IT202000004390A1

IT202000004390A1 - Procedimento per la realizzazione di una matrice cementizia con sfridi e/o scarti derivanti dall’industria di compositi in carbonio, particolarmente sfridi di tessuti preimpregnati, e malta cementizia ottenuta mediante tale procedimento

Info

Publication number: IT202000004390A1
Application number: IT102020000004390A
Authority: IT
Inventors: Domenico Asprone; Costantino Menna; Luca Scudieri
Original assignee: Tecno Tessile Adler S R L
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-09-02
Also published as: WO2021176354A1

Description

TITOLO

?PROCEDIMENTO PER LA REALIZZAZIONE DI UNA MATRICE CEMENTIZIA CON SFRIDI E/O SCARTI DERIVANTI DALL?INDUSTRIA DI COMPOSITI IN CARBONIO, PARTICOLARMENTE SFRIDI DI TESSUTI PREIMPREGNATI, E MALTA CEMENTIZIA OTTENUTA MEDIANTE TALE PROCEDIMENTO?

DESCRIZIONE

Campo del trovato

La presente invenzione ha per oggetto un procedimento per la realizzazione di una malta cementizia, nonch? di elementi di materiale cementizio ottenuti da tale malta, contenenti un prodotto di rinforzo fibroso (in particolare comprendente fibre di carbonio) derivante dal riciclo di sfridi di tessuti preimpregnati (?prepreg?) utilizzati nella produzione di manufatti che utilizzano tali preimpregnati. Forma oggetto del trovato anche un procedimento per ottenere tale prodotto di rinforzo fibroso ottenuto da un processo secondario a partire da sfridi di materiale composito preimpreganto.

L?invenzione pu? trovare vantaggiosa applicazione nel settore della formulazione di composizioni cementizie da utilizzare ad esempio nel settore edilizio, per legare insieme elementi di muratura, per il recupero/ripristino di strutture in muratura, per il rinforzo strutturale in genere e per la realizzazione di elementi prefabbricati o simili.

Background del trovato

Le fibre di carbonio, per la loro natura, instaurano un buon legame interfacciale con la matrice cementizia. Le elevate caratteristiche di resistenza e rigidezza delle fibre, conferiscono eccellenti vantaggi nell? utilizzo di composti CFRC (Carbon Fiber Reinforced Concrete), tra cui:

? elevata resistenza a trazione e flessione, anche dopo la fessurazione della matrice; ? aumento della resistenza a compressione;

? ottima resistenza alle abrasioni, agli urti e ai carichi dinamici in generale;

? tolleranza alle elevate temperature e bassa dilatazione termica;

? elevata resistenza alla corrosione.

Il CFRC ? un materiale di grande interesse tecnologico grazie alla combinazione di buone propriet? strutturali ed eccezionali propriet? elettriche. Infatti, l?utilizzo di un?appropriata quantit? di fibre di carbonio nella matrice cementizia pu? regolare la conduttivit? elettrica. Un fattore che limita l?utilizzo dei composti fibrorinforzati con fibre di carbonio in ambito delle costruzioni ? l?elevato costo di produzione rispetto ad altri materiali sintetici, anche se trovano maggiore impiego in questo settore le fibre a base bituminosa di costo inferiore a quelle derivanti da poliacrilonitrile (PAN).

L'uso efficace delle fibre di carbonio nel cemento richiede una dispersione omogenea nella matrice cementizia, in quanto ne influenza direttamente le propriet? meccaniche ed elettriche. Vengono quindi aggiunti nell?impasto quantit? appropriate di additivi, come fumo di silice, a cui si aggiunge in genere una piccola quantit? di metilcellulosa per favorire la dispersione delle fibre e la lavorabilit? della miscela.

Per diminuire il costo dei manufatti realizzati in CFRC si sono anche utilizzate fibre di riciclo derivanti da scarti di altre lavorazioni. Ad esempio, la realizzazione di elementi di calcestruzzo che utilizzano rinforzi di fibre di carbonio di riciclo ? nota da WO2013/079482. Tale documento fa riferimento a scarti di fibre di lavorazione, senza entrare nel dettaglio sulla provenienza di tali scarti. Numerosi altri documenti descrivono l?utilizzo di fibre di carbonio per l?ottenimento di calcestruzzi fibro-rinforzati, tra cui ad esempio WO2012/174414 ed US7341627.

La richiedente ha indagato su particolari sfridi contenenti fibre di carbonio, e cio? su tessuti pre-impregnati utilizzati nella realizzazione di manufatti per vari tipi di industrie, ad esempio quella automobilistica o aerospaziale. Per tessuti pre-impregnati o ?pre-preg? si intende un tessuto in fibra di carbonio pre-impregnato di resina epossidica pre-catalizzata, che garantisce una maggiore flessibilit? delle forme nelle operazioni di laminazione manuale (?wet-lay-up?) o automatizzata. Questi tessuti pre-impregnati garantiscono una maggiore flessibilit? nella scelta degli spessori, un pregio determinante quando si sviluppano ad esempio componenti di un'auto sportiva, in cui la rigidezza delle diverse parti del telaio ? fondamentale. Un aspetto vantaggioso ? che il rinforzo risulta gi? contenere il materiale matrice, quale una resina epossidica, ed ? pertanto gi? pronto per la manipolazione ed il deposito in uno stampo senza una preventiva aggiunta di resine impregnanti tramite i classici processi produttivi quali la laminazione manuale, l?infusione o l?iniezione. Una volta inserito nello stampo il pre-preg viene poi consolidato mediante infusione di ulteriore resina.

A valle del processo di produzione e trattamento dei pezzi sagomati di tessuto ?pre-preg? realizzati dall?attivit? industriale, viene generata una mole significativa di sfridi. Il riciclo di siffatti materiali ? intrinsecamente complesso a causa della loro composizione (fibre, matrice e riempitivi), della natura reticolata delle resine termoindurenti (che non possono essere riconvertite allo stato pre-polimerizzato) e della combinazione con altri materiali (fissaggi di metallo, materiale a nido d'ape, compositi ibridi, ecc.). Attualmente, la maggior parte dei rifiuti derivanti da CFRP ?Carbon Fiber Reinfroced Polymer? o da pre-preg dello stesso tipo viene messa in discarica come rifiuto speciale o conferita ad incenerimento.

Numerose imprese in diversi settori sono costrette a fronteggiare simili criticit? in relazione allo smaltimento di un quantitativo significativo di fibre, che incide sia in termini economici sia di impatto ambientale. In generale, queste sono soluzioni insoddisfacenti per diversi motivi:

? Impatto ambientale;

? Legislazione;

? Costo di produzione;

? Gestione delle risorse;

? Opportunit? economica.

La richiedente ha ottimizzato un processo secondario per il riutilizzo degli sfridi derivanti da tessuti pre-impregnati a base di fibre di carbonio. Il prodotto di rinforzo fibroso ottenuto ? poi impiegato mediante inclusione di siffatte fibre in una malta cementizia.

Scopo della presente invenzione ? pertanto quello di fornire un metodo di produzione secondario per il riutilizzo degli sfridi di pre-impregnati di fibre di carbonio, il cui prodotto di rinforzo fibroso ottenuto ? da utilizzarsi realizzazione di malte e manufatti cementizi derivanti da dette malte, nonch? di fornire manufatti cementizi ottenuti mediante tale metodo.

Un primo obiettivo della presente invenzione ? pertanto quello di mettere a disposizione un procedimento di produzione di malte cementizie in cui il rinforzo ? ottenuto da un metodo di riutilizzo degli sfridi di pre-pregs in carbonio ed utilizzato sia in aggiunta alla composizione di base di una malta cementizia (ove per composizione di base si intendono solo i relativi componenti solidi ovvero la miscela di detti componenti solidi con acqua), per aumentare le prestazioni meccaniche dei manufatti ottenuti da tale composizione, sia in sostituzione parziale del cemento o degli inerti (sabbia o comunque materiali rocciosi a grana fine) utilizzati in una composizione base di malta cementizia, per diminuire il costo finale dei manufatti o giunzioni di elementi strutturali senza alcun decadimento o con un incremento delle prestazioni meccaniche dello stesso o per un miglioramento delle prestazioni ambientali (riduzione di cemento).

I vantaggi ulteriori del procedimento secondo l?invenzione derivano dall?evitare un trattamento dei rifiuti industriali costituiti da sfridi di tessuti preimpregnati a valle della produzione di elementi di materiale polimerico rinforzati con fibre di carbonio.

? inoltre scopo della presente invenzione quello di mettere a disposizione elementi strutturali che derivano dall?utilizzo di malte cementizie assieme a sfridi di tessuti preimpregnati di fibre di carbonio e che presentino mediamente una resistenza meccanica superiore a quella degli elementi senza dette fibre di rinforzo. O anche stesse prestazioni ma con minore quantit? di fase legante (cemento) che costituisce notoriamente il componente che ne determina la resistenza meccanica.

Le malte cementizie secondo l?invenzione possono essere vantaggiosamente utilizzate per la stampa tridimensionale o stampa 3D con cui vengono realizzati elementi strutturali mediante stampante tridimensionale o stampante 3D con una tecnologia additiva di materiale (produzione additiva, cosiddetta Additive Manufacturing).

Questi scopi ed altri ancora, che appariranno maggiormente dalla dettagliata descrizione seguente, sono sostanzialmente raggiunti da un procedimento di realizzazione di malte cementizie nonch? da elementi strutturali ottenuti da malte realizzate mediante tale procedimento in accordo con quanto espresso in una o pi? delle allegate rivendicazioni e/o dei seguenti aspetti, presi da soli o in una qualsiasi combinazione tra loro o in combinazione con una qualsiasi delle allegate rivendicazioni.

Sommario

Gli aspetti dell?invenzione sono qui di seguito descritti.

In un primo aspetto indipendente ? previsto un procedimento per l?ottenimento di un prodotto di rinforzo fibroso ottenuto da un processo industriale di riutilizzo di fibre derivanti da sfridi di materiale composito pre-impregnato (?pre-preg?), detto prodotto di rinforzo fibroso essendo riutilizzabile quale materiale di rinforzo e/o riempitivo in una matrice di altro materiale, in particolare in una matrice cementizia, e comprendendo le seguenti fasi:

? trattare termicamente mediante riscaldamento detti sfridi e/o spezzoni e/o frammenti di detti sfridi ad una temperatura e per una durata temporale tali da polimerizzare almeno parzialmente una resina contenuta in detti sfridi;

? frammentare, ad esempio mediante triturazione, detti sfridi e/o spezzoni di sfridi per ottenere frammenti con fibre di rinforzo,

? separare, ad esempio mediante setacciatura meccanica, detti frammenti al fine di ottenere una pluralit? di frammenti in almeno un predeterminato intervallo dimensionale, il prodotto di rinforzo fibroso comprendendo detta pluralit? di frammenti nel predeterminato intervallo dimensionale.

In un secondo aspetto indipendente ? previsto un procedimento per la realizzazione di una matrice cementizia contenente un prodotto di rinforzo fibroso ottenuto da un processo industriale di riutilizzo di fibre derivanti da sfridi di materiale composito pre-impregnato (?prepreg?), caratterizzato dal fatto che comprende un procedimento per l?ottenimento del prodotto di rinforzo fibroso che prevede le fasi seguenti:

? separare, ad esempio mediante setacciatura meccanica, detti frammenti al fine di ottenere una pluralit? di frammenti in almeno un predeterminato intervallo dimensionale, il prodotto di rinforzo fibroso comprendendo detta pluralit? di frammenti nel predeterminato intervallo dimensionale;

il procedimento per la realizzazione della matrice cementizia comprendendo inoltre miscelare il prodotto di rinforzo fibroso con almeno acqua, cemento e materiali inerti per l?ottenimento di detta matrice cementizia rinforzata inglobante il prodotto di rinforzo fibroso. In un ulteriore aspetto secondo gli aspetti precedenti, gli sfridi di tessuto pre-impregnato, preliminarmente al riscaldamento, sono sottoposti ad una frantumazione preliminare al fine di ottenere spezzoni di sfridi di dimensioni predeterminate.

In un ulteriore aspetto secondo l?aspetto precedente, gli spezzoni ottenuti dalla frantumazione preliminare presentano mediamente una lunghezza inferiore a 50 mm, in particolare inferiore a 30 mm, ancor pi? in particolare inferiore a 20 mm.

In un ulteriore aspetto secondo gli aspetti precedenti, la temperatura di riscaldamento ? superiore o uguale a 80?, in particolare superiore o uguale a 90? C, ed la durata temporale ? uguale o superiore a 20 minuti, in particolare 30 minuti.

In un ulteriore aspetto secondo gli aspetti precedenti, detta miscelazione ? realizzata aggiungendo il prodotto di rinforzo fibroso ad una predeterminata composizione della matrice cementizia, detta predeterminata composizione comprendendo in proporzione una parte di cemento, tre parti di sabbia, in particolare sabbia standard CEN, e met? parte di acqua con rapporto acqua/cemento=0,50.

In un ulteriore aspetto secondo gli aspetti precedenti, detta miscelazione ? realizzata sostituendo parzialmente un costituente solido di una predeterminata composizione della matrice cementizia, detta predeterminata composizione comprendendo in proporzione una parte di cemento, tre parti di sabbia, in particolare sabbia standard CEN, e met? parte di acqua con rapporto acqua/cemento=0,50.

In un ulteriore aspetto secondo gli aspetti precedenti, il prodotto di rinforzo fibroso ? in una percentuale volumetrica della matrice cementizia compresa tra 1 e 10% e/o in cui detti frammenti presentano una lunghezza compresa tra 1 e 5 mm.

In un ulteriore aspetto secondo gli aspetti precedenti, il prodotto di rinforzo fibroso sostituisce almeno un componente solido della malta di base in una percentuale volumetrica compresa tra il 3% e 15 % e/o in cui detti frammenti presentano una lunghezza compresa tra 2 e 15 mm.

In un ulteriore aspetto secondo gli aspetti precedenti, il prodotto di rinforzo fibroso ? ottenuto da un processo industriale di riutilizzo di un materiale composito comprendente fibre di carbonio.

Un ulteriore aspetto indipendente riguarda una composizione per una matrice cementizia, in particolare malta cementizia, comprendente un prodotto di rinforzo costituito da una pluralit? di frammenti con fibre di rinforzo derivanti da sfridi di tessuto pre-impregnato di fibre di carbonio frantumati e sottoposti a trattamento termico per polimerizzare la resina del tessuto, detta composizione comprendendo sabbia e cemento ed in cui la percentuale volumetrica di detto prodotto di rinforzo rispetto alla sabbia e cemento ? compresa tra 1 e 15%, in particolare tra 1 e 4%, ed in cui la lunghezza di detti frammenti ? compresa tra 1 e 15 mm, in particolare tra 2 e 5 mm.

In un ulteriore aspetto ? previsto un processo industriale secondario a partire da sfridi di pre-preg per l?ottenimento di un rinforzo fibroso da utilizzarsi in una malta cementizia, comprendente un riscaldamento degli sfridi di materiale pre-impregnato ad una temperatura e per una durata tali da assicurare la polimerizzazione della resina contenuta in detti sfridi, una triturazione di detti sfridi per ottenere frammenti di fibre di rinforzo, una setacciatura di detti frammenti al fine di ottenere frammenti in un predeterminato intervallo dimensionale (di diametro e lunghezza), mix design della malta a partire dalle dimensioni del rinforzo e dal target prestazionale richiesto e una miscelazione di detti frammenti con i componenti di una malta cementizia (cemento, materiale roccioso a grana fine, acqua).

In un secondo aspetto dell?invenzione gli sfridi di tessuto pre-impregnato, preliminarmente al riscaldamento, sono sottoposti ad una frantumazione preliminare al fine di ottenere spezzoni di fibre di dimensioni predeterminate.

In un terzo aspetto dell?invenzione, gli spezzoni di fibre ottenuti dalla frantumazione preliminare presentano una lunghezza inferiore a 30 mm.

In un quarto aspetto dell?invenzione la temperatura di riscaldamento ? superiore o uguale a 90? C ed il tempo ? uguale o superiore a 30 minuti.

In un quinto aspetto dell?invenzione la miscelazione ? realizzata aggiungendo i frammenti di fibre ad una malta cementizia di base.

In un sesto aspetto dell?invenzione, la miscelazione ? realizzata sostituendo parzialmente un costituente della malta cementizia scelto tra sabbia e cemento.

In un settimo aspetto dell?invenzione, i frammenti sono aggiunti alla malta cementizia di base in una percentuale volumetrica compresa tra 1 e 10% ed presentano una lunghezza compresa tra 1 e 5 mm.

In un ottavo aspetto dell?invenzione, i frammenti sostituiscono la sabbia o il cemento della malta cementizia di base in una percentuale volumetrica compresa tra il 3% e il 15 % e presentano una lunghezza compresa tra 2 e 20 mm.

In un nono aspetto dell?invenzione, gli elementi di materiale cementizio ottenuti dal procedimento secondo l?invenzione comprendono frammenti di fibre di rinforzo derivanti da sfridi di tessuto pre-impregnato di fibre di carbonio frantumati e sottoposti a trattamento termico per polimerizzare la resina del tessuto, in cui la percentuale volumetrica di dette fibre rispetto ad una malta cementizia di base ? compresa tra 1 e 7.5% ed in cui la lunghezza di detti frammenti ? compresa tra 1 e 5 mm.

In un decimo aspetto dell?invenzione, gli elementi di materiale cementizio contengono frammenti di fibre di carbonio aggiunti ad una malta cementizia di base in percentuale volumetrica compresa tra l?1 ed il 2%, e con una lunghezza compresa tra 1 e 2 mm.

In un undicesimo aspetto dell?invenzione, gli elementi di materiale cementizio contengono frammenti di fibre di carbonio che sostituiscono parzialmente la sabbia della malta cementizia di base e sono presenti in percentuale volumetrica compresa tra il 3% e 4%, preferibilmente nell?intorno del 4%, e con una lunghezza compresa tra 2 e 10 mm. Con il termine ?intorno? si intende qui un intervallo compreso tra il -1% e 1% rispetto al valore individuato.

In un dodicesimo aspetto dell?invenzione, gli elementi di materiale cementizio contengono frammenti di fibre di carbonio che sostituiscono parzialmente il cemento della malta cementizia di base e sono presenti in percentuale volumetrica nell?intorno del 6.4%, e con una lunghezza compresa tra 2 e 5 mm.

Alla luce di un tredicesimo aspetto dell?invenzione, i frammenti di fibre presentano un rapporto lunghezza/diametro (L/D) inferiore o uguale a 10 (in particolare a 6). A tale proposito si puntualizza che gli spezzoni di fibre triturate di rinforzo derivano da fibre unite fra loro durante la preparazione del tessuto pre-impregnato e che pertanto non hanno usualmente delle dimensioni ?regolari?.

Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, le fibre di carbonio riciclate vengono aggiunte ad una miscela cementizia di tipo standard, ad esempio classe M10, con dimensioni delle fibre distribuite nelle classi di diametro 0.7-1 mm, 1-2 mm e 2-5 mm.

Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, in una malta standard di cemento a media resistenza, ad esempio cemento R32.5 (Malta Standard UNI EN 196), l?inerte (sabbia) od il cemento vengono sostituiti parzialmente da fibre riciclate di carbonio con una distribuzione di diametri delle fibre compresa tra 0.2-0.425 mm, 0.425-0.85 mm, 0.85-1 mm, 1-2 mm e 2-5 mm o 5-10 mm.

Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, le fibre ottenute da tessuti preimpregnati possono essere miscelati a secco all?inerte ed al cemento della matrice/malta cementizia, al fine di consentirne il trasporto fino al luogo di utilizzo.

Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione alla matrice o alla malta cementizia possono essere aggiunti additivi scelti nel gruppo che consiste di plasticizzanti, fluidificanti, viscosizzanti, ?filler? o loro miscele.

Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione una composizione per la realizzazione di una matrice/malta cementizia che utilizza frammenti di fibre di rinforzo derivanti da sfridi di tessuto pre-impregnato di fibre di carbonio frantumati e sottoposti a trattamento termico per polimerizzare la resina del tessuto pre-impregnato comprende sabbia e cemento in una percentuale volumetrica di dette fibre rispetto alla sabbia e cemento compresa tra 1 e 4% ed in cui la lunghezza di detti frammenti ? compresa tra 1 e 5 mm. Detta composizione ? facilmente trasportabile allo stato secco ed immediatamente trasformabile in una malta cementizia pronta all?uso mediante aggiunta e miscelazione con acqua ed eventuali additivi qualora questi ultimi non siano gi? compresi nella composizione iniziale.

Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, per elementi di materiale cementizio si intendono qui sia quelli ottenuti direttamente con la malta cementizia secondo l?invenzione, sia qualsiasi elemento strutturale complesso utilizzato in edilizia i cui elementi sono uniti mediante una malta cementizia secondo l?invenzione.

Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, gli elementi di materiale cementizio ottenuti utilizzando una malta cementizia secondo l?invenzione possono essere realizzati mediante stampa tridimensionale o stampa 3D con stampante tridimensionale o stampante 3D basata su di una tecnologia additiva di materiale.

La richiedente ritiene che gli intervalli di lunghezze dei frammenti di fibre di carbonio riciclate che offrono i migliori risultati in termini di prestazioni meccaniche possano derivare da una migliore interazione con l?inerte (sabbia di granulometria standard, 100% di contenuto di umidit?, con diametro massimo inferiore a 4 mm) della malta cementizia.

Si deve quindi trovare un giusto equilibrio tra la granulometria degli inerti e la lunghezza delle fibre. In generale, la dimensione massima degli aggregati non deve essere superiore a 0.5 volte la lunghezza delle fibre impiegate. Si ha quindi una correlazione tra lunghezze ottimali dei frammenti di fibre di carbonio e dimensioni dell?inerte.

Grazie alle caratteristiche dell?invenzione, aggiungendo le fibre riciclate ad una malta tradizionale si ottengono incrementi significativi soprattutto a compressione fino al 30%. Sostituendo la sabbia di una malta standard si ottengono incrementi significativi soprattutto a flessione fino al 30% ed ? anche possibile ottenere un aumento della classe del cemento.

Inoltre ? anche possibile ottenere un incremento della resistenza a flessione (sino a 50%) e della resistenza post-flessione (ovvero softening).

Secondo l?invenzione ? pertanto possibile una formulazione della malta cementizia in relazione al suo utilizzo finale, sia come elemento strutturale di congiunzione tra elementi da costruzione (in cui detta congiunzione ? pi? sollecitata a compressione o a flessione) sia come elemento strutturale indipendente.

Sostituendo il cemento di una malta standard con le fibre riciclate secondo l?invenzione gli incrementi sono pi? contenuti sia a flessione sia a compressione (stessa classe), ma con minore quantitativo di cemento (risparmio sul costo finale dei manufatti di materiale cementizio).

Secondo l?invenzione si ottiene anche una minimizzazione dell?impatto ambientale evitando di inviare gli sfridi di tessuto preimpregnato di fibre di carbonio in discarica.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche dell?invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione seguente, con riferimento agli allegati disegni in cui:

? la figura 1 ? un grafico che illustra il rapporto di forma delle fibre di rinforzo dopo trattamento termico, triturazione e successiva setacciatura/vagliatura;

? la figura 2 ? un grafico in cui sono espresse le variazioni percentuali della resistenza a flessione (a sinistra per ciascuna miscela) e della resistenza a compressione (a destra per ciascuna miscela), di una malta cementizia ?standard? a cui, secondo l?invenzione, ? stata aggiunta una predeterminata percentuale volumetrica di fibre di carbonio riciclate;

? la figura 3 ? un diagramma della prova a flessione del miglior provino riportato in figura 2 (a sinistra del diagramma), a confronto con un provino senza rinforzo (a destra del diagramma);

? la figura 4 ? un grafico in cui sono espresse le variazioni percentuali della resistenza a flessione (a sinistra per ciascuna miscela) e della resistenza a compressione (a destra per ciascuna miscela), di una malta cementizia ?standard? a cui, secondo l?invenzione, all?inerte (sabbia) ? stata sostituita una predeterminata percentuale volumetrica di fibre di carbonio riciclate;

? la figura 5 ? un diagramma della prova a flessione del miglior provino riportato in figura 4, a confronto con un provino senza rinforzo; e

? la figura 6 ? un grafico in cui sono espresse le variazioni percentuali della resistenza a flessione (a sinistra per ciascuna miscela) e della resistenza a compressione (a destra per ciascuna miscela), di una malta cementizia ?standard? a cui, secondo l?invenzione, al cemento ? stata sostituita una predeterminata percentuale volumetrica di fibre di carbonio riciclate.

Definizioni

Si definiscono ?materiali compositi? i materiali di natura non omogenea, all'interno dei quali ? possibile individuare almeno due elementi fondamentali, ben distinti tra loro, che assolvono ciascuno a una specifica funzione: le fibre (o rinforzo) che rappresentano la parte strutturalmente attiva e la matrice, abitualmente costituita da resine, la quale non ha compiti principali di resistenza meccanica, ma deve garantire la coesione fra i vari strati di fibra.

Si definisce ?pre-preg? o ?materiale composito preimpregnato? un materiale composito fibrorinforzato pre-impregnato nel quale un materiale matrice, come una resina epossidica, ? gi? presente; le fibre in genere si dispongono a formare un tessuto, mentre la matrice viene utilizzata per fissarle tra di loro ed eventualmente con altri componenti durante la produzione; la matrice ? solo parzialmente reticolata, di modo che sia possibile manipolarla facilmente.

Si definisce ?prodotto di rinforzo fibroso? l?insieme delle fibre ottenute tramite il procedimento di riutilizzo qui descritto a partire da sfridi e/o scarti di materiale composito pre-preg.

Si definisce ?matrice cementizia? una miscela di acqua, cemento e inerti fini, per le malte, alla quale si aggiungono gli inerti grossi, per i calcestruzzi. Le caratteristiche fisiche e meccaniche sono definite da specifiche normative: UNI EN 206 con indicazioni a livello nazionale nella UNI 11104:2016.

Descrizione dettagliata

Il materiale di partenza per ottenere il prodotto di rinforzo fibroso per la malta cementizia secondo l?invenzione deriva da scarti o sfridi di un materiale composito pre-impregnato a base di fibre di rinforzo, quali ad esempio fibre di carbonio, e di una resina termoindurente, ad esempio una resina epossidica, pre-catalizzata.

In maggior dettaglio, il materiale di partenza pu? essere un tessuto pre-impregnato a macchina con un sistema di resina pre-catalizzata. Ad esempio si possono utilizzare gli scarti e/o sfridi derivanti da un tessuto biassiale 0-90 di fibre di carbonio pre-impregnate (resina epossidica fibre di carbonio), tipicamente con una resistenza alla trazione di 620,5 MPa ed un modulo a trazione di 58.4 GPa.

A valle del processo di produzione e trattamento delle lamine pre-peg realizzato dall?attivit? industriale (ad esempio per componentistica nel settore automotive o aerospaziale, viene generata una mole significativa di sfrido/scarto generalmente destinato allo smaltimento quale rifiuto speciale in discarica o inceneritore.

In accordo con il processo di seguito descritto, il materiale fibroso di sfrido/scarto necessita a sua volta un ulteriore processo di preparazione per poter essere riutilizzato. Il materiale fibroso contenente fibre di carbonio e derivante da materiali compositi, a causa della complessit? tecnologica dell?operazione di separazione della fibra dalla matrice resinosa, presenta diverse difficolt?, dovute principalmente a:

? una composizione complessa (fibre, matrice resinosa e fillers usati per ridurne il prezzo);

? la natura reticolata delle resine termoindurenti impiegate (che una volta induriti non si possono riplastificare e stampare, come si fa con i termoplastici):

? la combinazione con altri materiali (inserti metallici, materiali alveolari, compositi ibridi).

Questa eterogeneit? del materiale fibroso di partenza necessita pertanto di una tecnica di trasformazione del materiale di scarto cos? da permetterne un riutilizza ad esempio per miscelazione in matrici di altro materiale. Nello specifico il metodo consta di diversi step raggruppabili in due principali fasi, ovvero una prima fase caratterizzata dal prelievo degli elementi di sfrido/scarto, una frantumazione del materiale al fine di ottenere una pluralit? frammenti ed infine una successiva cottura dei frammenti.

La seconda fase (successiva alla prima) invece inizia con la tritatura dei frammenti dopo la cottura al fine di ottenere fibre cosiddette ?chopped?; queste ultime vengono poi setacciate meccanicamente al fine di ottenere frammenti di lunghezza pi? omogenea in un range pi? definito.

La prima e la seconda fase permettono di ricavare il prodotto di rinforzo fibroso per un successivo riutilizzo.

Infine, il prodotto di rinforzo fibroso pu? essere riutilizzato incorporandolo quale rinforzo e/o riempitivo in una matrice di materiale differente, ad esempio una matrice cementizia, ma anche in altri materiali quali asfalto, legni artificiali e plastiche.

In maggior dettaglio, il materiale fibroso di partenza viene sottoposto ad una o pi? delle (ed in generale a tutte le) seguenti operazioni (in sequenza temporale):

? Prelievo di sfrido/scarti derivanti da materiale composito pre-impregnato da linee di lavorazione destinate a realizzare manufatti rinforzati in fibra di carbonio

? Frantumazione preliminare degli sfridi/scarti per ottenere frammenti di lunghezza ridotta rispetto agli scarti/sfridi, ad esempio una lunghezza non superiore a 30 mm ? Cottura, quale cottura in forno statico o su nastro trasportatore in movimento, (?curing?) ad una temperatura tale da dare inizio al ciclo di polimerizzazione delle fibre ?Pre-preg?, ad esempio una temperatura di almeno 80? e preferibilmente di almeno 90?C per un tempo (in particolare funzione della temperatura) di almeno 25/30 min;

? Triturazione dei frammenti al fine di ottenere le fibre discrete (NB: in materiale eterogeneo comprendente fibra resina additivi) nella forma cosiddetta ?chopped?;

? Setacciatura, ad esempio con setaccio a percussione o a frequenza, al fine di avere frammenti di lunghezza ben definita (intervalli compresi tra le misure 0 e 10 mm).

Secondo una forma di attuazione dell?invenzione, durante la setacciatura viene ricavato un materiale avente la seguente distribuzione dimensionale:

Dimensione Fibre Lunghezza Diametro Rapporto di (Trattenuto- Valore atteso ? Valore atteso ? forma Passante) [mm] [mm] [mm] [mm] L/D [mm] [-]

0.425-0.85 2.84 0.30 0.53 0.39 5.33 0.85-1 3.77 0.29 0.92 0.38 4.11

1-2 4.40 0.28 1.61 0.47 2.73

2-5 8.72 0.32 2.79 0.34 3.12

Il rapporto di forma delle fibre di rinforzo dopo setacciatura/vagliatura ha la distribuzione riportata in figura 1.

Nella vagliatura e caratterizzazione delle fibre ? stato utilizzato il software FiberApp ovvero un?applicazione di Matlab utilizzata per tracciare e analizzare polimeri, filamenti e oggetti fibrosi.

Tale software opera su immagini provenienti da varie fonti di microscopi (forza atomica o microscopia elettronica di trasmissione, ottica, fluorescenza, confocale, ecc.), acquisendo le coordinate spaziali degli oggetti mediante una procedura di tracciamento semiautomatica basata sull'algoritmo ?A * pathfinding?, seguito dall?applicazione di modelli di contorno attivi e generazione di output statistici, topologici e grafici, derivabili da queste coordinate.

La realizzazione delle miscele di malte cementizie secondo l?invenzione ? avvenuta partendo da due macro-categorie, ovvero sono state composte delle malte cementizie in aggiunta di prodotto di rinforzo fibroso (ad esempio contenente fibre di carbonio) all?interno dell?impasto e altre in sostituzione di sabbia o cemento, e queste ultime due, essendo il volume invariato in quanto il prodotto di rinforzo fibroso va a sostituire sabbia e/o cemento, a partire da una malta cementizia standard.

La matrice cementizia ?, in generale, composta essenzialmente da una miscela di acqua, cemento e inerti fini, per le malte (ai quali si aggiungono gli inerti grossi, per i calcestruzzi).

Le caratteristiche fisiche e meccaniche sono definite da specifiche normative: UNI EN 206 con indicazioni a livello nazionale nella UNI 11104:2016. La realizzazione di un conglomerato cementizio con buone caratteristiche meccaniche prevede che, all?interno della miscela, sia garantita una distribuzione uniforme delle fibre e una buona lavorabilit? dell?impasto. In generale, l?aggiunta di fibre all?interno della miscela, determina una minore lavorabilit? e di conseguenza una minore omogeneit? dell?impasto. I risultati di prove sperimentali effettuate dalla richiedente su materiale cementizio rinforzato con fibre riciclate da tessuti pre-impregnati hanno mostrato un incremento della resistenza a trazione che in alcuni casi ha superato il 50% rispetto a quelli non rinforzati.

La produzione delle miscele in sostituzione, partendo da una malta standard, ? avvenuta seguendo le normative di riferimento, in particolare la norma UNI EN 196-1:2016, la quale indica tutte le proporzioni tra i costituenti della malta standard. Tale norma indica inoltre le procedure per la realizzazione dei campioni e la successiva determinazione meccanica. Per quanto riguarda i campioni in aggiunta, ? stata utilizzata una malta tradizionale M10, inoltre le fibre aggiunte sono state setacciate in maniera tale da inserirle all?interno del composto con un intervallo dimensionale ben definito.

Per quanto riguarda invece i campioni in sostituzione ? stato utilizzato un cemento di resistenza nominale paria a 32.5 kN e le fibre sono state setacciate oltre ad essere caratterizzate, come visto per le fibre in aggiunta.

La sostituzione ? avvenuta in funzione alla densit? dei materiali sabbia, cemento e fibre di carbonio pari rispettivamente a 2640 Kg/m3, 1400 Kg/m3 e 1750 Kg/m3 e tramite delle semplici proporzioni ? stata definita la quantit? di sabbia e cemento da togliere e la quantit? di fibre da aggiungere in ogni singolo impasto.

Con tale procedura, essendo il volume invariato nella malta realizzata in sostituzione, si ottiene una malta standard e quindi sono stati rispettati i quantitativi di sabbia, cemento ed acqua in accordo alla norma UNI EN 196-1:2016. Sono state poi sostituite le fibre prima alla sabbia e poi al cemento.

La realizzazione dei provini e la caratterizzazione della resistenza dei materiali sono state effettuate in accordo alla norma UNI EN 1961: 2005, curando in particolare la distribuzione omogenea delle fibre all?interno dell?impasto.

Per realizzare le prove di resistenza meccanica dei provini si ? utilizzata una macchina MTS servo-idraulica universale da 500KN.

Fibre in aggiunta

Per quanto riguarda i campioni con fibre in aggiunta, partendo da una malta AM-10-0.33 (dove con 0,33 ? indicato il rapporto acqua/cemento) si sono ottenute le seguenti prestazioni meccaniche (con valori di riferimento di resistenza a flessione senza fibre pari a 6,01 MPa e valori di resistenza a compressione senza fibre pari a 22,5 MPa):

Nel grafico riportato in figura 2 sono espresse le variazioni percentuali della resistenza a flessione (a sinistra per ciascuna miscela) e della resistenza a compressione (a destra per ciascuna miscela).

Dal grafico di figura 2 si evince come i migliori risultati si ottengano con una miscela con l?aggiunta dall? 1% al 2% di fibre con dimensioni di 1-2 mm. In tal modo, additivando una malta a basse prestazioni con fibre riciclate secondo l?invenzione ? possibile avere una malta di categoria superiore, senza un incremento di costo.

Dal diagramma della prova a flessione del miglior provino riportato in figura 3 (con l?1% di fibre di lunghezza compresa tra 1 e 2 mm) si nota un aumento della pendenza del ramo di carico e quindi di rigidezza quantificata in 21.53 kN/mm con un aumento dell?86%.

Il campione con lunghezza delle fibre 1-2 mm con il 2% delle fibre ? caratterizzato da una resistenza a flessione pari a 6.15 MPa mentre quello con l?1% una resistenza di 6.29 MPa e quindi si registra un incremento pari rispettivamente al 2% e 5%.

A compressione si registrano una resistenza rispettivamente pari a 24.7 MPa e 26.3 MPa con incremento del 10% e17%.

Per tutte le miscele si osserva un incremento generalizzato per la resistenza a compressione mentre per quella a flessione le variazioni sono pi? contenute.

Fibre in sostituzione della sabbia

In modo simile sono stati realizzati campioni partendo da una malta di cemento R32.5 (Malta Standard UNI EN 196) e sostituendo parzialmente la sabbia nella miscela con le fibre di carbonio riciclate con una predeterminata distribuzione dimensionale.

Sono stati ottenuti i seguenti risultati (con valori di riferimento di resistenza a flessione senza fibre pari a 7.53 MPa e valori di riferimento di resistenza a compressione senza fibre pari a 38 MPa):

Nel grafico di figura 4 sono espresse le variazioni percentuali della resistenza a flessione (a sinistra per ciascuna miscela) e della resistenza a compressione (a destra per ciascuna miscela).

Facendo riferimento ai risultati ottenuti riassunti nella precedente tabella si evince come il migliore provino delle serie risulti essere quello con una percentuale di fibre nell?intorno del 4% con dimensione 2-5 mm.

Dal diagramma forza spostamento di tale provino (prova a flessione) riportato in figura 5 (a confronto con un provino senza rinforzo) si nota un aumento della pendenza del ramo di carico e quindi di rigidezza quantificata in 14.07 kN/mm con un aumento del 27%. Inoltre dalla prova a flessione si nota un ramo discendente meno inclinato e quindi una maggiore duttilit?.

Di particolare interesse risulta essere l?incremento del campione con il 4% delle fibre di dimensioni 0.85-1 mm dove si ? raggiunto quasi una categoria superiore di classificazione del cemento in quanto si passa da 32.5 MPa a quasi 42.5 MPa.

Un altro dato che ? emerso dai risultati ? quello che in sostituzione di sabbia, a differenza delle miscele in aggiunta dove si ha un incremento generalizzato in compressione, in questo caso il miglioramento complessivo si ha a flessione.

Fibre in sostituzione del cemento

Partendo dalla stessa miscela di malta cementizia sono state effettuate sostituzioni parziali del cemento con fibre, che hanno dato i seguenti risultati (il campione di riferimento della resistenza a flessione e compressione risulta essere lo stesso della serie in sostituzione di sabbia):

Le variazioni di resistenza a flessione e compressione sono riportate del grafico di figura 6. Da questi dati si evince come il migliore provino delle serie risulti essere quello con circa il 6.4% di fibre con dimensione 2-5 mm. Dai diagrammi forza spostamento di tale provino (prova a flessione, non riportati nei disegni) si nota un aumento della pendenza del ramo di carico e quindi di rigidezza quantificata in 13.83 kN/mm con un aumento del 25%. Inoltre dalla prova a flessione si nota un ramo discendente meno inclinato e quindi una maggiore duttilit?.

Si nota anche come con valori pi? elevati di fibre in sostituzione del cemento si noti un decadimento delle prestazioni meccaniche, dovuto evidentemente al minore quantitativo di cemento.

Dai dati registrati durante i test (grafici carico-deformazione) ? possibile dedurre il comportamento delle malte fibrorinforzate, che ? caratterizzato da un aumento di rigidezza rispetto ai campioni privi di fibre per la quasi totalit? delle miscele analizzate. Inoltre, sempre a valle dell?analisi dei risultati ottenuti dalle prove, ? ragionevole affermare che l?inserimento delle fibre all?interno delle malte ha fatto s? che il comportamento della malta a seguito del raggiungimento del carico di rottura si presenti pi? duttile rispetto a quanto avviene nelle malte in assenza di fibre.

Grazie infine agli elevati valori del carico massimo riscontrati nelle malte fibrorinforzate, l?aumento e il miglioramento delle performance meccaniche ? chiaramente deducibile.

I risultati dell?indagine sperimentale hanno messo in evidenza che le fibre di carbonio ottenute dal processo descritto contribuiscono ad aumentare le prestazioni delle malte cementizie.

Nella quasi totalit? dei campioni analizzati, si ? registrato un incremento della pendenza del ramo di carico, nel caso di diagrammi forza-spostamento, e quindi della rigidezza delle malte fibrorinforzate a discapito di quelle prive di fibre con incremento che varia dal 25% nelle miscele in sostituzione fino al 86% per le miscele in aggiunta.

Inoltre, in base all?osservazione del comportamento delle malte fibrorinforzate a compressione, il tratto post-picco esibito dalla curva presenta una maggiore deformazione a rottura, che induce a ritenere che le suddette malte risultino pi? duttili rispetto a quelle di riferimento.

In riferimento alla prova a flessione e compressione i migliori risultati si sono riscontrati per i campioni con fibre in sostituzione di sabbia, in particolare per le miscele con un contenuto di fibre di circa il 4% e lunghezza 2-5 mm dove si registra un incremento del 18% della resistenza a flessione e del 10% di quella a compressione rispetto al provino di riferimento in assenza di fibre.

Un ulteriore dato che emerge dalla realizzazione dei campioni ? l?aumento della lavorabilit? degli impasti all?aumentare della dimensione delle fibre, anch?esso riconducibile ad un?eventuale porzione di fibre di piccole dimensioni che tendono ad addensarsi all?interno della miscela.

I risultati ottenuti appaiono soddisfacenti ai fini di un utilizzo degli scarti di fibra di carbonio, nella realizzazione di materiali cementizi, in particolare malte, in quanto sono stati individuati intervalli ottimali sia per quanto riguarda la quantit? delle fibre sia per quanto riguarda le loro dimensioni.

Ulteriori prove effettuate dalla richiedente hanno dimostrato come le migliorate caratteristiche meccaniche si riflettono nell?utilizzo delle malte secondo l?invenzione sia per la realizzazione di elementi strutturali indipendenti, ad esempio mediante stampa tridimensionale, sia per l?unione di elementi strutturali di costruzione quali ad esempio pietre, mattoni, elementi di muratura o simili.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la realizzazione di una matrice cementizia contenente un prodotto di rinforzo fibroso ottenuto da un processo industriale di riutilizzo di fibre derivanti da sfridi di materiale composito pre-impregnato (?pre-preg?), caratterizzato dal fatto che comprende un procedimento per l?ottenimento del prodotto di rinforzo fibroso che prevede le fasi seguenti: ? trattare termicamente mediante riscaldamento detti sfridi e/o spezzoni e/o frammenti di detti sfridi ad una temperatura e per una durata temporale tali da polimerizzare almeno parzialmente una resina contenuta in detti sfridi; ? frammentare, ad esempio mediante triturazione, detti sfridi e/o spezzoni di sfridi per ottenere frammenti con fibre di rinforzo, ? separare, ad esempio mediante setacciatura meccanica, detti frammenti al fine di ottenere una pluralit? di frammenti in almeno un predeterminato intervallo dimensionale, il prodotto di rinforzo fibroso comprendendo detta pluralit? di frammenti nel predeterminato intervallo dimensionale; il procedimento per la realizzazione della matrice cementizia comprendendo inoltre miscelare il prodotto di rinforzo fibroso con almeno acqua, cemento e materiali inerti per l?ottenimento di detta matrice cementizia rinforzata inglobante il prodotto di rinforzo fibroso.
2. Procedimento per l?ottenimento di un prodotto di rinforzo fibroso ottenuto da un processo industriale di riutilizzo di fibre derivanti da sfridi di materiale composito pre-impregnato (?pre-preg?), detto prodotto di rinforzo fibroso essendo riutilizzabile quale materiale di rinforzo e/o riempitivo in una matrice di altro materiale, in particolare in una matrice cementizia, e comprendendo le seguenti fasi: ? trattare termicamente mediante riscaldamento detti sfridi e/o spezzoni e/o frammenti di detti sfridi ad una temperatura e per una durata temporale tali da polimerizzare almeno parzialmente una resina contenuta in detti sfridi; ? frammentare, ad esempio mediante triturazione, detti sfridi e/o spezzoni di sfridi per ottenere frammenti con fibre di rinforzo, ? separare, ad esempio mediante setacciatura meccanica, detti frammenti al fine di ottenere una pluralit? di frammenti in almeno un predeterminato intervallo dimensionale, il prodotto di rinforzo fibroso comprendendo detta pluralit? di frammenti nel predeterminato intervallo dimensionale.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui gli sfridi di tessuto preimpregnato, preliminarmente al riscaldamento, sono sottoposti ad una frantumazione preliminare al fine di ottenere spezzoni di sfridi di dimensioni predeterminate.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui gli spezzoni ottenuti dalla frantumazione preliminare presentano mediamente una lunghezza inferiore a 50 mm, in particolare inferiore a 30 mm, ancor pi? in particolare inferiore a 20 mm.
5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la temperatura di riscaldamento ? superiore o uguale a 80?, in particolare superiore o uguale a 90? C, ed la durata temporale ? uguale o superiore a 20 minuti, in particolare 30 minuti.
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta miscelazione ? realizzata aggiungendo il prodotto di rinforzo fibroso ad una predeterminata composizione della matrice cementizia, detta predeterminata composizione comprendendo in proporzione una parte di cemento, tre parti di sabbia, in particolare sabbia standard CEN, e met? parte di acqua con rapporto acqua/cemento=0,50.
7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, in cui detta miscelazione ? realizzata sostituendo parzialmente un costituente solido di una predeterminata composizione della matrice cementizia, detta predeterminata composizione comprendendo in proporzione una parte di cemento, tre parti di sabbia, in particolare sabbia standard CEN, e met? parte di acqua con rapporto acqua/cemento=0,50.
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7, in cui il prodotto di rinforzo fibroso ? in una percentuale volumetrica della matrice cementizia compresa tra 1 e 10% e/o in cui detti frammenti presentano una lunghezza compresa tra 1 e 5 mm.
9. Procedimento secondo la rivendicazione 7, in cui il prodotto di rinforzo fibroso sostituisce almeno un componente solido della malta di base in una percentuale volumetrica compresa tra il 3% e 15 % e/o in cui detti frammenti presentano una lunghezza compresa tra 2 e 15 mm.
10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il prodotto di rinforzo fibroso ? ottenuto da un processo industriale di riutilizzo di un materiale composito comprendente fibre di carbonio.
11. Composizione per una matrice cementizia, in particolare malta cementizia, comprendente un prodotto di rinforzo costituito da una pluralit? di frammenti con fibre di rinforzo derivanti da sfridi di tessuto pre-impregnato di fibre di carbonio frantumati e sottoposti a trattamento termico per polimerizzare la resina del tessuto, detta composizione comprendendo sabbia e cemento ed in cui la percentuale volumetrica di detto prodotto di rinforzo rispetto alla sabbia e cemento ? compresa tra 1 e 15%, in particolare tra 1 e 4%, ed in cui la lunghezza di detti frammenti ? compresa tra 1 e 15 mm, in particolare tra 2 e 5 mm.