ANALISI NUMERICA E SPERIMENTALE DELL’INFLUENZA DELLA QUALITA’ INTERFACCIALE SULLE PROPRIETA’ MECCANICHE DI MATERIALI COMPOSITI

The analysis of the interface between fiber and matrix is ​​of fundamental importance for the study of the properties of innovative and sustainable composite materials for Civil Engineering. The research topic involved the study of innovative composites to be used in the industrial or sustainable construction sector obtained from waste and/or natural materials especially in terms of mechanical performance (flexural strength and compression), physical (density, porosity, water absorption by capillarity) and thermal (thermal conductivity, thermal diffusivity). These properties depend on the interaction that occurs between the constituents, intended as the dispersed phase (fibers or particles) and continuous phase (organic or inorganic matrices), as well as the percentage, distribution, orientation and degree of adhesion. The research in particular concerned the study of mortars obtained by exploiting natural and local resources, such as the common reed (Arundo donax L.), the diss (Ampelodesmos Mauritanicus), the crimsonn fountaingrass (Pennisetum Setaceum), and waste, such as the sawing mud that is produced by the cutting and polishing of marble and recycled glass from separate collection. The results demonstrated the strong influence of the percentage and the aspect ratio of the common reed fiber on the post-fracture toughness of the mortars by percentage and length. In particular, the optimal percentage is between 1 and 2% of fiber length 12cm. The experimental chemical and physical characterization of waste materials: sawing mud, coming from marble cutting and polishing plants, and glass, coming from separate collection, confirmed the feasibility of using them as raw materials for the formulation of binding systems moderately hydraulic for non-structural use. Diss fibers are certainly to be preferred over crimsonn fountaingrass fibers as a mortar additive for the best compatibility with the inorganic matrix due to both the best chemical composition and above all the best morphological characteristics. On the basis of these experimental evidences, in collaboration with the Northumbria University of Newcastle (UK), the study of eco-sustainable binding systems reinforced with diss fibers has been deepened with particular reference to the morphological aspects and the interaction between the constituents that influence the setting and hardening processes. In particular, new techniques were developed for the characterization of the mortars such as: the XRD quantitative analysis, which made it possible to monitor the progress of the carbonation reaction of the mortars according to the fiber content by quantifying the corresponding percentage of portlandite and calcite; and the technique of observation of fracture surfaces by aligning and superimposing images (Stacking Images Technique), which allows to obtain a single fully focused and sharp image of the irregular fracture surface of the sample through software processing of several images partially in focus. In this way, it is possible to identify the effective distribution of the fibers in the matrix and calculate the dispersion coefficient that can be related to the physical and mechanical properties of the mortars. For the study of the influence of the fiber-matrix interface on the physical and mechanical properties of composites, the physical and morphological properties of the fiber were assessed according to the aspect ratio and also assessed the effect of appropriate physical and chemical treatments. The results showed that the aspect ratio most influences the mechanical properties of the composites while the treatments modify the compatibility with the matrix. Finally, a brief description of each developed chapter is given below in the thesis. • Chapter 1: Description of the existing literature, concerning the role of natural fibers in organic and inorganic matrix composites, which motivated and encouraged the research activity that involved the Doctoral course: • Chapter 2: Numerical and experimental analysis of the influence of the addition of common reed fibers (Arundo donax) on the flexural properties of biolime mortars; • Chapter 3: Physical, chemical and mechanical characterization of a moderately hydraulic sustainable binder system obtained from the reuse of waste materials: sawing mud and recycled glass powder; • Chapter 4: Evaluation of the physical, mechanical and thermal properties of mortars sustainable from waste materials and reinforced with natural diss fiber (Ampelodesmos Mauritanicus) for sustainable construction; • Chapter 5: Comparison between 2 species of local plants: the diss and the more invasive crimsonn fountaingrass as possible aggregates for cement-based mortars; • Chapter 6: Conclusions and future developments

L’analisi dell’interfaccia tra fibra e matrice è di fondamentale importanza per lo studio delle proprietà di materiali compositi innovativi e sostenibili per l’Ingegneria Civile. Il tema della ricerca ha previsto lo studio di compositi innovativi da impiegare nel settore industriale o dell’edilizia sostenibile ottenuti da materiali di scarto e/o naturali specialmente in termini di performance meccaniche (resistenza a flessione e compressione), fisiche (densità, porosità, assorbimento d’acqua per capillarità) e termiche (conducibilità termica, diffusività termica). Tali proprietà dipendono fortemente dall’interazione che si instaura tra i costituenti, intesi come fase dispersa (fibre o particelle) e fase continua (matrici organiche o inorganiche), nonché dalla percentuale, dalla distribuzione, dall’orientamento e dal grado di adesione. La ricerca ha in particolare riguardato lo studio di malte ottenute sfruttando risorse naturali e locali, come la canna comune (Arundo donax L.), la Disa (Ampelodesmos Mauritanicus), il Penniseto Allungato (Pennisetum Setaceum), e di scarto, come il fango di segagione che si produce a seguito del taglio e la lucidatura del marmo ed il vetro riciclato proveniente dalla raccolta differenziata. I risultati hanno dimostrato la forte influenza della percentuale e dell’aspect ratio della fibra di canna comune sulla tenacità post-frattura delle malte dalla percentuale e dalla lunghezza. In particolare la percentuale ottimale si colloca tra l’1 ed il 2% di fibra di lunghezza 12cm. La caratterizzazione sperimentale chimica e fisica dei materiali di scarto: fango di segagione, proveniente dagli impianti di taglio e lucidatura del marmo, e vetro, proveniente dalla raccolta differenziata, ha confermato la fattibilità di un loro utilizzo come materie prime per la formulazione di sistemi leganti moderatamente idraulici per uso non strutturale. Le fibre di Disa sono certamente da preferire rispetto alle fibre di Pennisetum come additivo di malte per la migliore compatibilità con la matrice inorganica dovuta sia alla migliore composizione chimica che soprattutto alle migliori caratteristiche morfologiche. Sulla base di queste evidenze sperimentali, in collaborazione con la Northumbria University di Newcastle (UK) si è approfondito lo studio di sistemi leganti ecosostenibili rinforzati con fibre di Disa con particolare riferimento verso gli aspetti morfologici e l’interazione tra i costituenti che ne influenzano i processi di presa ed indurimento. In particolare, si sono elaborate nuove tecniche per la caratterizzazione delle malte quali: l’analisi quantitativa XRD, che ha permesso di monitorare l’avanzamento della reazione di carbonatazione delle malte in funzione del contenuto di fibra mediante la quantificazione della corrispondente percentuale di portlandite e calcite; e la tecnica di osservazione delle superfici di frattura mediante allineamento e sovrapposizione di immagini (Stacking Images Technique), che permette di ottenere un’unica immagine interamente a fuoco e nitida della irregolare superficie di frattura del campione tramite elaborazione via software di diverse immagini parzialmente a fuoco. In questo modo, è possibile identificare l’effettiva distribuzione delle fibre nella matrice e calcolare il coefficiente di dispersione che può essere correlato alle proprietà fisiche e meccaniche delle malte. Per lo studio dell’influenza dell’interfaccia fibra-matrice sulle proprietà fisiche e meccaniche dei compositi, si sono valutate le proprietà fisiche e morfologiche della fibra in funzione dell’aspect ratio e valutandone anche l’effetto di opportuni trattamenti fisici e chimici. I risultati hanno evidenziato che l’aspect ratio influenza maggiormente le proprietà meccaniche dei compositi mentre i trattamenti modificano la compatibilità con la matrice. Di seguito è infine riportata una breve descrizione di ogni capitolo sviluppato nella tesi. • Capitolo 1: Descrizione della letteratura esistente, riguardante il ruolo delle fibre naturali in compositi a matrice organica ed inorganica, che ha motivato e spinto lo svolgimento dell’attività di ricerca che ha interessato il corso di Dottorato: • Capitolo 2: Analisi numerica e sperimentale dell’influenza dell’aggiunta di fibre di canna comune (Arundo donax) sulle proprietà a flessione di malte di biocalce; • Capitolo 3: Caratterizzazione fisica chimica e meccanica di un sistema legante moderatamente idraulico sostenibile ottenuto dal riutilizzo di materiali di scarto: fango di segagione e polvere di vetro riciclato; • Capitolo 4: Valutazione delle proprietà fisiche meccaniche e termiche di malte sostenibili da materiali di scarto e rinforzate con fibra naturale di Disa (Ampelodesmos Mauritanicus) per l’edilizia sostenibile; • Capitolo 5: Confronto tra 2 specie di piante locali: la Disa ed il più invasivo Penniseto Allungato come possibili aggregati per malte a base di cemento; • Capitolo 6: Conclusioni e sviluppi futuri.