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Indice degli argomenti:
La cosiddetta "resistenza allo sfilamento" dipende da quanto la pasta cementizia riesce a far presa sulla fibra, e quanta forza deve essere esercitata per sfilare la singola fibra dalla sua sede, senza danneggiarla, una volta indurito il calcestruzzo. E' una caratteristica molto importante delle fibre. Nel caso di una fibra che attraversa una crepa, un carico di trazione tenderebbe ad allontanare le due facce interne della fessura. La fibra, se ben salda alla matrice cementizia, contrasta questa tendenza e protegge l'integrità del manufatto. Se invece la fibra non resiste allo sfilamento, per quanto robusta e performante possa essere la fibra, la sua efficacia è nulla.
In commercio vi sono diverse filosofie e diversi approcci al grande problema di come tenere la fibra ben salda al calcestruzzo. I metodi si suddividono sostanzialmente in due tipi: "appigli" macroscopici oppure micro-rugosità superficiali, o anche una combinazione delle due cose. Alla prima famiglia appartengono tutte quelle fibre che sono conformate in modo da avere delle curvature o degli spigoli particolari; questi creano un appiglio per migliorare l'aderenza con la pasta cementizia in cui la fibra è immersa. Alla seconda, invece, appartengo alcuni accorgimenti in fase di produzione del filamento che conferiscono una rugosità microscopica alla superficie del filamento, la quale interagisce con la pasta cementizia migliorando notevolmente l'aderenza fibra-matrice. In effetti questa strategia è proprio quella adottata da molti decenni anche nel caso dei classici tondini d'acciaio per calcestruzzi armati: essi hanno in effetti una forma lineare con piccole sporgenze diffuse lungo tutta la lunghezza. A ben guardare, e fatte le debite proporzioni, esse non sono che micro-rugosità superficiali su profili lineari!
Per le fibre d'acciaio, le opzioni percorribili si restringono poichè tendenzialmente non si riesce (con metodi apprezzabilmente economici) a conferire una micro-rugosità tale da garantire l'aderenza voluta. Le fibre sono generalmete poco aderenti alla matrice ed in questo caso, dunque, il ricorso ad appigli articiali è in un certo senso d'obbligo.
Discorso differente è il caso delle fibre sintetiche, dove invece è possibile ottenere delle ottime rugosità superficiali in modo efficiente e non troppo costoso. In questo caso, inoltre, si avrebbe una aderenza equamente distribuita lungo tutta la lunghezza della fibra, con due vantaggi: oltre a quello di non concentrare lo sforzo di coesione tutto in un unico punto del filamento, anche il fatto di permettere alla fibra di lavorare in condizioni quasi ottimali dovunque la fessura dovesse presentarsi.
La forma della singola fibra è comunemente legata ad esigenze contrastanti: da un lato si tende a ad avere un profilo che possa garantire un'ottima aderenza fibra-matrice, dall'altro si deve scongiurare il problema dell'impaccamento, o "appallotolamento", delle fibre durante la fase di miscelazione (la formazione di aggregazioni incontrollate di fibre è infatti più probabile nel caso di fibre con profili non lineari). Le due esigenze possono essere ricongiunte utilizzando profili il più possibile lineari e ricorrendo ad una rugosità superficiale appositamente studiata allo scopo. I profili di fibre più comuni in commercio sono riassunti nel disegno accanto.
Nella famiglia delle fibre per calcestruzzo a forma lineare, destano un particolare interesse le fibre "fibrillate". La fibrillatura è un processo produttivo che consente di ottenere una forma finale che inizialmente è una sorta di "retina". Durante la fase di miscelazione delle fibre al composto, questa retina si sfalda gradualmente, grazie all'azione degli inerti in movimento all'interno dell'impasto, rilasciando le singole fibre lineari di cui è composta (miscelazione in due stadi). Le fibre fibrillate sono quindi tali prima della posa in opera, dopodichè rientrano a tutti gli effetti nella categoria delle fibre lineari.
Oltre alla grande varietà di materiali di cui le fibre per calcestruzzo possono essere costituite, vi sono molti altri parametri che possono caratterizzare una fibra e distinguerla dalle altre. Per classificare un tipo di fibra, una delle caratteristiche più importanti da descrivre è, molto banalmente, la lunghezza.
La lunghezza della fibra dovrebbe essere proprzionata alle dimensioni o gli spessori propri del manufatto risultante (un'intonachino di qualche millimetro di spessore ovviamente non potrà contenere fibre di 3 cm di lunghezza!), e alle dimensioni massime dell'inerte impiegato nel confezionamento del calcestruzzo. Altri fattori, oltre a questi, possono concorrere alla determinazione della lunghezza ottimale, quali per esempio esigenze estetiche, caratteristiche di lavorabilità ed esigenze applicative.
Non solo, vi sono due fattori ulteriori, intrinseci al connubio fibra-matrice e meno dipendenti dalle caratteristiche dell'opera finita, che concorrono alla determinazione della lunghezza ottimale: l'efficacia di resistenza allo sfilamento, e la distribuzione statistica all'interno del volume della matrice. Il primo farebbe propendere per una fibra lunga, mentre il secondo per una corta (a parità di peso, tante fibre corte si disperdono meglio e creano un reticolo 3D più "continuo" rispetto a poche fibre lunghe).
Per riassumere, l'equilibrio tra queste due esigenze antitetiche (resistenza allo sfilamento e distribuzione in reticolo), nel contesto delle specifiche esigenze applicative/funzionali e delle caratteristiche intrinseche del manufatto finale, permettono di selezionare la corretta lunghezza della fibra.
Oltre alla sua lunghezza, la fibra si caratterizza dimensionalmente anche per il suo diametro. Nel caso di fibre che abbiano una sezione non circolare, si tende ad utilizzare un “diametro equivalente”, calcolato in genere come il diametro di un cerchio avente pari superficie della effettiva sezione della fibra.
In base al diametro della singola fibra, è possibile introdurre una ulteriore classificazione delle fibre per l’edilizia: le micro-fibre e le macro-fibre. Le prime sono quelle aventi diametro inferiore a 0,3 millimetri, mentre le macro-fibre hanno diametri uguali o superiori a 0,3 millimetri.
Si definisce infine il rapporto dimensionale come il rapporto tra la lunghezza e il diametro (o diametro equivalente). Esso è un'indicazione di quanto la fibra è "sottile" in rapporto alla sua lunghezza.
Un'altra caratteristica a volte usata per definire una fibra è il suo "modulo di elasticità". E' un concetto piuttosto tecnico e per addetti al settore, qui di seguito cercheremo di darne una spiegazione sintetica e di facile comprensione.
Prima di dare una rigorosa definizione del modulo di elasticità, è necessario chiarire alcuni concetti che stanno alla base di esso: tra questi, uno molto importante è la definizione della tensione strutturale. Nel caso delle fibre per calcestruzzo, quindi nell'ipotesi di un corpo unidimensionale, la tensione è definita come il rapporto tra la forza applicata (solitamente misurata in Newton) e la superficie della sezione della fibra stessa. La tensione è quindi una misura dello "stress" cui è sottoposto ogni singolo millimetro quadrato di sezione del materiale.
Un altro importante concetto è la differenza tra deformazioni elastiche e deformazioni plastiche. Nella definizione del modulo di elasticità ci si riferisce sempre ad un corpo il quale sta subendo, a causa di alcune tensioni applicate, delle deformazioni che sono perfettamente reversibili quando le tensioni vengono rimosse. Un corpo dunque si sta deformando elasticamente se riesce a tornare alla forma originaria quando non è più sotto sforzo. Un'altra condizione che deve sussistere nella classica definizione del modulo elastico è che la deformazione obbedisca alla "Legge di Hooke": ovvero che vi sia una perfetta proporzionalità diretta tra la forza applicata e la deformazione ottenuta.
Definito il concetto di deformazione elastica, vediamo come si calcola quantitativamente la deformazione. Sempre nell'ipotesi di un corpo filiforme, la deformazione è descritta dal rapporto tra l'allungamento e la lunghezza iniziale del corpo; in altre parole è una sorta di allungamento percentuale, calcolato per unità di lunghezza.
Ora abbiamo tutti gli elementi per definire il modulo di elasticità, il quale altro non è che il rapporto tra la tensione applicata e la deformazione (elastica) ottenuta. Tanto più il modulo di elasticità di una fibra è alto, tanta più forza deve essere applicata, a parità di sezione e lunghezza iniziale, per ottenere il medesimo allungamento. Per un corpo (teorico) perfettamente rigido e indeformabile, il valore del modulo di elasticità è infinito.
Per la normativa italiana, in assenza di misure dirette, il modulo elastico del calcestruzzo può essere approssimativamente calcolato con l’equazione:
Le fibre d’armatura, in relazione al loro modulo di elasticità, possono essere classificate in 2 categorie:
1. Fibre con modulo elastico minore, rispetto a quello del calcestruzzo, come le acriliche, le poliacrilonitriliche, le polipropileniche, ecc.
2. Fibre con modulo elastico maggiore, rispetto a quello del calcestruzzo, come le fibre di vetro, le fibre d’acciaio, le fibre di carbonio, alcune fibre minerali, ecc.
Aderenza fibra-matrice |
La cosiddetta "resistenza allo sfilamento" dipende da quanto la pasta cementizia riesce a far presa sulla fibra, e quanta forza deve essere esercitata per sfilare la singola fibra dalla sua sede, senza danneggiarla, una volta indurito il calcestruzzo. E' una caratteristica molto importante delle fibre. Nel caso di una fibra che attraversa una crepa, un carico di trazione tenderebbe ad allontanare le due facce interne della fessura. La fibra, se ben salda alla matrice cementizia, contrasta questa tendenza e protegge l'integrità del manufatto. Se invece la fibra non resiste allo sfilamento, per quanto robusta e performante possa essere la fibra, la sua efficacia è nulla. 
In commercio vi sono diverse filosofie e diversi approcci al grande problema di come tenere la fibra ben salda al calcestruzzo. I metodi si suddividono sostanzialmente in due tipi: "appigli" macroscopici oppure micro-rugosità superficiali, o anche una combinazione delle due cose. Alla prima famiglia appartengono tutte quelle fibre che sono conformate in modo da avere delle curvature o degli spigoli particolari; questi creano un appiglio per migliorare l'aderenza con la pasta cementizia in cui la fibra è immersa. Alla seconda, invece, appartengo alcuni accorgimenti in fase di produzione del filamento che conferiscono una rugosità microscopica alla superficie del filamento, la quale interagisce con la pasta cementizia migliorando notevolmente l'aderenza fibra-matrice. In effetti questa strategia è proprio quella adottata da molti decenni anche nel caso dei classici tondini d'acciaio per calcestruzzi armati: essi hanno in effetti una forma lineare con piccole sporgenze diffuse lungo tutta la lunghezza. A ben guardare, e fatte le debite proporzioni, esse non sono che micro-rugosità superficiali su profili lineari!
Per le fibre d'acciaio, le opzioni percorribili si restringono poichè tendenzialmente non si riesce (con metodi apprezzabilmente economici) a conferire una micro-rugosità tale da garantire l'aderenza voluta. Le fibre sono generalmete poco aderenti alla matrice ed in questo caso, dunque, il ricorso ad appigli articiali è in un certo senso d'obbligo. Discorso differente è il caso delle fibre sintetiche, dove invece è possibile ottenere delle ottime rugosità superficiali in modo efficiente e non troppo costoso. In questo caso, inoltre, si avrebbe una aderenza equamente distribuita lungo tutta la lunghezza della fibra, con due vantaggi: oltre a quello di non concentrare lo sforzo di coesione tutto in un unico punto del filamento, anche il fatto di permettere alla fibra di lavorare in condizioni quasi ottimali dovunque la fessura dovesse presentarsi.
Forma e Profilo |
La forma della singola fibra è comunemente legata ad esigenze contrastanti: da un lato si tende a ad avere un profilo che possa garantire un'ottima aderenza fibra-matrice, dall'altro si deve scongiurare il problema dell'impaccamento, o "appallotolamento", delle fibre durante la fase di miscelazione (la formazione di aggregazioni incontrollate di fibre è infatti più probabile nel caso di fibre con profili non lineari). Le due esigenze possono essere ricongiunte utilizzando profili il più possibile lineari e ricorrendo ad una rugosità superficiale appositamente studiata allo scopo. I profili di fibre più comuni in commercio sono riassunti nel disegno accanto. 
Nella famiglia delle fibre per calcestruzzo a forma lineare, destano un particolare interesse le fibre "fibrillate". La fibrillatura è un processo produttivo che consente di ottenere una forma finale che inizialmente è una sorta di "retina". Durante la fase di miscelazione delle fibre al composto, questa retina si sfalda gradualmente, grazie all'azione degli inerti in movimento all'interno dell'impasto, rilasciando le singole fibre lineari di cui è composta (miscelazione in due stadi). Le fibre fibrillate sono quindi tali prima della posa in opera, dopodichè rientrano a tutti gli effetti nella categoria delle fibre lineari.Lunghezza
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La lunghezza della fibra dovrebbe essere proprzionata alle dimensioni o gli spessori propri del manufatto risultante (un'intonachino di qualche millimetro di spessore ovviamente non potrà contenere fibre di 3 cm di lunghezza!), e alle dimensioni massime dell'inerte impiegato nel confezionamento del calcestruzzo. Altri fattori, oltre a questi, possono concorrere alla determinazione della lunghezza ottimale, quali per esempio esigenze estetiche, caratteristiche di lavorabilità ed esigenze applicative.
Non solo, vi sono due fattori ulteriori, intrinseci al connubio fibra-matrice e meno dipendenti dalle caratteristiche dell'opera finita, che concorrono alla determinazione della lunghezza ottimale: l'efficacia di resistenza allo sfilamento, e la distribuzione statistica all'interno del volume della matrice. Il primo farebbe propendere per una fibra lunga, mentre il secondo per una corta (a parità di peso, tante fibre corte si disperdono meglio e creano un reticolo 3D più "continuo" rispetto a poche fibre lunghe).
Per riassumere, l'equilibrio tra queste due esigenze antitetiche (resistenza allo sfilamento e distribuzione in reticolo), nel contesto delle specifiche esigenze applicative/funzionali e delle caratteristiche intrinseche del manufatto finale, permettono di selezionare la corretta lunghezza della fibra.
Diametro e rapporto dimensionale |
In base al diametro della singola fibra, è possibile introdurre una ulteriore classificazione delle fibre per l’edilizia: le micro-fibre e le macro-fibre. Le prime sono quelle aventi diametro inferiore a 0,3 millimetri, mentre le macro-fibre hanno diametri uguali o superiori a 0,3 millimetri.
Si definisce infine il rapporto dimensionale come il rapporto tra la lunghezza e il diametro (o diametro equivalente). Esso è un'indicazione di quanto la fibra è "sottile" in rapporto alla sua lunghezza.
Modulo elastico |
Prima di dare una rigorosa definizione del modulo di elasticità, è necessario chiarire alcuni concetti che stanno alla base di esso: tra questi, uno molto importante è la definizione della tensione strutturale. Nel caso delle fibre per calcestruzzo, quindi nell'ipotesi di un corpo unidimensionale, la tensione è definita come il rapporto tra la forza applicata (solitamente misurata in Newton) e la superficie della sezione della fibra stessa. La tensione è quindi una misura dello "stress" cui è sottoposto ogni singolo millimetro quadrato di sezione del materiale.
Un altro importante concetto è la differenza tra deformazioni elastiche e deformazioni plastiche. Nella definizione del modulo di elasticità ci si riferisce sempre ad un corpo il quale sta subendo, a causa di alcune tensioni applicate, delle deformazioni che sono perfettamente reversibili quando le tensioni vengono rimosse. Un corpo dunque si sta deformando elasticamente se riesce a tornare alla forma originaria quando non è più sotto sforzo. Un'altra condizione che deve sussistere nella classica definizione del modulo elastico è che la deformazione obbedisca alla "Legge di Hooke": ovvero che vi sia una perfetta proporzionalità diretta tra la forza applicata e la deformazione ottenuta. Definito il concetto di deformazione elastica, vediamo come si calcola quantitativamente la deformazione. Sempre nell'ipotesi di un corpo filiforme, la deformazione è descritta dal rapporto tra l'allungamento e la lunghezza iniziale del corpo; in altre parole è una sorta di allungamento percentuale, calcolato per unità di lunghezza.
Ora abbiamo tutti gli elementi per definire il modulo di elasticità, il quale altro non è che il rapporto tra la tensione applicata e la deformazione (elastica) ottenuta. Tanto più il modulo di elasticità di una fibra è alto, tanta più forza deve essere applicata, a parità di sezione e lunghezza iniziale, per ottenere il medesimo allungamento. Per un corpo (teorico) perfettamente rigido e indeformabile, il valore del modulo di elasticità è infinito.
Per la normativa italiana, in assenza di misure dirette, il modulo elastico del calcestruzzo può essere approssimativamente calcolato con l’equazione:
Le fibre d’armatura, in relazione al loro modulo di elasticità, possono essere classificate in 2 categorie:
1. Fibre con modulo elastico minore, rispetto a quello del calcestruzzo, come le acriliche, le poliacrilonitriliche, le polipropileniche, ecc.
2. Fibre con modulo elastico maggiore, rispetto a quello del calcestruzzo, come le fibre di vetro, le fibre d’acciaio, le fibre di carbonio, alcune fibre minerali, ecc.