La resistenza a trazione dei calcestruzzi fibro-rinforzati (FRC): verità o falso mito?

I calcestruzzi altamente performanti (HPC) maggiormente utilizzati oggi sono quelli rinforzati con fibre di vario genere in sostituzione alla classica armatura metallica.

Per riferirsi a questi calcestruzzi si usa il termine FRC (in inglese, Fiber Reinforced Concrete).

Le fibre utilizzate nella composizione di questi materiali sono diverse, quelle più significative sono le fibre di vetro, quelle metalliche, quelle polimeriche e quelle in carbonio o in materiale naturale.

Molto spesso si sente affermare che una delle principali caratteristiche di questi calcestruzzi è la maggior resistenza a trazione rispetto ai calcestruzzi ordinari.

Prima di entrare nello specifico dei calcestruzzi fibro-rinforzati però consideriamo per un momento il calcestruzzo ordinario, per il quale si possono distinguere, in funzione dell’entità del carico ad esso applicato, tre stadi di comportamento.

Per carichi bassi che inducono nel materiale tensioni e deformazioni piccole si può definire il primo stadio, nel quale si ipotizza un comportamento del calcestruzzo di tipo elastico lineare uguale a compressione e a trazione. Questo modello viene utilizzato ad esempio nelle verifiche a fessurazione per il calcolo del momento flettente o dello sforzo normale che porta alla formazione della prima fessura.

Per carichi che inducono nel materiale tensioni e deformazioni maggiori è possibile individuare il secondo stadio. In questo caso si considera un comportamento elastico lineare solo per il calcestruzzo compresso trascurando completamente la resistenza a trazione in quanto, superata quest’ultima, nel calcestruzzo si formano fessure che impediscono la trasmissione delle tensioni.

Infine per carichi elevati che portano a deformazioni ingenti nel calcestruzzo è necessario considerare l’andamento non lineare del legame costitutivo σ – ε dimostrato dalle prove sperimentali, definendo il terzo stadio di comportamento. Anche in questo caso la resistenza a trazione del calcestruzzo viene trascurata per i motivi sopra citati.

Considerando a questo punto i calcestruzzi fibro-rinforzati, contrariamente a quanto si crede, l’aggiunta di fibre non migliora la resistenza a trazione del calcestruzzo nella fase pre-fessurata, ma modifica sensibilmente il comportamento a trazione della matrice cementizia in fase fessurata.

In funzione del quantitativo presente nella matrice si possono avere due tipi diversi di comportamento: per un quantitativo basso di fibre il comportamento si definisce di tipo degradante, ovvero il materiale

resiste a sollecitazioni di trazione a patto che queste siano inferiori a quella che ha provocato la prima fessura; diversamente, per un quantitativo alto di fibre il comportamento si definisce di tipo incrudente ovvero grazie alla presenza delle fibre che tendono a “cucire” le fessure si verifica un aumento della resistenza del materiale. La tensione di collasso è quindi maggiore della tensione che ha provocato la prima fessura.

Si parla in questo caso di resistenza a trazione residua del calcestruzzo fibro-rinforzato, la quale permette contrariamente al calcestruzzo ordinario, identificato solamente tramite la sua resistenza a compressione (f_ck/R_ck), una sua ulteriore classificazione in termini di caratteristiche meccaniche.