Post on 02-May-2015
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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
]