Prove di calcestruzzo indurito in trazione

Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA

In un precedente laboratorio focalizzato sul calcestruzzo in compressione, abbiamo osservato che il calcestruzzo può sopportare sollecitazioni molto grandi sotto forze di compressione uniassiali. Tuttavia, i guasti osservati non erano guasti a compressione ma guasti lungo piani di taglio in cui si verificano forze di trazione massime. Pertanto, è importante comprendere il comportamento del calcestruzzo in tensione e in particolare la sua massima forza in quanto ciò governerà sia il suo comportamento finale che quello di servizio. Dal punto di vista finale, le combinazioni di tensioni e sollecitazioni di taglio porteranno a fessurazioni e guasti immediati e catastrofici. Per questo motivo, il calcestruzzo viene raramente se mai utilizzato in condizioni non rinforzate in applicazioni strutturali; la maggior parte degli elementi in calcestruzzo sarà rinforzata con acciaio in modo che queste crepe possano essere fermate e le larghezze delle fessure limitate. Quest'ultimo è importante dal punto di vista della manutenzione perché il controllo delle larghezze e della distribuzione delle fessure è la chiave per la durata, in quanto ciò impedirà ai sali di sbrinamento e alle sostanze chimiche simili di penetrare e corrodere l'acciaio di rinforzo.

Gli obiettivi di questo esperimento sono tre: (1) condurre prove di trazione a cilindro diviso per determinare la resistenza alla trazione del calcestruzzo, (2) condurre prove di travi per determinare la resistenza alla trazione del calcestruzzo e (3) dimostrare l'influenza del rinforzo in acciaio sul comportamento confrontando il comportamento della trave leggermente rinforzata con una non rinforzata.

La capacità di trazione (f_t)di un materiale composito fragile come il calcestruzzo è spesso nell'intervallo di 1/10 della sua capacità di compressione (f'c). Questo comportamento è guidato dall'esistenza di uno strato molto debole, chiamato zona di transizione interfacciale (ITZ), tra la malta e l'aggregato. Questo strato molto sottile (solo circa 40 μm circa) contiene meno cemento non idratato e silicati di calcio idrati (C-S-H) rispetto alla malta, ma più grandi cristalli orientati di idrossido di calcio (C-H) e idrati di trisolfato (o ettringite, le lunghe strutture aghiche). Entrambi questi fattori contribuiscono a una maggiore porosità in questo strato e quindi a una minore resistenza. Inoltre, il fatto che la spaziatura media tra le particelle aggregate sia solo da 2 a 2,5 volte lo spessore dell'ITZ, significa che una quantità molto significativa della malta, secondo alcune stime fino al 40%, è costituita da questo materiale più debole.

Il comportamento fragile del calcestruzzo è guidato dalla crescita di microfesse che si propagano dalle concentrazioni di stress che si verificano tra l'aggregato e la malta. Qual è, concettualmente, lo stato di sollecitazione attorno a una particella aggregata rotonda idealizzata come un carico di compressione applicato? Mentre la compressione cerca di "fluire" intorno alla particella e il vettore di forza diventa inclinato, le forze di trazione si sviluppano nella direzione orizzontale. Queste forze sono più elevate all'interfaccia a causa delle concentrazioni di stress. La combinazione di grandi forze di trazione e una debole ITZ portano a fessurazioni preferenziali in quest'area.

Man mano che lo stress di compressione aumenta in una prova del cilindro, queste crepe iniziano a crescere e propagarsi come risultato delle tensioni di trazione trasversali, delle microfessche iniziali esistenti e della presenza della debole ITZ. La crescita della fessura diventerà instabile quando il calcestruzzo raggiungerà la sua massima resistenza e il calcestruzzo perderà la sua capacità di mantenere la forza molto rapidamente mentre le crepe si propagano a grande velocità. Ciò si traduce in un comportamento generale fragile per il calcestruzzo, così come per molti materiali ceramici simili con zone di interfaccia deboli.

La caratteristica bassa capacità di trazione del calcestruzzo rende anche molto difficile condurre una prova di tensione diretta, poiché i provini a trazione convenzionali tendono a fallire alle prese a causa delle concentrazioni di stress. Una soluzione elegante intorno a questo problema è quella di testare i cilindri dalla loro parte. Questo metodo è chiamato cilindro diviso o test brasiliano. In questa prova, man mano che ci si allontana dalle teste di carico, dove c'è uno stato di sollecitazione complesso, si svilupperà un campo di tensione di trazione orizzontale uniforme. Poiché il calcestruzzo è debole in tensione, ciò porterà a una fessura verticale e alla scissione del cilindro. Da studi statistici, la prova del cilindro diviso dovrebbe fornire capacità di trazione dell'ordine di 6√f'c.

Un altro modo indiretto di testare il calcestruzzo in tensione consiste nell'utilizzare un provino a trave corta in una configurazione di prova di flessione a quattro punti. La porzione centrale del fascio è sotto momento costante e zero shear, e quindi è possibile derivare una semplice relazione tra il carico di guasto, le proprietà geometriche e la resistenza alla trazione della trave usando i principi della teoria elastica. Il raggio fallirà improvvisamente non appena si forma una fessura sul fondo e non ha forza residua. Sebbene sia ben noto che al fallimento la distribuzione delle deformazioni attraverso la profondità della trave di calcestruzzo non segue del tutto quelle della teoria elastica, questa incoerenza è generalmente considerata avere poca influenza sui risultati finali. Da studi statistici, la prova di trazione del fascio dovrebbe fornire capacità di trazione dell'ordine di 7,5√f'c.

Il cedimento improvviso e fragile osservato nella prova della trave in calcestruzzo sarebbe inaccettabile in qualsiasi applicazione pratica, in cui sono necessarie duttilità e resistenza residua per trasportare almeno carichi gravitazionali. Il rinforzo in acciaio viene aggiunto nella parte inferiore (o sul lato di trazione) della trave per prevenire tali guasti improvvisi; quando il calcestruzzo inizia a incrinarsi, l'acciaio inizierà a prendere le forze di trazione. La tecnica funziona finché le barre, che hanno deformazioni superficiali per aiutarle a trasferire forze dal calcestruzzo, sono correttamente ancorate. Nel caso di una trave corta come quella che verrà testata qui, ciò si realizzerà fornendo un gancio all'estremità delle barre. Inoltre, poiché possono verificarsi crepe diagonali vicino alla profondità media del raggio, vengono generalmente fornite staffe verticali. Infine, a causa della natura indeterminata delle strutture in cemento armato, è difficile sapere con certezza dove saranno la tensione e la compressione su una trave sotto un particolare insieme di carichi. Per questo motivo, le barre saranno posizionate anche nella parte superiore, risultando nella tipica gabbia in acciaio che si vede nella maggior parte delle travi nelle strutture in cemento armato.

1. Test di tensione divisa

1. Per questo test, utilizzare i cilindri campione che sono stati precedentemente preparati (vedere il video JoVE "Test sucalcestruzzofresco "). Ottenere due strisce sottili di legno di balsa o simili (circa 1/8" di spessore x 1" di larghezza x 8' di lunghezza) per aiutare a distribuire i carichi sui cilindri.
2. Misurare le dimensioni dei due cilindri. Disegnate una linea lungo il diametro su ciascuna estremità del campione che taglia in due il cilindro.
3. Centrare una striscia lungo il centro del blocco cuscinetto inferiore della macchina di prova.
4. Posizionare il cilindro sulla striscia e allinearlo in modo che le linee segnate alle estremità del campione siano verticali e centrate sulla striscia.
5. Posizionare una seconda striscia longitudinalmente sul cilindro.
6. Abbassare la testa di carico superiore della macchina di prova fino a quando l'assieme non è fissato nella macchina.
7. Stimare il carico massimo che il campione può assumere assumendo che la resistenza alla trazione sia di 6√f'c , dove f 'c è la resistenza nominale alla compressione del calcestruzzo.
8. Applicare il carico di compressione lentamente (a circa 100 psi a 200 psi al minuto) e continuamente fino a quando il campione non si guasta in tensione divisa.
9. Registrare il carico massimo applicato.
10. Esaminare la superficie di frattura e stimare la percentuale di aggregato che si è fratturato.

2. Test di tensione del fascio

1. Costruisci una trave di cemento con una sezione trasversale di 4 pollici x 4 pollici e 36 pollici di lunghezza.
2. Installare un apparecchio di prova di flessione a 4 punti nella macchina di prova.
3. Sollevare con attenzione la trave e installarla nella configurazione di prova.
4. Accendere la macchina di prova e attivare il software per leggere il carico e le deformazioni.
5. Stimare il carico massimo che il campione può assumere assumendo che la resistenza alla trazione sia di 7,5√f'c e applicare il carico di compressione lentamente (a circa 100 psi a 200 psi al minuto) e continuamente fino a quando il campione non si guasta.
6. Registrare il carico massimo applicato.
7. Esaminare la superficie di frattura e stimare la percentuale di aggregato che si è fratturato.

3. Test della trave rinforzata

1. Costruire una trave in calcestruzzo, rinforzata con due barre di #3 (3/8 di diametro) situate a circa 0,5 pollici dal basso. Le barre hanno ganci alle estremità per evitare un guasto di estraibile della barra. Il raggio è di 4 pollici x 4 pollici in sezione trasversale con una lunghezza non supportata di 36 pollici.
2. Installare un apparecchio di prova di flessione a 4 punti nella macchina di prova.
3. Sollevare con attenzione la trave e installarla nella configurazione di prova.
4. Accendere la macchina di prova e attivare il software per leggere il carico e le deformazioni.
5. Stimare il carico massimo che il campione può assumere assumendo che la resistenza alla trazione sia di 7,5√f'c e applicare il carico di compressione lentamente (a circa 100 psi a 200 psi al minuto) e continuamente fino a quando il campione non si guasta.
6. Registrare il carico applicato e le deformazioni man mano che il test procede.

La resistenza alla trazione per il carico massimo di compressione raggiunto durante la prova di trazione frazionata è data dalla seguente formula:
f_t = 2Pmax/ (πDL)
dove D è il diametro (pollici), L è la lunghezza (pollici) e Pmax è il carico massimo di compressione (lb.) raggiunto durante la prova di trazione. Per questi test, la media era di 388 psi con una deviazione standard di 22,2 psi (Tabella 1).

Test #	(psi)	P (libbre)	(psi)
1	4780	18456	367.17	5.31
2	4780	20678	411.38	5.95
3	4780	19385	385.65	5.58
		Media =	388.07	5.61
		San Dev.	22.20	0.32

Tabella 1. Risultati della prova di trazione fraziona.

La resistenza alla trazione per il carico massimo di compressione raggiunto durante la prova di trazione della trave è data dalla seguente formula:
f_t = P_maxL/ (bd²)
dove d è la profondità (pollici), b è la larghezza, L è la lunghezza (pollici) e P_max è il carico massimo di compressione (lb.) raggiunto durante la prova di trazione. Questa formula è valida per il caso in cui i carichi siano applicati nei punti terzi. Per questi test, la media era di 522,9 psi (Tabella 2).

Test #	(psi)	P (libbre)	(psi)
1	4780	2675	501.6	7.3
2	4780	2903	544.3	7.9
		Media =	522.9	7.6
		San Dev.	30.23	0.44

Tabella 2. Risultati per la prova di trazione del fascio.

La curva di deflessione del carico per le travi in cemento armato non rinforzate e rinforzate è mostrata in Fig. 1. Il raggio non rinforzato probabilmente ha seguito lo stesso percorso di carico inizialmente, ma ha fallito non appena si è verificato il cracking iniziale. Quello rinforzato mostra una leggera discontinuità quando si è verificata la fessurazione iniziale e una rigidità leggermente inferiore mentre inizia a riprendere il carico nella sua condizione di fessurazione. Il carico continua ad aumentare fino a quando il calcestruzzo inizia a cedere, quando la curva inizia ad appiattirsi. Tuttavia, poiché l'acciaio è molto duttile e si indurisce, il carico continuerà ad aumentare leggermente e il cedimento si verificherà a deformazioni molto grandi quando il calcestruzzo in cima si schiaccia.

Figura 1: Confronto delle curve di deflessione del carico per travi in calcestruzzo non rinforzato (blu) e rinforzato (rosso) a (a) piccoli carichi e (b) grandi carichi (curve piene).

La prova ha dimostrato la natura fragile dei cedimenti a trazione nel calcestruzzo e ha dimostrato che la resistenza alla trazione è solo una frazione (da 1/8 a 1/12) di quella della resistenza alla compressione. Cedimenti fragili di questo tipo potrebbero avere conseguenze catastrofiche per la sicurezza umana, e quindi tutte le strutture in calcestruzzo devono essere rinforzate con barre di acciaio (o simili) per assumere forze di trazione. Un confronto della curva di deformazione del carico per le travi non rinforzate e rinforzate indica non solo che queste ultime possiedono una maggiore resistenza, ma anche una grande capacità di deformazione.

La chiave per la sicurezza e le prestazioni a lungo termine delle strutture in calcestruzzo è fornire rinforzi in acciaio in aree ad alta trazione e sollecitazioni di taglio. In generale, la quantità di acciaio necessaria per raggiungere questo obiettivo è piccola, nell'ordine dell'1% -1,5% dell'area della sezione trasversale del calcestruzzo. Questa piccola quantità significa che le strutture in calcestruzzo possono essere economiche, sicure e fornire una buona manutenzione. Inoltre, la capacità di gettare calcestruzzo in qualsiasi forma desiderata offre all'architetto un grande margine di manovra nello sviluppo di strutture esteticamente gradevoli.