Capacità di autoriparazione autogena di compositi cementizi fibrorinforzati ad alte prestazioni HPFRCC)

In a World where the concept of sustainability and durability of the constructions is becoming increasingly important, it is essential to guarantee a longer service life of the buildings. The deterioration of reinforced concrete elements, with progressive widening of existing cracks, results in corrosion phenomena that impose to intervene in time with expensive maintenance operations. One solution to this problem is to use materials that develop autogenous self-healing of the cracks, as the high performance fiber reinforced cementitious composites (HPFRCC). This type of material is becoming increasingly popular in the construction industry due to their mechanical advantages, such as a high flexural strength and a not common ductility. International scientific literature provides a lot of information about the mechanical properties of HPFRCC composites, but the knowledge of their self-healing properties is currently still limited. In particular, there is lack of information about the effect that self-healing involves in physical and mechanical properties of fiber reinforced concrete elements. In addition, there are data relating to the self-healing of HPFRCC specimens exposed in different environments for short periods (a few days or months), but there are very limited information related to long-term treatments. At the Politecnico di Milano in 2013, with the aim to quantify the self-healing property of HPFRCC specimens, an experimental campaign was organized, brought to completion in this thesis work. 120 specimens were made of high performance steel fiber reinforced concrete. All samples were pre-cracked, up to different values of the crack opening (COD - Crack opening displacement) and then they were exposed in different environments (water, exterior, wet room, dry room and wet/dry cycles) and for different periods (1 month, 6 months or 24 months). From the comparison of the data obtained through the bending tests, ultrasonic tests and microscopic investigations, conducted before and after treatment, it is possible to derive the effects of self-healing in terms of recovery of the main physical-mechanical characteristics of the specimens. It was found a relationship between the mechanical behaviors of different samples and the orientation of the reinforcing steel fibers compared to the direction of tensile stress applied: softening behavior (perpendicular fibers) and hardening behavior (parallel fibers). Some indexes were defined in order to simplify the assessment of the self-healing property of the specimens. The analysis of the data showed a good self-healing capacity for all the HPFRCC specimens. In particular, it was observed the need of water to obtain great recoveries and, in some cases, even improvements of the original mechanical properties. On the other hand, it was found that, with the increase of flexural strength after the treatment, the ductility recovery is very limited. Furthermore, the exposure of the samples to an environment in which water is present only by means of atmospheric phenomena has led to a lower recovery of physical-mechanical properties, whereas there was a very modest recovery for the specimens placed in contact with water vapor only. Finally, it was shown that the self-healing property of the specimens increases during the treatment for all categories of exposure and is inversely proportional to the crack opening and to the casting time.

In un Mondo in cui il concetto di sostenibilità e durabilità del costruito sta diventando sempre più importante, diventa essenziale garantire un’estensione della vita utile delle opere edili e civili. Il danneggiamento degli elementi strutturali in calcestruzzo armato, con conseguente apertura di lesioni, può comportare l’instaurarsi di fenomeni di corrosione che implicano la necessità di intervenire nel tempo con costose operazioni di manutenzione. Una soluzione a questo problema è l’utilizzo di materiali che sviluppano un’autoriparazione autogena delle fessure, come i compositi fibrorinforzati ad alte prestazioni (HPFRCC). Questo tipo di materiale sta prendendo sempre più piede nel mondo dell’edilizia a causa dei vantaggi meccanici che è in grado di offrire, come una resistenza a flessione e duttilità non comuni nei normali elementi in calcestruzzo. La letteratura scientifica internazionale fornisce molte informazioni in merito alle caratteristiche meccaniche dei compositi HPFRCC, ma sono ancora limitate le conoscenze delle proprietà di autoriparazione di questi materiali. In particolar modo, sono poche le informazioni riguardanti l’effetto che la richiusura delle lesioni comporta sulle proprietà fisico-meccaniche degli elementi in calcestruzzo fibrorinforzato. Inoltre, si hanno dati relativi al self-healing di provini in HPFRCC esposti in ambienti di cura per periodi di tempo ridotti (pochi giorni o mesi), sono ancora molto limitate le informazioni relative a trattamenti a lungo termine. Al Politecnico di Milano nel 2013 è stata organizzata una campagna sperimentale, portata a compimento in questo elaborato di tesi, con lo scopo di quantificare la capacità di autoriparazione di provini in HPFRCC. Sono stati realizzati 120 provini in calcestruzzo rinforzato ad alte prestazioni con fibre di acciaio aggiunte direttamente all’impasto (1.28% in volume). Tutti i campioni sono stati pre-fessurati, fino a diversi valori di apertura di fessura (COD – Crack opening displacement), e successivamente sottoposti ad un trattamento di cura in diversi ambienti di esposizione (acqua, esterno, camera umida, camera secca e cicli asciutto/bagnato) e per prefissati intervalli temporali (1 mese, 6 mesi o 24 mesi). Dal confronto dei dati ottenuti attraverso le prove a flessione, prove agli ultrasuoni ed indagini al microscopio ottico, condotte prima e dopo il trattamento dei provini, è possibile ricavare gli effetti del self-healing in termini di recupero delle principali caratteristiche fisico-meccaniche. Si è riscontrato un comportamento meccanico diverso a seconda dell’orientamento delle fibre di rinforzo rispetto alla direzione dello sforzo di trazione applicato: comportamento degradante (fibre perpendicolari) e comportamento incrudente (fibre parallele). Per facilitare la valutazione dell’autoriparazione autogena dei provini, sono stati definiti degli indici riferiti a ciascun tipo di prova condotta durante la campagna sperimentale. L’analisi dei dati ricavati ha mostrato una buona capacità di autoriparazione autogena dei compositi cementizi fibrorinforzati ad alte prestazioni. In particolare, si è evidenziata la necessità di un trattamento con acqua dei provini HPFRCC per ottenere netti recuperi e, in alcuni casi, persino miglioramenti delle proprietà originarie di resistenza meccanica e rigidezza. D’altra parte, si è riscontrato che, al crescere della resistenza a flessione a seguito del trattamento, si ottiene un recupero molto modesto della duttilità del materiale. Inoltre, l’esposizione dei campioni ad un ambiente in cui l’acqua è presente solo per mezzo di fenomeni atmosferici (esterno) ha portato ad un recupero intermedio delle proprietà fisico-meccaniche originarie, mentre si è registrato un recupero molto modesto per i provini collocati in luoghi in cui vi è la presenza di solo vapore acqueo. Infine, si è evidenziato che la proprietà di autoriparazione dei provini in HPFRCC aumenta nel tempo per tutte le categorie di esposizione ed è inversamente proporzionale all’ampiezza delle lesioni di pre-fessurazione ed al tempo di maturazione.