Experimental and analytical investigation on bond behavior between steel bars and steel fiber reinforced recycled aggregate concrete

Sintesi Tecnica: Investigazione Sperimentale e Analitica sul Comportamento di Adesione tra Barre d'Acciaio e Calcestruzzo con Aggregati Riciclati Rinforzato con Fibre d'Acciaio

Definizione del Problema
La rapida esaurimento delle risorse naturali di sabbia e pietra, unito all'accumulo di rifiuti da costruzione e demolizione, ha reso necessario l'uso del Calcestruzzo con Aggregati Riciclati (RAC). Tuttavia, il RAC presenta proprietà meccaniche inferiori rispetto al Calcestruzzo con Aggregati Naturali (NAC), tra cui minore resistenza alla compressione e alla trazione, durabilità ridotta e prestazioni di adesione compromesse tra l'armatura in acciaio e la matrice cementizia. Questi difetti intrinsechi, attribuiti alla minore resistenza, al maggiore assorbimento d'acqua e alla porosità dell'aggregato grosso riciclato (RA), ne limitano l'applicazione in elementi strutturali. Sebbene l'aggiunta di fibre d'acciaio (SF) sia riconosciuta come un metodo efficace per migliorare le proprietà meccaniche e la duttilità del RAC, esiste una mancanza di dati esaustivi riguardanti il comportamento adesione-scorrimento (bond-slip) tra barre d'acciaio e il Calcestruzzo con Aggregati Riciclati Rinforzato con Fibre d'Acciaio (SFRAC), in particolare per le varianti a resistenza normale. Gli studi esistenti si concentrano spesso su varianti ad alta resistenza o fibre ibride, lasciando un vuoto nella comprensione dei meccanismi di adesione fondamentali e dei modelli costitutivi per lo SFRAC nelle strutture ingegneristiche pratiche.

Metodologia
Questo studio ha impiegato un approccio sistematico combinando test sperimentali, analisi microscopica, modellazione analitica e simulazione numerica:

1. Programma Sperimentale: Sono stati condotti un totale di 27 test di pullout su provini di adesione. I parametri di test includevano quattro variabili: classe di resistenza del calcestruzzo (C30, C45, C60), rapporto di sostituzione dell'aggregato grosso riciclato (RCA) (0%, 50%, 100%), frazione volumetrica delle fibre d'acciaio (0%, 1,0%, 1,5%) e lunghezza di ancoraggio (3d, 5d, 7d, dove d è il diametro della barra). I provini hanno utilizzato barre d'acciaio HRB400 (diametro 16 mm) immerse in blocchi cubici di calcestruzzo da 150 mm.
2. Analisi Microstrutturale: La microscopia elettronica a scansione (SEM) è stata utilizzata per caratterizzare la zona di transizione interfacciale (ITZ) e il meccanismo di adesione delle fibre d'acciaio all'interno della matrice cementizia.
3. Modellazione Analitica: Sulla base delle curve sperimentali tensione-scorrimento (stress-slip) di adesione, è stato sviluppato un modello costitutivo a quattro sezioni (ascendente, orizzontale, discendente e residua). È stata eseguita un'analisi statistica per derivare formule predittive per la resistenza di adesione ultima e residua in funzione della resistenza del calcestruzzo, del rapporto di sostituzione dell'RCA, delle caratteristiche delle fibre d'acciaio e della lunghezza di ancoraggio.
4. Analisi agli Elementi Finiti (FEA): Le simulazioni numeriche sono state eseguite utilizzando il software ABAQUS. È stato stabilito un modello a simmetria di un quarto utilizzando elementi C3D8R per calcestruzzo e acciaio. Per simulare il comportamento di adesione senza modellare esplicitamente la geometria delle nervature (che causa problemi di convergenza), è stato implementato un elemento a molla non lineare (Spring2) tramite la modifica del file INP per rappresentare la relazione costitutiva tensione-scorrimento derivata dai dati sperimentali.

Risultati Chiave

• Modi di Cedimento: Sono stati osservati tre modi primari di cedimento: spacco (prevalente nei provini senza fibre d'acciaio), snervamento della barra d'acciaio (osservato in provini ad alta resistenza, alta percentuale di fibre o lunga ancoratura) e sfilamento (comune in provini con alta percentuale di fibre e breve ancoratura). L'aggiunta di fibre d'acciaio ha migliorato significativamente l'integrità dei provini, prevenendo i cedimenti fragili per spacco.
• Tendenze della Resistenza di Adesione:
  • Resistenza del Calcestruzzo: Sia la resistenza di adesione ultima che quella residua sono aumentate con classi di resistenza del calcestruzzo più elevate.
  • Sostituzione RCA: La resistenza di adesione è diminuita all'aumentare del rapporto di sostituzione dell'RCA, a causa della più debole ITZ e della minore resistenza degli aggregati riciclati.
  • Lunghezza di Ancoraggio: La resistenza di adesione è diminuita all'aumentare della lunghezza di ancoraggio a causa della distribuzione non uniforme dello sforzo di adesione lungo la barra.
  • Fibre d'Acciaio: La frazione volumetrica delle fibre d'acciaio ha avuto un effetto trascurabile sulla resistenza di adesione ultima, ma ha migliorato significativamente la resistenza di adesione residua. I provini con contenuto di fibre dell'1,0% e dell'1,5% hanno mostrato aumenti della resistenza residua di circa il 73% e il 77%, rispettivamente, rispetto al RAC privo di fibre.
• Risultati Microstrutturali: L'analisi SEM ha confermato che le fibre d'acciaio creano efficacemente ponti sulle crepe e ostacolano la loro propagazione. L'ITZ tra la fibra e la malta cementizia ha mostrato la formazione di gel C-S-H, contribuendo al miglioramento delle prestazioni post-fessurazione.
• Accuratezza del Modello: Il modello proposto della curva costitutiva tensione-scorrimento a quattro sezioni ha dimostrato un'elevata accuratezza, con un rapporto medio tra la resistenza di adesione ultima sperimentale e quella calcolata di 1,013 e la resistenza residua di 0,950. Le simulazioni agli elementi finiti utilizzando il metodo dell'elemento a molla proposto hanno replicato con successo le curve carico-scorrimento sperimentali e le distribuzioni di tensione.

Significato e Rivendicazioni
Il documento afferma che il modello analitico proposto e il metodo di simulazione agli elementi finiti forniscono uno strumento pratico e accurato per prevedere il comportamento di adesione tra barre d'acciaio e SFRAC. Nello specifico, lo studio asserisce che:

1. Il modello costitutivo derivato può simulare accuratamente l'intera risposta adesione-scorrimento, inclusa la fase residua critica in cui le fibre d'acciaio giocano un ruolo dominante.
2. Il metodo FEA proposto, che utilizza elementi a molla non lineari per rappresentare il comportamento di adesione, offre un'alternativa computazionalmente efficiente alla complessa mesh delle geometrie delle nervature, riducendo significativamente il carico di lavoro per i ricercatori che analizzano le strutture in SFRAC.
3. I risultati validano la fattibilità dell'uso di SFRAC in applicazioni strutturali, a condizione che le specifiche caratteristiche di adesione-scorrimento — in particolare l'aumento della resistenza residua dovuto alle fibre d'acciaio — siano tenute in considerazione nella progettazione e nell'analisi.

Lo studio conclude che la comprensione di questi meccanismi di adesione è essenziale per promuovere l'applicazione dello SFRAC nelle strutture in calcestruzzo armato, colmando il divario tra innovazione dei materiali e pratica dell'ingegneria strutturale.