Diamo uno sguardo a questi nuovi materiali:

Il rinforzo è composto da uno o più materiali in grado di esplicare capacità portanti e resistenti, mentre la matrice è un elemento con capacità legante, il cui scopo è quello di trasferire stati di tensione e deformazione tra le singole componenti del rinforzo. Questi materiali, comparati con gli acciai convenzionali, presentano indubbi vantaggi quali l'elevata resistenza a trazione, l'eccellente resistenza alla corrosione, la capacità di potersi adattare a qualsiasi superficie ed un basso peso specifico. Quest'ultima caratteristica è tra le più importanti, specialmente nel caso di rinforzi di strutture esistenti: avere un'alta resistenza ed un basso peso vuol dire in sostanza poter aumentare la portanza di un elemento strutturale senza aumentarne il peso (si pensi ad un solaio di legno), considerando poi gli spessori esigui in gioco (una striscia di carbonio ha uno spessore di 0,014 cm) diventa la soluzione ideale in moltissimi problemi. Nella tabella che segue è mostrato il confronto tra differenti materiali normalmente utilizzati nell'edilizia. Sono chiari a questo punto i vantaggi espressi nelle righe precedenti:

Entrambe si basano sulla struttura dei polimeri: il termine polimero è una parola composta che deriva dal greco 'poli' (molti) e 'meros' (unità o parte) ed è usata per designare una sostanza costituita da grosse molecole ottenute dall'unione in catena di molte piccole molecole di una o più specie. I polimeri esistono in natura: basti pensare alla gomma naturale, ad alcune resine naturali come l'ambra, alla cellulosa, e alle sostanze proteiche. Ecco alcune delle resine diffuse sul mercato per i più svariati usi e campi di applicazione. Non sarà difficile tra l'altro riconoscere materiali utilizzati tutti i giorni nell'edilizia tradizionale.

1. poliestere, viniliche, fenoliche
2. epossidiche: - ottime proprietà meccaniche
3. ritiro ridottissimo (1-4%)

RIEMPITIVI e ADDITIVI:

1. resistenza al fuoco
2. resistenza all’umidità
3. resistenza ad agenti chimici
4. controllo dell'effetto del ritiro
5. riduzione del quantitativo di resina

Nella tebella seguente sono riassunte le caratteristiche salienti delle resine più utilizzate in questo settore:

Un polimero è strutturato come una lunga catena di molecole, ciascuna costituita da milioni di singole molecole base. Un polimero termoplastico può essere figurato come una serie di lunghe catene di molecole disposte l'una sull'altra, tenute in posizione grazie a forze di attrazione elettrostatica. All'aumentare della temperatura, il moto molecolare diventa instabile e talmente intenso che l'attrazione molecolare si spezza (stato fluido o semi fluido) e le catene si fondono una con l'altra (raffreddamento e saldatura tra molecole). Questa temperatura si chiama temperatura di fusione. Al di sopra di questa temperatura il polimero può essere plasmato e formato in stampi fino a raggiungere una condizione termica stabile, una volta raffreddato il polimero manterrà la forma impressa. Il procedimento di riscaldamento, formatura e raffreddamento può, inoltre, essere ripetuto più volte.

Un polimero termoindurente può essere immaginato come una unica grande molecola poiché le singole catene molecolari sono chimicamente collegate con quelle adiacenti tramite delle connessioni trasversali. Il polimero viene termoindurito solo durante la fase di produzione dell'elemento composito finito tramite una reazione di catalizzazione chimica in grado di fissare le interconnessioni trasversali tra le varie catene molecolari. Una volta completato il procedimento il polimero ha subito una trasformazione irreversibile ed il processo non può essere ripetuto una seconda volta.

Immagine della sezione di un composito CFRP al microscopio (i puntini neri sono le fibre di carbonio mentre la parte grigia è la matrice. l'ingrandimento è 2000x)

Le carattersitiche meccaniche di un materiale composito dipendono essenzialmente da quelle dei vari componenti utilizzati per il loro confezionamento. In particolare, sono la capacità di trasferimento delle tensioni e la tenacità della matrice e dell'interfaccia tra i costituenti i prerequisiti necessari per ottenere migliori proprietà meccaniche del composito. Tuttavia è il rinforzo il primo responsabile di tali proprietà. Il rinforzo può essere realizzato in tre forme:

La fibra è un filamento lungo e fine di materia, con diametro dell'ordine di 10 mm (1 mm corrisponde ad un milionesimo di metro - 0,000001 m) con un rapporto dimensionale lunghezza su diametro tendente ad infinito e comunque sempre superiore svariate decine di migliaia, per fibre continue. La scaglia e la particola, invece, sono forme con un rapporto dimensionale compreso tra 1 e 1000 e vengono impiegate principalmente come additivi per cementi ed alta resistenza o in settori ingegneristici diversi da quello civile, spesso non strutturale. Dal punto di vista delle applicazioni strutturali tra le varie tipologie esistenti è il rinforzo prodotto a filamento continuo (fibre lunghe) a ricoprire l'interesse maggiore. Quando il rinforzo è discontinuo il rinforzo può essere disposte in maniera casuale (random) oppure orientate (preferred). Dal punto di vista meccanico (nelle applicazioni di consolidamento strutturale), per quanto riguarda la rigidezza e la resistenza si ottiene il massimo rendimento nel caso di fibre continue orientate longitudinalmente. Come materiale di rinforzo, come già accennato, è comunemente usato il Carbonio (CFRP), il vetro (GFRP) e l'aramide (KFRP). Il materiale di rinforzo viene scelto sulla base delle sue caratteristiche intrinseche, sulla base del materiale da rinforzare ed in funzione del risultato che si vuole ottenere.

materiale: carbonio - vetro - aramide

• carbonio:

1. elevato costo
2. elevatissima resistenza
3. elevato modulo elastico
4. elevata rigidezza

• vetro:

1. basso costo
2. elevata resistenza
3. alta resistenza attacco chimico
4. basso modulo elastico

• aramide:

1. elevata energia assorbita in fase di rottura
2. medie caratteristiche di resistenza e rigidezza

Nella tebella seguente sono riassunte le caratteristiche salienti delle fibre più utilizzate in questo settore:

• rinforzi di strutture in legno
• rinforzi di strutture in calcestruzzo
• rinforzi di strutture in muratura