Fibre di Carbonio 'cerotti': rinforzi minimamente invasivi per ponti e edifici

Nella vita quotidiana, utilizziamo cerotti per trattare piccoli tagli e abrasioni – un metodo semplice e pratico. Tuttavia, ora che le travi dei ponti sviluppano microfessure e i muri degli edifici vecchi si allentano gradualmente con l'età, un materiale apparentemente leggero sta emergendo come la 'forza principale' nel rinforzo strutturale. Anche l'ingegneria ha adottato una soluzione simile al 'cerotto'—il tessuto in fibra di carbonio—che rafforza silenziosamente i ponti e gli edifici che ci circondano attraverso metodi minimamente invasivi.
Processo di produzione del tessuto unidirezionale

Il tessuto unidirezionale in fibra di carbonio è un materiale comunemente utilizzato nei progetti di rinforzo con fibra di carbonio. Il suo processo produttivo prevede principalmente la disposizione, la fissazione e la modellatura dei filamenti in fibra di carbonio, con l'obiettivo principale di garantire che i filamenti siano ordinatamente allineati in un'unica direzione (tipicamente longitudinale), mantenendo al contempo elevate proprietà di resistenza. I passaggi specifici sono pressappoco i seguenti:

Passo Uno: Preparazione del Filamento in Fibra di Carbonio
I filamenti precursori in fibra di carbonio a base di PAN (la tipologia più diffusa sul mercato) sono prodotti da fibre di poliacrilonitrile attraverso processi di pre-ossidazione e carbonizzazione. Questi filamenti hanno un diametro di 5–7 micrometri ed esibiscono un'elevatissima resistenza alla trazione.
Passo Due: Processo di Ordito
Attraverso la macchina per l'orditura, migliaia fino a decine di migliaia di filamenti di fibra di carbonio vengono disposti longitudinalmente in parallelo e uniformemente in strati di ordito. La tensione e la precisione dell'allineamento sono controllate rigorosamente per garantire proprietà unidirezionali ed evitare deviazioni trasversali.
Passo Tre: Processo di Tessitura / Fissaggio
Utilizzando fibre trasversali estremamente fini (come fibra di vetro o nylon), i filamenti longitudinali vengono fissati mediante tessitura o incollaggio. Durante la tessitura, i fili della trama vengono intrecciati con i fili dell'ordito a bassa densità (alcuni fili per centimetro), formando una struttura "ordito stretto, trama larga" che fornisce rinforzo senza compromettere la resistenza. In alternativa, può essere utilizzata un'emulsione di resina epossidica per legare il materiale in un tessuto senza trama, anche se la tessitura rimane il metodo più comune.
Passo Quattro: Trattamento Superficiale
Rimuovere impurità, aumentare la rugosità superficiale o applicare un agente di accoppiamento per migliorare l'adesione all'adesivo e la compatibilità con la resina.
Passo Cinque: Stabilizzazione e Avvolgimento
Dopo l'essiccazione e la stabilizzazione, il prodotto viene sottoposto a controllo qualità e imballato per diventare l'articolo finito. Durante tutto questo processo, l'attenzione è rivolta a massimizzare l'elevata resistenza dei filamenti longitudinali in fibra di carbonio, con i filamenti trasversali che svolgono soltanto una funzione ausiliaria di fissaggio.

Il cuore dell'intero processo consiste nell'assicurare l'allineamento parallelo e l'elevata resistenza a trazione dei filamenti longitudinali in fibra di carbonio, con le fibre trasversali che svolgono soltanto una funzione ausiliaria di fissaggio. Di conseguenza, il tessuto in fibra di carbonio unidirezionale sfrutta appieno le proprietà di resistenza a trazione della fibra di carbonio lungo il suo asse longitudinale, risultando particolarmente adatto per applicazioni di rinforzo strutturale in presenza di sollecitazioni di trazione.

Principi del Rinforzo
Il tessuto in fibra di carbonio è incollato alla superficie strutturale mediante un adesivo resinoso compatibile, formando un corpo composito (CFRP) che opera in sinergia con la struttura originale. Dotato di un'eccezionale resistenza alla trazione (circa dieci volte superiore a quella dell'acciaio), il tessuto in fibra di carbonio è saldamente integrato al calcestruzzo attraverso l'adesivo resinoso. Ciò trasferisce i carichi esterni al tessuto in fibra di carbonio, sfruttandone le elevate proprietà di resistenza per potenziare la capacità della struttura di opporsi a flessione, forze di taglio e attività sismica, impedendo contemporaneamente la propagazione delle crepe.

Procedure di costruzione

Passo uno: Preparazione della superficie
Pulire la superficie del calcestruzzo, rimuovere mediante levigatura gli strati scrostati e le macchie di olio, creando così una superficie base uniforme.
Passo due: Applicazione del primer epossidico
Applicare uno strato di primer sul calcestruzzo per garantire un'aderenza sicura del tessuto.
Passo tre: Applicazione del tessuto in fibra di carbonio
Immergere il tessuto in fibra di carbonio pre-tagliato nella resina epossidica e applicarlo sulle aree strutturali da rinforzare (come fondi travi, pilastri, solai e anime di ponti).
Passo Quattro: Compattazione con Rullo e Sfiato dell'Aria
Premere ripetutamente con un rullo per garantire una penetrazione uniforme dell'adesivo nelle fibre ed eliminare eventuali bolle d'aria, proprio come si fa premendo saldamente una medicazione.
Passo Cinque: Polimerizzazione e Manutenzione
Una volta avvenuta la polimerizzazione dell'adesivo, il tessuto in fibra di carbonio e il calcestruzzo si fondono insieme, formando uno strato esterno eccezionalmente resistente.

Caratteristiche del rinforzo

Miglioramento della capacità portante: applicato sul intradosso delle travi → maggiore resistenza alla flessione; applicato sui pilastri → aumento della resistenza a compressione e delle prestazioni sismiche.

Controllo delle fessurazioni: il tessuto in fibra di carbonio impedisce l'ulteriore propagazione delle crepe nel calcestruzzo, proprio come una medicazione protegge una ferita cutanea dal peggioramento.

Vita utile estesa: resistente alla corrosione, a differenza dell'acciaio che arrugginisce, rendendolo particolarmente adatto ad ambienti come i ponti esposti a lungo termine.

Leggero ed efficiente: velocità di costruzione rapida, non richiede macchinari pesanti e non aggiunge un carico strutturale significativo.

Perché il tessuto in fibra di carbonio è diventato la nuova scelta per il rinforzo?

Rispetto ai metodi tradizionali di rinforzo, come il rinforzo con piastre d'acciaio o l'ampliamento della sezione, il tessuto in fibra di carbonio offre vantaggi distinti:

La sua natura leggera impone praticamente nessun carico aggiuntivo sulla struttura originale. Con un peso inferiore ai 300 grammi al metro quadrato, modifica minimamente la distribuzione del carico dell'edificio dopo applicazione , rendendolo particolarmente adatto per il rinforzo di strutture sensibili al peso proprio, come edifici antichi e ponti.

La sua resistenza alla corrosione garantisce prestazioni stabili in ambienti difficili. Che si tratti di nebbia salina su ponti costieri o di condizioni umide in travi e colonne di cantine, il tessuto in fibra di carbonio mantiene prestazioni costanti con una vita utile superiore ai 50 anni.

L'installazione efficiente riduce significativamente i tempi del progetto. Non richiedendo macchinari pesanti — solo applicazione manuale — il rinforzo di un edificio di mille metri quadrati richiede tipicamente soltanto 1-2 settimane, notevolmente meno rispetto ai metodi convenzionali.