Calcestruzzo rinforzato con fibre

Il concetto di usare le fibre come rinforzo non è nuovo. Le fibre sono state usate come rinforzo fin dai tempi antichi. Storicamente, il crine di cavallo era usato nella malta e la paglia nei mattoni di fango. Nel 1900, le fibre di amianto sono state usate nel calcestruzzo. Negli anni ’50, il concetto di materiali compositi è nato e il calcestruzzo rinforzato con fibre è stato uno degli argomenti di interesse. Una volta scoperti i rischi per la salute associati all’amianto, ci fu la necessità di trovare un sostituto per la sostanza nel calcestruzzo e in altri materiali da costruzione. Negli anni ’60, le fibre d’acciaio, di vetro (GFRC) e sintetiche (come il polipropilene) erano utilizzate nel calcestruzzo. La ricerca di nuovi calcestruzzi rinforzati con fibre continua ancora oggi.

Le fibre sono solitamente usate nel calcestruzzo per controllare le crepe dovute al ritiro plastico e al ritiro da essiccazione. Riducono anche la permeabilità del calcestruzzo e quindi riducono il sanguinamento dell’acqua. Alcuni tipi di fibre producono una maggiore resistenza all’impatto, all’abrasione e alla frantumazione nel calcestruzzo. Le fibre più grandi in acciaio o sintetiche possono sostituire completamente l’armatura o l’acciaio in certe situazioni. Il calcestruzzo rinforzato con fibre ha quasi completamente sostituito la barra nell’industria delle costruzioni sotterranee, come i segmenti delle gallerie, dove quasi tutti i rivestimenti delle gallerie sono rinforzati con fibre invece di usare l’armatura. Infatti, alcune fibre riducono effettivamente la resistenza alla compressione del calcestruzzo.

La quantità di fibre aggiunte a un mix di calcestruzzo è espressa come percentuale del volume totale del composito (calcestruzzo e fibre), definito “frazione di volume” (Vf). Vf varia tipicamente da 0,1 a 3%. Il rapporto d’aspetto (l/d) è calcolato dividendo la lunghezza della fibra (l) per il suo diametro (d). Le fibre con una sezione trasversale non circolare usano un diametro equivalente per il calcolo dell’aspect ratio. Se il modulo di elasticità delle fibre è superiore a quello della matrice (cemento o legante della malta), esse aiutano a portare il carico aumentando la resistenza a trazione del materiale. L’aumento del rapporto d’aspetto della fibra di solito segmenta la resistenza alla flessione e la tenacità della matrice. Una lunghezza maggiore si traduce in una migliore matrice all’interno del calcestruzzo e un diametro più fine aumenta il numero di fibre. Per garantire che ogni filo di fibra sia efficace, si raccomanda di usare fibre più lunghe della dimensione massima dell’aggregato. Il calcestruzzo normale contiene 19 mm di aggregato di diametro equivalente che è il 35-45% del calcestruzzo, le fibre più lunghe di 20 mm sono più efficaci. Tuttavia, le fibre troppo lunghe e non adeguatamente trattate al momento della lavorazione tendono a “impallinare” nell’impasto e a creare problemi di lavorabilità.

Le fibre vengono aggiunte per la durata a lungo termine del calcestruzzo. Il vetro e il poliestere si decompongono nelle condizioni alcaline del calcestruzzo e in vari additivi e nel trattamento superficiale del calcestruzzo.

I rivestimenti dei tunnel dell’Alta Velocità 1 hanno incorporato calcestruzzo contenente 1 kg/m3 o più di fibre di polipropilene, di diametro 18 & 32 μm, dando i benefici indicati di seguito. L’aggiunta di fibre di polipropilene di diametro fine, non solo fornisce il rinforzo nel rivestimento del tunnel, ma impedisce anche “spalling” e danni di rivestimento in caso di incendio a causa di incidente.