Campagna sperimentale sui sistemi compositi FRCM in fibra di carbonio applicati su substrato lapideo

Dagli anni 60’ la domanda di sicurezza strutturale nell’edilizia civile ha spinto lo sviluppo di tecnologie innovative, alternative ai sistemi tradizionali, basate sull’utilizzo di materiali compositi, generalmente costituiti dall’unione di due o più materiali che, combinando le loro singole caratteristiche, permettono di ottenere i livelli prestazionali richiesti con interventi poco invasivi. Gli elementi costituenti sono il rinforzo, costituito da fibre ad alta resistenza, e la matrice, che ha il compito di legare il rinforzo al substrato e trasferire le sollecitazioni dall’uno all’altro.
Sebbene i primi utilizzi risalgono agli anni sessanta, principalmente nel settore aeronautico, a cavallo tra gli anni ottanta e novanta inizia a diffondersi un nuovo sistema di rinforzo nell’ingegneria civile, i materiali compositi F.R.P. acronimo di Fiber Reinforced Polymers. I compositi fibrorinforzati a matrice polimerica sono costituiti da fibre ad alte prestazioni che costituiscono il rinforzo, e una matrice organica, in genere resina epossidica, che garantiscono elevate prestazioni di resistenza meccanica a fronte di interventi che non richiedono demolizione e sostituzione degli elementi strutturali, andando ad operare sull’esistente. Inoltre la capacità di adattarsi a quasi la totalità delle forme, unita ad una buona durabilità ha permesso una rapida diffusione dei sistemi FRP nel mercato dell’ingegneria strutturale, andando a sollecitare i vari Stati e le rispettive commissioni tecniche al fine di diramare linee guida per la progettazione mediante materiali compositi.
Rientrano in quest’ottica le istruzioni CNR -DT 200/2004, successivamente aggiornate nelle istruzioni CNR-DT 200 R1/2013 e il progetto di ricerca RILEM TC223 - Masonry Strengthening with Composite materials - MSC. Lo scopo di queste istruzioni è quello di fornire, nell’ambito delle attuali Norme vigenti, un documento d’aiuto ed orientativo per i tecnici nella progettazione, esecuzione e controllo degli interventi di consolidamento strutturale mediante l’utilizzo di compositi fibrorinforzati.
La criticità in questo tipo di interventi risiede nel tipo di matrice usate, di norma resine epossidiche, che oltre una bassa traspirabilità richiedono una manodopera specializzata per la loro installazione, data la tossicità del prodotto e dei suoi vapori. La stessa applicazione è consentita solo quando la temperatura esterna è superiore a 5°C e inferiore a 35° C, ed inoltre è da segnalare una progressiva perdita di adesione al supporto delle resine organiche alle medie temperature, a partire dai 30° ed in caso di esposizione al fuoco la matrice in resina epossidica ha una totale perdita di resistenza.
Questi aspetti negativi hanno favorito la ricerca di nuove soluzioni per i materiali compositi ed una possibile alternativa è rappresentata dai sistemi fibrorinforzati a matrice cementizia “FRCM”, acronimo di “Fiber Reinforced Cementitious Matrix”, che a differenza degli FRP vengono applicati sul substrato con matrici di natura inorganica. I compositi FRCM rappresentano una novità nel campo delle tecnologie per il recupero edilizio e la letteratura disponibile a riguardo è ancora molto limitata. L’uso di questa tecnologia presenta
però molti vantaggi, derivanti dalla facilità di messa in opera del sistema di rinforzo, dalla piena compatibilità con i possibili substrati, C.A. o in murature, garantendo la traspirabilità degli stessi, e presenta inoltre una buona resistenza al fuoco.
Essendo ancora questi nuovi sistemi compositi in una fase di studio, non esistono linee guida europee per la progettazione e la loro applicazione, anche se sono correntemente usati negli interventi di rinforzo strutturale. Molte sono le campagne scientifiche attualmente condotte al fine di aumentare la conoscenza e la comprensione dei meccanismi di funzionamento dei sistemi compositi FRCM in modo tale da permettere ai progettisti di realizzare corretti interventi sul patrimonio edilizio esistente.
Nelle pagine a seguire viene descritta una campagna sperimentale condotta su compositi FRCM con fibre in carbonio applicate su un substrato lapideo, in pietra di Sabucina (CL). Lo scopo di questo studio è l’analisi dei meccanismi di trasferimento delle sollecitazioni tra rinforzo e supporto, la determinazione della lunghezza di ancoraggio efficace e la caratterizzazione delle modalità di crisi e di rottura del sistema FRCM-substrato lapideo. Le prove sono state condotte su diverse serie di provini aventi lunghezze di ancoraggio del sistema composito differenti, per studiare il meccanismo di trasmissioni delle tensioni tra rinforzo e substrato i campioni sono stati sottoposti a prove di taglio diretto singolo, il “single shear bond test”.