Metodo sperimentale per lo studio dello spacco esplosivo nel calcestruzzo soggetto ad incendio

Despite the good knowledge available on the mechanical behavior of High-Performance Concrete subjected to fire, thanks to recent studies, it is still necessary to investigate some specific issues such as spalling phenomenon, to which HPC proved to be very sensitive. Spalling is a complex phenomenon, resulting from the interaction among the decay of concrete mechanical properties with temperature, the build-up of pore pressure due to water evaporation and the stress induced by both thermal gradients and external loads. So far, how these mechanisms interact has not been fully understood. Within this context, a new experimental campaign has been launched at the Politecnico di Milano in collaboration with CTG-Italcementi Group on the study of concrete slabs subjected to heating, of dimensions 800x800x100 mm. The aim of this study is to investigate the interaction between the main actors involved in spalling, trying to emphasize the role played by fibers. To this end, a novel experimental set-up has been designed based on testing concrete slabs subjected to a standard fire curve on the bottom surface, while an external load (membranal stress) is applied via hydraulic jacks and kept constant during heating. The purpose of the compressive stress induced by the external load is to limit tensile stresses and, possibly, to avoid the subsequent cracking. Numerical analyses have been, also, performed in order to simulate the whole test procedure and to check the design in terms of geometry and loading conditions. So far, two slabs only were tested; the first is made in plain concrete, while the second one has fibrillated polypropylene fibers. In the former test, explosive spalling occurred at the heat-exposed surface; on the other hand, the presence of the fibers in the second case allowed to avoid any form of spalling. The performed tests clearly show the spalling sensitivity of HPC and the effectiveness in limiting, or even avoiding, spalling phenomena in concrete. The measurements of pore pressure were particularly interesting in investigating the interaction with stresses.

Nonostante la buona conoscenza sul comportamento meccanico del calcestruzzo ad alte prestazioni in condizioni di incendio, raggiunta grazie agli studi condotti negli ultimi decenni, è ancora necessario approfondire alcuni aspetti, tra cui il fenomeno dello spacco esplosivo (cui l’HPC è molto sensibile). Lo spalling è un fenomeno complesso, risultato dell’interazione tra il decadimento delle proprietà meccaniche del calcestruzzo con la temperatura, l’aumento della pressione nei pori a causa dell’evaporazione dell’acqua e lo stato di sforzo indotto sia dai gradienti termici che dai carichi esterni. Come tali meccanismi, però, interagiscano tra loro non è ancora del tutto chiaro. In tale contesto, una nuova campagna sperimentale è stata intrapresa al Politecnico di Milano in collaborazione con CTG-Italcementi Group sul comportamento di piastre in calcestruzzo soggette a riscaldamento, di dimensioni 800x800x100 mm. Nel presente elaborato si propone una nuova metodologia sperimentale ideata per raggiungere tali scopi. Le piastre sono sottoposte alla curva d’incendio ISO834 all’intradosso, mentre un carico esterno membranale viene applicato mediante martinetti idraulici e mantenuto costante durante la prova. Lo stato tensionale di compressione indotto dal carico esterno ha lo scopo di limitare l'insorgenza di sforzi di trazione e la conseguente fessurazione. Analisi numeriche hanno accompagnato la progettazione del set-up sperimentale, al fine di verificare le scelte effettuate in termini di geometria della piastra e carico applicato. Al momento sono state provate due sole piastre, la prima in calcestruzzo senza fibre e la seconda con fibre di polipropilene fibrillate. Nel primo caso si è verificato spacco esplosivo e delaminazione, mentre le fibre nel secondo caso hanno permesso di evitare il manifestarsi dello stesso. La prova eseguita si è dimostrata efficace nell’evidenziare la sensibilità di un calcestruzzo allo spalling; le misure della pressione nei pori si sono rivelate particolarmente significative. Tramite analisi numeriche delle prove condotte si determina lo stato tensionale all’interno della piastra e se ne mette in luce l’interazione con la pressione nei pori.