Il fenomeno dello spacco esplosivo del calcestruzzo esposto al fuoco. Interazione tra pressione nei pori e comportamento a trazione

The gradual or sudden separation of concrete layers or pieces from the surface of structural elements subjected to fire (spalling) is still a hot issue in structural design, since this phenomenon may lead to a sizeable redcution of the cross-sectional area and to direct exposure of rebars to flame. On this topic a great number of studies have been conducted, always looking into the role of both internal material factors (moisture content, porosity, tensile strenght, fibre content) and external structural factors (heating rate, applied loads and constraints) in influencing the two main mechanisms responsible for this phenomenon. On the one hand heating generates temperature gradients, that induce compressive stresses near the exposed surface (due to restrained thermal dilation) and tensile stresses in cooler interior region. On the other hand, heating produces moisture transport and water vaporization (thermo-hygral process), causing the vapour pressure build-up in the pores, which, especially for HPC, substiantially contributes to the explosive nature of spalling (explosive spalling). The latter evidence justifies the recent and increasing attention to the thermo-hygral behaviour of concrete exposed to fire, recognizing the vapour pressure build-up as the main provoking spalling phenomenon mechanism. From the experimental point of view, several authors have directly measured the local pressure in concrete specimens subjected to thermal transients in different test conditions, obtaining values as high as 5 MPa in case of HPC and lower values for OPC. A second research trend is based on numerical models simulating heat and mass transport occurring in concrete exposed to high temperature. One of the critical problems of these models in assessing the risk of concrete spalling, is the mutual interaction between pore pressure and the mechanical response of the material. In order to clarify this point a special set-up has been designed aiming at performing simple indirect-tension tests (split-cube tests) under different level of sustained pore pressure. These levels are achieved by preliminary heating two opposites faces of cubic specimens, whereas the lateral ones are sealed and thermal insulated, so as to create a mono-dimensional thermo-hygral transient field. The fracture is induced in the simmetry plane, where both temperature and pressure are monitored using a customized probe. The self-tensioning effects on the mechanical response of specimens are estimated with a great number of numerical simulations of heat transfer, based on back-analysis of some experimental results. The numerical results emphasize a good correspondence with experimental reality in assessing the thermal field and the self-tensioning effects on mechanical response. Moreover, the experimental results show that the pore pressure and the reduction of the apparent tensile strenght have comparable values. This evidence, corroborated by simple considerations based on linear-elastic fracture mechanics, contrasts some other models, proposed in literature. In fact, these models assume that gas pressure is exerted inside the pores and suggest to multiply it by the material porosity value, much smaller than the unitary value. After all pore pressure may be, in itself, a sufficient driving force to trigger explosive spalling in concrete members exposed to fire.

La graduale o improvvisa separazione di strati o frammenti di calcestruzzo dalla superficie esposta di un elemento strutturale soggetto ad incendio (spalling) è ancora oggi un importante argomento di discussione nella progettazione strutturale, dal momento in cui il fenomeno può comportare una considerevole riduzione della sezione resistente dell'elemento stesso e l'esposizione diretta delle barre di armatura all'azione del fuoco. A riguardo sono stati condotti numerosi studi, volti alla valutazione dell'influenza che fattori interni al materiale (contenuto di umidità, porosità, resistenza a trazione, contenuto di fibre) e ad esso esterni (velocità di riscaldamento, carichi applicati e condizioni di vincolo) esercitano sui due principali meccanismi responsabili del fenomeno. Da un lato il riscaldamento genera dei gradienti di temperatura, che inducono sforzi di compressione a ridosso della superficie esposta (a causa delle dilatazioni termiche impedite) e sforzi di trazione nelle regioni interne più fredde (processo termo-meccanico). Dall'altro induce il trasporto di massa umida e la vaporizzazione dell'acqua (processo termo-igrometrico), causando la crescita della pressione di vapore all'interno dei pori, che contribuisce, specialmente per i calcestruzzi ad alte prestazioni (HPC), in modo significativo alla natura esplosiva del fenomeno (explosive spalling). Quest'ultima evidenza giustifica la maggiore attenzione rivolta, in tempi relativamente recenti, al comportamento termo-igrometrico del calcestruzzo esposto al fuoco, riconoscendo nello sviluppo della pressione di vapore il principale meccanismo governante il fenomeno dello spalling. Da un punto di vista sperimentale, alcuni autori hanno misurato direttamente la pressione locale in provini di calcestruzzo soggetti a diversi cicli di riscaldamento, ottenendo valori elevati, fino a 5 MPa, per calcestruzzi ad alte prestazioni (HPC) e valori più bassi per calcestruzzi ordinari (OPC). Una seconda metodologia di ricerca, invece, è basata su modellazioni numeriche volte a simulare il trasferimento di calore e di massa all'interno del calcestruzzo esposto ad alte temperature. Un problema critico di questi modelli, nella valutazione del rischio di spalling, consiste nella determinazione della mutua interazione tra pressione nei pori e risposta meccanica del materiale. Al fine di chiarire questo aspetto è stato messo a punto un set-up non convenzionale, il cui scopo è quello di permettere l'esecuzione di semplici prove di trazione indiretta (prove di splitting su provini cubici) per diversi livelli di pressione interna nei pori. Questi livelli vengono raggiunti attraverso un preliminare riscaldamento di un provino cubico su due facce opposte, con le rimanenti impermeabilizzate ed isolate termicamente, in modo da creare un comportamento termo-igrometrico pressocché monodimensionale. La frattura è indotta sul piano di simmetria del provino, dove sono costantemente monitorate sia la pressione nei pori che la temperatura per mezzo di un apposito sensore. L'effetto delle autotensioni termiche sulla risposta meccanica del provino stesso è stato studiato attraverso delle simulazioni numeriche incentrate unicamente sul trasferimento di calore e, quindi, su una stima sufficientemente attendibile del campo termico che si viene ad instaurare nella tipologia di prova sopra descritta, sfruttando l'analisi inversa di alcuni risultati sperimentali presenti in letteratura. I risultati delle modellazioni numeriche hanno evidenziato una buona corrispondenza con la realtà per quanto riguarda la stima del campo termico e dell'effetto delle autotensioni. I risultati delle prove sperimentali mostrano, invece, come la pressione nei pori misurata e la conseguente riduzione della resistenza a trazione apparente abbiano valori paragonabili. Tale evidenza, corroborata da semplici considerazioni basate sulla meccanica della frattura lineare elastica, si contrappone ad altri modelli proposti in letteratura, che, ipotizzando la pressione agente unicamente all'interno dei pori, suggeriscono di moltiplicarla per il valore della porosità, di molto inferiore all'unità. In definitiva la pressione nei pori può essere ritenuta, da sola, una forza sufficiente all'innesco dello spacco esplosivo di elementi strutturali di calcestruzzo esposto al fuoco.