tecnologie: materiali

Indice degli argomenti: In questa sezione andremo ad elencare i principali materiali di cui le fibre per l'edilizia sono costituite, con una breve spiegazione di quali ripercussioni applicative e funzionali un materiale può avere nell'utilizzo finale. Di seguito si pubblichiamo una tabella* sintetica comparativa tra i vari materiali utilizzati per confezionare fibre per calcestruzzo. Vogliamo ricordare che, sebbene le caratteristiche della singola fibra siano importanti, le prestazioni delle fibre per calcestruzzo non vanno misurate mentre sono nel sacchetto, ma nel calcestruzzo posato in opera.

Fibre d'acciaio

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Le applicazioni dell'acciaio in combinazione col calcestruzzo non hanno certo bisogno di presentazioni, dati gli oltre 150 anni di storia del calcestruzzo armato e le infinite pubblicazioni scientifiche su di esse. Inoltre, come già accennato in precedenza, l'acciaio è stato per parecchi anni il materiale per fibre strutturali di gran lunga più conosciuto ed utilizzato. La sua applicazione in forma di fibre, nei composti cementizi, è una naturale derivazione delle classiche armature in acciaio; questo spiega il motivo della relativa facilità e rapidità di diffusione di cui questo materiale ha beneficiato nell'ambito delle fibre strutturali per costruzioni. Grazie alla sua alta resistenza strutturale ai carichi statici e dinamici, le fibre d'acciaio sono da molto tempo impiegate in quei manufatti che devono garantire prestazioni strutturali.

La valenza meccanica delle fibre d'acciaio nei calcestruzzi fibrorinforzati è innegabile e dimostrata da decenni di utilizzi e di successi, non verrà certo messa in discussione in questa sede. Ad onor del vero, però, sono da segnalare alcuni difetti o inconvenienti. Uno di questi, forse il più importante, è il fenomeno della corrosione/ossidazione. Questo fenomeno nel caso delle fibre è più localizzato e circoscritto. Per capirne il motivo si pensi che nelle armature vere e proprie realizzate con barre (o "tondini") d'acciaio, il fenomeno della corrosione, anche se locale, può avere ricadute sull'intera struttura. Se lungo una barra d'acciaio, la quale deve sostenere carichi di trazione lungo tutta la propria lunghezza, avviene un'aggressione chimica localizzata che ne peggiora le proprietà meccaniche, tutta la barra ne risentirà. E' come se una catena avesse un anello debole... tutta la catena, nel suo insieme, ne risulterà indebolita. Ecco che invece, nel caso delle fibre, la corrosione di una fibra non andrà ad indebolire il reticolo 3D di fibre nel suo complesso; in compenso avrà effetti più vistosi dal punto di vista estetico ed in generale, per le fibre, i fenomeni di corrosione saranno più frequenti, data la non controllabilità della posizione delle fibre nella matrice cementizia (quelle più esterne saranno più facilmente aggredibili).

Altro inconveniente delle fibre in acciaio è la loro difficoltà di miscelazione e pompaggio. Per caricarle in autobetoniera per esempio sono necessarie attrezzature apposite, i cosiddetti sbrogliatori. Sono piuttosto abrasive nei confronti delle attrezzature ed inoltre, in virtù del loro elevato peso specifico (circa 8000 kg/mc contro i 2200-2500 del calcestruzzo) hanno la naturale tendenza a depositarsi o segregare.

Infine, la loro presenza crea disturbi elettromagnetici che posso causare interferenze ad apparecchiature radio: è questo il caso per esempio dei radio-fari degli aeroporti, dei magazzini con carrelli automatici a guida elettromagnetica, o ancora dei trafori in cui si vogliano installare ripetitori telefonici.

Fibre sintetiche

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Le fibre sintetiche sono normalmente composte da materiali polimerici. Nel corso degli anni, sin dalla loro invenzione nel 1976 (a cura dell'ing. Rudolf Enzler), sono state proposte una enorme varietà di fibre sintetiche, di tutte le forme, dimensioni o materiali. Polipropilene, polietilene, poliestere, poliacrinitrile, kevlar, nylon, solo per citarne alcuni. Dopo alcuni decenni di sperimentazioni ed evoluzioni, il mercato sembra si sia "condensato" attorno al polipropilene o ad apposite miscele di materiali poliolefinici. Queste rappresentano infatti la grande maggioranza dell'attuale offerta di fibre sintetiche per calcestruzzi presente sul mercato, con poche eccezioni che utilizzano altre catene polimeriche. Tra queste "eccezioni" vi sono le fibre in kevlar, le fibre in poliestere o ancora le fibre in poliacrilonitrile.

Le fibre in kevlar sono chiaramente le più performanti, in virtù delle eccezionali proprietà meccaniche del materiale (con il kevlar, lo ricordiamo, si costruiscono i giubbetti antiproiettile!). Ma sono anche molto costose e di difficile applicazione, quindi destinate ad utilizzi limitati e molto particolari. Le fibre in poliestere, invece, sono delle possibili alternative commerciali alle fibre polipropileniche. Le differenze tra le due tecnologie è che mediamente il poliestere ha una resistenza a trazione leggermente inferiore* al polipropilene "orientato". Il poliestere ha un modulo elastico molto superiore* (circa il triplo) del polipropilene, dunque le fibre in poliestere sono tendenzalmente più rigide, anche se di norma risultano più fragili delle polipropileniche. Infine, da notare, il poliestere è un materiale chimicamente più inerte dei poliolefinici, anche se è da considerare che in un confronto tra due diversi calcestruzzi fibrorinforzati, raggiunto il livello di aggressione chimica al quale il poliestere può esprimere la propria superiore inerzia sul polipropilene, entrambi i calcestruzzi saranno ormai dissolti da tempo.

*(Rif. "Enciclopedia degli Idrocarburi", Eni S.p.A. e Istituto della Enciclopedia Italiana Fondata da Giovanni Treccani S.p.A., ed. 2005, cap. 12.2)

Anche le fibre acriliche (solitamente in poliacrilonitrile) sono un'alternativa alle fibre polipropileniche degna di interesse. Il poliacrilonitrile, sotto il profilo della resistenza tensile della fibra o della sua resistenza agli attacchi chimici, potrebbe non soffrire il confronto con il polipropilene, tuttavia le fibre poliacrilonitriliche presentano un modesto "potere bagnante" e questo crea qualche problema in fase di miscelazione (unitamente al fatto che generalmente sono molto sottili). Per risolvere il problema, in alcuni casi vengono cosparse con un appretto, il quale a contatto con l'acqua presente nella miscela può dare origine a macro-bolle d'aria nel calcestruzzo indurito, riducendone il peso specifico e causando una sensibile diminuzione della resistenza.

Alcune fibre sintetiche, contrariamente a quanto il senso comune potrebbe suggerire, sono anche ottime per migliorare la resistenza al fuoco ed al calore dei manufatti in calcestruzzo. Le fibre metalliche, infatti, in presenza di un incendio, conducono con rapidità il forte calore verso l'interno della struttura, facendo si che il fuoco la possa danneggiare con più facilità. Al contrario, le fibre polipropileniche o poliolefiniche in presenza di "medie" temperature si dissolvono, compiendo una doppia azione benefica: assorbono calore nel processo di evaporazione e impediscono al calore di penetrare con rapidità in tutto lo spessore del manufatto.Il sistema LYFOR di Brugg Contec, un sistema di prefabbricati per gallerie e trafori che soddisfa i più severi standard di resistenza al fuoco per strutture in calcestruzzo, adotta infatti fibre High Grade.

Il motivo per cui le fibre polipropileniche, o più in generale, poliolefiniche sono così largamente impiegate nei manufatti cementizi è che, banalmente, esse svolgono ottimamente la loro funzione con costi relativamente limitati, sia diretti che indiretti, e con pochissime controindicazioni. Inoltre, grazie a moderni sistemi di produzione di questi composti, è possibile spingere la resistenza e la rigidità di questi materiali polimerici ben oltre il loro limite normale.

Tra le fibre ausiliarie antifessurative il polipropilene è in assoluto il materiale che la fa da padrone. E' un materiale adatto alla produzione di filamenti sottili, flessibili ma allo stesso tempo resistenti. E' di facile lavorazione, è leggero ed è chimicamente inerte. Fino a qualche anno fa il polipropilene è stato inadatto ad applicazioni strutturali, nelle quali cioè le caratteristiche meccaniche delle fibre devono essere tali da poter addirittura tenere testa alle più conosciute fibre d'acciaio. Oggi però si stanno affacciando sul mercato nuovi materiali sintetici innovativi (o rielaborazioni migliorate di materiali già in uso), in grado di sopperire ai limiti in essere fino ad oggi. Queste nuove fibre, arrivate sul mercato solo di recente, si stanno imponendo prepotentemente come valide e interessanti sostitute dell'acciaio.

Per quanto detto finora, le fibre sintetiche sono le indiscusse regine delle fibre "anti-ritiro", inoltre da qualche tempo si propongono quali eccellenti sostitute/concorrenti delle stesse fibre in acciaio per applicazioni strutturali. Tra i molti vantaggi che le fibre polimeriche possono vantare, in confronto alle più diffuse fibre in acciaio, vi sono:

Fibre naturali (vegetali)

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Le fibre naturali sono una rielaborazione in chiave bioedile delle altre tipologie (più comuni) di fibre. Possono anche essere considerate una rivisitazione delle fibre usate nell'antichità, ottenute prettamente da materiali comuni adattati all'utilizzo nei conglomerati cementizi e nelle malte. Quelle odierne sono chiaramente ottenute attraverso un processo produttivo industriale, ma a partire da materie prime vegetali e rigorosamente senza l'utilizzo di additivi o solventi chimici.

Data le loro peculiarità, queste fibre sono destinate ad un mercato di nicchia, per committenti e costruttori molto sensibili alla valenza bioedile della costruzione. Tra le fibre naturali più utilizzate e più diffuse in questa nicchia si possono annoverare quelle di agave. L'agave, infatti, oltre ad essere conosciuta per la produzione di famose bevande messicane quali la Tequila o il Mezcal, è anche una pianta da cui si estraggono delle fibre vegetali molto resistenti. Queste fibre sono usate ad esempio per produrre le amache oppure, come appunto nel nostro caso, le fibre per malte, sottofondi e intonaci.

Fibre di carbonio

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Appartengono alla categoria delle fibre di rinforzo con modulo elastico maggiore, rispetto al calcestruzzo indurito. Vengono anche identificate con il termine FRP (Fiber Reinforced Polymers). Sono il risultato di un trattamento di pirolisi termica del poliacrilonitrile, un polimero di acrilonitrile utilizzato anche nella produzione di materie plastiche. Il trattamento di pirolisi, che avviene ad altissima temperatura, modifica chimicamente e strutturalmente il materiale originario. Le lunghe catene molecolari di carbonio vengono orientate lungo l’asse della fibra dando luogo ad un materiale risultante con eccezionali caratteristiche di “rigidezza”.

L’aspetto caratteristico delle fibre di carbonio, costituite da sottili filamenti di carbonio elementare, può variare notevolmente, così come ne possono variare le caratteristiche, nell’intervallo delimitato dal carbonio amorfo, da un lato, alla grafite cristallina dall’altro. Le fibre di carbonio hanno trovato interessanti impieghi sin dagli anni '50, nel settore aerospaziale ed aeronautico, così come in ambito tessile e manifatturiero in genere, ivi compreso, con proiezioni estremamente interessanti, il settore delle costruzioni.

Le fibre di carbonio possiedono proprietà chimiche e fisiche estremamente variabili: il modulo di elasticità varia da circa 350 kg/cm2, che si colloca a metà di quello delle fibre di vetro o dell’alluminio, fino a 7000 kg/cm2, ovvero maggiore di ben tre volte rispetto a quello dell’acciaio. Oltre ad avere caratteristiche meccaniche e prestazioni molto elevate, le fibre di carbonio possiedono elevate resistenze chimiche ed alla corrosione, significative resistenze allo strappo anche su supporti non omogenei e su superfici non planari, con prestazioni molto efficienti anche ove applicate in spessori di pochi millimetri.

Nel settore delle costruzioni civili le fibre di carbonio possono essere utilizzate come “armatura” di materiali tradizionali quali calcestruzzo, muratura e legno e, soprattutto, in termini di compositi (integrati con resine epossidiche) nei quali le fibre di carbonio costituiscono la “matrice”, come rinforzo di elementi strutturali esistenti di varie tipologie e composizioni. Applicazioni nel campo dei materiali compositi con fibre di carbonio per il settore edile sono eseguite con successo dalla società S.e.i.co. S.r.l. di Forlì, partner commerciale di Azichem S.r.l.., attraverso la linea specifica di prodotti Carbon Compositi.

Fibre di vetro

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Anche in questo caso si tratta di fibre appartenenti alla categoria delle fibre di rinforzo con modulo elastico maggiore rispetto al calcestruzzo indurito, le fibre di vetro sono fra i primi materiali tecnologici impiegati nella produzione di compositi che, nella dizione classica, sono materiali nei quali diversi componenti, integrati fra loro, danno origine ad un materiale di caratteristiche meccaniche superiori. Nel contesto descritto, la “vetroresina” così come il calcestruzzo fibrorinforzato GRC (Glass Reinforced Concrete), le strutture ed i manufatti “vetro compositi” nell’industria aeronautica ed automobilistica sono certamente esempi significativi. In particolare per quanto riguarda il calcestruzzo addittivato con fibre di vetro, sembra sia stato concepito per la prima volta in Russia negli anni '40.

Sotto il profilo morfologico le fibre di vetro sono costituite da filamenti sottili suddivisi tra fibre lunghe e corte in funzione delle applicazioni. Le prime si ottengono con una tiratura mediante tamburo, le seconde con una filatura per forza centrifuga. Come per il vetro ordinario la base chimica di queste fibre è rappresentata dal silicio in differenti formulazioni, basate sul principio che il processo di filatura, con diametri inferiori al decimo di millimetro, modifica sostanzialmente la fragilità tipica del vetro stesso, dovuta soprattutto alle numerose microfratture che intervengono nella cristallizzazione ordinaria, sino ad ottenere caratteristiche di resistenza meccanica e resilienza prossime alla resistenza teorica del legame covalente (cioè proprie del legame chimico della materia).

Nelle applicazioni in ambiente alcalino, come le miscele a legante idraulico e cementizio, le fibre di vetro presentano il grave limite della reattività agli alcali e della possibile perniciosa reazione, nota nella tecnologia del calcestruzzo come “reazione alcali aggregati” (norma UNI 8520 Parte 2a), che comporta effetti distruttivi anche strutturali. Per ovviare all’inconveniente descritto sono state formulate fibre di vetro ad elevato contenuto di zirconio. Preliminarmente all’impiego delle fibre di vetro nei conglomerati cementizi è sempre indispensabile verificare che le fibre stesse siano certificate come “Alkali Resistant Glass”.

Fibre minerali

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Appartenenti alla categoria delle fibre di rinforzo con modulo elastico maggiore, rispetto al calcestruzzo indurito, rappresentate dalle fibre a base di calcio metasilicato (wollastoniti) e dalle fibre di basalto, presentano caratteristiche fisico-meccaniche del tutto comparabili a quelle dei materiali corrispondenti normalmente utilizzati nell’edilizia. Sono largamente impiegate in Russia e Cina mentre in Europa sono oggetto di verifica e sperimentazione.

Le fibre di calcio metasilicato, in particolare, caratterizzate da un elevato rapporto quantitativo a parità di peso (per la loro dimensione possono essere considerate “microfibre”), presentano interessanti aspetti di utilizzo quali fibre di integrazione, in ausilio ad altri tipi di fibra nella miscela.

A titolo di esempio, in alcune malte ed alcuni intonaci Azichem e Sanageb, l’apporto delle fibre è il risultato di una vera e propria ricerca granulometrica volta a conseguire ulteriori miglioramenti prestazionali in funzione della presenza e della distribuzione quantitativa, derivante da un oculato equilibrio fra fibre di diversa natura.