ITMI20091046A1 - Malta cementizia, rinforzo e metodo di rinforzo di strutture edili - Google Patents

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Description

Descrizione di un brevetto di invenzione
La presente invenzione riguarda una malta per la generazione di rinforzi di strutture edilizie, in particolare strutture preesistenti (per esempio manufatti in muratura, calcestruzzo, calcestruzzo armato). Le strutture edilizie sono soggette a deterioramento dovuto a varie cause, per esempio aggressione chimica ambientale sia naturale che causata dall’uomo, difetti costruttivi, scarsa qualità o inopportuna scelta dei materiali impiegati, eventi sismici o altro.
Sono state proposte reti metalliche elettrosaldate per avvolgere le strutture da rinforzare, il che comporta notevoli difficoltà di installazione e le reti metalliche sono facilmente soggette a corrosione.
È stata proposta l’applicazione di fibre o tessuti di fibre di vario tipo (fibre di carbonio, vetro o sintetiche), mediante l’uso di resine (in genere epossidiche). Questa soluzione, nota come FRP (fibre reinforced polymer) presenta l’inconveniente della temperatura massima di esercizio della resina (circa 80 °C), per cui il rinforzo può cedere rapidamente in caso di incendio. Le resine impiegate sono nocive all’ambiente ed agli operatori, i costi di questa tecnologia sono elevati. Inoltre, la resina applicata non permette la traspirazione, costituendo una barriera alla umidità che non può liberamente lasciare il manufatto.
La domanda DE 19525508 propone l’applicazione di una malta cementizia alla struttura da riparare, la successiva applicazione di una rete tessile di rinforzo e l’applicazione di un terzo strato di malta. Secondo tale documento, la malta è composta da una mistura di cemento, inerti, ed una dispersione in acqua di copolimero stirene/acrilato, come legante preferito. La presenza della dispersione conferisce notevole fluidità alla miscela che ne rende impossibile l’applicazione a superfici verticali. L’alto rapporto acqua/cemento nella miscela di partenza, inoltre, compromette le caratteristiche meccaniche del materiale una volta asciugato, con possibili formazione di crepe e sbriciolamento.
EP 1 245 547 propone una malta cementizia per la formazione di rinforzi incorporanti fibre sintetiche. La malta, oltre a cemento ed inerti, contiene un copolimero insaturo, additivi superfluidificanti e fluidificanti a base di solfonati di lignina, beta naftalene o melamminaformaldeide e additivi tixotropici della classe dei derivati della cellulosa.
La malta si presenta in forma di polvere secca e l’acqua deve essere aggiunta al momento della posa in opera. Tuttavia, la presenza degli additivi permette una facile applicazione anche introducendo ridotti quantitativi di acqua, con la conseguente possibilità di applicare il rinforzo su superfici verticali e migliorando le proprietà del materiale dopo l’indurimento, evitando o riducendo la formazione di crepe o lo sbriciolamento.
Rimane tuttavia desiderabile migliorare le proprietà meccaniche del rinforzo, in particolare la resistenza alla delaminazione anche in caso di notevoli deformazioni, oltre alla capacità di sopportare sollecitazioni più elevate.
Tali obiettivi sono stati raggiunti secondo la presente invenzione mediante una malta cementizia per la formazione di rinforzi incorporanti fibre di rinforzo, in particolare sotto forma di intrecci comprendenti tali fibre di rinforzo, malta comprendente dal 5 al 95 % di cemento, dal 10 al 70 % di cariche minerali con dimensioni delle particelle (diametro equivalente) inferiori a 700 µm, dallo 0,05 al 2,5 % di additivi fluidificanti e dallo 0,005 all’ 1 % di additivi tixotropizzanti della classe della cellulosa, caratterizzata dal fatto di comprendere un polimero o copolimero acrilico tra lo 0,1 ed il 25% e filamenti di vetro dispersi, in particolare vetro alcali (AR) resistente, tra lo 0,05 ed il 30 %. I filamenti dispersi hanno lunghezza tra 1 e 30 mm e diametro tra 5 e 100 µm. Valori preferiti per la quantità di filamenti sono tra lo 0,4 ed il 23%. La lunghezza è preferibilmente tra 3 e 24 mm ed il diametro tra 8 e 85 µm.
Le percentuali sopra specificate sono date in peso, come pure nel testo a seguire, salvo diversamente specificato.
Come detto, la malta comprende un polimero o copolimero (almeno due monomeri diversi nella catena polimerica) acrilico nelle percentuali indicate sopra; valori preferiti nella composizione della malta sono tra lo 0,5 ed il 18 %.
Preferiti sono i copolimeri. Esempi di polimeri o copolimeri acrilici impiegati nella malta sono i polimeri o copolimeri derivati da esteri acrilici e metacrilici come metacrilato metilico, etilico, nbutilico, o copolimeri di poliacrilati o loro miscele, o acido acrilico e/o metacrilico.
Esempi di cemento impiegabile nella malta sono cemento Portland, cemento Portland composito, cemento d’altoforno, cemento pozzolanico, cemento composito e loro sotto tipi e/o loro miscele, i cementi pozzolanici o compositi essendo preferiti. Dosaggi preferiti sono tra il 20 ed il 70%.
Le cariche minerali possono essere, per esempio, di natura quarzifera, silicea, calcarea, arenarica, granitica, o essere sottoprodotti di altre lavorazioni come il fumo di silice, comunemente noto con il nome di “silica fume” e le ceneri da carbone, note con il nome di “fly ash”. Sono preferite miscele di dette cariche.
Per additivi fluidificanti si intendono additivi superfluidificanti e fluidificanti, appartenenti alla classe dei polimeri a base di policondensati lignino, betanaftalenico o melammino-formaldeide solfonati (LS, NFS o MS), o a base di catene poliacrilate modificate (ACR).
Esempi di additivi tixotropizzanti appartenenti alla classe delle cellulose sono metilcellulosa, metilidrossietilcellulosa, metilidrossipropilcellulosa, idrossietilcellulosa, idrossipropilcellulosa, carbossimetilcellulosa, carbossimetilidrossieticellulosa. Preferiti sono la metilcellulosa ed i suoi derivati.
Dosaggi compresi tra 0,015% e 0,65% risultano preferiti, in quanto portano a risultati migliori.
La malta può comprendere, se desiderato, altri additivi; tra questi gli areanti , in particolare aeranti anionici, cationici, non ionici o anfoteri, quali sali di ammonio quaternario, sali misti dell’acido laurilsolfonico, fluorofenilborati, nonilfenolo con diversi gradi di etossilazione, etc. Da preferirsi sono i derivati dell’acido laurilsolfonico: i dosaggi preferiti variano da 0,01% a 1,5%.
Altri esempi di additivi che possono far parte della malta sono additivi per contrastare il ritiro della malta sia plastica che indurita, come le miscele di solfoalluminati ed ossidi. I dosaggi d’impiego preferiti sono compresi tra lo 0,1 ed il 10% , più preferiti sono i dosaggi tra lo 0,3 ed il 5%.
La malta secondo la presente invenzione si presenta generalmente come una polvere che può essere attivata con aggiunta di acqua come avviene comunemente per le malte cementizie. La formulazione della malta permette l’impiego di ridotte quantità di acqua, in modo da generare un impasto applicabile anche a superfici verticali senza generare problemi di scorrimento verso il basso della malta non indurita o di formazione di crepe. La malta viene ottenuta miscelando i componenti in particolare in forma di polvere ed i filamenti, con opportuna modalità scelta fra quelle comunemente impiegate.
La malta è adatta alla creazione di rinforzi comprendenti fibre o, preferibilmente intrecci comprendenti tali fibre. In particolare i rinforzi sono applicabili su manufatti preesistenti di muratura (mattoni, materiale lapideo e simili) o calcestruzzo, compreso il calcestruzzo armato. Le fibre utilizzate per i rinforzi sono preferibilmente fibre sintetiche, in particolare scelte fra quelle comunemente utilizzate per rinforzi di questo tipo, per esempio fibre di carbonio, vetro, fibre polimeriche come fibre arammidiche, poliestere, polietilene, fibra di polyfbenz(1,2-D:5,4-D’)bisoxazole-2,6-diyl-1,4-phenylenf (CAS 60857-81-0), per esempio quella prodotta da Toyobo Company con il nome commerciale “Zylon” o altre, e anche miscele di fibre di tipo diverso; in quest’ultimo caso sono da preferirsi miscele di due fibre in cui una fibra rappresenta dal 10 al 90% in peso delle fibre totali, preferibilmente rappresenta il 50 %.
Secondo un possibile modo di operare, l’intreccio è a maglia quadrata con dimensioni tra 10 e 35 mm, per esempio 11, 26 o 35, a seconda delle esigenze. Secondo un ulteriore possibile aspetto, la percentuale in peso delle fibre, nella direzione della trama e dell’ordito può variare da 8:20 a 20:80, per esempio 24: 76, 55:45, 78:22.
L’invenzione riguarda anche un metodo di rinforzo di strutture edilizie comprendente l’applicazione ad una superficie di detta struttura di uno strato di malta come sopra descritta e di una serie di fibre di rinforzo come sopra specificato, preferibilmente un intreccio comprendente tali fibre.
Per intreccio si intende una rete o tessuto, che può essere di tipo noto, di quelli comunemente impiegati nel campo dei rinforzi per strutture edilizie. Tali intrecci possono essere, a seconda delle esigenze uni o pluridirezionali, cioè capaci di sopportare sforzi di trazione in una o più direzioni, e possono essere usati più intrecci sovrapposti.
Secondo un possibile modo di procedere, viene applicato un primo strato di malta mescolata opportunamente con acqua alla superficie della struttura, preventivamente pulita ed inumidita; seguono l’applicazione di fibre a detto primo strato di malta, l’applicazione di un secondo strato di malta opportunamente miscelata con acqua e l’indurimento della malta. Lo spessore dei due strati, uguale o diverso tra loro può essere scelto opportunamente in base alle esigenze; per esempio, entrambi gli strati possono avere uno spessore di circa 3 mm. Preferibilmente le fibre, formanti un intreccio, vengono pressate contro il primo strato di malta fino ad esserne incorporate. Se si utilizzano più intrecci, preferibilmente, si avrà cura di posizionarli con le fibre sfalsate, interponendo un sottile strato di malta.
È stato verificato che i rinforzi ottenuti con la malta secondo la presente invenzione presentano caratteristiche meccaniche notevolmente superiori a quelli ottenibili con altre malte, in particolare quelle ottenute secondo il brevetto EP 1245 547. ESEMPI
Gli esempi che seguono dimostrano le superiori qualità dei rinforzi ottenuti secondo la presente invenzione.
I seguenti parametri meccanici, fondamentali per la valutazione della capacità di elementi in muratura rinforzati a flessione con materiali compositi FRCM (Fiber Reinforced Cement Mortar), sono definiti nel documento CNR-DT 200/2004, a cui fa riferimento la spiegazione che segue:
Rapporto tra la dilatazione del rinforzo che produce la delaminazione intermedia e la dilatazione del rinforzo che produce la delaminazione di estremità (CNR-DT 200/2004, par. 4.1.4)
Valore di calcolo della dilatazione del rinforzo che produce la delaminazione di estremità
Valore di calcolo della dilatazione del rinforzo che produce la delaminazione di intermedia
lo spessore nominale del rinforzo il coefficiente parziale di sicurezza per la muratura
il coefficiente parziale di sicurezza relativo alla delaminazione
il valore caratteristico dell’energia di frattura dell’interfaccia tra rinforzo e supporto
Il limite di calcolo εfdd, deformazione massima del composito fibrorinforzato consentita al rinforzo di FRCM senza che si manifestino problemi di decoesione, corrisponde alla delaminazione di estremità (modalità 1 come specificato nel documento CNR-DT 200/2004). Questo valore si utilizza essenzialmente per la verifica di delaminazione di estremità di un rinforzo flessionale.
Il limite εfdd 2= kcr⋅ εfdd, invece, coincide con la deformazione massima del rinforzo FRCM corrispondente alla delaminazione intermedia (modalità 2, come specificato nel documento CNR-DT 200/2004).
Tale valore si utilizza per la valutazione della capacità resistente a flessione (momento resistente di calcolo, MRd) di un elemento in muratura.
Per determinare i valori precedenti, è stata realizzata una campagna sperimentale secondo uno schema di beam-test, in cui l’unica variabile è stata la malta inorganica utilizzata per la creazione del rinforzo. Ciò ha permesso di acquisire i valori di έfddper una particolare configurazione di rinforzo e un particolare tipo di mattone al variare della malta.
La figura 1 allegata rappresenta schematicamente una vista del provino utilizzato nelle prove, da cui si vede come è applicato il rinforzo.
due pile, 1 e 2, di sei mattoni (dimensioni 250mm*55mm*60mm) ciascuna sono state realizzate assemblando i mattoni con una malta di allettamento (spessore applicato 10 mm) le cui caratteristiche sono riportate nella tabella 1;
il rinforzo impiegato comprende una rete in fibra di carbonio (lunghezza l=720mm larghezza s=220mm) le cui caratteristiche sono riportate in tabella 2; diverse malte inorganiche, definite in seguito e designate con le lettere A, B, C e D sono state impastate con acqua, e mescolate sino ad ottenere la consistenza voluta per l’applicazione;
le due pile di mattoni sono state allineate, come nello schema, e su di esse è stato applicato un primo strato di malta di circa 3 mm di spessore e per una superficie di (350*220) mm<2>. La rete (Ruredil X Mesh C10) in fibra di carbonio è stata, quindi, annegata nello strato di malta, avendo l’accortezza che la parte centrale, corrispondente alla zona di vuoto di ampiezza v=20mm, non venisse a contatto con la malta medesima. Si è infine proceduto ad applicare un secondo strato di malta dello stesso spessore del primo.
TABELLA 1
Resistenza a compressione 1g 7gg 28gg UNI EN 1015/11 5MPa 22Mpa 29MPa Coefficiente di diffusione µ<35
vapore, EN 1745
Coefficiente di assorbimento 0,3 Kg/m<2>x min<0,5>capillare, UNI EN 1015/18
Modulo elastico statico 10.000 MPa
TABELLA 2
Le fasi di applicazione del rinforzo strutturale, costituito dalla rete in fibra di carbonio e malta inorganica, sono di seguito dettagliate:
saturazione con acqua del sottofondo (mattoni allettati), evitando ristagni d’acqua;
applicazione della malta inorganica (dopo essere stata impastata con acqua) con frattazzo metallico liscio nello spessore sopra indicato;
annegamento nella malta della rete in fibra di carbonio;
applicazione del secondo strato di malta inorganica, in modo da coprire completamente la rete, regolarizzando la superficie.
Lo schema di prova è riportato in figura 2: il provino è inserito nella scatola 3, di forma opportuna, e sottoposto a prova in una macchina a quattro appoggi come in figura. La scatola è dotata della cerniera 4 in corrispondenza dello spazio vuoto tra le pile di mattoni, permettendo che queste possano ruotare l’una rispetto all’altra. Con h è indicata la distanza tra la cerniera e la rete del rinforzo, ed il suo valore permette di calcolare la forza F di trazione agente sulla rete. Con a è indicata la distanza, in direzione normale al carico P, tra un appoggio superiore 6 della piattaforma che trasmette il carico P al provino, e un appoggio inferiore 7 su cui il provino poggia. Sono state comparate quattro diverse malte inorganiche; le cui formulazioni sono di seguito riportate:
MALTA A -La formulazione è conforme a quanto indicato nel brevetto EP1245547B1
MALTA B, secondo la presente invenzione:
MALTA C, di confronto:
Additivo antiritiro
MALTA D, di confronto:
I grafici carico-freccia riportati nelle figure 3a, 4a, 5a e 6a, relativi rispettivamente alle prove effettuate con le malte A, B, C e D, riportano in ordinate il carico P applicato ed in ascisse lo spostamento in direzione verticale, dell’apparecchiatura, per effetto della rotazione di ognuna delle due parti intorno alla cerniera. I grafici carico-deformazione riportati nelle figure 3b, 4b, 5b e 6b, sempre relativi rispettivamente alle prove effettuate con le malte A, B, C e D, sono stati disegnati considerando un semplice equilibrio dei momenti in gioco:
la forza totale applicata su entrambi i coltelli (appoggi) superiori
braccio della forza 2 (distanza del coltello superiore dal coltello (appoggio) inferiore lungo la direzione verticale)
forza esplicata dal rinforzo nella direzione orizzontale
braccio della forza F (distanza della retta di applicazione della forza F dalla cerniera)
deformazione massima del composito fibrorinforzato corrispondente alla delaminazione di estremità
Modulo di elasticità del rinforzo Ruredil X Mesh C10
area resistente del rinforzo Ruredil X Mesh C10
è immediato calcolare il valore di έfddal variare del carico P, da cui i grafici che riportano il primo valore in ascisse ed il secondo in ordinate.
Poiché, secondo il documento CNR DT200-2004, il coefficiente kcr, relativamente ai valori di calcolo delle dilatazioni di delaminazione, deve assumersi pari a 3, sono stati derivati i valori di εfdd2i valori sono riportati in tabella 3.
Tab.3 Valori έfdde εfdd2per kcr=3 Posto, nel caso di un rinforzo con FRCM sulla muratura, un valore di kcr=2, sono stati determinati i seguenti valori di εfdd2e έfddriportati in tabella 4.
Tab.4 Valori εfdde εfdd2per kcr=2
I risultati sopra esposti evidenziano un comportamento meccanico, in particolare una resistenza alla delaminazione nettamente superiori per il rinforzo realizzato con la malta secondo la presente invenzione, rispetto a quelli ottenuti con malte realizzate in modo differente.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Malta cementizia per la formazione di rinforzi incorporanti fibre di rinforzo, in particolare sotto forma di intrecci comprendenti tali fibre di rinforzo, malta comprendente dal 5 al 95 % di cemento, dal 10 al 70 % di cariche minerali con dimensioni delle particelle inferiori a 700 µm, dallo 0,05 al 2,5 % di additivi fluidificanti e dallo 0,005 all’ 1 % di additivi tixotropizzanti della classe della cellulosa, caratterizzata dal fatto di comprendere un polimero o copolimero acrilico tra lo 0,1 ed il 25% e filamenti di vetro dispersi, in particolare vetro alcali resistente, tra lo 0,05 ed il 30%, le percentuali essendo in peso.
  2. 2. Malta secondo la rivendicazione 1, in cui detti filamenti hanno lunghezza tra 1 e 30 mm, opzionalmente fra tra 3 e 24 mm e diametro tra 5 e 100 µm, opzionalmente fra 8 e 85 µm.
  3. 3. Malta secondo qualsiasi rivendicazione precedente in cui detto polimero o copolimero acrilico è derivato da esteri acrilici e metacrilici come metacrilato metilico, etilico, nbutilico, o copolimeri di poliacrilati o loro miscele o acidi acrilico e/o metacrilico.
  4. 4. Malta secondo qualsiasi rivendicazione precedente in cui detto copolimero è presente in percentuale tra lo 0,5 ed il 18% in peso.
  5. 5. Malta secondo qualsiasi rivendicazione precedente in cui detti filamenti sono presenti in percentuale tra 0,4 e 23% in peso.
  6. 6. Metodo di rinforzo di strutture edilizie comprendente l’applicazione ad una superficie di detta struttura di uno strato di malta secondo qualsiasi rivendicazione precedente di una serie di fibre di rinforzo, in particolare fibre di vetro, di carbonio, polimeriche, in particolare fibre di polyVbenzV1,2-D(5,4-D’Wbisoxazole-2,6-diyl-1,4-phenylenW, opzionalmente l’applicazione di un intreccio comprendente tali fibre.
  7. 7. Rinforzo per strutture edilizie caratterizzato dal fatto di comprendere uno strato di malta secondo qualsiasi rivendicazione da 1 a 5, applicato alla struttura da rinforzare, una serie di fibre di rinforzo, in particolare fibre di vetro, di carbonio, polimeriche, in particolare fibre di polyVbenzV1,2-D(5,4-D’Wbisoxazole-2,6-diyl-1,4-phenylenW, applicate a detto primo strato, un secondo strato di malta secondo qualsiasi rivendicazione da 1 a 5 applicato sopra detto primo strato e dette fibre.
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