Changing the Cross-Sectional Shapes of the Prestressed Rovings in Warp-Knitted Glass and Carbon Reinforcing Fabrics

Nel mondo dell'edilizia, il calcestruzzo è una meraviglia della compressione: è incredibilmente resistente quando viene schiacciato, ma si crepa facilmente quando viene teso. Per correggere questa debolezza, gli ingegneri inseriscono barre d'acciaio all'interno del calcestruzzo, una tecnica nota come rinforzo. Tuttavia, l'acciaio ha un difetto: arrugginisce. Negli ultimi decenni, i costruttori si sono rivolti a un tipo diverso di rinforzo fatto da migliari di minuscole fibre di vetro o carbonio raggruppate insieme. Questi fasci, chiamati roving, vengono tessuti in tessuti che vengono poi tesi e inseriti nel calcestruzzo. Questo processo, chiamato precompressione, sottopone il calcestruzzo a una pressione costante, permettendo alle strutture di essere più sottili, leggere e molto più resistenti alle crepe. La chiave per far funzionare tutto questo risiede nel tessuto stesso. Quando questi fasci di fibre vengono tirati, non si limitano a allungarsi come un elastico; la loro forma interna cambia. I migliaia di singoli fili all'interno del fascio si spostano, scivolano e si riorganizzano. Se il fascio si schiaccia troppo o cambia forma nel modo sbagliato, può perdere la sua presa sul calcestruzzo circostante, indebolendo l'intera struttura. Comprendere esattamente come questi fasci si deformano sotto tensione è essenziale per prevedere quanto durerà un edificio e quanto peso potrà sopportare in sicurezza.

I ricercatori della Politecnica della Grande Pietro il Grande di San Pietroburgo si sono posti l'obiettivo di osservare questo riarrangiamento invisibile in tempo reale. Si sono concentrati su due tipi specifici di tessuti a maglia warp, un metodo di produzione che crea strutture aperte e simili a una rete. Un tipo di tessuto utilizza un motivo di maglia chiamato "tricot", che crea una struttura diagonale e interlockata, mentre l'altro utilizza un punto "pillar", che forma un modello più verticale, simile a una catena. Il team ha testato tessuti realizzati sia con fibre di vetro che di carbonio, sottoponendoli a livelli crescenti di tensione. Non si sono limitati a tirare il tessuto fino alla rottura; al contrario, si sono fermati a punti specifici — il 25%, il 50% e il 75% della massima resistenza del tessuto — per esaminare cosa stesse accadendo all'interno. Per farlo, hanno congelato il tessuto nel suo stato teso utilizzando una resina a rapida indurimento, hanno tagliato piccole fette e le hanno osservate sotto un potente microscopio. Hanno poi utilizzato un software per mappare la posizione di ogni singolo filamento all'interno della sezione trasversale del fascio, creando un quadro statistico dettagliato di come i fili si muovevano all'aumentare del carico.

I risultati hanno rivelato una differenza drammatica tra i due motivi di maglia. Nei tessuti realizzati con il punto tricot, la sezione trasversale del fascio di fibre cambiava significativamente all'aumentare del carico. Inizialmente, questi fasci avevano una forma ovale e piatta, con le fibre distribuite su un'area ampia. Con l'aumentare della tensione, il fascio ha iniziato a comprimersi, perdendo la sua piattezza e diventando più circolare. Le fibre, che un tempo erano disperse, migravano verso l'interno, verso il centro del fascio. Questo riarrangiamento è avvenuto più rapidamente nelle prime fasi di allungamento, specificamente tra l'inizio e il 25% del carico massimo. Quando il tessuto ha raggiunto il 75% della sua forza, il fascio si era trasformato in una forma molto più vicina a un cerchio e le fibre erano densamente impacchettate vicino al centro. Questo spostamento significava che il fascio stava perdendo contatto con il materiale circostante, un fattore critico perché il legame tra la fibra e il calcestruzzo dipende dalla superficie di contatto del fascio con il cemento.

Al contrario, i tessuti realizzati con il punto pillar si sono comportati in modo molto diverso. Questi fasci partivano da una forma quasi circolare e sono rimasti tali durante l'intero processo di stiramento. Anche quando la tensione aumentava fino al 75% della forza massima, la sezione trasversale dei fasci a punto pillar si restringeva solo leggermente in diametro. Le fibre non migravano drasticamente verso il centro; al contrario, mantenevano la loro distribuzione originale e uniforme. I ricercatori hanno scoperto che il punto pillar forniva una geometria molto più stabile, resistendo all'appiattimento e alla rimodellazione che avvenivano nei campioni tricot. Questa stabilità suggerisce che il punto pillar potrebbe offrire una presa più costante sul calcestruzzo, poiché la forma del rinforzo non subisce una trasformazione radicale sotto carico.

Lo studio ha anche evidenziato che questa rimodellazione non è solo una questione di riduzione delle dimensioni del fascio; si tratta di una complessa migrazione interna di migliaia di singoli filamenti. Nel punto tricot, le fibre si spostano dai bordi esterni verso il nucleo, riducendo efficacemente la "lunghezza di contatto" — il perimetro del fascio che tocca il calcestruzzo. I ricercatori hanno calcolato che la lunghezza di contatto diminuisce bruscamente nel primo quarto del processo di stiramento, dopodiché si stabilizza. Questo risultato suggerisce che i cambiamenti più critici avvengono precocemente e che tendere il tessuto oltre un certo punto non altera significativamente l'organizzazione interna. È stata inoltre notata la differenza tra le fibre di vetro e quelle di carbonio, con i fasci di carbonio che contengono molti più filamenti individuali rispetto a quelli di vetro, sebbene entrambi seguissero le stesse regole generali dettate dal motivo di maglia.

In definitiva, questo lavoro fornisce una mappa chiara di come questi tessuti tecnologici si comportano sotto sforzo. Dimostra che la scelta del motivo di maglia non è un semplice dettaglio di produzione, ma un fattore fondamentale nel modo in cui il rinforzo interagisce con il calcestruzzo. Per gli ingegneri che progettano strutture in calcestruzzo precompresso, ciò significa che il punto tricot, pur essendo comune, subisce una significativa trasformazione geometrica che potrebbe influenzare le prestazioni a lungo termine del materiale. Il punto pillar, mantenendo la propria forma, offre un profilo meccanico differente. La ricerca conferma che per prevedere la forza e la durata di queste moderne strutture, bisogna guardare oltre la semplice resistenza delle fibre e comprendere la complessa e mutevole geometria dei fasci che le tengono insieme.