal confronto tra i risultati emerge un messaggio chiaro per chi verifica a punzonamento: l’aumento del rapporto di armatura tesa si è tradotto in un incremento della capacità a punzonamento fino al 33%, mentre l’aumento della resistenza cubica ha contribuito solo per circa il 14,2%. Anche in termini di rigidezza, l’armatura di trazione si è rivelata determinante, con effetti più marcati nelle solette ECC contenenti gomma non trattata. L’armatura tesa, inoltre, ha influenzato il comportamento a punzonamento in misura maggiore rispetto a quella compressa.

Gomma trattata contro gomma non trattata

La distinzione tra gomma trattata e non trattata ha prodotto differenze apprezzabili nel comportamento in servizio. Le solette con gomma trattata hanno mostrato una rigidezza iniziale maggiore e spostamenti ridotti a parità di carico, accompagnati però da una degradazione più rapida della rigidezza dopo la fessurazione rispetto alle solette con gomma non trattata. L’incremento dell’armatura di trazione ha migliorato sia la rigidezza iniziale sia quella post-fessurazione, riducendo gli spostamenti.

Confronto con ECP 203-2020, ACI 318-25 ed Eurocodice 2

Le capacità sperimentali sono state confrontate con le previsioni di tre codici di progetto: ECP 203-2020, ACI 318-25 ed Eurocodice 2. Tutti e tre restituiscono stime della capacità di taglio resultanti conservative. La migliore aderenza ai risultati sperimentali è stata ottenuta con l’Eurocodice 2, che tiene conto dell’effetto dell’armatura di trazione.

Per il progettista, il dato più rilevante resta la conferma sperimentale del ruolo dell’armatura flessionale di trazione nella riserva di capacità a punzonamento: un effetto che i codici, pur cogliendolo parzialmente, tendono a valutare in modo prudenziale.