Il calcestruzzo e le malte preparati con un’armatura secondaria formata di fibre, metalliche o plastiche, diffuse nella massa dell’impasto migliorano le caratteristiche tecniche del materiale.
L’impiego di fibre come armatura di rinforzo per garantire una maggiore solidità agli impasti utilizzati nell’edilizia non è un’idea nuova, come dimostrano molteplici applicazioni storiche della paglia o di altri steli vegetali utilizzati soprattutto nei mattoni crudi diffusi nell’antichità in tutta l’area mediterranea.
Lo scopo è di aumentare la resistenza a diversi tipi di sollecitazione di manufatti. Se in un recente passato il rinforzo era costituito solo da fibre metalliche annegate e diffuse nella matrice cementizia dei calcestruzzi, ora viene adoperata un’ampia varietà di tipologie di fibre con diversa fattura e composizione, ma sempre con gli stessi obiettivi: aumentare la durabilità del manufatto, rendere più duttile il conglomerato cementizio indurito e annullare o ridurre al minimo le cavillature superficiali che si formano nella fase di ritiro plastico e igrometrico del materiale, in particolare quando l’acqua di impasto è soggetta a un’evaporazione troppo rapida.
Le diverse tipologie di fibre sono di tipo inerte, stabili in una gamma molto ampia di condizioni di esercizio e non nocive per l’ambiente e per gli esseri umani. Le fibre vengono miscelate nell’impasto come un qualsiasi inerte e possiedono un’elevata compatibilità con i calcestruzzi o con le diverse malte a base di cemento utilizzate nelle riparazioni, nei ripristini volumetrici e nei rivestimenti.
La maggior parte dei sistemi proposti dal mercato utilizza fibre in acciaio con sagoma particolare, ma non mancano varianti derivate dal mondo dei composti sintetici che in ogni caso possiedono una notevole resistenza agli alcali, quindi possono essere impiegate senza problemi nei conglomerati cementizi.
Per ottenere l’effetto desiderato le fibre devono essere disperse completamente nella malta senza formare segregazioni o zone a differente concentrazione e devono creare all’interno dell’impasto in via di indurimento una tessitura tridimensionale finemente distribuita in grado di contrastare il fenomeno della microfessurazione che avviene durante le fasi del ritiro plastico e del ritiro igrometrico.
Le fibre sono in grado distribuire le tensioni e le sollecitazioni intrinseche che prodotte da tutti i fenomeni correlati all’idratazione del legante, fino a quando il materiale ha raggiunto una resistenza tale da non essere più soggetto alla formazione di cavillature.
L’effetto si osserva anche nel rinforzo con fibre delle malte con inerti fini e destinate a essere stese a strati sottili come gli intonaci. Gli intonaci, nelle versioni non addizionate con fibre e se non adeguatamente idratati in fase di indurimento, sovente si ricoprono di cavillature più o meno ampie con annullamento delle caratteristiche protettive nei confronti dell’ossatura muraria. In tutti i manufatti di calcestruzzo o realizzati con leganti non cementizi che possiedono un grande sviluppo areale, quindi con una notevole superficie di evaporazione dell’acqua di impasto, le fibre distribuite uniformemente nella massa del materiale possono sostituire le reti elettrosaldate dell’armatura secondaria che usualmente vengono utilizzate per contrastare i ritiri.
Le fibre producono anche altri effetti migliorativi in talune caratteristiche tecniche: doti superiori di tissotropia, che permettono di stendere le malte in verticale e con spessori maggiori senza pericolo di colature, e un migliore aggancio tra la pasta cementizia del calcestruzzo e i ferri di armatura grazie alla ridotta circolazione di acqua libera nel conglomerato dovuta alla presenza di elementi che ostacolano il fenomeno. In generale la presenza di fibre determina un maggior assorbimento dell’energia di deformazione e aumenta la duttilità del materiale, quindi la sua resistenza agli urti, all’abrasione e alle rotture che avvengono non in maniera immediata, ma in modo meno repentino grazie all’effetto di cucitura delle fibre.
Secondo il tipo di fibra, grazie alla microarmatura di rinforzo che si viene a creare nel manufatto, si osservano un certo aumento della resistenza a compressione e un netto miglioramento della resistenza a trazione, alla flessione e al taglio derivate sempre dalla forte capacità di distribuire le tensioni e di assorbire le sollecitazioni ottenuta grazie alla presenza delle fibre.
Nel medesimo tempo, aumentare la compattezza delle superfici dei manufatti di calcestruzzo significa rendere la parte più esposta dell’opera meno permeabile alle intemperie e più resistente ai composti aggressivi presenti nell’atmosfera, alla carbonatazione e ai cicli di gelo e disgelo.
Le fibre di acciaio.
Per ottenere il massimo livello nell’assorbimento dell’energia di deformazione vengono impiegate fibre di acciaio, di acciaio zincato o di acciaio inossidabile che sono realizzate con una forma particolare a onda continua o con estremità disassate, che assicura un’ottima adesione all’impasto cementizio.
Le fibre di acciaio possono essere stirate o spezzate solo in presenza di sollecitazioni a trazione che superano abbondantemente quelle massime alle quali può resistere il calcestruzzo.
La forza necessaria allo sfilamento di una fibra con diametro di 1 mm raggiunge, infatti, 400 N quando è inglobata in un calcestruzzo dosato a 350 kg/m3 e con rapporto acqua/cemento pari a 0,45. Per questa ragione le fibre di acciaio vengono utilizzate in opere che sono sottoposte a sforzi molto elevati di flessione e di taglio, agli urti e a sollecitazioni dinamiche.
In particolare, trovano impiego nelle pavimentazioni industriali e nel calcestruzzo spruzzato per il rivestimento di gallerie e il consolidamento di scarpate o di pareti rocciose. In queste applicazioni si può evitare di inserire la rete di armatura secondaria in quanto è sufficiente l’effetto cucitura delle fibre disposte in un reticolo tridimensionale per contrastare la propagazione delle microfessure e distribuire in maniera omogenea i carichi di esercizio.
Le fibre di polipropilene
Grazie alla forte adesione meccanica con la matrice legante e alla leggerezza, le fibre di polipropilene hanno trovato un’ampia diffusione nei sistemi fibrorinforzati sia prefabbricati che approntati in opera.
Questo materiale sintetico ad alta densità possiede un’elevata stabilità dimensionale, idrorepellenza e una forte resistenza agli agenti atmosferici e chimici, agli alcali, alle muffe, ai microrganismi e alle temperature elevate. In genere le fibre di polipropilene sono disponibili in due versioni: con struttura fibrillata e nel tipo monofilo.
Il polipropilene fibrillato viene impiegato nel calcestruzzo ed è disponibile in fasci di filamenti collegati tra loro in modo da formare una struttura a reticolo che, al momento della miscelazione con il calcestruzzo preconfezionato o preparato in opera, si apre e si suddivide in innumerevoli fibre singole che si dispongono in tutte le direzioni.
La versione monofilo viene utilizzata soprattutto per confezionare elementi prefabbricati, leggeri o pesanti e anche con spessore molto sottile, per pavimentazioni industriali e di parcheggi, per la preparazione di malte per in tonaci, negli spritzbeton e nelle guniti.
Per la diffusione omogenea che si ottiene in ogni applicazione, le fibre di polipropilene diventano un buon rinforzo secondario nella matrice legante migliorando così le caratteristiche fisico-chimiche e meccaniche finali dell’opera dopo l’indurimento. Il polipropilene è completamente compatibile con gli additivi impiegati per la messa in opera dei getti di calcestruzzo e, considerata l’adesione puramente meccanica con il cemento, non ha alcun effetto sull’idratazione del legante.
Le fibre di poliacrilonitrile.
Caratterizzate da una forte stabilità in ambiente alcalino o acido e da una notevole resistenza ai raggi Uv, ai cloruri e ai sali, agli agenti atmosferici e all’attacco da parte di muffe e microrganismi, le fibre di poliacrilonitrile sono dotate di un grado molto elevato di adesione alla matrice cementizia.
Infatti, oltre alla particolare forma con un solco longitudinale e alla superficie fortemente striata che consentono una notevole aderenza meccanica, queste fibre di diametro intorno a 16 p si legano chimicamente ai silicati idrati del cemento pur senza alterare i fenomeni di presa e di indurimento del calcestruzzo.
Le fibre possiedono un elevato fattore di forma (da 500 a 2.000 in funzione della lunghezza) e, per la loro finezza, possono essere impiegate in malte da stendere anche in spessori millimetrici senza diminuire l’applicabilità degli impasti.
Le caratteristiche rinforzanti delle fibre di poliacrilonitrile diventano evidenti già a bassi dosaggi e per la resistenza alle temperature elevate consentono di eseguire la stagionatura a vapore dei manufatti fibrorinforzati confezionati con cicli di prefabbricazione.
Le fibre possiedono una forte disperdibilità e in genere sono fornite raggruppate in fiocchi da un appretto speciale che, una volta a contatto con l’acqua di impasto, si scioglie e libera le particelle allungate che a loro volta si diffondono in maniera uniforme nella matrice cementizia.
La messa in opera
La comprovata utilità delle fibre per risolvere molti problemi legati soprattutto a una eccessiva velocità di evaporazione dell’acqua di impasto e per produrre un miglioramento generale nelle doti tecniche dei materiali, non permette di impiegare questi componenti per finalità diverse da quelle già indicate.
Le fibre non aumentano la resistenza strutturale complessiva dell’opera e non possono essere adoperate per il controllo delle fessurazioni che derivano da continue sollecitazioni esterne o da vibrazioni oltre la soglia di resistenza del manufatto.
Anche utilizzando le fibre nella giusta quantità o in eccesso non è possibile in nessun caso ridurre le dimensioni degli elementi portanti oppure sostituire con questi rinforzi, diffusi in maniera omogenea nell’impasto, parte dei ferri dell’armatura strutturale principale.
Il comportamento del manufatto fibrorinforzato rimane identico alle variazioni della temperatura del luogo di posa, quindi è sempre indispensabile costruire gli usuali sistemi di giunti alla giusta distanza reciproca in modo che siano in grado di assorbire ogni mutamento di forma e dimensioni della struttura.
In genere la presenza delle fibre nelle miscele cementizie determina una riduzione della lavorabilità. L’impasto richiede quindi di essere approntato con le usuali regole per ottenere manufatti di qualità e in più va additivato con una certa percentuale di un composto fluidificante o superfluidificante che, oltre a rendere più lavorabile la miscela e migliorare la scorrevolezza in fase di getto, ha anche l’effetto di ridurre la richiesta d’acqua di impasto con vantaggi sulla resistenza della struttura a condizioni ambientali avverse di esercizio.
Le fibre, scelte nella lunghezza più idonea al tipo di lavoro e alla granulometria degli inerti, sono di solito miscelate con gli altri componenti quando l’impasto è già stato approntato in betoniera.
L’aggiunta delle fibre va eseguita con gradualità per consentire al materiale di distribuirsi il più uniformemente possibile. Talvolta solo al termine di questa fase viene aggiunto l’additivo fluidificante.
Con talune versioni la pratica consiglia di mescolare a secco le fibre con gli altri componenti prima di aggiungere acqua, ma in ogni caso bastano pochi minuti di rotazione della betoniera per assicurare una completa distribuzione del rinforzo secondario.
Un eccesso di fibre può provocare una concentrazione o una separazione di questo materiale dalla matrice legante, così come una prolungata vibrazione dopo il getto che però ha anche l’effetto di causare la parziale segregazione degli inerti.
Per le loro ridotte dimensioni le fibre appartenenti a qualunque tipologia non determinano problemi riguardanti la finitura delle superfici. In particolare con i sistemi che prevedono l’uso di fibre metalliche nei getti, queste rimangono sempre ben rivestite dalla matrice legante anche nell’interfaccia con il cassero di contenimento, considerato l’impiego in questi impasti di additivi fluidificanti che determinano una forte dispersione del cemento negli interstizi tra gli inerti e le fibre.
Le fibre sintetiche, per il loro diametro ridotto, difficilmente risultano visibili in superficie e non influiscono sull’assestamento dell’impasto. Soprattutto dove è prevista una frattazzatura meccanica 0 manuale della malta fibrorinforzata, basta questa operazione per compattare la miscela ed evitare l’affioramento delle particelle allungate che non impediscono di condurre il lavoro fino a rendere perfettamente liscia la superficie.
Nel caso di intonaci additivati con fibre occorre però avere l’avvertenza di non utilizzare il frattazzo munito di spugna per la lisciatura dello strato a finire. Questo attrezzo asporta le particelle di legante e lascia parzialmente scoperti tanto gli inerti quanto le fibre facilitando cosi loro distacco con formazione di microcavità potrebbero diventare punti di ingresso superficiali per eventuali agenti del degrado.
I campi di impiego:
pavimentazioni
piste aeroportuali
massetti sottofondi
serbatoi
vasche per impianti di depurazione
strutture sottili.
I vantaggi:
resistenza ai cicli di gelo e disgelo
resistenza al abrasione
aumento della resistenza all’urto
ridotta permeabilità
aumenta della resistenza a flessione
aumento della resistenza a fenomeni di fessurazione e deformazione plastiche