Appunti Tecnologia dei materiali

Indice

Introduzione – i materiali da costruzione .............................................................. 5

• Forze interatomiche ............................................................................................................................. 5
• Aspetti metallici ................................................................................................................................... 6

Capitolo 1 – i leganti .................................................................................................... 9

• Gesso - legante aereo .......................................................................................................................... 10
• Calce aerea - legante aereo .................................................................................................................. 10
• Le malte ............................................................................................................................................. 11
• Calce idraulica - legante idraulico ....................................................................................................... 12
• Cemento Portland - legante idraulico .................................................................................................. 12
• Cementi di miscela - legante idraulico ................................................................................................. 16
• Normativa sui cementi ........................................................................................................................ 17

Capitolo 2 – CLS e inerti .............................................................................................. 18

• Calcestruzzo ...................................................................................................................................... 18
• Inerti ............................................................................................................................................... 21

Capitolo 3 – acqua e lavorabilità del CLS .............................................................. 29

• Acqua ............................................................................................................................................... 29
• Qualità ....................................................................................................................................... 30
• Lavorabilità ....................................................................................................................................... 30
• Controllo della resistenza del CLS ....................................................................................................... 30

Capitolo 4 – porosità e resistenza del CLS .............................................................. 34

• Porosità ............................................................................................................................................ 34
• Proprietà meccaniche ed elastiche del CLS ............................................................................................. 36
• Controllo della resistenza caratteristica ............................................................................................. 39

Capitolo 5 – degrado e durabilità del CLS ............................................................. 41

• Degrado ............................................................................................................................................ 41
• Corrosione delle armature ................................................................................................................. 41
• Degrado della pasta di cemento ........................................................................................................... 43
• Degrado di inerte e pasta di cemento .................................................................................................... 45
• Degrado dell’inerte ............................................................................................................................ 46
• Comportamento al fuoco del CLS ........................................................................................................ 46
• Durabilità ......................................................................................................................................... 44

Capitolo 6 – mix-design e additivi ............................................................................ 49

• Mix-design ......................................................................................................................................... 49
• Additivi ............................................................................................................................................. 51

Capitolo 7 – temperatura e umidità ....................................................................... 52

• Temperatura ...................................................................................................................................... 52
• Influenza della temperatura nel grado di idratazione ............................................................................ 52
• Influenza della temperatura sulla resistenza meccanica ........................................................................ 52
• Umidità relativa ................................................................................................................................. 55
• Influenza dell’evaporazione dell’acqua, quindi umidità relativa più bassa .............................................. 55

Capitolo 8 – deformazione viscosa ......................................................................... 58

Capitolo 9 – CLS speciali ............................................................................................. 60

• CLS ad alte prestazioni ........................................................................................................................ 60
• CLS a polvere reattiva ......................................................................................................................... 61
• CLS auto-compattanti ........................................................................................................................ 61

Capitolo 10 – materiali metallici ............................................................................. 64

• Struttura atomica dei metalli ............................................................................................................. 65
• Caratteristiche dei metalli ................................................................................................................... 66
• Difetti di punto .................................................................................................................................. 67
• Difetti di linea .................................................................................................................................... 68
• Difetti di superficie ............................................................................................................................. 69
• Produzione dei materiali metallici ...................................................................................................... 70
• Prova a trazione ................................................................................................................................ 71
• Prova di durezza ................................................................................................................................ 72
• Tenacità ............................................................................................................................................ 73
• Fattori che influenzano la resistenza ................................................................................................... 74
• Trattamenti ....................................................................................................................................... 75

Capitolo 11 – acciaio .................................................................................................. 77

• Diagramma di stato ferro-carbonio ..................................................................................................... 77
• Regola della leva in acciai/ghise sotto 723 °C ...................................................................................... 80
• Curve TTT, tempo, temperatura, trasformazione ................................................................................. 81
• Curve CCT, trasformazioni a raffreddamento continuo ....................................................................... 81
• Degrado dei materiali metallici ............................................................................................................ 82
• Classificazione degli acciai ................................................................................................................... 83

Capitolo 12 – acciai inox e ghise ............................................................................... 87

• Acciai inox ......................................................................................................................................... 87
• Diagramma di stato ferro-cromo ........................................................................................................ 87
• Acciai inox ferritici ............................................................................................................................. 88
• Acciai inox austenitici ......................................................................................................................... 88
• Acciai inox martensitici ....................................................................................................................... 88
• Ghise ....................................................................................................................................... 89
• Ghisa grigia ....................................................................................................................................... 89
• Ghisa bianca –

Introduzione: i materiali da costruzione

In genere la disposizione delle particelle costituenti i materiali ne determinano le loro caratteristiche.

I materiali da costruzione sono in genere solidi, quindi mantengono la loro forma ed il loro volume.

• Materiali metallici = Sono formati da ioni + immersi in una nuvola di elettroni ed è proprio l’attrazione elettrostatica tra ioni + ed elettroni che permette al legame di esistere. Il legame metallico è un legame molto forte, di conseguenza si ha una temperatura di fusione elevata.
• Materiali plastici = Sono caratterizzati da un legame covalente, cioè si formano dalle molecole che si legano tra loro attraverso legami deboli, di conseguenza si ha una bassa temperatura di fusione.
• Materiali ceramici = Sono caratterizzati da un legame ionico.

Forze interatomiche

Avvicinando due atomi aumentano le forze repulsive e attrattive, si avrà però un punto in cui la somma tra le due forze sarà zero, quindi ci sarà un equilibrio tra attrazione e repulsione, ed è proprio a quella distanza che si dispongono gli atomi.

In termini di energia, significa che a quella distanza si avrà un’energia minima. In realtà l’energia non rimane fissa in quel valore minimo, ma oscilla intorno a quel valore. Se l’oscillazione è sufficiente, ovvero se abbiamo energia sufficiente, si ha il passaggio di stato allo stato liquido. Energia minima.

Aspetti metallici

Riguardano gli effetti che provoca l’applicazione di una forza su di un materiale.

Compressione

La compressione provoca l’avvicinamento degli atomi nei pressi del punto di applicazione della forza.

La forza, però, viene “suddivisa” su tutti i filari atomici quindi ciò che conta non è solo l’intensità della forza ma anche l’area su cui viene applicata.

Si parla infatti di sollecitazione: si misura in kg/m³ o kg/cm³.

Quindi ciò che determina la rottura del materiale è la sollecitazione, non l’intensità della forza.

Nell’immagine, infatti, prima servono 100 kg per rompere, poi mi servono 400 kg. Calcolando la sollecitazione: 100 400 2 = = 31,8 / quindi questa è la sollecitazione per rompere 2 2(1) ∙ (2) ∙.

Trazione o allungamento

Cioè applicando carico doppio si | − = 2∆ ∆ = − 00 ottiene allungamento doppio.

Applicando lo stesso carico ad un provino più lungo si ottiene un allungamento doppio, perché si ha il doppio dei filari atomici che si distaccano tra loro.

L’allungamento relativo, però, rimane lo stesso: Δ 2Δ Δ = = = = = 1 21 2 2 0 0 0.

È detta anche deformazione percentuale, misura la resistenza alla sollecitazione di un materiale ed è adimensionale.

Osservazione

Applicando lo sforzo a compressione e a trazione il solido si deforma nel senso della sollecitazione ma anche nelle altre direzioni, come se “volesse mantenere il suo volume”.

In questo caso di trazione il solido si allunga ma si stringe anche.

In questo caso di compressione il solido si schiaccia ma si allarga anche.

Modulo di Poisson

Rapporto tra deformazione percentuale = laterale deformazione percentuale verticale.

Modulo elastico (E)

È caratteristico di un materiale, quindi dipende dalla forza dei legami.

σ = sigma è la pressione.

σ = ε = deformazione percentuale σ ε.

E è il modulo elastico, ha l’unità di misura della pressione perché è adimensionale.

Come si misura il valore di E?

Intanto occorre sapere che si calcola in modo diverso nella flessione nella compressione/trazione.

Avendo σ, ε, si calcola poi e quindi si può calcolare E.

Osservazione

Il calcestruzzo è resistente alla compressione ma non alla trazione, infatti flettendo succede questo:

Nella parte superiore si avrà compressione e quindi resiste.

Nella parte inferiore si avrà trazione e quindi si rompe.

Andamento della sollecitazione in funzione della deformazione percentuale

Ogni materiale, chi più chi meno, inizialmente si deforma elasticamente secondo σ ε = x E ma con l’aumentare della sollecitazione si distinguono due tipologie di materiali:

• Plastici, quelli che hanno deformazione come nel grafico: ossia dopo la deformazione elastica si deformano plasticamente, cioè se cessa la deformazione rimangono piegati; ovviamente se la sollecitazione continua il materiale si rompe, ma solo dopo essersi piegato.
• Fragili: ossia quelli che dopo la deformazione elastica si rompono subito.

Osservazione

Tipicamente i metalli sono plastici, es. acciaio, mentre i materiali ceramici sono fragili.

Osservazione

Nelle costruzioni si preferisce usare materiale plastico piuttosto che uno più resistente alla rottura fragile, in modo che se sollecitato si pieghi piuttosto che rompersi.

Capitolo 1 – i leganti

Nelle strutture primitive, realizzate attraverso grandissimi blocchi di pietra, ciò che dava stabilità alla struttura erano la resistenza del materiale e l’attrito tra i blocchi.

Con il passare del tempo si comincia a voler evitare di sollevare blocchi troppo grandi, e si inizia ad utilizzare una tecnica costruttiva diversa, in cui si legano tra di loro piccole porzioni di pietra attraverso dei leganti.

I leganti sono polveri che hanno le capacità, una volta mescolati all’acqua, di sviluppare 2 fasi distinte:

• Fase di presa = fase in cui il materiale passa dallo stato fluido a solido e in cui viene mantenuta la forma data.
• Fase di indurimento = fase in cui il materiale sviluppa la resistenza meccanica.

I leganti si dividono in leganti aerei e leganti idraulici:

• Leganti aerei = Fanno presa e indurimento solo a contatto con l’aria.
• Leganti idraulici = Fanno presa e indurimento sia in acqua che in aria.

La differenza principale quindi è legata alla solubilità perché i leganti aerei sono solubili in H₂O, e quindi si sciolgono in acqua, mentre quelli idraulici non sono solubili in H₂O, e quindi non si sciolgono in acqua.

• Aerei: gesso.
• Aerei: calce aerea.
• Leganti: calce + pozzolana.
• Idraulici: calce idraulica.
• Idraulici: cemento Portland.
• Idraulici: cemento di miscela.

Gesso - legante aereo

CaSO₄ 2H₂O CaSO₄ 0,5H₂O + 1,5 H₂O. La cottura avviene a 150°/180°C.

Solfato di calcio bi-idrato. Solfato di calcio semi-idrato perso nella cottura. Vapore acqueo.

Il solfato di calcio bi-idrato viene macinato per ottenere granelli più piccoli in modo da velocizzare la cottura, la temperatura permette al solfato bi-idrato di disidratarsi parzialmente e di diventare semi-idrato.

Si ottiene quindi una polvere che, al momento del bisogno, può essere mescolata con l’acqua in modo da riottenere solfato di calcio bi-idrato:

CaSO₄ 0,5H₂O + H₂O CaSO₄ 2H₂O.

Solfato di calcio bi-idrato. Solfato di calcio semi-idrato. Acqua reagisce con l’acqua aumenta il suo.

Osservazione: il gesso è un legante espansivo, in quanto, quando il solfato di calcio semi-idrato reagisce con l’acqua aumenta il suo volume, quindi V > V bi-idrato semi-idrato e quindi con umidità, pioggia, schizzi d’acqua ecc… si degrada.

Osservazione: essendo un legante aereo esso è solubile in acqua, rapidamente.

Calce aerea - legante aereo

CaCO₃ La cottura avviene a 900°/1100°C con CaCO₃ macinata pe.