Appunti di scienza e tecnologia dei materiali

2) Come scegliere il materiale più adatto

Scienza, ingegneria e tecnologia dei materiali

Cos’è la scienza dei materiali? È la scienza che studia le relazioni esistenti tra la struttura dei materiali e le loro proprietà.

Cos’è l’ingegneria dei materiali? È la progettazione della struttura di un materiale per ottenere determinate proprietà sulla base delle correlazioni tra struttura e proprietà del materiale stesso.

Cos’è la tecnologia dei materiali? È lo studio dei processi di produzione e trasformazione delle materie prime in prodotto finito e dell’applicazione dei materiali.

Come impiegare un nuovo materiale in un progetto

• Individuazione degli obiettivi da raggiungere → Progetto sintetico della struttura da realizzare → Parte innovativa e creativa del lavoro.
• Dimensionamento strutturale → Il progettista sceglie le forme, le dimensioni, le tolleranze, i materiali (scelta più difficile che può controllare l’intera linea di produzione) ed i processi di fabbricazione.
• Analisi → Si procede ad un esame critico delle proposte scegliendo quelle che garantiscono il miglior successo del prodotto.

Struttura dei materiali e stato solido

La struttura dei materiali è costituita da tutto ciò che ha massa: atomi, molecole, materia → materiale.

Materia con applicazione ingegneristica. Ha un’applicazione, delle proprietà ed viene scelto secondo criteri industriali, sociali e economici.

Lo stato solido: un qualsiasi corpo dotato di volume e forma propria nonché di resistenza alla deformazione si definisce solido.

Lo stato solido è uno stato condensato della materia in cui le particelle costituenti sono impacchettate in modo denso e più o meno ordinato → I materiali sono generalmente solidi perché, anche se non hanno funzioni strutturali, devono almeno sopportare il proprio peso, ma possono essere anche liquidi (oli-lubrificanti) o gassosi (aria-isolante).

Proprietà dei materiali

Il materiale può avere diverse proprietà:

• Proprietà fisiche: ➢ → densità, porosità, granulometria. Descrivono il comportamento del materiale sotto l’azione fisica della temperatura (fusione, comportamento al fuoco), delle radiazioni (luce), di campi elettrici o magnetici.
• Proprietà chimiche: ➢ → composizione chimica. Descrivono la durabilità del materiale (anche le proprietà fisiche e meccaniche determinano la durabilità), in quanto esistono agenti chimici che degradano il materiale.

Il comportamento di un materiale, sia durante la lavorazione che in servizio, dipende dalla sua costituzione, ossia dall’insieme di composizione chimica, struttura cristallina, morfologia delle fasi che lo costituiscono e loro distribuzione.

Ogni processo chimico, sia esso deliberato o dovuto all’azione dell’ambiente (dissoluzione, ossidazione, corrosione), in grado di modificare la costituzione del materiale, induce delle trasformazioni.

(T, P)

Possono essere spontanei o forzati.

• Proprietà termo-chimiche: effetto sinergico.
• Proprietà chimico-meccaniche: effetto sinergico (cavi acciaio).

Proprietà meccaniche: ➢ comportamento del materiale a seguito dell’applicazione di un sistema di forze → (peso, vento, sfregamento). Hanno un ruolo primario per materiali destinati ad applicazioni strutturali.

Possono essere:

• Indipendenti dal tempo: ∾ Resistenza; ∾ Rigidezza; ∾ Duttilità; ∾ Tenacità; ∾ Durezza.
• Dipendenti dal tempo: ∾ Resistenza a usura e abrasione. Valutazione tramite prove di ∾ Scorrimento viscoso (creep) lunga durata o prove accelerate; ∾ Fatica.

Effetto totale > Somma dei singoli effetti.

Effetto sinergico: A dà un effetto a ⇒ A+B > a+b {B dà un effetto b MA.

Attributi fondamentali di un progetto

• Funzione → L’importanza di questi fattori dipende dal tipo.
• Apparenza → Di struttura e dalla sua destinazione d’uso.
• Produzione → Costo.

Le proprietà di un materiale da considerare in una scelta si dividono in:

1. Parametri fondamentali.

Misurano le singole proprietà di base di un materiale come rigidità, densità, resistività elettrica, ecc.

Possono esserci più materiali che soddisfano queste proprietà → Vengono introdotti altri criteri:

2. Parametri di merito.

Non forniscono la misura di una singola proprietà, non possono essere utilizzati direttamente nel calcolo di dimensionamento ma sono utilizzati per classificare un materiale in ordine di merito rispetto a una data funzione.

Possono essere:

• → Parametri economici: materiale più economico.
• → Parametri industriali: materiale che si produce più facilmente.
• → Parametri socio-politici: normative.

Sostenibilità e costo energetico

Tra i parametri sociali c’è anche la sostenibilità dei materiali: un materiale è sostenibile se consuma poca energia.

All’interno del settore delle costruzioni i materiali costituiscono circa il 30% del dispendio energetico dell’intera struttura.

Il settore delle costruzioni consuma il 40% delle risorse energetiche.

Il costo energetico dei materiali rimanda all’impatto ambientale:

• La produzione di inquinanti dispersi in aria e di rifiuti solidi è determinata in misura importante dalle risorse energetiche impiegate.

Le risorse energetiche vengono generalmente bruciate per ottenere calore da impiegare nei processi produttivi oppure per ottenere energia elettrica.

• Tutte le volte che si brucia del carbonio (come gas metano, petrolio, benzina, gasolio, carbone, legna, rifiuti, ecc.) si produce anidride carbonica → Effetto serra.

Le diverse attività umane (rurale, urbana, industriale ecc.) si accompagnano ad una serie di alterazioni ambientali.

Criteri che intervengono nella scelta dei materiali

Evoluzione del mercato dei materiali verso le alte prestazioni e funzionalità.

Il mercato è passato da quantitativo (pochi materiali utilizzati spesso) a qualitativo (materiali più specializzati).

I materiali compositi hanno permesso questa crescita. lavorazione ⏟ ⏟ ambiente.

Il comportamento del materiale dipende anche dalla sua e dall’interazione con l’. ⏟ Trasformazione delle risorse.

Il costo energetico prevede:

• → Consumo risorse.
• → Rifiuti liquidi e solidi e gassosi (emissioni in atmosfera).
• → Salute lavoratori.
• → Salute popolazione.

Analisi del ciclo di vita

Per la definizione della soluzione progettuale più conveniente si ricorre a metodi basati sulla somma attualizzata di tutti i costi relativi al ciclo di vita della costruzione.

Per fare ciò ci sono diverse fasi:

• Prelievo e trasformazione delle risorse.
• Costruzione o produzione.
• Impiego.
• Dismissione.

Fasi della vita di una costruzione e ruolo dei materiali: - Proprietà chimico, fisiche e meccaniche.

- Comportamento in ambiente.

Durabilità.

Smaltimento.

Molto importante è il monitoraggio per poter intervenire in tempo.

Analisi del ciclo di vita dei materiali

Classi di materiali:

• ➢ → Metallici: per essere prodotto necessita degli altoforni, grande dispendio di energia.
• ➢ → Polimeri → Energia su peso più alta, materiale meno sostenibile. Si usano i combustibili fossili.
• ➢ → Ceramici: più sostenibili (contenuto energetico più basso), materie prime poco costose e forni a temperature più basse.
• ➢ → Compositi: dipendono dai materiali.

Si sta cercando di sostituire i polimeri con materiali ceramici o naturali.

Costi energetici dei materiali (espressi in):

Si possono distinguere 3 diverse fasi:

• Fase di servizio → 1. Legata alla durabilità (meglio un materiale con poca manutenzione).
• Fase di costruzione → 2. Materiale più durabile costa di più in produzione (la scelta dipende dallo scopo dell’edificio).
• Fase di smaltimento: 3. - → Discarica. Non si recupera materiale e si inquina l’ambiente.

Sostenibilità - Si può recuperare energia bruciandolo, ma l’energia ricavata è molto poca.

• → Riciclo: riuso il materiale in un’applicazione diversa rispetto a quella iniziale (non si consumano altre materie prime e non si occupano le discariche).
• → Riuso: materiale può essere riusato per la stessa applicazione.

Ridurre la spesa energetica

Si può ridurre la spesa energetica nel settore delle costruzioni in vari modi:

• → Aumentando l’efficienza energetica.
• → Aumentando la durabilità.
• → Diminuendo la spesa energetica nella produzione dei materiali.

3) Durabilità e meccanismi di trasporto

Durabilità della struttura e del materiale

La durabilità di una struttura è la capacità di conservare la propria funzionalità per la vita utile di progetto.

Vita utile di progetto. Tipologia strutturale. Strutture provvisorie ≥ Componenti sostituibili. Opere ordinarie, ponti infrastrutture e dighe di dimensioni contenute o importanza normale. Grandi opere, ponti, infrastrutture e dighe di grandi dimensioni o importanza strategica.

→ Durabilità del materiale: la sua capacità di durare nel tempo resistendo alle azioni aggressive dell’ambiente.

→ Durabilità della struttura: la capacità di svolgere la propria funzionalità senza interventi di manutenzione straordinaria per la sua vita di progetto. La durabilità del materiale è una condizione necessaria ma non sufficiente per garantire la durabilità della struttura.

La durabilità dipende anche dai particolari costruttivi.

La durabilità diminuisce:

• → Spigoli vivi: tendono a rompersi e avvengono infiltrazioni ∾ → d’acqua. Vita negli spigoli = 1/2 vita superfici piane.
• ∾ Mancata omogeneità del metallo.
• ∾ → Ristagni d’acqua: ambiente acquoso, ho una reazione chimica di degrado perché l’acqua è il mezzo di trasporto degli ioni aggressivi.
• ∾ Superfici completamente orizzontali, a meno che non siano impermeabili.

Requisito di durabilità in sede di progetto

Per garantire, in sede di progetto, il requisito di durabilità di una struttura è quindi necessario:

• Definire la vita di servizio di progetto.
• Definire le condizioni ambientali in cui si troverà il manufatto e le azioni che l’ambiente eserciterà su di esso.
• Valutare gli effetti dell’ambiente e prevedere l’evoluzione temporale del degrado sui materiali.
• Scegliere i materiali e progettare il manufatto in modo tale che il degrado dei materiali stessi nell’arco della vita di servizio richiesta sia tale da non comprometterne la funzionalità.

La durabilità dipende da:

Fattori intrinseci → 1) al manufatto. Riguardano sia le proprietà chimiche (costituzione, grado di spontaneità di reazioni di degrado), fisiche e meccaniche del materiale di cui è costituito che le lavorazioni a cui è stato sottoposto (trattamenti termici, meccanici e di finitura, dimensioni, geometria delle superfici ecc.).

Non vanno dimenticate le proprietà geometriche del manufatto (cura dei particolari costruttivi), perché resistenze, sollecitazioni e ristagni d’acqua dipendono da posizione forma e dimensioni.

Fattori estrinseci, → 2) perché l’opera dovrà interagire con l’ambiente. La sua durabilità sarà influenzata dal clima, il microclima e la composizione dell’ambiente che circonda il manufatto (interazione ambiente) e di cui ne subisce l’azione aggressiva.

Cause meccaniche

• ➢ → Erosione: causata da acqua, ghiaccio, vento su pietra arenaria friabile.
• ➢ → Cavitazione: causata da fluido in movimento (canale che conduce un liquido ruscellante ad alta velocità).
• ➢ → Abrasione: causata da particelle solide più dure (simile a cavitazione, ma particelle solide più dure).
• ➢ → Urti → Materiale non si deforma plasticamente ma è fragile (materiali fragili resistono poco agli urti). Il cls è un materiale fragile non resistente all’azione degli urti.

Difetti superficiali: distacco del rivestimento.

Avviene quando il modulo elastico tra i due materiali è diverso (spesso è a causa della rigidità troppo elevata del rivestimento): > > Esterno 1 2 Interno 3 3 2 1.

→ I moduli elastici di materiali attaccati devono essere confrontabili. Modulo elastico via via sempre minore, il materiale è sempre più elastico.

Cause fisiche

• ➢ Variazioni igrometriche.
• ➢ Variazione di temperatura (ambientali, artificiali, per idratazione del cemento).
• ➢ Radiazione UV (polimeri).

Variazioni igrometriche → Una contrazione igrometrica provoca delle sollecitazioni di trazione nel materiale. Se supera il coefficiente di trazione, c’è una frattura. 1R = ∙ R.

Il cls ha una resistenza a trazione molto bassa: trazione compressione 10ε.

In presenza di vincoli, il ritiro genera degli stati tensionali σ di trazione che possono provocare fenomeni fessurativi t R quando superano la resistenza a trazione del materiale .t

σ = E ∙ ε t

σ > R → Se c’è fessurazione t t.

Variazioni termiche: calore di idratazione.

σ = β ∙ ∂T ∙ E

Q = ∆T ∙ m ∙ ρ

Variazione di temperatura → L’acqua gelando aumenta di volume (9%). Se l’acqua penetrata nel cls congelando induce delle sollecitazioni di → trazione, il degrado si manifesta quando il grado di saturazione supera il 92% (grado di saturazione critica).

Cause biologiche

- Cause biologiche (es. muschio o muffa).

Pregiudica il faccia-vista delle strutture di pregio architettonico per il carattere incoerente della superficie di calcestruzzo causato dai prodotti metabolici e catabolici.

La formazione di alghe e funghi è condizionata dal microclima.

Difetti superficiali: efflorescenze e deposito particolato.

L’acqua scioglie i sali solubili del terreno e li deposita sulla superficie del materiale.

→ Le efflorescenze si vedono, le subflorescenze non si vedono. In ambiente molto secco il punto di evaporazione → dell’acqua è spostato più indietro. Fessurazione del materiale:

Efflorescenze: Subflorescenze:

Muro Muro.

Punto di evaporazione. Punto di evaporazione.

→ Depositi. Si vedono.

Terreno Terreno.

Acqua Acqua.

Cause chimiche di degrado

• ➢ Attacco solfatico.
• ➢ Attacco acido e dilavamento.
• ➢ Reazione alcali-aggregato.
• ➢ Corrosione delle armature.
• ➢ Attacco acido su superficie carbonatica: formazione di aree bianche, grigie e nere.

Attacco solfatico (solfati portati dall’acqua).

Formano prodotti espansivi che generano sforzi di trazione che possono creare fratture.

=SO Ca(OH) C-S-H C-A-H.

Interazione tra lo ione ed i prodotti presenti nella matrice cementizia: , e24 − C−A−H ⇒ C A ∙ 3CaSO ∙ 32H OCa(OH) ⇒ CaSO ∙ 2H O + 2OH ⏟⏟ 3 4 22 4 2=SO +H O CaSO ∙2H O+H O24 4 2 2Gesso C−S−H ⇒ CaSO ∙ 2H O + 2SH⏟ 4 2=SO +H O C−S−H ⇒ CaSiO ∙ CaSO ∙ CaC ∙ 15H O24 ⏟Gesso 3 4 3 2CaSO ∙2H O+H O+CaC4 2 2 3 ℎ

Dilavamento da acque acide o aggressive.

Il dilavamento può essere aggravato da:

• Acque acide (pH<6).
• Presenza di CO (acque pure di alta montagna), 2.
• Sostanze acide presenti in acque di scarico industriale o di acido solforico di origine organica (acque reflue delle fognature). CO + H O ⇌ H CO2 2 2 3.

−+H CO ⇌ H + HCO2 3 3

− =+HCO ⇌ H + CO3 3

Provocano la decalcificazione prima della calce, poi del C-S-H, quando il pH scende sotto 6:)CaCO + H CO ⇌ Ca(HCO⏟ ⏟3 2 3 3 2

Attacco dovuto a sali ammoniacali e magnesiaci (terreni agricoli trattati con i fertilizzanti).

Ca(OH) È basato su un processo di decalcificazione che può coinvolgere il o il C-S-H:24+ ++Ca(OH) + 2NH ⇒ Ca + 2H O + NH (gas ↑)2 2 3++ ++Ca(OH) + ⇒ Ca + Mg(OH) (solido ↓)2 2++Mg ++C−S−H ⇒ M − S − H + Ca.

Reazione alcali-aggregato + +Coinvolge gli aggregati che contengono silice amorfa, capace di reagire con gli alcali (Na e K ) provenienti dal cemento o dall’ambiente esterno (per opere esposte a salatura con NaCl in periodi invernali), per produrre una reazione espansiva: + +Na ,K*S ⇒ ⇒ N−S−H+K−S−H H O2.

Spolvero: strato superficiale ricco di alcali.

Sali disgelanti: NaCl, CaCl2.

Il cls a contatto con il CaCl tende a fessurarsi e delaminarsi a causa della disintegrazione della pasta cementizia che 2 avvolge gli aggregati.

È basato su un processo di decalcificazione che può coinvolgere il Ca(OH) o il C-S-H:2Ca(OH) + CaCl + 12H O ⇒ 3CaO ∙ CaCl ∙ 15H O2 2 2 2 2.

• L’azione è tanto più aggressiva più è basso il rapporto a/c.
• L’azione è tanto più aggressiva più è bassa la temperatura.

Meccanismo di corrosione dell’acciaio4 Fe +