Calcestruzzo confinato con compositi a matrice cementizia (PBO-FRCM): modellazione e sperimentazione

“Calcestruzzo confinato con compositi a matrice cementizia 
(PBO-FRCM): modellazione e sperimentazione” 
 
Introduzione 
La necessità di rinforzare le strutture di edifici in calcestruzzo armato 
o in muratura danneggiate dai terremoti e di recuperare edifici per nuove 
esigenze (es. variazione della destinazione d’uso, presenza di azione non 
previste nella progettazione originale), ha portato a studiare e a 
sperimentare diverse tipologie di rinforzo strutturale. A partire dalla metà 
del 900, grazie alla scoperta e all’utilizzo di nuovi materiali, si sono venute 
a creare diverse tecniche di rinforzo strutturale basate sull’utilizzo di 
materiali compositi artificiali. La prima metodologia usata è stata il sistema 
FRP (Fiber Reinforced Polymers), che ad una matrice organica unisce fibre 
di carbonio; successivamente sono stati usati diversi materiali con diverse 
caratteristiche meccaniche per creare fibre come l’aramide e le fibre di 
vetro. 
I materiali compositi artificiali, al contrario di come si possa pensare, 
hanno una lunga storia; i primi materiali compositi inventati dall’uomo 
sono stati i mattoni costituiti da paglia e fango combinati insieme. 
“Successivamente sono stati messi a punto altri materiali compositi, tra cui 
il compensato, il calcestruzzo, e il calcestruzzo armato”, nonchØ il 
tristemente famoso fibrocemento rinforzato con le fibre di amianto. 
“I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati costituenti, 
e a seconda della loro funzione prendono il nome di matrice o rinforzo. 
L'insieme di queste due parti costituisce un prodotto in grado di 
garantire proprietà meccaniche elevatissime (a questo scopo fondamentale è 
la cura dell'adesione interfacciale tra fibre e matrice) e massa volumica
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decisamente bassa”
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: per questo motivo i compositi sono largamente usati 
nelle applicazioni dove la leggerezza è molto importante, come negli edifici 
in campo sismico (dove è fondamentale non inserire nuove masse 
sismiche). 
“La matrice è costituita da una fase continua omogenea, che ha il 
compito di: 
• racchiudere il rinforzo, garantendo la coesione del materiale 
composito (e degli eventuali strati di cui esso è composto, nel 
caso di composito laminato); 
• garantire che le particelle o le fibre di rinforzo presentino la 
giusta dispersione all'interno del composito e non si abbia 
segregazione. 
Nella maggioranza dei casi le matrici sono polimeriche perchØ 
garantiscono bassa densità (e quindi leggerezza del materiale finale): hanno 
però il difetto di calare drasticamente le prestazioni al crescere della 
temperatura. Nei materiali compositi a matrice polimerica si possono 
utilizzare come matrice ad esempio le resine epossidiche (le stesse usate in 
alcuni adesivi e poliesteri).”
2
 
“Il rinforzo è rappresentato da una fase dispersa, che viene appunto 
dispersa in varie modalità all'interno della matrice e ha il compito di 
assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sØ la maggior 
parte del carico esterno. 
A seconda del tipo di rinforzo, i materiali compositi si suddividono in: 
• compositi particellari; 
• compositi rinforzati con fibre; 
                                              
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• compositi strutturati (ad esempio 
materiali compositi laminati
Nei compositi particellari il rinforzo è costituito da "particelle", le 
quali (a differenza delle fibre) possono assumersi equiassiche, ovvero il 
rapporto tra diametro e lunghezza di ogni particella è circa unita
le fibre sono piø sviluppate in lunghezza).
Le proprietà chimico
dipendono dalla geometria del sistema particellare, ovvero:
• dimensioni e forma delle particelle
• concentrazione, distribuzione e 
all'interno della fase dispersa.
I compositi rinforzati con fibre si possono suddividere in tre tipologie 
a seconda dei differenti tipi di fibra:
• compositi a fibre continue (o lunghe);
• compositi a fibre discontinue (o corte) a
• compositi a fibre discontinue (o corte) disposte in maniera 
casuale.
Figura 
                                        
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compositi strutturati (ad esempio pannelli a sandwich
materiali compositi laminati). 
Nei compositi particellari il rinforzo è costituito da "particelle", le 
quali (a differenza delle fibre) possono assumersi equiassiche, ovvero il 
rapporto tra diametro e lunghezza di ogni particella è circa unita
le fibre sono piø sviluppate in lunghezza). 
Le proprietà chimico-fisiche dei materiali compositi particellari 
dipendono dalla geometria del sistema particellare, ovvero: 
dimensioni e forma delle particelle; 
concentrazione, distribuzione e orientamento delle particelle 
all'interno della fase dispersa. 
I compositi rinforzati con fibre si possono suddividere in tre tipologie 
a seconda dei differenti tipi di fibra: 
compositi a fibre continue (o lunghe); 
compositi a fibre discontinue (o corte) allineate tra loro;
compositi a fibre discontinue (o corte) disposte in maniera 
casuale.”
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Figura 1: tipologie di fibre per il materiale composito 
                                              
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FRCM): modellazione e sperimentazione” 
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pannelli a sandwich e 
Nei compositi particellari il rinforzo è costituito da "particelle", le 
quali (a differenza delle fibre) possono assumersi equiassiche, ovvero il 
rapporto tra diametro e lunghezza di ogni particella è circa unitario (mentre 
fisiche dei materiali compositi particellari 
orientamento delle particelle 
I compositi rinforzati con fibre si possono suddividere in tre tipologie 
llineate tra loro; 
compositi a fibre discontinue (o corte) disposte in maniera
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I materiali compositi con fase dispersa fibrosa, invece,  presentano una 
spiccata anisotropia. Questa anisotropia non si riscontra (o per lo meno è 
molto minore) nei compositi particellari, nella misura in cui dette particelle 
sono equiassiche. L'anisotropia, se controllata, può costituire un vantaggio: 
il materiale viene rinforzato in quelle direzioni dove si sa verrà caricato e 
dunque le prestazioni vengono ottimizzate (come nel caso dei compositi a 
fibre continue). Se, invece, è dovuta a fenomeni piø difficilmente 
controllabili (ad esempio flusso plastico del materiale in uno stampo, come 
nel caso dei compositi a fibre corte) diviene problematica perchØ 
l'orientazione delle direzioni di massimo rinforzo difficilmente coincide con 
quella desiderata.”
4
 
In questo lavoro di tesi sono stati usati compositi rinforzati con fibre 
continue di PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo) e un nuovo sistema di 
rinforzo strutturale (FRCM, Fiber Reinforced Cementitious Matrix) basato 
sull’utilizzo di una matrice inorganica a base cementizia su provini 
cilindrici in calcestruzzo; in particolare si vogliono determinare i benefici 
che tale confinamento (PBO-FRCM) apporta. 
Inizialmente sono stati studiati diversi modelli di confinamento 
esistenti, che sono stati di riferimento per la sperimentazione effettuata; 
sono stati successivamente confezionati provini cilindrici in calcestruzzo di 
dimensioni 150 mm di diametro e 300 mm di altezza i quali, dopo una 
maturazione di 28 giorni, sono stati fasciati con diversi strati di rinforzo in 
PBO (da uno a quattro) a diverse angolazioni (90°, 45° e 30°) rispetto alla 
verticale del provino e sottoposti ad una prova di compressione statica fino 
a rottura. 
Dai dati ottenuti da tali prove di compressione si sono ricavati i 
diagrammi carico-spostamento e tensione-deformazione (assiale e radiale), i 
                                              
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quali sono stati inizialmente confrontati fra di loro e successivamente 
confrontati con diversi modelli per la valutazione delle prestazioni di 
elementi strutturali cilindrici sottoposti a compressione e confinati con 
materiali compositi. 
E’ stato inoltre costruito un modello ex novo, complessivamente 
attendibile, per la valutazione delle prestazioni di elementi cilindrici 
sottoposti a compressione e confinati con il sistema PBO-FRCM tarando 
opportuni coefficienti. 
 
Programma di sperimentazione 
Nei recenti anni sono stati innumerevoli gli studi sui sistemi 
rinforzanti di strutture in cemento armato basati sull’indagine costi benefici. 
Valide soluzioni per il miglioramento strutturale hanno catturato l’interesse 
delle comunità di ricerca e, alla luce del nuovo codice sismico, sono stati 
rivisti e modificati i metodi tradizionali e sviluppati nuovi metodi, basati 
sull’uso di materiali avanzati come l’FRP (Fiber Reinforced Polymers). 
 L’utilizzo del composito FRP, applicato esternamente alla struttura da 
rinforzare, ha aumentato enormemente la possibilità di riparazione delle 
strutture in cemento armato inadeguate. 
Gli elementi strutturali che piø avrebbero bisogno di essere rinforzati 
sono le colonne in calcestruzzo armato, per questo motivo sono stati 
condotti diversi studi sulle colonne confinate e rinforzate con FRP sia con 
carico centrato, sia con carico eccentrico. 
L’obiettivo della sperimentazione svolta è quello di analizzare il 
comportamento del calcestruzzo confinato sotto un carico centrato di 
compressione. Sono stati realizzati, quindi, provini cilindrici in calcestruzzo 
rivestiti con la tecnica FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix). Il 
sistema FRCM è un modello innovativo di confinamento in quanto utilizza
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una matrice a base cementizia e non organica con fibre in PBO, 
caratterizzate da elevato modulo elastico, da notevole tenacità e resistenza a 
trazione. 
I vantaggi principali del sistema FRCM rispetto al sistema FRP sono: 
• Applicabilità nel caso di superfici bagnate; 
• Bassi costi per la matrice a base cementizia; 
• Non vi sono rischi per i lavoratori, in quanto la matrice non 
contiene solventi (presenti invece nelle resine epossidiche). 
Il sistema PBO-FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) è un 
sistema composito costituito da una rete di fibre di 
Poliparafenilenbenzobisoxazolo (PBO) e da una matrice inorganica 
stabilizzata studiata per rendere solidale la rete al supporto di calcestruzzo, 
che consente di trasmettere le sollecitazioni dalla struttura alla fibra. Grazie 
alle proprietà meccaniche delle fibre utilizzate per realizzare il composito 
(PBO), è possibile utilizzare questo sistema per ridurre le deformazioni ed 
aumentare la resistenza delle strutture ed inoltre per assorbire gli sforzi 
generati dai sovraccarichi e dagli eventi eccezionali (come ad esempio i 
terremoti). 
Il sistema FRCM viene impiegato per il rinforzo sia delle strutture in 
calcestruzzo armato, sia per le strutture in calcestruzzo armato 
precompresso, comprese quelle soggette all’azione del fuoco o ad alte 
temperature. Le principali applicazioni sono per il:  
• rinforzo a flessione;  
• rinforzo a taglio;  
• rinforzo a torsione;  
• confinamento di pilastri presso inflessi con piccola eccentricità; 
• confinamento e rinforzo longitudinale di pilastri pressoinflessi 
con grande eccentricità.
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Per quanto riguarda gli interventi in zona sismica, il sistema FRCM è 
adatto per:  
• incrementare la resistenza a flessione semplice o a 
pressoflessione di pilastri e travi;  
• incrementare la resistenza a taglio di travi e pilastri; 
•  incrementare la duttilità di travi e pilastri; 
• incrementare la resistenza a trazione dei pannelli dei nodi trave-
pilastro con le fibre disposte secondo le isostatiche di trazione. 
Per potere applicare il rinforzo sugli elementi strutturali, con il sistema 
FRCM, bisogna preparare il sottofondo, eliminando polvere e parti 
incoerenti, procedendo, quindi, ad una sabbiatura meccanica o con 
idropulitrice fino ad una totale eliminazione dello strato millimetrico della 
boiacca cementizia. Particolare attenzione deve essere rivolta ai residui 
lasciati dai trattamenti superficiali, quali pitture, disarmanti, isolanti ecc. 
Dopo questa operazione bisogna assicurarsi che la superficie risulti planare, 
se così non fosse, qualora sulla superficie fossero presenti difetti 
macroscopici, bisogna regolarizzare la superficie con malta, lasciando 
smussati gli spigoli da fasciare. 
Una volta predisposta la superficie dell’elemento da fasciare, bagnata 
con acqua fino a saturazione, bisogna preparare la matrice a base 
cementizia (nel nostro caso una matrice RUREDIL XMESH M750) 
evitando la formazione di grumi. Prima di venire applicato, l’impasto dovrà 
riposare per circa 2-3 minuti, quindi rimescolato ed applicato; 
l’applicazione della malta, dello spessore di 3-4 mm, può essere effettuata 
con frattazzo metallico liscio anche da manovalanza non specializzata. 
Dopo l’applicazione del primo strato di malta si annega la rete di fibre in 
PBO e si ricopre con un secondo strato di malta di circa 3-4 mm.
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L’innovazione del sistema FRCM è data dall’uso di matrici 
inorganiche a base cementizia (prodotti di recentissima immissione nel 
campo dei materiali compositi con fibre). Le matrici sono costituite da un 
legante idraulico pozzolanico e da additivi specifici che favoriscono lo 
sviluppo di caratteristiche meccaniche e fisiche differenti da quelle tipiche 
degli FRP con matrici organiche a base polimerica, tra cui le piø utilizzate 
sono le resine epossidiche. Le differenze principali tra la matrice a base 
cementizia e le resine epossidiche (matrice organica a base polimerica) 
sono: 
• Il modulo elastico: La matrice a base cementizia ha un valore di 6 
GPa, mentre la resina epossidica ha un valore tra 2.7 e 3.6 GPa; 
• La resistenza a trazione: la matrice cementizia ha un valore di 3.5 
MPa dopo una stagionatura di 28 giorni e la resina epossidica ha un 
valore di 40-82 MPa; 
• Resistenza alle alte temperature: La matrice inorganica ha una 
resistenza identica a quella del supporto in calcestruzzo, mentre la 
resina epossidica perde la propria caratteristica strutturale e di 
adesione con temperature maggiori ad 80°C; 
• L’idoneità all’umidità del supporto: l’umidità favorisce l’adesione 
della matrice cementizia perchØ a base inorganica, mentre non 
permette l’applicazione delle resine epossidiche; 
• La lavorabilità: La matrice cementizia ha un range di temperatura 
molto ampio, tra i 5°C e i 40°C, nel quale non vi sono grandi 
differenze di lavorabilità, mentre le resine epossidiche hanno un pot 
life in funzione della temperatura e, conseguentemente, limitano 
l’applicazione degli FRP quando le condizioni termo igrometriche 
sono sfavorevoli;
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• La tossicità: Nulla nella matrice a base cementizia e alta nelle resine 
epossidiche (sono infatti pericolose sia per contatto e sia per 
inalazione); 
• Il comportamento a rottura: duttile per la matrice cementizia e fragile 
per le resine epossidiche; 
• La viscosità: alta allo stato fluido per la matrice cementizia, che 
quindi corrisponde ad una difficile impregnazione delle fibre, bassa 
allo stato fluido per le resine epossidiche che permettono una ficile 
impregnazione delle fibre; 
• La modalità di pulizia degli attrezzi utilizzati per la posa: con sola 
acqua per gli attrezzi utilizzati per la matrice cementizia e con 
solventi o acetone per quelli usati per le resine epossidiche. 
• La resistenza al fuoco: Le proprietà meccaniche del rinforzo del 
sistema FCRM non sono influenzate dalle alte temperature e dal 
fuoco, essendo la matrice legante di natura inorganica, mentre le 
resine epossidiche ed il sistema FRP devono avere un’adeguata 
protezione al fuoco (come indicato nel CNR – DT 200/2004). 
Come si evince, l’utilizzo di una matrice a base cementizia rispetto 
alle resine epossidiche è piø conveniente, piø sicuro e di piø facile 
realizzazione (tranne per la difficoltà di impregnazione delle fibre una volta 
applicato il primo strato di matrice cementizia). La convenienza è data da 
un costo minore per la realizzazione e la sicurezza è data dall’ottimo 
comportamento dell’elemento strutturale rinforzato ad alte temperature; 
Infatti la resistenza a flessione del calcestruzzo decade in modo drastico a 
temperature superiori a +130°C, mentre i tradizionali sistemi FRP perdono 
completamente le proprie prestazioni meccaniche dopo 1 ora a +80°C, a 
causa della resina che da rigida diventa gommosa. Essa perde inoltre le sue
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proprietà di trasferire gli sforzi dal calcestruzzo alla fibra di carbonio a 
partire da +45°C.  
28 Giorni 60 Giorni
Carico Massiomo (kN)
0
10
20
30
10.6 10.8
23.3
10.4 10.7
23.1
T = +80°C
U.R. = 100%
Cls non rinforzato
C-FRP
FRCM
 
Figura 2:Confronto prestazionale tra diversi provini in condizioni termo igrometriche  di + 80°C e U.R. 
=100% durante un test accelerato 
 
In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. è riportato un 
test accelerato alle condizioni termo igrometriche di + 80°C con una 
umidità relativa U.R. pari al 100%; questo test mette a confronto un provino 
di calcestruzzo, uno di calcestruzzo rinforzato con C-FRP ed un altro 
rinforzato con il sistema FRCM, come si può notare il provino di 
calcestruzzo confinato con il sistema FRCM ha un comportamento migliore 
in quanto il rinforzo PBO-FRCM non subisce alcuna alterazione (chimica o 
meccanica), mentre il C-FRP perde il 100% della sua efficacia. 
Le fibre di PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo) sono l’ultimissimo 
ritrovato nel campo dei rinforzi strutturali (cfr. Figura 5). Il PBO è un 
polimero cristallino isotropo ad asta rigida ad alte prestazioni sviluppato da 
TOYOBO (Giappone) con il nome di PBO Zylon®, che ha sia un'elevata 
resistenza alla trazione e sia un alta resistenza termica. La fibra di PBO, di
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gran lunga superiore alle altre fibre aramidiche, mostra ottime prestazioni in 
proprietà quali: il creep, la resistenza chimica, la resistenza all’ abrasione e 
la resistenza ad alte temperature. Tutte queste eccezionali caratteristiche 
meccaniche e fisiche si arricchiscono ancora di piø per il fatto che la fibra 
in PBO possiede una ottima stabilità ed un bassissimo assorbimento in 
ambiente umido (0.6%) e una discreta flessibilità (le caratteristiche del PBO 
sono riportate in Figura 3). Il PBO Zylon è stato inventato e sviluppato 
negli anni 80 ed è stato usato per diverse applicazioni che necessitavano 
una alta resistenza del materiale con una alta stabilità termica, quali: 
racchette da tennis, funi e corde per la nautica, ecc. Successivamente, negli 
anni 90, le fibre di Zylon sono state introdotte nel campo militare come 
vestiario antiproiettile, ma solo negli ultimi anni è iniziata la 
sperimentazione nel campo dell’ingegneria per sostituire la fibra di 
carbonio. 
 
Figura 3: Caratteristiche PBO 
 
Da un confronto tra diverse tipologie di fibre (carbonio, vetro, 
aramidiche e PBO), cfr. Figura 4, si può notare, come già sottolineato 
precedentemente, che le caratteristiche meccaniche delle fibre in PBO sono 
superiori a quelle delle altre fibre, infatti le fibre in PBO hanno un elevato 
valore di carico a rottura con una discreta duttilità.
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PBO
Carbonio H-M
Carbonio
Aramide H-M
Aramide
Vetro - S
Vetro -E
Acciaio
Deformazione %
Tensione (MPa)
0
0
1 2 3 4 5
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
 
Figura 4: Confronto tensione-deformazione tra le fibre di: carbonio, vetro, aramide e PBO 
 
 
Figura 5: Fibre di PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo)
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I maggiori obiettivi del programma di sperimentazione svolto presso il 
“Laboratorio Prove Materiali e Strutture”del Dipartimento di Strutture 
dell’Università della Calabria sono: 
• Investigare l’efficacia del confinamento delle fibre di PBO 
impregnate con malta a base cementizia (FRCM) su provini 
cilindrici (con diametro pari a 150 mm e altezza pari a 300 
mm) al variare della loro inclinazione a 90°, 45° e 30° rispetto 
alla verticale; 
• Confrontare le prestazioni (in termini di tensione e di 
deformazioni assiali) del confinamento con fibre in PBO con 
diversa angolazione (α= 90°, 45° e 30°); 
• Confrontare le prestazioni (in termini di picco della forza e 
incrementi di deformazioni assiali ultime) dei provini cilindrici 
con diverso valore della resistenza a compressione del 
calcestruzzo, Rck, e con diversa angolazione (α= 90°, 45° e 
30°), confinati usando il sistema FRCM. 
Le diverse fasi che hanno caratterizzato il programma di 
sperimentazione si possono sintetizzare come segue: 
• Realizzazione di provini cilindrici in calcestruzzo (con Rck=20 
N/mm
2 
ed Rck=35 N/mm
2
); 
• Applicazione del confinamento in FRCM, con diverse 
angolazioni, sui provini cilindrici; 
• Prove di compressione su provini cilindrici di controllo non 
confinati per determinare le caratteristiche meccaniche; 
• Prove di compressione su provini cilindrici confinati per 
l’aumento delle caratteristiche meccaniche rispetto ai provini di 
controllo non confinati; 
• Elaborazione dei risultati;
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• Confronto dei risultati tra provini con medesimo Rck, ma con 
angolazione delle fibre in PBO differente; 
• Confronto dei risultati tra i diversi provini cilindrici con Rck 
differente e con angolazione delle fibre in PBO differente.