Repair and reinforcement of the cortical layer of concrete inside a railway tunnel

Titolo: Riparazione e rinforzo dello strato corticale di calcestruzzo all’interno di una galleria ferroviaria di LAMANNA Luigi Franco (multi-disciplinary, full-service engineering consultant) (* ) Title of the article: Repair and reinforcement of the cortical layer of concrete inside a railway tunnel

by LAMANNA Luigi Franco (multi-disciplinary, full-service engineering consultant) (*) Premessa Prima di passare alle tecniche di riparazione ed ai materiali da impiegare per il rinforzo dello “strato corticale” di calcestruzzo, all’interno di una galleria ferroviaria, è doveroso fare una premessa premettendo che, sebbene si conoscono molte tecniche di riparazione, essi sono molto diversi tra di loro quando ci si trova in presenza di un tunnel stradale, realizzato in calcestruzzo tradizionale o rinforzato con fibre, ed un tunnel idraulico o ferroviario, realizzato in conci autoportanti prefabbricati o in cemento armato tradizionale, dove, nel complesso, nel particolare, il concetto di durabilità è enormemente diverso.

Negli ultimi anni, nonostante una presa di coscienza sull’importanza della durabilità che ha permesso di modificare la tecnologia, nella produzione del calcestruzzo, nonché un’attenta progettazione delle opere, utilizzando nuovi limiti, ad oggi, non abbiamo ancora che poche informazioni disponibili sulla durevolezza della vita delle opere in calcestruzzo a lungo termine.

Oggi si richiede che la vita utile minima delle strutture in calcestruzzo, che sono impiegate per opere in sotterraneo, in particolar modo come per il settore del tunnelling, sia minimo di 100 anni, ed in taluni casi sino ad arrivare a 200 anni.

Construction of a modern railway tunnel

View of delamination portion of cortical layer

In questo caso è sufficiente adottare i criteri di durabilità enunciati nelle norme europee e quelle americane proposte dall’ ACI Comittee 201 (Guide of Durable Concrete in ACI Manual 1994).

Il calcestruzzo essendo un materiale rigido e quindi soggetto a fessurazioni quando insorgono, oltre alle sollecitazioni di trazione, le variazioni igro-termiche. Ciò comporta la penetrazione degli agenti aggressivi attraverso le fessure che si vengono a creare ed il successivo degrado del calcestruzzo.

Gli agenti aggressivi più conosciuti, che determinano il degrado del calcestruzzo sono, in particolare: a) – l’aggressivita’ dell’ambiente: atmosfera (marina, industriale), acque (meteoriche, corsi d’acqua), clima e microambiente con cui la struttura convive, come: - vibrazioni; - azione disgregazione meccanica, provocata dal gelo e disgelo; - aggressione chimica, dovuta ai solfati, cloruri, sali di magnesio, olii, ecc. b) – la durabilita’ intrinseca del calcestruzzo dovuto a deficienze tecnologiche, come: - errato proporzionamento nella scelta dei materiali costituenti il calcestruzzo (cemento, additivi, acqua); - macro e micro porosità diffusa o concentrata (un calcestrruzzo compatto, omogeneo ed impermeabile offrira’ una maggiore resistenza alla penetrazione di acqua e gas rispetto ad un calcestruzzo di mediocre qualita’, disomogeneo, fessurato e poroso).

Deterioration of cortical layer of concrete

c) – gli errori o carenze risalenti alla costruzione. Errori di esecuzione, come: - la non corretta combinazione dei materiali calcestruzzo-acciaio e la non sufficiente attenzione al quadro fessurativo del calcestruzzo causato ed accelerato da fenomeni meccanici, come urti e vibrazioni; - esasperata tendenza allo sfruttamento completo della struttura per ragioni architettoniche ed economiche.

Causes of corrosion due to stray or leakage currents.

Mentre ci sono anche, con una notevole influenza, le correnti vaganti, presenti nei tunnel di metropolitane e ferroviari, specialmente al di sotto di zone urbane o di stazioni ferroviarie che, oltre all’ incendio hanno un’azione diretta sul calcestruzzo, argomento poco dibattuto.

Le correnti vaganti I tunnel ferroviari sono molto soggetti alla presenza di correnti vaganti i quali influiscono notevolmente la corrosione delle armature presenti all’interno dei manufatti in calcestruzzo.

Vale la pena ricordare che per correnti vaganti (continue) si intendono quelle disperse da circuiti elettrici e che, circolando nel terreno, entrano negli elementi metallici estranei al circuito ma in contatto con il terreno, corrodendoli nelle zone di uscita del flusso. Le correnti vaganti non sono controllabili perché quando vengono scaricate a terra dai binari ferroviari sovrastanti i tunnel assumono differenti direzioni.

Da indagini effettuate risulta che l’impiego di un calcestruzzo fibrorinforzato riduce notevolmente la velocità di corrosione delle armature all’interno dei manufatti in calcestruzzo (in particolare dei conci) senza provocare dissoluzione del metallo.

L’incendio Una breve descrizione sull’azione di degradazione che il calcestruzzo subisce a causa di un incendio dipende molto dalla temperatura che esso ha raggiunto nei suoi vari punti e dal tempo durante il quale queste temperature hanno avuto modo di far sentire la loro azione.

Va ricordato che è fondamentale per poter stabilire lo stato di degradazione di una struttura in calcestruzzo la conoscenza delle temperature raggiunte a diverse profondità nelle varie sezioni dell’elemento strutturale di una galleria. Di questo argomento così importante parleremo, in modo più dettagliato, in un’altra occasione.

Materiali per il ripristino Il successo del ripristino di strutture in calcestruzzo armato degradate dipende fondamentalmente dalla solidarizzazione (adesione) fra il nuovo materiale di ripristino ed il vecchio supporto in calcestruzzo.

A mio avviso, allo stato attuale della conoscenza tecnologica, anche per la velocità di esecuzione, senza bloccare il traffico ferroviario, esistono tre categorie di materiali che presentano queste proprietà, e sono: d) - le malte resinose (malte e/o calcestruzzi polimerici); e) - le malte/calcestruzzi cementizi a ritiro compensato (reoplastiche e/o fibro-rinforzate e non) ; f) - miscela di calcestruzzo ad elevatissime prestazioni Ultra-High-Performance-Concrete (UHPC).

Voglio ricordare che le malte resinose (formulati polimerici) presentano lo svantaggio che con il crescere della temperatura, superiore ai 100° C, subiscono dei cambiamenti di natura chimico-fisica che portano al decadimento delle loro caratteristiche meccaniche.

Typical example of repair of cortical layer of deteriorated concrete

d.1) - Malte resinose Le malte resinose e/o i calcestruzzi resinosi sono masse di consistenza simile alle malte con leganti minerali conosciute ed impiegate nell’edilizia, ma con legante a base resinosa. La consistenza di queste masse, da fluida e scorrevole sino ad asciutta, dipende dalla loro formulazione.

Le caratteristiche tipiche di questi prodotti, che vengono generalmente chiamate malte sintetiche o calcestruzzi polimerici, sono le straordinarie resistenze meccaniche e chimiche, le notevoli caratteristiche di adesione ai comuni materiali da costruzione e la variabilità dei tempi di indurimento, da pochi minuti sino a massimo un’ora.

Comunque senza addentrarci nel complesso mondo della CHIMICA delle resine, parleremo soltanto dei formulati resinosi di quelli organici macromolecolari, derivanti dalla polimerizzazione di monomeri, in particolare delle resine termoindurenti (molecole tridimensionali) la cui formazione di macromolecole si ottiene per poliaddizione.

Analogamente a come si usa nell’edilizia , si chiamano malte resinose quelle con cariche inerti con diametro max. inferiore ai 4 mm e calcestruzzi resinosi quelli con cariche inerti con diametro max. superiore ai 4 mm. In particolare, le caratteristiche dei formulati per poliaddizione che suggerisco di utilizzare, sono: -

Un legante precaricato, per conglomerati di resina impiegando inerti di quarzo di granulometria da 0,05 sino a 0,1 mm e deve presentare le seguenti caratteristiche meccaniche e deformabilità: • • • • •

-

resistenza alla compressione resistenza alla flessione resistenza alla trazione modulo elastico allungamento a rottura

1.050 kg/cm2; 650 kg/cm2; 450 kg/cm2; 70.000 kg/cm2; 0,8 %;

un conglomerato di resina, realizzato in betoniera, come il precedente, ma caricato con inerti aventi una precisa curva granulometrica per realizzare conglomerati resinosi con particolari caratteristiche meccaniche e con un ritorno elastico, sotto sforzo di deformazione pari al 95% e deve presentare le seguenti caratteristiche meccaniche e deformabilità: • • • •

resistenza alla compressione resistenza alla flessione resistenza alla trazione modulo elastico

1.200 kg/cm2; 350 kg/cm2; 400 kg/cm2; 250.000 kg/cm2;

Tra gli inerti più usate per la riparazione corticale di calcestruzzi ammalorati è il quarzo, in una vasta gamma di granulometria. La distribuzione granulometrica delle cariche influenza le caratteristiche meccaniche allo stesso modo delle malte cementizie. Valori ottimali si ottengono con una curva granulometrica (la curva di Fuller) che permette di avere il minimo di spazi vuoti. Quindi le particelle medie e fini hanno lo stesso scopo di riempire le cavità grandi e piccole.

Esempio tipico di descrizione delle modalità di intervento e di riparazione corticale di strutture in cemento armato con malte o calcestruzzi resinose: d.1.1) - Battitura e saggio su tutte le superfici in calcestruzzo mediante attrezzi manuali per picchiettatura. d.1.2) - Demolizione di ogni parte di calcestruzzo (placche) in fase di distacco o non dotata di sufficiente resistenza o coerenza, mediante idro-demolizione eseguita con lance e pompe a 2.000 Bar o mediante

attrezzi manuali e/o con l’aiuto di un piccolo martello a funzionamento elettrico o pneumatico, fino alla profondità dello spessore del copriferro. d.1.2.a) - qualora la rimozione di placche di calcestruzzo ammalorato interessi spessori superiori alla profondità del copriferro, dovranno intervenire poteri decisionali al fine di provvedere ai necessari controlli e alle eventuali istruzioni che tale situazione comporta. d.1.3) - Test-chimico per valutare la profondità di carbonatazione mediante spennellatura sulle parti interessate (nella zona dei ferri di armatura messi a nudo) mediante un reagente chimico del tipo fenolftaleina (raccomandazioni RILEM CPC-18-1983).

Con tale metodo, finché le parti “carbonate” non cambiano colore occorre continuare a demolire la massa incoerente fino ad arrivare alle parti di calcestruzzo non carbonato rese visibili da una colorazione tra il violetto ed il rosso. d.1.4) - Scarifica meccanica dell’intera superficie corticale del calcestruzzo non ammalorato di almeno 1 cm., mediante scalpelli montati su apparecchiature azionate elettricamente e/o pneumaticamente fino a mettere a nudo il sottofondo sano e compatto e renderlo sufficientemente scabro, per permettere l’aggancio alla successiva regolarizzazione in malta pronta del tipo bicomponente adesiva, premiscelata, costituita da inerti selezionati di fine granulometria, leganti idraulici modificati ed opportuni additivi (Componente “A”) amalgamati con polimeri acrilici in emulsione (Componente “B”). d.1.5) - Le armature in avanzato stato di degrado dovranno essere scoperte operando una rimozione completa del calcestruzzo all’intorno del ferro. d.1.6) - Dovranno essere rimosse anche quelle tracce di precedenti interventi di riparazione o di riporto non più perfettamente aderenti.

Tali operazioni dovranno essere eseguite con mezzi manuali o comunque tali da non danneggiare, con eccessive vibrazioni, lo strato di calcestruzzo non ammalorato, già sottoposto a sollecitazioni dinamiche indotte dal traffico ferroviario. d.1.7) - Accurata pulizia a mezzo di spazzolatura o meglio sabbiatura di tutte le superfici interessate dai successivi trattamenti, con una completa rimozione di sostanze o depositi estranei come ruggine, oli, grassi, pellicole superficiali sfarinanti.

Si ottiene così anche una adeguata rugosità delle superfici, utile per una migliore aderenza dei materiali di riporto. d.1.8) - I ferri dovranno essere ripuliti asportando completamente la ruggine secondo SSPC-SP10-63T al grado Sa 2 ½ e ricoperti, a breve distanza, con successivi trattamenti. d.1.9) - I ferri di armatura ripuliti dovranno essere trattati mediante l’applicazione a pennello in due mani, a distanza di circa 2 ore l'una dall'altra, di una malta cementizia pennellabile bicomponente a base di leganti idraulici, polveri silicee, inibitori di corrosione e dispersione di polimeri acrilici (consumo 3 kg. per m² - 2,6 mm. di spessore). d.1.10) - Ove si rendesse necessario si può primerizzare tutta la superficie in calcestruzzo pulita mediante l’applicazione di un “primer” in resina sintetica, in ragione di 300-500 gr. per m², per aumentare il potere di aggrappo superficiale tra il vecchio conglomerato cementizio e il successivo materiale di riporto.

Il “primer” deve essere steso su un supporto, privo di incrostazioni e parti friabili, con pennello o sistema airless, perché deve penetrare, anche per capillarità, nei pori del conglomerato cementizio e aderirvi stabilmente dopo l’indurimento, in modo da costituire uno strato superficiale sufficientemente compatto per accogliere il successivo materiale di riporto. d.1.11) - I riporti in spessore per la ricostruzione del copriferro e di parti mancanti dovranno essere realizzati: d.1.12) - mediante applicazione di una malta pronta di resina sintetica del tipo bicomponente adesiva, premiscelata, costituita da inerti minerali (0,1 - 3 mm.) in curva granulometrica nel rapporto legante : quarzo = 1 : 8/13, selezionati di fine granulometria, leganti idraulici modificati ed opportuni additivi (Componente “A”) amalgamati con polimeri in emulsione (Componente “B”) esente da solventi.

Questo impasto, senza aggiunta di acqua, dovrà formare una miscela cremosa tixotropica, con basso modulo elastico, da applicare con uno spessore maggiore di 5 mm (resa circa 1.800 kg. per m³. di Componente “A” + Componente “B”).

Composition of fillers of quartz aggregates for the study of the Fuller Grunolemtric Curve

L'applicazione deve essere eseguita a spatola, con temperatura compresa tra i +5° C e i +35° C, su sottofondo bagnato a rifiuto e successivamente finita con frattazzino di spugna.

La malta pronta in resina sintetica ha un elevato potere adesivo al ferro e al calcestruzzo ed un tempo di indurimento abbastanza rapido (da qualche minuto sino ad un’ora max.).

Le superfici riparate e l'intera struttura potranno essere, se necessario, protette dal processo di carbonizzazione mediante verniciatura protettiva. d.1.13) - Eventuale posa in opera di rete metallica elettrosaldata, sulle superfici da risanare, e deve essere applicata con il seguente criterio : d.1.13a) - per spessori da risanare minori o uguali a cm. 2 : non è necessario l’impiego di rete metallica elettrosaldata ; d.1.13b) - per spessori da risanare fino a 4 cm. : occorre applicare una rete metallica elettrosaldata con diametro del filo 3 mm., maglia 50x50 mm ; d.1.13c) - per spessori da risanare fino a 6 cm. : occorre applicare una rete metallica elettrosaldata con diametro del filo 4 mm., maglia 50x50 mm.

Resin mortar samples for mechanical strength tests Mi preme ricordare che, nel caso di impiego di formulati resinosi, per riparazioni di fessurazioni occorre impiegare formulati con un modulo elastico non superiore a 30.000 kg/cm2 onde evitare, quello che noi addetti ai lavori chiamiamo, effetto cuneo; mentre nel caso di fessurazioni attive è importante che i formulati abbiano un comportamento elastico con moduli inferiori a 10.000 kg/cm2.

e.1) - Malte /calcestruzzi cementizi a ritiro compensato (reoplastiche e/o fibro-rinforzate e non) Trattasi di una malta cementizia, pronta all’uso, con la sola aggiunta di acqua, utilizzata per realizzare placcature a basso spessore sino a 3 - 4 cm, per strutture massicce e soggette prevalentemente a compressione (circa 1.950 kg/m3).

Oggi tutte le malte a ritiro compensato sono caratterizzate dal fatto che, oltre ai normali componenti, essi contengono anche un agente espansivo in polvere e un certo quantitativo di fibre disperse nell’impasto.

In generale, le principali caratteristiche di questi calcestruzzi rispetto a quelli normali sono: una più alta resistenza a flessione, una maggiore duttilità, una maggiore tenacità ed una maggiore resistenza a trazione ed una elevata resistenza agli urti.

La loro particolare caratteristica è quella di bilanciare le sollecitazione di trazione differite prodotte dal ritiro igrometrico impedito, attraverso una precompressione chimica del calcestruzzo ottenuta mediante l’introduzione dell’ agente espansivo. Tale componente infatti, è in grado di produrre un’espansione iniziale del calcestruzzo che, se adeguatamente contrastata dalla presenza di vincoli di varia natura, viene trasformata in una sollecitazione di segno opposto a quella indotta dal ritiro igrometrico.

Solitamente tale vincolo è dato da una rete elettrosaldata (per compensare le espansioni in fase plastica secondo UNI 8996).

La malta può essere anche impiegata con pompe a spruzzo (tipo intonacatrici) o con pompe per iniezioni.

La malta ha un elevato potere adesivo al ferro e al calcestruzzo ed un tempo di indurimento abbastanza rapido.

Per contro, i calcestruzzi di “malta a ritiro compensato fibrorinforzati” presentano maggiori difficoltà di messa in opera per la riparazione corticale per la presenza delle fibre che riducono sensibilmente la lavorabilità dell’impasto e per la tendenza delle fibre stesse ad intrecciarsi formando delle “palle”. Per quanto esistano molti tipi di fibre (in metallo, vetro, plastica, ecc.) – vedi di seguito alcune successive considerazioni - quelle in acciaio sono quelle che danno le migliori prestazioni ma, purtroppo necessitano di una prolungata maturazione umida. Questa è una ragione che limitano l’impiego di questa tipologia di calcestruzzo.

Mechanical resistance test of resinous formulations

In pratica nel caso in cui l’idratazione dell’ agente espansivo fosse troppo rapida, rispetto a quella del cemento, la coazione indotta nel calcestruzzo sarebbe assai ridotta in quanto gran parte dell’aumento del volume avverrebbe in un momento in cui il calcestruzzo si trova ancora allo stato plastico. Al contrario, se la cinetica di idratazione dell’ agente espansivo fosse molto lenta, come avviene usando un’altra tipologia di espansivi a base di solfo di alluminati di calcio (anziché ossido di calcio o ossido misto di calcio e magnesio), l’efficacia del processo espansivo sarebbe vincolata all’applicazione di una prolungata stagionatura umida del calcestruzzo.

e.1.1) - Alcune raccomandazioni per l’esecuzione del ripristino nell’ applicazione della “malta /calcestruzzi cementizi a ritiro compensato” Le raccomandazioni ed i suggerimenti che seguono sono basati sull’ esperienza del sottoscritto consolidata nell’ applicazione della malta/calcestruzzi cementizi a ritiro compensato reoplastica. e.1.1.1) - nel caso di riporti di spessore superiori ai 2 cm occorre applicare una rete elettrosaldata fissata mediante chiodi al sottofondo. Il sottofondo deve essere irruvidito usando una bocciardatrice sino al calcestruzzo sano creando delle asperità di circa 0,5 cm che assicurino il contrasto all’espansione della malta. e.1.1.2) - l’impiego di fibre d’acciaio nel calcestruzzo proiettato è indicato quando questi servono per contribuire ad aumentare la duttilità del conglomerato cementizio. In questo caso occorre eliminare la posa della rete elettrosaldata. e.1.1.3) - l’impiego delle fibre sintetiche in polipropilene si utilizzano per ottenere, allo stato fresco, una maggiore tixotropicità e un controllo delle fessure durante la fase plastica e quindi una maggiore impermeabilità.

Photos of typical fibers for mortar and concrete reinforcement: a) Steel, b) PVA - Polyvinyl alcohol and c) PPHT - High tenacity polypropylene

e.1.2) - Caratteristiche dell’impasto indurito e.1.2.1) – buona adesione al calcestruzzo vecchio; e.1.2.2) - resistenza meccanica a compressione: circa 300 kg al cm² a 1 giorno e circa 900 kg al cm² a 28 giorni; e.1.2.3) - resistenza meccanica a trazione per flessione: circa 60 kg al cm² a 1 giorno e oltre 120 kg al cm² a 28 giorni; e.1.2.4) - pull-out: a 3 giorni 45 kg al cm² per barra di acciaio liscia e 200 kg al cm² per barra d’acciaio ad aderenza migliorata; i corrispondenti valori a 28 giorni diventano: 80 kg al cm² ed oltre 330 kg al cm²; e.1.2.5) - espansione libera: 0,3 % tra il tempo d’inizio indurimento (7 ore) e 24 ore; e.1.2.6) - resistenza ai cicli di gelo e disgelo: dopo 300 cicli termici tra – 20° c e + 5° C il modulo elastico dinamico è diminuito meno del 5 % (ASTM-C-233-73); e.1.2.7) - modulo elastico dinamico: 350.000 kg al cm² a 7 giorni e 400.000 kg al cm² a 28 giorni; e.1.2.8) - modulo elastico statico con carichi pari ad un terzo del carico di rottura: 280.000 kg al cm² a 7 giorni e 320.000 kg al cm² a 28 giorni. f.1) – Miscela di calcestruzzo Ultra-High-Performance-Concrete (UHPC) A seguire mi permetto di illustrare un vecchio studio, di notevole attualità ancora oggi, redatto da Stefano Cangiano e Sara Sgobba, della Direzione Ricerca e Sviluppo i. lab, della CTG SPA, Italcementi Group di Bergamo (Italia) i quali sottolineano come negli anni recenti, è stata sviluppata una nuova tecnica nel campo della ricerca per il rinforzo, ripristino ed adeguamento sismico degli elementi RC . Questa soluzione si basa sull'applicazione di un rivestimento sottile in calcestruzzo ad elevatissime prestazioni fibrorinforzato (UHPFRC) in virtù di una microstruttura cementizia estremamente compatta, ottenuta mediante opportuna scelta dei prodotti costituenti la miscela.

Questo tipo di materiali, per loro natura sono molto fragili, però possiedono una elevata caratteristica di tenacità e duttilità dovuta ad una efficace interazione con il fibro-rinforzo.

Applicazioni di riabilitazione e rinforzo del calcestruzzo possono essere realizzate con spessori molto ridotti di UHPFRC (circa 30-40 mm) rispetto alle tecniche tradizionali basate sull’utilizzo di calcestruzzi ordinari.

Esiste un’ampia letteratura che illustra una grande efficacia di confinamento, miglioramento della tenacità e rafforzamento di elementi strutturali verticali sotto carico assiale, con il vantaggio inoltre di non apportare variazioni significative nelle dimensioni trasversali delle sezioni strutturali. Tra gli altri vantaggi vi è inoltre un incremento di durabilità dovuta alla maggiore compattezza del materiale e l’ottima finitura superficiale legata alle proprietà auto-compattanti, per cui il rivestimento in UHPFRC non necessita successivamente di uno strato di intonaco superficiale.

Prove sperimentali hanno dimostrato che ci sono diversi vantaggi tecnici nell'utilizzo di materiali UHPFRC al posto dei materiali tradizionali nel campo dell'adeguamento e della riabilitazione/rinforzo in quanto i materiali cementizi hanno il vantaggio di non soffrire di successivi fenomeni di delaminazione e debonding sotto carichi ciclici e di non presentare reazione al fuoco.

Ciò premesso, sul possibile utilizzo delle miscele UHPFRC nella riabilitazione strutturale, poco si conosce sul comportamento micro-meccanico e sulle relative prestazioni in scala macroscopica dell’interfaccia tra vecchio e nuovo calcestruzzo impiegando miscele UHPFRC. f.1.1) – Una breve nota conclusiva sull’impiego delle miscele di calcestruzzo Ultra-High-PerformanceConcrete (UHPC) Mi permetto di concludere con una breve nota conclusiva, come già ho avuto occasioni di illustrare un mio personale parere sull’argomento, a riguardo i prodotti e le tecnologie che vengono oggi impiegati, in modo confusionale, per il ripristino ed il rinforzo strutturale di un calcestruzzo tradizionale, utilizzando erroneamente dei calcestruzzi ad elevatissima resistenza, denominati “UHPC”.

Questi, gli “UHPC”, non devono essere confusi, come spesso avviene nella realtà, con i calcestruzzi ad elevatissima duttilità, denominati “SHCC” (Strain Hardening Cementitious Composites) o cementi fibrorinforzati, ma sono dei derivati di quest’ultimi come lo sono anche: - HPC (High Performance Concrete), - HSC (High Strength Concrete), - RPC (Reactive Powder Concrete), - DSP (Densified with Small Particles), - FRC (Fiber Reinforced Concrete), - HPFRC (High Performance Fiber Reinforced Concrete), - UHPFRC (Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete), - ECC (Engineered Cementitious Composites), - SCC (Self Compacting Concrete).

Gli “SHCC”, presentano delle grandissime capacità di deformarsi in una zona ben definita (localizzabile) senza fratturarsi in modo incontrollato.

Ricordo che i calcestruzzi, denominati “Ultra High Performance Concrete” o brevemente “UHPC”, vengono annoverati come “calcestruzzi ad elevatissime prestazioni” o commercialmente come materiale “GREEN” perché nella formulazione della miscela non presenta resine o componenti plastici.

Mi permetto di fare presente, a mio avviso, che questi materiali cementizi, oggi vengono erroneamente indicati, per “migliorare” i calcestruzzi tradizionali in termini di sicurezza strutturale, impiegandoli per ripristini e rinforzi strutturali.

Mentre condivido il loro impiego come intonaci ed in modo particolare come elementi prefabbricati in termini di “durabilita” perché, per la loro eccezionale reologia “SCC”, consentono di realizzare dei getti, impiegando delle casseformi, degli spessori molto limitatati.

Secondo quanto sopra ho affermato alla voce f.1) , faccio presente che, gli “UHPC” presentano numerosi e importanti caratteristiche, come: • una assoluta impermeabilità. Infatti, l’ impiego di aggiunte minerali (p.es. fumo di silice) che, allocandosi nei vuoti interstiziali lasciati dai granuli di cemento, determinano un sistema meno poroso, più densificato e quindi meccanicamente più resistente oltre che impermeabile agli agenti aggressivi; • una elevata durabilità (dalle 2 alle 3 volte rispetto al cemento tradizionale) e stabilità; • una vasta gamma di colori personalizzabili; • una enorme resistenza a cicli di gelo/disgelo; e notevoli caratteristiche tecniche, come: • una resistenza alla compressione ≥ 140 MPa; • una resistenza alla flessione (matrice) ≥ 18 MPa; • una resistenza alla flessione (rinforzato) ≥ 25 MPa; • una energia di frattura 55 kN/m; • il suo impiego in spessore unitario ≥ 2 mm; • e dopo solo 4 anni una carbonatazione pari a 1.5 mm.

• un ridotto rapporto a/c (Acqua/CEmento) per l’impiego di additivi superfluidificanti; • l’impiego di aggregati di frantumazione di alta qualità (basalto, granito, quarzite, ecc.) capaci di assicurare un’elevata resistenza meccanica ed un’ottima adesione all’interfaccia tra aggregato e matrice cementizia; • l’aggiunta di fibre che conferiscono al materiale un comportamento duttile (es. Calcestruzzo “Fiber Reinforced Concrete” o “SHCC” (Strain Hardening Cementitious Composites) denominati cementi fibrorinforzati [si può fare riferimento al Documento Tecnico CNR-DT 204 (2006) ].

Mi dispiace scrivere quanto segue ma, tali materiali, gli “UHPC”, purtroppo presentano alcune “criticità”, in particolare riguardo al “ritiro igrometrico”, il quale ritiro compromette l’ “adesione” al vecchio supporto in calcestruzzo tradizionale, oggetto di riparazione (dello strato corticale).

Purtroppo, questo fenomeno di distacco, è normale che si verifica dopo la riparazione dello strato corticale con miscele di “UHPC”, con il successivo passaggio di un treno entro le successive 2 ore. Fenomeno che viene riscontrato nelle zone di riparazione e di rinforzo di porzione di elementi strutturali, durante il ripristino di vecchie gallerie ferroviarie.

Dalle immediate verifiche, ho sempre constatato che, la causa di distacco, è sempre dovuto al ritiro igrometrico ed alla mancanza di adesione.

Mentre, il fenomeno di distacco, non si è verificato in quelle zone, dove è stata fatta la riparazione dello strato corticale con l’impiego delle malte polimeriche (resinose).

Chiedo scusa hai colleghi che non condividono quanto brevemente ho voluto illustrare ma, queste mie affermazioni, sono i risultati di una attenta attività di numerose applicazioni, in fase sperimentale, fatte in diversi cantieri sul territorio nazionale dovute ad esigenze di rinforzo strutturale ed anche di adeguamento sismico. g) - Cosa si intende per calcestruzzo fibro-rinforzato Vorrei ricordare com’è noto a tutti che aggiungendo al calcestruzzo fibre di varia natura, siano esse micro o macro fibre, si ottiene un nuovo “materiale” dalle caratteristiche meccaniche differenti da un convenzionale calcestruzzo.

Il conglomerato cementizio diventa fibro-rinforzato quando questi viene additivato con particolari fibre; questi possono essere di: -

acciaio;

- materiale polimerico; - materiale inorganico (carbonio, vetro).

Tale composito viene chiamato Calcestruzzo Fibro-rinforzato (Fiber Reinforced Concrete).

Invece quando si parla di un rinforzo costituito da fibre di acciaio questi viene chiamato Steel Fiber Reinforced Concrete.

La valutazione delle differenti proprietà tecnologiche del FRC (Fiber Reinforced Concrete) viene effettuata tramite prove unificate e normate alcune delle quali sono quelle tipiche utilizzate per il calcestruzzo ordinario, altre create appositamente per il fibro-rinforzato.

Results of the flexural test of mortars reinforced with 1% (V1) and 2% (V2) and 1% (B1) and 2% (B2) basalt glass fibers, compared to that of the mortar unreinforced (TQ).

Dall’analisi dell’andamento delle curve carico-spostamento appare evidente che l’aggiunta di fibre comporta il passaggio da una curva tipica di un materiale fragile (curva TQ) a curve caratteristiche di materiali duttili.

Le fibre di vetro sembrano, peraltro, avere scarsa influenza sul comportamento elastico del materiale (la pendenza del tratto iniziale delle curve TQ, V1, V2 è sostanzialmente la stessa), con una più decisa influenza sui valori di picco delle resistenze a flessione. Viceversa, la presenza di fibre di basalto non si traduce in sostanziali modifiche sui valori di picco delle resistenze a flessione, mentre sembra influenzare il comportamento del materiale in fase elastica (la curva B2, in particolare, presenta una pendenza del tratto iniziale decisamente inferiore rispetto alle altre).

Complessivamente, i migliori risultati sono stati ottenuti con il campione V2, che tra tutti i campioni esaminati ha mostrato sia il valore di picco più elevato (circa 1.100 N) che la più ampia area sottesa dalla curva (valore correlabile alla tenacità del materiale). h) - Le Fibre L’influenza delle fibre sulle proprietà meccaniche di un conglomerato cementizio dipende dalle proprietà del materiale di cui sono costituite, in particolare dalla tenacità e dal modulo elastico a trazione, e da alcuni parametri geometrici quali: • la forma; • la lunghezza; • il diametro equivalente; • il rapporto d’aspetto.

Accanto a fibre semplicemente rettilinee esistono fibre ondulate, uncinate, nervate, ad estremità schiacciate, ecc.. La forma indica la geometria della linea d’asse delle fibre e l’eventuale variazione della loro sezione trasversale.

Per lunghezza della fibra si intende la distanza tra le due estremità. Essa può differire dalla lunghezza della linea d’asse del lamento nel caso di fibre non rettilinee (ondulate, uncinate, ecc.).

Compression stress-deformation behavior of ordinary concrete (green) and one reinforced with metal fibers (yellow)

Il diametro equivalente è il diametro del cerchio di area equivalente alla sezione media della fibra. Il rapporto d’aspetto è definito come il rapporto tra la lunghezza della bra e il suo diametro equivalente. A parità di composizione e di dosaggio, l’efficacia delle fibre migliora se aumenta il rapporto d’aspetto e se la forma assume un contorno irregolare che favorisca l’adesione alla matrice cementizia. A seconda del tipo e del dosaggio di fibre impiegate, il comportamento meccanico del calcestruzzo fibro-rinforzato può differire radicalmente da quello di un calcestruzzo ordinario. h.1) - Comportamento a trazione L’aggiunta di fibre non migliora la resistenza meccanica a trazione del calcestruzzo intesa come la sollecitazione in corrispondenza della quale si verifica l’innesco della prima (o unica) fessura nella matrice di un elemento sollecitato a trazione. Non vengono apprezzabilmente modificate le grandezze che caratterizzano il comportamento del materiale prima della fessurazione, ossia, il modulo elastico a trazione (Et) e la deformazione in corrispondenza dell’innesco della fessura (εf). L’aggiunta di fibre modifica sensibilmente, invece, il comportamento a trazione della matrice cementizia in fase post-fessurativa. h.2) - Comportamento a flessione La figura che segue si riferisce a prove di flessione effettuate da Roberto TROLI e Francesca SIMONELLI della società Engineering Concrete di TREVISO (Italia), per la caratterizzazione dei calcestruzzi fibro-rinforzati.

Sono stati effettuati due tipi di TEST a seconda della norma cui si riferisce la norma belga NBN B15-239, 239 e secondo la norma giapponese JSCE SF4. Altre norme, come la norma italiana UNI 11039, invece, la prova deve essere condotta su travi di analoghe dimensioni ma caratterizzate dalla presenza di un intaglio nella mezzeria del lembo inferiore. In entrambi i casi il comportamento flessionale è sempre definito sulla base di una tensione nominale di trazione valutata ipotizzando un comportamento elastico lineare del provino.

Behavior of ordinary concrete (A) and reinforced concrete (B) in the bending test by application of a load P as a function of the deflection

Nel calcestruzzo ordinario, al raggiungimento del carico che provoca l’innesco di una fessura, a partire dal lembo maggior- mente teso (Pf), si assiste al collasso repentino dovuto alla rapida propagazione della lesione nell’intero spessore del travetto: in altre parole, la deflessione al momento dell’apparizione della prima fessura (δf) è di poco inferiore (e quasi coincidente) a quella che corrisponde alla completa rottura (δr) come tipicamente avviene in un materiale fragile. h.3) - La tenacità Alla tenacità del calcestruzzo fibro-rinforzato (caratteristica opposta alla fragilità del calcestruzzo ordinario) si deve la capacità di resistere agli urti, qualità particolarmente apprezzata nelle strutture sottoposte a sollecitazioni impulsive e ripetute. h.4) - La resistenza all’urto La resistenza all’urto del calcestruzzo fibro-rinforzato con una prova basata sull’applicazione ripetuta di colpi è determinata con un maglio fino a rottura del materiale. Con un rinforzo adeguato di fibre in acciaio, il provino di calcestruzzo subisce un affossamento nella zona centrale in corrispondenza dell’area sulla quale agisce il maglio, senza tuttavia subire mai alcuna frattura per l’elevatissima resistenza all’urto del calcestruzzo fibro-rinforzato.

h.5) - La lavorabilità L’aggiunta di fibre ad un conglomerato cementizio comporta, in genere, una riduzione della lavorabilità dell’impasto rispetto al valore misurato prima dell’aggiunta (Liberato Ferrara and Alberto Meda, “Relationships between bre distribution, workability and the mechanical properties of SFRC applied to precast roof elements” - Materials and Structures, N.39, pp.411–420, 2006).

La riduzione della lavorabilità dipende, principalmente, dal dosaggio e dal rapporto d’aspetto delle fibre impiegate.

Ai dosaggi di fibre usualmente impiegati nelle applicazioni correnti, comunque, è in genere possibile ottenere un adeguato livello di lavorabilità aggiungendo e dosando opportunamente additivi superfluidificanti e, se necessario, provvedendo ad aumentare la frazione aggregato fine dell’impasto e/o a ridurre il diametro massimo dell’aggregato. h.6) - Il ritiro igrometrico Contrariamente a quanto comunemente ritenuto, l’aggiunta di fibre, di qualsiasi tipo e nei dosaggi usualmente impiegati nelle applicazioni pratiche, non è in grado di ridurre apprezzabilmente il ritiro igrometrico del calcestruzzo e neppure è in grado di ridurre l’apertura delle fessure indotte dal ritiro contrastato da vincoli. Per contro, con l’aggiunta di fibre al calcestruzzo si può ridurre la propagazione delle fessure dovute al ritiro igrometrico grazie all’azione di cucitura esercitata sui lembi delle lesioni che eventualmente si innescano. Questo effetto è ormai largamente utilizzato aggiungendo fibre in acciaio o di tipo polimerico al calcestruzzo in sostituzione delle reti elettrosaldate con funzione di controllo delle fessurazioni da ritiro igrometrico. h.7) - Il ritiro plastico L’aggiunta di fibre di opportune dimensioni e dosaggio può contribuire a prevenire la formazione di cavillature da ritiro plastico nei sistemi cementizi prematuramente esposti all’evaporazione d’acqua. Le fibre che maggiormente risultano efficaci a tale scopo sono le micro-fibre polimeriche caratterizzate da lunghezza compresa tra 3 e 20 mm e diametro dell’ordine di 0,05 ÷ 0,1 mm. i) - Cosa si intende per riparazione o rinforzo strutturale di un’opera in conglomerato cementizio Per riparazione o rinforzo strutturale di un’opera in conglomerato cementizio si intende quell’intervento necessario per ridare l’originaria funzionalità e continuità ad una struttura, che si è degradata sotto l’azione di agenti atmosferici, chimici, meccanici, sismici o a causa di un’errata esecuzione.

In particolare, occorre distinguere, tre tipi di interventi: i.1) - Riparazione dello strato corticale di strutture in cemento armato per spessori sino alla profondità del copriferro UNI-EN-1992-1-1 (armatura metallica esistente) , con ripristino della sezione originaria di conglomerato resistente. i.2) – Riparazione dello strato corticale di strutture in cemento armato per spessori superiori alla profondità del copriferro UNI-EN-1992-1-1 (armatura metallica esistente) con ripristino della sezione originaria di conglomerato resistente. i.3) – Riparazione dello strato corticale di strutture in cemento armato per spessori superiori alla profondità del copriferro UNI-EN-1992-1-1 (integrazione dell’armatura metallica esistente mancante), con aumento della sezione originaria di conglomerato resistente.

Quest’ultimo punto non è oggetto della presente relazione tecnica – riparazione strato corticale - perchè l’ aumento della sezione di conglomerato resistente deve essere realizzata mediante getto entro cassero allo scopo di ripristinare strutture come pilastri e travi creando le originarie caratteristiche strutturali del progetto mediante un nuovo getto strutturalmente collaborante con l’esistente, entro casseri in lamiera e quando gli spessori lo consentono.

L’armatura mancante o in avanzato stato di corrosione, deve essere integrata tramite giunzione, mediante saldatura del tipo elettrico-manuale con elettrodo, utilizzando nuovi spezzoni di ferro del tipo acciaioso.

Come potete notare nello descrivere le varie modalità di intervento di riparazioni di strutture in cemento armato, sempre con ripristino della sezione originaria o con aumento della sezione di conglomerato resistente, oltre allo stato corticale esistono altri tipi riparazioni strutturali: lesioni passanti, crepe, giunti rigidi, sempre di elementi portanti in cemento armato il cui ripristino può essere effettuato mediante iniezioni a bassa pressione di formulati di resine sintetiche.

Come già detto e scritto in diverse occasioni, ognuno di noi cerca di comunicare con la propria esperienza, a far sviluppare e dare una informazione adeguata alle nuove esigenze che il mercato globale richiede, in particolare su come difendere le nostre strutture infrastrutturali, ricordando che è sempre importante gestire lo sviluppo tecnologico solo e attraverso lo studio continuo della tecnologia dei materiali.

Conclusioni In questa breve nota ho solo cercato di descrivere mettendo in evidenza le varie modalità di intervento di riparazioni dello strato corticale in calcestruzzo di una galleria ferroviaria, con struttura in cemento armato, sottolineando, in modo evidente, l’uso dei prodotti a matrice resinosa, oltre per le loro caratteristiche capaci di sopportare sforzi decisamente maggiori avendo per di più un ritorno elastico istantaneo e quasi completo, anche per il loro rapido indurimento.

Comunque, il successo del ripristino dipende fondamentalmente dalla solidarizzazione fra il nuovo materiale che si impiega per il ripristino ed il vecchio supporto in calcestruzzo. In altre parole, l’ adesione fra questi due materiali, non deve essere inferiore alla resistenza a trazione, del calcestruzzo da ripristinare.

Allo stato attuale della tecnologia conosciuta i prodotti a base di formulati resinosi sono quelli che garantiscono le proprietà richieste perché presentano una forte azione di primer e di penetrazione nel vecchio supporto, ed infine perché mantengono integre – per oltre 100 anni, nell’evolversi nel tempo, le loro caratteristiche meccaniche.

Faccio inoltre presente che il nostro obiettivo deve essere mirato a contribuire ad a fare presente che occorre difendere tutte le nostre strutture infrastrutturali attraverso una manutenzione programmata.

A tale riguardo ricordo ancora che la nostra rete ferroviaria è l’arteria vitale del mercato unico europeo, ed occorre poter sempre contribuire, anche con una semplice riparazione dello strato corticale, per assicurare quelle condizioni ottimali e uniformi richiesti dalla sicurezza specialmente di quello del trasporto su ferro.

Grazie dell’attenzione.

Article in English Premise Before moving on to the repair techniques and materials to be used for the reinforcement of the "cortical layer" of concrete, inside a railway tunnel, it is necessary to make a premise premising that, although many repair techniques are known, they are very different from each other when you are in the presence of a road tunnel, made of traditional or fiber-reinforced concrete, and a hydraulic or railway tunnel, made of prefabricated self-supporting ashlars or traditional reinforced concrete, where, overall, in particular, the concept of durability is enormously different.

In recent years, despite an awareness of the importance of durability that has made it possible to change the technology in the production of concrete, as well as careful design of the works, using new limits, to date, we still have little information available on long-term durability of concrete works.

Today it is required that the minimum useful life of concrete structures, which are used for underground works, especially as for the tunneling sector, is a minimum of 100 years, and in some cases up to 200 years.

Construction of a modern railway tunnel

View of delamination portion of cortical layer

In this case, it is sufficient to adopt the durability criteria set out in the European and American standards proposed by the ACI Committee 201 (Guide of Durable Concrete in ACI Manual 1994).

Concrete being a rigid material and therefore subject to cracks when, in addition to tensile stresses, hygrothermal variations arise. This involves the penetration of aggressive agents through the cracks that are created and the subsequent degradation of the concrete.

The most known aggressive agents, which determine the degradation of concrete are, in particular: a) - the aggressiveness of the environment: atmosphere (marine, industrial), waters (meteoric, waterways), climate and microenvironment with which the structure coexists, such as: - vibrations;

- mechanical disintegration action, caused by freezing and thawing; - chemical aggression, due to sulphates, chlorides, magnesium salts, oils, etc. b) - the intrinsic durability of concrete due to technological deficiencies, such as: - incorrect proportioning in the choice of the materials making up the concrete (cement, additives, water); - widespread or concentrated macro and micro porosity (a compact, homogeneous and waterproof concrete will offer greater resistance to the penetration of water and gas than a medium quality concrete, uneven, cracked and porous).

Deterioration of cortical layer of concrete

c) - errors or deficiencies dating back to construction. Execution errors, such as: - the incorrect combination of concrete-steel materials and insufficient attention to the cracking of concrete caused and accelerated by mechanical phenomena, such as shocks and vibrations; - exasperated tendency to fully exploit the structure for architectural and economic reasons.

Causes of corrosion due to stray or leakage currents.

While there are also, with considerable influence, stray currents, present in the tunnels of subways and railways, especially below urban areas or railway stations which, in addition to the fire, have a direct action on concrete, a topic little debated .

Stray currents Railway tunnels are very subject to the presence of stray currents which greatly affect the corrosion of the reinforcements inside the concrete products.

It is worth remembering that by stray (direct) currents we mean those dispersed by electrical circuits and that, circulating in the ground, they enter the metal elements extraneous to the circuit but in contact with the ground, corroding them in the areas where the flow is released. Stray currents are not controllable

because when they are discharged to the ground from the railway tracks above, the tunnels take different directions.

Investigations have shown that the use of fiber-reinforced concrete significantly reduces the rate of corrosion of the reinforcements inside the concrete products (in particular of the ashlars) without causing dissolution of the metal.

The fire A brief description of the degradation action that concrete undergoes due to a fire depends very much on the temperature it has reached at its various points and on the time during which these temperatures have had the opportunity to make their action felt.

It should be remembered that knowledge of the temperatures reached at different depths in the various sections of the structural element of a tunnel is essential in order to establish the degradation state of a concrete structure. We will talk about this important topic in more detail on another occasion.

Materials for restoration Successful restoration of degraded reinforced concrete structures basically depends on the solidarity (adhesion) between the new restoration material and the old concrete support.

In my opinion, in the current state of technological knowledge, also for the speed of execution, without blocking rail traffic, there are three categories of materials that have these properties, and they are: d) - resinous mortars (mortars and / or polymer concretes); e) - compensated shrinkage mortars / concretes (rheoplastic and/or fiber-reinforced and non-reinforced); f) - Ultra-High-Performance-Concrete (UHPC) concrete mix.

I want to remind you that the resin mortars (polymeric formulations) have the disadvantage that with the increase of the temperature, higher than 100° C, they undergo chemical-physical changes which lead to the decay of their mechanical characteristics.

Typical example of repair of cortical layer of deteriorated concrete

d.1) - Resinous mortars Resinous mortars and/or resinous concretes are masses of a consistency similar to mortars with known mineral binders and used in construction, but with a resin-based binder. The consistency of these masses, from fluid and flowing to dry, depends on their formulation.

The typical characteristics of these products, which are generally called synthetic mortars or polymer concretes, are the extraordinary mechanical and chemical resistance, the remarkable adhesion characteristics to common building materials and the variability of the hardening times, from a few minutes up to a maximum of 1 Now.

However, without going into the complex world of resin CHEMISTRY, we will only talk about the resinous formulations of the macromolecular organic ones, deriving from the polymerization of monomers, in particular of the thermosetting resins (three-dimensional molecules) whose formation of macromolecules is obtained by poly-addition.

Similarly to how it is used in construction, resinous mortars are called those with inert fillers with a maximum diameter. less than 4 mm and resinous concretes those with inert fillers with max. diameter. greater than 4 mm. In particular, the characteristics of the polyaddition formulations that I suggest to use are: - a preloaded binder, for resin conglomerates using quartz aggregates of granulometry from 0.05 to 0.1 mm and must have the following mechanical characteristics and deformability: • compressive strength • flexural strength • tensile strength • elastic modulus • elongation at break

1,050 kg / cm2; 650 kg / cm2; 450 kg / cm2; 70.000 kg / cm2; 0.8 %;

- a resin conglomerate, made in a concrete mixer, like the previous one, but loaded with aggregates having a precise granulometric curve to make resinous conglomerates with particular mechanical characteristics and with an elastic return, under deformation effort equal to 95% and must have the following mechanical characteristics and deformability: • compressive strength • flexural strength • tensile strength • elastic modulus

1,200 kg / cm2; 350 kg / cm2; 400 kg / cm2; 250.000 kg / cm2;

Among the most used aggregates for the cortical repair of deteriorated concretes is quartz, in a wide range of granulometry. The granulometric distribution of fillers influences the mechanical characteristics in the same way as cement mortars. Optimal values are obtained with a particle size curve (the Fuller curve) which allows to have the minimum of empty spaces. So medium and fine particles have the same purpose of filling large and small cavities.

Typical example of description of the methods of intervention and cortical repair of reinforced concrete structures with mortars or resinous concretes: d.1.1) - Beating and testing on all concrete surfaces using manual tapping tools. d.1.2) - Demolition of any part of concrete (slabs) in the detachment phase or not endowed with sufficient strength or consistency, by means of hydro-demolition performed with lances and pumps at 2,000 Bar or by manual tools and/or with the help of a small electric or pneumatic hammer, up to the depth of the concrete cover thickness. d.1.2.a) - if the removal of deteriorated concrete plates affects thicknesses greater than the depth of the concrete cover, decision-making powers must intervene in order to provide the necessary checks and any instructions that this situation entails. d.1.3) - Chemical test to evaluate the depth of carbonation by brushing on the interested parts (in the area of the exposed reinforcement rods) by means of a chemical reagent of the phenolphthalein type (recommendations RILEM CPC-18-1983).

With this method, as long as the "carbonate" parts do not change color, it is necessary to continue demolishing the inconsistent mass until reaching the parts of non-carbonated concrete made visible by a coloring between violet and red.

d.1.4) - Mechanical scarification of the entire cortical surface of the non-deteriorated concrete of at least 1 cm, by means of chisels mounted on electrically and/or pneumatically operated equipment until the healthy and compact substratum is exposed and made sufficiently rough, to allow the coupling to the subsequent regularization in ready-mixed two-component adhesive mortar, premixed, consisting of selected aggregates of fine grain size, modified hydraulic binders and appropriate additives (Component "A") mixed with acrylic polymers in emulsion (Component "B"). d.1.5) - Reinforcements in an advanced state of degradation must be discovered by performing a complete removal of the concrete around the iron. d.1.6) - Those traces of previous repair or carry-over operations which are no longer perfectly adherent must also be removed.

These operations must be carried out with manual means or in any case such as not to damage, with excessive vibrations, the layer of undamaged concrete, already subjected to dynamic stresses induced by railway traffic. d.1.7) - Careful cleaning by brushing or better sandblasting of all surfaces affected by subsequent treatments, with complete removal of foreign substances or deposits such as rust, oils, greases, chalking surface films.

An adequate roughness of the surfaces is also obtained, which is useful for a better adhesion of the filler materials. d.1.8) - The irons must be cleaned by completely removing the rust according to SSPC-SP10-63T to the Sa 2 ½ grade and covered, at a short distance, with subsequent treatments. d.1.9) - The cleaned reinforcement rods must be treated by applying two-component brushing mortar based on hydraulic binders, silica powders with a brush in two coats, about 2 hours apart. , corrosion and dispersion inhibitors of acrylic polymers (consumption 3 kg. per m² - 2.6 mm. thickness). d.1.10) - If necessary, the entire clean concrete surface can be primed by applying a synthetic resin "primer", in the ratio of 300-500 gr. per m², to increase the surface clinging power between the old cement conglomerate and the subsequent filling material.

The "primer" must be spread on a substrate, free of incrustations and crumbly parts, with a brush or airless system, because it must penetrate, also by capillarity, into the pores of the cement conglomerate and adhere to it stably after hardening, so as to form one surface layer compact enough to accommodate the subsequent filler material. d.1.11) - The thick coatings for the reconstruction of the concrete cover and missing parts must be made: d.1.12) - by applying a ready-mixed, ready-mixed two-component adhesive synthetic mortar made up of mineral aggregates (0.1 - 3 mm.) in a grain size curve in the binding ratio: quartz = 1: 8/13, selected fine grain size, modified hydraulic binders and appropriate additives (Component "A") mixed with emulsion polymers (Component "B") free of solvents.

This mixture, without adding water, must form a thixotropic creamy mixture, with a low elastic modulus, to be applied with a thickness greater than 5 mm (yield approximately 1,800 kg/m³ of Component "A" + Component "B").

Composition of fillers of quartz aggregates for the study of the Fuller Grunolemtric Curve

I would like to remind you that, in the case of the use of resinous formulations, for repairs of cracks it is necessary to use formulations with an elastic modulus not exceeding 30,000 kg / cm2 in order to avoid what we experts call, wedge effect; while in the case of active cracks it is important that the formulations have an elastic behavior with modules less than 10,000 kg / cm2.

e.1) - Mortars / cementitious concrete with compensated shrinkage (rheoplastic and / or fiber-reinforced and non-reinforced) This is a ready-to-use cement mortar, with the only addition of water, used to create low thickness plating up to 3 - 4 cm, for massive structures and mainly subject to compression (about 1,950 kg / m3).

Today all compensated shrinkage mortars are characterized by the fact that, in addition to the normal components, they also contain an expansive powder agent and a certain amount of fibers dispersed in the mix.

In general, the main characteristics of these concretes compared to normal ones are: higher flexural strength, greater ductility, greater toughness and greater tensile strength and high impact resistance.

Their particular feature is to balance the deferred tensile stresses produced by the prevented hygrometric shrinkage, through a chemical precompression of the concrete obtained by introducing the expansive agent. In fact, this component is capable of producing an initial expansion of the concrete which, if adequately contrasted by the presence of various constraints, is transformed into a stress of opposite sign to that induced by the hygrometric shrinkage.

Usually this constraint is given by an electro-welded mesh (to compensate for expansions in the plastic phase according to UNI 8996).

The mortar can also be used with spray pumps (plastering machines) or with injection pumps.

The mortar has a high adhesive power to iron and concrete and a fairly rapid hardening time.

On the other hand, "fiber-reinforced compensated shrinkage mortar" concretes present greater difficulties in setting up for cortical repair due to the presence of fibers which significantly reduce the workability of the mix and the tendency of the fibers themselves to intertwine forming "balls" ".

Although many types of fibers exist (in metal, glass, plastic, etc.) - see below some subsequent considerations - those in steel are the ones that give the best performance but, unfortunately, need a prolonged wet maturation. This is a reason that limits the use of this type of concrete.

Mechanical resistance test of resinous formulations

In practice, if the hydration of the expansive agent was too rapid, compared to that of the cement, the coercion induced in the concrete would be very small since most of the increase in volume would occur at a time when the concrete is located. still in the plastic state. On the contrary, if the hydration kinetics of the expansive agent were very slow, as occurs using another type of sulfate-based expanses of calcium aluminates (instead of calcium oxide or mixed calcium and magnesium oxide), the effectiveness of the expansion process would be tied to the application of a prolonged wet seasoning of the concrete. e.1.1) - Some recommendations for the restoration of the "compensated shrinkage mortar / concrete" The following recommendations and suggestions are based on the experience of the undersigned consolidated in the application of mortar/concretes with shrinkage compensated shrinkage. e.1.1.1) - in the case of coatings with a thickness greater than 2 cm, an electro-welded mesh fixed with nails to the substrate must be applied. The substrate must be roughened using a bushhammering machine up to the healthy concrete creating roughnesses of about 0.5 cm which ensure the contrast to the expansion of the mortar. e.1.1.2) - the use of steel fibers in the projected concrete is indicated when these are used to help increase the ductility of the cement mix. In this case, the laying of the welded mesh must be eliminated. e.1.1.3) - the use of synthetic polypropylene fibers are used to obtain, in the fresh state, greater thixotropicity and control of the cracks during the plastic phase and therefore greater impermeability.

Photos of typical fibers for mortar and concrete reinforcement: a) Steel, b) PVA - Polyvinyl alcohol and c) PPHT - High tenacity polypropylene

e.1.2) - Characteristics of the hardened dough e.1.2.1) - good adhesion to old concrete; e.1.2.2) - mechanical compressive strength: approximately 300 kg per cm² after 1 day and approximately 900 kg per cm² after 28 days; e.1.2.3) - mechanical tensile strength for bending: about 60 kg per cm² after 1 day and over 120 kg per cm² after 28 days; e.1.2.4) - pull-out: at 3 days 45 kg per cm² for a smooth steel bar and 200 kg per cm² for an improved adhesion steel bar; the corresponding 28-day values become: 80 kg per cm² and over 330 kg per cm²; e.1.2.5) - free expansion: 0.3% between the hardening start time (7 hours) and 24 hours; e.1.2.6) - resistance to freeze-thaw cycles: after 300 thermal cycles between - 20 ° c and + 5 ° C the dynamic elastic modulus decreased by less than 5% (ASTM-C-233-73); e.1.2.7) - dynamic elastic modulus: 350,000 kg per cm² after 7 days and 400,000 kg per cm² after 28 days; e.1.2.8) - static elastic modulus with loads equal to one third of the breaking load: 280,000 kg per cm² in 7 days and 320,000 kg per cm² in 28 days.

f.1) - Ultra-High-Performance-Concrete (UHPC) concrete mix Following I would like to illustrate an old study, still relevant today, written by Stefano Cangiano and Sara Sgobba, of the Research and Development Department i. lab, of CTG SPA, Italcementi Group of Bergamo (Italy) which underline how in recent years, a new technique has been developed in the field of research for the reinforcement, restoration and seismic adaptation of RC elements. This solution is based on the application of a thin concrete coating with very high fiber-reinforced performance (UHPFRC) by virtue of an extremely compact cement microstructure, obtained through a suitable choice of the products making up the mixture.

This type of materials, by their nature are very fragile, however they have a high characteristic of toughness and ductility due to an effective interaction with the fiber-reinforcement.

Rehabilitation and concrete reinforcement applications can be achieved with very reduced thicknesses of UHPFRC (about 30-40 mm) compared to traditional techniques based on the use of ordinary concrete.

There is a large literature that illustrates a great effectiveness of confinement, improvement of toughness and strengthening of vertical structural elements under axial load, with the advantage also of not making significant changes in the transverse dimensions of the structural sections. Among the other advantages there is also an increase in durability due to the greater compactness of the material and the excellent surface finish linked to the self-compacting properties, so the UHPFRC coating does not subsequently need a layer of surface plaster.

Experimental tests have shown that there are several technical advantages in the use of UHPFRC materials instead of traditional materials in the field of adaptation and rehabilitation / reinforcement as cementitious materials have the advantage of not suffering from subsequent delamination and debonding phenomena under cyclic loads and not to exhibit a reaction to fire.

Having said that, on the possible use of UHPFRC mixtures in structural rehabilitation, little is known about the micro-mechanical behavior and related macroscopic performance of the interface between old and new concrete using UHPFRC mixtures. f.1.1) - A brief final note on the use of Ultra-High-Performance-Concrete (UHPC) concrete mixtures Allow me to conclude with a brief concluding note, as I have already had occasion to illustrate my personal opinion on the subject, regarding the products and technologies that are used today, in a confusing way, for the restoration and structural reinforcement of a traditional concrete, mistakenly using very high strength concretes, called "UHPC".

These, the "UHPC", must not be confused, as often happens in reality, with very high ductility concretes, called "SHCC" (Strain Hardening Cementitious Composites) or fiber-reinforced cements, but they are derivatives of the latter as they are also: - HPC (High Performance Concrete), - HSC (High Strength Concrete), - RPC (Reactive Powder Concrete), - DSP (Densified with Small Particles), - FRC (Fiber Reinforced Concrete), - HPFRC (High Performance Fiber Reinforced Concrete), - UHPFRC (Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete), - ECC (Engineered Cementitious Composites), - SCC (Self Compacting Concrete).

The "SHCC" have very great ability to deform in a well-defined (localizable) area without fracturing in an uncontrolled way.

Remember that concretes, called "Ultra High Performance Concrete" or briefly "UHPC", are counted as "very high performance concretes" or commercially as "GREEN" material because in the formulation of the mixture it does not have resins or plastic components.

I take the liberty of pointing out, in my opinion, that these cementitious materials are now erroneously indicated, to "improve" traditional concretes in terms of structural safety, using them for restorations and structural reinforcements.

While I share their use as plasters and in particular as prefabricated elements in terms of "durability" because, due to their exceptional "SCC" rheology, they allow you to make castings, using formwork, with very limited thicknesses.

According to what I said under item f.1), I would like to point out that the "UHPC" have numerous and important characteristics, such as: • absolute impermeability. In fact, the use of mineral additions (e.g. silica smoke) which, allocating themselves in the interstitial voids left by the cement granules, determine a less porous, more densified and therefore mechanically more resistant system as well as impervious to aggressive agents; • high durability (2 to 3 times compared to traditional cement) and stability; • a wide range of customizable colors; • an enormous resistance to freeze / thaw cycles; and remarkable technical characteristics, such as: • a compressive strength ≥ 140 MPa; • a flexural strength (matrix) ≥ 18 MPa; • a flexural strength (reinforced) ≥ 25 MPa; • a fracture energy 55 kN / m; • its use in unitary thickness ≥ 2 mm; • and after only 4 years a carbonation of 1.5 mm.

• a reduced a / c ratio (Water / Cement) for the use of superplasticizing additives; • the use of high quality crushing aggregates (basalt, granite, quartzite, etc.) capable of ensuring high mechanical strength and excellent adhesion to the interface between the aggregate and the cement matrix; • the addition of fibers that give the material a ductile behavior (eg "Fiber Reinforced Concrete" or "SHCC" (Strain Hardening Cementitious Composites) called fiber-reinforced cements [refer to the Technical Document CNR-DT 204 (2006) ].

I am sorry to write the following but, such materials, the "UHPC", unfortunately have some "criticalities", in particular with regard to the "hygrometric shrinkage", which shrinkage compromises the "adhesion" to the old traditional concrete support, which is being repaired (of the cortical layer).

Unfortunately, this detachment phenomenon is normal that occurs after the repair of the cortical layer with mixtures of "UHPC", with the subsequent passage of a train within the following 2 hours. Phenomenon that is found in the areas of repair and reinforcement of a portion of structural elements, during the restoration of old railway tunnels.

From the immediate checks, I have always found that the cause of detachment is always due to the hygrometric shrinkage and the lack of adhesion.

While, the detachment phenomenon did not occur in those areas, where the repair of the cortical layer was made with the use of polymeric (resinous) mortars.

I apologize you have colleagues who do not share how briefly I wanted to illustrate but, these statements of mine, are the results of a careful activity of numerous applications, in the experimental phase, made in different construction sites on the national territory due to needs of structural reinforcement and also of adaptation seismic.

g) - What is meant by fiber-reinforced concrete I would like to remind you that everyone is aware that by adding various types of fibers to the concrete, be they micro or macro fibers, a new "material" with mechanical characteristics different from a conventional concrete is obtained.

The cement conglomerate becomes fiber-reinforced when it is added with particular fibers; these can be of: - steel; - polymeric material; - inorganic material (carbon, glass).

This composite is called Fiber Reinforced Concrete.

Instead when we speak of a reinforcement consisting of steel fibers, this is called Steel Fiber Reinforced Concrete.

The evaluation of the different technological properties of the FRC (Fiber Reinforced Concrete) is carried out through standardized and unified tests, some of which are the typical ones used for ordinary concrete, others created specifically for fiber-reinforced concrete.

Results of the flexural test of mortars reinforced with 1% (V1) and 2% (V2) and 1% (B1) and 2% (B2) basalt glass fibers, compared to that of the mortar unreinforced (TQ).

From the analysis of the trend of the load-displacement curves, it is evident that the addition of fibers involves the transition from a typical curve of a fragile material (TQ curve) to characteristic curves of ductile materials.

Moreover, the glass fibers seem to have little influence on the elastic behavior of the material (the slope of the initial section of the curves TQ, V1, V2 is substantially the same), with a more decisive influence on the peak values of the flexural strengths. Vice versa, the presence of basalt fibers does not translate into substantial changes on the peak values of the flexural strengths, while it seems to influence the behavior of the material in the elastic phase (curve B2, in particular, presents a slope of the initial stretch much lower than to the others).

Overall, the best results were obtained with the V2 sample, which among all the samples examined showed both the highest peak value (around 1,100 N) and the largest area subtended by the curve (value correlated to the toughness of the material).

h) – Fibers The influence of the fibers on the mechanical properties of a concrete conglomerate depends on the properties of the material they are made of, in particular by the toughness and the elastic modulus of traction, and by some geometric parameters such as: • shape; • the length; • the equivalent diameter; • the aspect ratio.

Next to simply rectilinear fibers there are corrugated, hooked, ribbed fibers, with flattened ends, etc. The shape indicates the geometry of the centerline of the fibers and the possible variation of their cross section.

By fiber length is meant the distance between the two ends. It may differ from the length of the centerline of the lament in the case of non-rectilinear fibers (wavy, hooked, etc.).

Compression stress-deformation behavior of ordinary concrete (green) and one reinforced with metal fibers (yellow)

The equivalent diameter is the diameter of the circle with an area equivalent to the average section of the fiber. The aspect ratio is defined as the ratio between the length of the bra and its equivalent diameter.

With the same composition and dosage, the effectiveness of the fibers improves if the aspect ratio increases and if the shape assumes an irregular contour that favors adhesion to the cement matrix.

Depending on the type and dosage of fibers used, the mechanical behavior of fiber-reinforced concrete can differ radically from that of ordinary concrete. h.1) - Traction behavior The addition of fibers does not improve the mechanical tensile strength of concrete intended as the stress at which the triggering of the first (or only) crack in the matrix of an element stressed by traction occurs.

The quantities that characterize the behavior of the material before cracking are not appreciably changed, that is, the elastic modulus of traction (Et) and the deformation at the crack trigger (εf). The addition of fibers significantly changes, however, the tensile behavior of the cement matrix in the post-cracking phase. h.2) - Bending behavior The following figure refers to bending tests carried out by Roberto TROLI and Francesca SIMONELLI of the Engineering Concrete company of TREVISO (Italy), for the characterization of fiber-reinforced concrete.

Two types of TEST were carried out according to the standard to which the Belgian standard NBN B15-239, 239 refers and according to the Japanese standard JSCE SF4. Other standards, such as the Italian UNI 11039 standard, on the other hand, the test must be carried out on beams of similar dimensions but characterized by the presence of a notch in the center of the lower edge. In both cases, the bending behavior is always

defined on the basis of a nominal tensile stress evaluated assuming a linear elastic behavior of the specimen.

Behavior of ordinary concrete (A) and reinforced concrete (B) in the bending test by application of a load P as a function of the deflection

In ordinary concrete, upon reaching the load that causes the initiation of a crack, starting from the most stretched flap (Pf), there is a sudden collapse due to the rapid propagation of the lesion in the entire thickness of the joist: in other words , the deflection at the time of the appearance of the first crack (δf) is slightly less (and almost coincident) than that which corresponds to the complete break (δr) as typically occurs in a fragile material. h.3) – Tenacity The toughness of fiber-reinforced concrete (a characteristic opposite to the fragility of ordinary concrete) is due to its ability to withstand impacts, a quality particularly appreciated in structures subjected to impulsive and repeated stresses. h.4) - The impact resistance The impact resistance of fiber-reinforced concrete with a test based on the repeated application of blows is determined with a mallet until the material breaks. With an adequate reinforcement of steel fibers, the concrete specimen undergoes a sinking in the central area in correspondence of the area on which the mallet acts, without however suffering any fracture due to the very high impact resistance of the fiber-reinforced concrete. h.5) – Workability The addition of fibers to a cement conglomerate generally involves a reduction in the workability of the mix compared to the value measured before the addition (Liberato Ferrara and Alberto Meda, "Relationships between bre distribution, workability and the mechanical properties of SFRC applied to precast roof elements "Materials and Structures, N.39, pp.411–420, 2006).

The reduction in workability depends mainly on the dosage and the aspect ratio of the fibers used.

However, it is generally possible to obtain an adequate level of workability at the dosages of fibers usually used in current applications by adding and appropriately dosing superplasticizing additives and, if necessary, by increasing the fine aggregate fraction of the mixture and / or reducing the maximum diameter aggregate.

h.6) - The hygrometric withdrawal Contrary to what is commonly believed, the addition of fibers, of any type and in the dosages usually used in practical applications, is not able to appreciably reduce the hygrometric shrinkage of the concrete and neither is it able to reduce the opening of the cracks induced by the retreat thwarted by constraints. On the other hand, with the addition of fibers to the concrete it is possible to reduce the propagation of the cracks due to the hygrometric shrinkage thanks to the stitching action exerted on the edges of the lesions that may trigger. This effect is now widely used by adding steel or polymeric fibers to the concrete to replace the welded meshes with the function of controlling the cracks due to hygrometric shrinkage.

h.7) - Plastic withdrawal The addition of fibers of suitable size and dosage can help prevent the formation of cracks due to plastic shrinkage in cement systems that are prematurely exposed to water evaporation. The fibers that are most effective for this purpose are polymeric micro-fibers characterized by a length between 3 and 20 mm and a diameter of the order of 0.05 ÷ 0.1 mm. i) - What is meant by repair or structural reinforcement of a concrete conglomerate work By repair or structural reinforcement of a work in cement conglomerate is meant the intervention necessary to restore the original functionality and continuity to a structure, which deteriorated under the action of atmospheric, chemical, mechanical, seismic agents or due to an incorrect execution.

In particular, three types of interventions must be distinguished: i.1) - Repair of the cortical layer of reinforced concrete structures for thicknesses up to the depth of the concrete cover UNI-EN-1992-1-1 (existing metal reinforcement), with restoration of the original section of resistant conglomerate. i.2) - Repair of the cortical layer of reinforced concrete structures for thicknesses greater than the depth of the concrete cover UNI-EN-1992-1-1 (existing metal reinforcement) with restoration of the original section of resistant conglomerate. i.3) - Repair of the cortical layer of reinforced concrete structures for thicknesses greater than the depth of the concrete cover UNI-EN-1992-1-1 (integration of the existing metal reinforcement missing), with an increase in the original section of resistant conglomerate.

This last point is not the subject of this technical report - cortical layer repair - because the increase in the section of resistant conglomerate must be carried out by casting into formwork in order to restore structures such as pillars and beams creating the original structural characteristics of the project by means of a new casting structurally collaborating with the existing one, in sheet metal formwork and when the thickness allows it.

The missing armor or in an advanced state of corrosion, must be integrated by joining, by welding of the electric-manual type with electrode, using new pieces of iron of the steel type.

As you can see in describing the various methods of repairing reinforced concrete structures, always with restoration of the original section or with an increase in the section of resistant conglomerate, in addition to the cortical state, there are other types of structural repairs: through injuries, cracks, rigid joints , again of load-bearing elements in reinforced concrete whose restoration can be carried out by low-pressure injections of synthetic resin formulations.

As already said and written on several occasions, each of us tries to communicate with his own experience, to develop and give adequate information to the new needs that the global market requires, in particular on how to defend our infrastructure structures, remembering that it is It is always important to manage technological development only and through the continuous study of material technology.

Conclusions In this short note I have only tried to describe by highlighting the various methods of repairing the cortical concrete layer of a railway tunnel, with a reinforced concrete structure, clearly emphasizing the use of resinous matrix products, in addition to their characteristics capable of withstanding decidedly greater efforts, furthermore having an instantaneous and almost complete elastic return, also for their rapid hardening.

However, the success of the restoration basically depends on the solidarity between the new material used for the restoration and the old concrete support. In other words, the adhesion between these two

materials must not be less than the tensile strength of the concrete to be restored. At the current state of known technology, products based on resinous formulations are those that guarantee the required properties because they have a strong primer action and penetration in the old substrate, and finally because they keep intact - for over 100 years, in evolving over time , their mechanical characteristics.

Furthermore, I would like to point out that our goal must be aimed at helping to point out that all our infrastructure structures must be defended through scheduled maintenance.

In this regard, I still remember that our railway network is the vital artery of the European single market, and it is necessary to always be able to contribute, even with a simple repair of the cortical layer, to ensure the optimal and uniform conditions required by the safety especially of that of transport on iron.

Thanks for your attention. (*) LAMANNA LUIGI FRANCO Independent consultant tunneling , mining and oil specialized in mechanized tunneling with Hard Rock TBM and soft soil EPB Shields expert and consultant in structural reinforcement.

LAMANNA Luigi Franco, performs for 40 years professional consulting and technical direction in the various sectors of civil, industrial, military, hydraulics, railway, highway and recent years in the sector of “tunneling” and “mining” on the correct use of special “resin” and related technologies for consolidation, repair and maintenance of masonry, concrete, iron and wood.

Is the author of numerous scientific publications and is always engaged in the study and development of “innovative materials” and related techniques and technologies used.

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NOTE

Elenco della normativa di riferimento per testare il materiale, sia sotto l’aspetto meccanico, sia per tutti gli aspetti fisico-chimico.

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