Materiali - MAPEC - Appunti

SSLA pietra

Possiamo considerare la pietra come il primo materiale dell’architettura, anche se si potrebbe erroneamente pensare al legno, in quanto esistono insediamenti in cui la pietra viene scavata e utilizzata per l'abitare; ciò è possibile solo in certe condizioni, cioè quando le rocce sono lavorabili con utensili abbastanza semplici (almeno per l’epoca).

La pietra, nel corso delle epoche, ha avuto diversi usi, da quello strutturale al rivestimento, mentre oggi è utilizzata solo come copertura. La differenza la si nota in termini di performance, cambia la resistenza meccanica in base a se usiamo la pietra in blocchi pieni o in lastre di rivestimento.

Le rocce | aggregati di minerali

Si definiscono come rocce gli aggregati minerali organizzati in masse cristalline e amorfe derivate da processi di cementificazione di origine naturale. Con processo di cementificazione intendiamo quel processo per cui parti molto piccole di minerali, per pressioni o processi chimico-fisici, si sono solidificate e stabilizzate (in quelle che chiamiamo rocce).

Le rocce sono normalmente classificate in funzione del processo che le ha originate e si dividono in:

Magmatiche | da attività vulcaniche

Anche dette eruttive o ignee, sono originate da processi di fusione direttamente connessi all’attività del mantello della crosta terrestre e derivano dalla solidificazione dei magmi, cioè masse silicatiche fuse quali ossidi di ferro, magnesio, calcio e altri, e sostanze volatili come ossigeno idrogeno, metano etc. Di norma provengono da attività vulcaniche di vario tipo e rappresentano il 65% della superficie terrestre.

In base al processo di raffreddamento che le ha originate esse si dividono in:

• Intrusive, la cui cristallizzazione è avvenuta in profondità nella crosta terrestre e il processo di raffreddamento/solidificazione è avvenuto lentamente.
• Effusive, la cui solidificazione è avvenuta in superficie e quindi rapidamente, talvolta senza cristallizzazione e pertanto presentano una struttura amorfa.
• Ipoabissali, la cui solidificazione avviene a modesta profondità nella crosta terreste.

Esempi applicativi:

• Granito
• Porfido
• Trachite

Sedimentarie | da accumulo di sedimenti

Sono originate dall’accumulo di sedimenti di varia origine, derivanti in gran parte dalla degradazione ed erosione di rocce preesistenti (magmatiche), e depositatisi sulla superficie terrestre. In generale sono più recenti delle rocce magmatiche, in quanto possono derivare da rocce preesistenti, e sono caratterizzate da un aspetto stratificato, con giaciture piane, o inclinate o distorti (a causa di movimenti dell'intera placca).

In base al processo di sedimentazione che le ha originate esse si dividono in:

• Clastiche, formate da frammenti di altre rocce (clasti) trasportati per trasferimento meccanico dal luogo di formazione, modificati e infine depositati.
• Chimiche, formate per evaporazione del solvente e diminuzione della solubilità dovuta a variazioni di temperatura e pressione a seguito di processi chimico-fisici.
• Organogene, formate per la deposizione e successiva cementazione di esoscheletri di organismi con guscio carbonatico o siliceo.
• Piroclastiche, formate per deposito da detriti di rocce (clasti) di origine vulcanica.

Esempi applicativi:

• Arenaria, sedimentaria clastico-meccanica;
• Travertino, sedimentaria chimico-fisico;
• Pozzolana, sedimentaria piroclastica.

Un importante esempio è l'arenaria, in quanto è una pietra molto facile da lavorare e per questo veniva usata per le decorazioni alle finestre e portoni degli edifici (un contro è il fatto che anche le piogge e i venti sono in grado di lavorarle facilmente e quindi di consumarle).

Metamorfiche | da processi di trasformazione

Sono originate per metamorfismo, cioè la trasformazione anche profonda attraverso processi ad alte pressioni e/o alte temperature, di rocce esistenti. Esse possono derivare da rocce sedimentarie (il marmo, per esempio, è originato per effetto di una forte pressione esercitata sul calcare) o da rocce magmatiche o anche da altre rocce metamorfiche. Gli atomi dei minerali tendono a formare nuovi reticoli cristallini.

La caratteristica fondamentale è la scistosità, che è l’ordinamento parallelo degli elementi mineralogici che determina una facile divisibilità della roccia in lastre secondo piani paralleli:

• Quarzoscisti, metamorfismo di sedimenti detritici ed organogeni;
• Gneiss, metamorfismo di rocce granitiche, sedimenti argillosi e rocce eruttive;
• Micascisti, metamorfismo di sedimenti clastici;
• Argilloscisti, metamorfismo di argille e marne;
• Calcescisti, metamorfismo di sedimenti calcarei.

Proprietà delle rocce | per l’impiego edilizio

In base al processo che le ha originate e di conseguenza alla loro differente struttura le rocce presentano diverse caratteristiche. In particolare, sono rilevanti nell’impiego edilizio: il peso specifico, la densità, la permeabilità, la porosità, la resistenza a compressione, e:

• Densità (massa volumica), è il rapporto fra la massa e il suo volume u.m. kg/m³
• Grado di compattezza [densità/peso specifico]
• Porosità reale [volume pori/volume totale %]
• Porosità apparente, o capacità di impregnazione
• Igroscopicità [proprietà di assorbire l’acqua assunta dall’umidità atmosferica]
• Conduttività termica [proprietà di lasciar propagare il calore nel proprio interno]
• Dilatazione termica [variazione di dimensione al variare della temperatura; si definisce grazie a un coefficiente di dilatazione termica lineare A attraverso la formula: con Δ = · · Δ = 0.000008

La resistenza alla compressione | in architettura

La caratteristica più sfruttata dei litotipi in architettura è la resistenza alla compressione. Ad esempio, le pietre che compongono la struttura trilitica sono soggette a forze diverse:

• I piedritti, i due elementi verticali, sono soggetti a una forza di compressione, dovuta al peso proprio dei piedritti, più il peso dell’architrave da cui vengono compresi.
• L’architrave, l’elemento orizzontale, è soggetta a una forza di flessione e taglio.

Se l’elemento lapideo non è disponibile in forma finita (esempio del dolmen) è necessario cavare i blocchi da un giacimento, in cui la modalità di estrazione dipende dalle caratteristiche della roccia.

La lavorabilità viene espressa attraverso vari parametri, come:

• Perforabilità, che si esprime attraverso la velocità delle aste di perforazione per l’abbattimento dei fronti di cava;
• Spaccabilità, ovvero l’attitudine della roccia a rompersi sotto i colpi degli attrezzi secondo superfici piane;
• Segabilità, ovvero l’attitudine ad essere estratte in cava e tagliate in laboratorio;
• Scolpibilità, ovvero l’attitudine a lasciarsi sagomare secondo superfici di andamento vario;
• Lucidabilità, l’attitudine ad assumere superfici lisce fino a speculari per sfregamento con abrasivi.

Vincolo

Il vincolo è quella particolare condizione che limita la possibilità di movimento di un corpo (o di un elemento della costruzione). Il vincolo è caratterizzato da tre possibili gradi di libertà in una struttura:

• Carrello, che sopprime la componente verticale della forza;
• Cerniera, che consente la rotazione attorno al proprio centro, ma impedisce ogni movimento di traslazione;
• Incastro, che impedisce ogni movimento, sia rotazione che traslazioni.

Struttura ad arco | in architettura

L’arco è composto da diversi elementi, quali:

• Chiave di volta, il concio centrale che stabilizza tutta la struttura;
• Conci, i singoli blocchi che formano l’arcata;
• Sesto, la curvatura dell’arco;
• Reni, dove si concentrano le spinte orizzontali;
• Piedritti, gli elementi verticali, su cui si poggia l’arco;
• Piano di imposta, il piano da cui parte la costruzione dell’arco, posto sopra i piedritti;
• Luce, la distanza tra un piedritto e l’altro, che corrisponde al diametro dell’arco;
• Intradosso, la linea interna dell’arcatura;
• Estradosso, la linea esterna dell’arcatura.

L’arco ha la funzione di deviare e reindirizzare gli sforzi di compressione, derivanti dalla muratura sovrastante, sulla muratura laterale; la spinta è scomposta in una componente orizzontale e verticale, che formano una spinta diagonale.

Gli archi rampanti trasferiscono le spinte diagonali ai contrafforti (strutture laterali spesse). I conci non scivolano perché le forze si oppongono, come nell’esempio dell’arco contemporaneo.

Il laterizio

Il laterizio è il materiale più diffusamente adoperato per la realizzazione degli edifici. Il termine generico comprende una grande serie di prodotti accomunati da un impasto di argilla come materiale di partenza.

Introduzione | scialbatura e resa estetica

• Scialbatura: Spesso ci capita di vedere edifici con mattoni facciavista, cioè la tessitura dei mattoni che compone la muratura non è stata coperta. La tessitura può essere regolare o irregolare: in questo caso si può agire con la scialbatura, un trattamento superficiale della parete, che consiste nel ricoprire i mattoni della tessitura con un leggero strato di intonaco in modo da rendere più omogenea la superficie della facciata, ma senza nascondere completamente il mattone. Spesso però il mattone, a contatto con l’umidità atmosferica, tende a polverizzare e a disperdersi alla base della muratura, lasciando così la superficie di mattoni a vista. Per questo motivo si considera l’intonaco come uno strato di sacrificio, cioè è accettabile che, durante la vita dell’edificio, l’intonaco venga sostituito più volte, in quanto elemento protettivo della superficie muraria.
• Effetto figurativo: Anche la stessa tessitura dei mattoni può condizionare l’effetto figurativo della facciata di un edificio, ma non sempre i mattoni si lasciano a vista: ciò dipende dalla qualità dei materiali e dall’effetto visivo che si vuole ottenere.
• Elemento modulare e ripetibile: Tutti i mattoni arrivano in cantiere raccolti in pancali: quando si inizia la costruzione, si aprono più pancali e si prendono mattoni da pancali diversi, in modo tale da omogeneizzare la superficie muraria. Questo perché i pancali non possono appartenere tutti allo stesso lotto di produzione; quindi, tipicamente è bene mescolare il più possibile. Il laterizio è un oggetto modulare ripetibile, si utilizza quindi lo stesso componente, ruotato o disposto in modi differenti, producendo diverse texture murarie.
• Differenti tipologie: I mattoni non sono tutti uguali, ma possono avere forme e colori differenti in base alla regione in cui vengono realizzati, a causa di diverse miscele di argilla o diversi modi di impilaggio. Ad esempio, in nord Europa si producono e utilizzano mattoni di forma schiacciata e di colore più scuro, a causa del tipo di argilla che viene impiegata. Oppure i mattoni britannici si caratterizzano per avere una grossa bucatura al centro, con lo scopo di ospitare la malta, in modo tale da creare una sorta di bulbo che mantiene saldo il mattone.

Composizione | come è fatto il laterizio?

I laterizi sono materiali ceramici, cioè sono materiali inorganici, non metallici, ottenuti da materie prime minerali, formati a freddo e consolidati in modo irreversibile mediante cottura (che avviene tra i 700 e i 1200 °C). La materia prima più importante è l’argilla, un materiale di deposito sedimentario a grana finissima, plastico, costituito da una mescolanza di minerali delle argille (fillosilicati come illite, montmorillonite, etc.) con quarzo, feldspati, carbonati e miche. Questi minerali presenti all’interno della miscela di argilla determinano le principali differenze nel colore e sulla superficie del laterizio (non influiscono direttamente sulle prestazioni, ma possono modificare le caratteristiche di cottura).

Produzione | artigianale e industriale

In origine il mattone veniva realizzato prelevando il materiale argilloso dai rispettivi siti, modellato e lasciato asciugare al sole. Le prestazioni sono lontane anni luce da quelle di oggi.

• Produzione artigianale: Ad oggi la produzione artigianale non è molto diversa: l’operaio prende il materiale, lo posiziona in una formina di legno e rimuove l'argilla eccedente con un regolo (o archetto dotato di filo di ferro): il risultato può essere un mattone normale o anche un laterizio più elaborato, in base allo stampo utilizzato. La forma è generalmente un poco più grande della dimensione, in quanto durante il processo di cottura l'acqua all'interno dell’argilla evapora e fa restringere il mattone. Quando il mattone viene sformato, è ancora deformabile, quindi per poterlo stabilizzare passa alla fase dell’essiccatura, prima ancora della cottura vera e propria. I mattoni vengono traslati dentro un essiccatoio, che riduce la quantità di acqua presente all'interno dell'oggetto, prima dell'effettiva cottura in forno, per evitare di produrre uno shock all'interno del mattone durante la cottura, in quanto potrebbe far sgretolare l'oggetto.
• Produzione industriale: Ma la crescente domanda del laterizio ha portato all’industrializzazione del processo produttivo del mattone, una produzione a catena per aumentare l’offerta.

Estrazione e trasporto | escavatori e nastri trasportatori

Per ridurre i costi necessari al trasporto, si è soliti porre l’intero impianto di produzione a fianco del sito di reperimento e scavo del materiale. Individuato il sito e costruito l’impianto, una serie di escavatori iniziano a prelevare il materiale dalla zona, che poi verrà trasportato all’interno dell’impianto di produzione attraverso nastri trasportatori. Il materiale, di piccole dimensioni, viene fatto scivolare all’interno di setacci in modo da eliminare le impurezze e i grumi; una volta ottenuto l’impasto pulito di argilla, questo viene formato.

Formatura

La formatura può avvenire in modi diversi:

• Formatura in stampo statico: Prevede l'utilizzo di uno stampo statico per formare i mattoni. L'argilla viene pressata all'interno dello stampo e poi rilasciata per essiccare. Questo metodo è meno preciso rispetto alla pressatura e all'estrusione ma richiede meno manodopera.
• Formatura in stampo dinamico: Prevede l'utilizzo di un'unità di formatura a movimento continuo per formare i mattoni. L'argilla viene alimentata all'interno dell'unità di formatura e quindi pressata per formare i mattoni. Questo metodo è il più preciso e veloce ma richiede macchinari più costosi.
• Pressatura: Questo è uno dei metodi più comuni e prevede l'utilizzo di una macchina per pressare l'argilla o il materiale da costruzione in una forma. La pressione aiuta a formare i mattoni in modo uniforme e a eliminare le bolle d'aria che potrebbero compromettere la struttura.
• Estrusione: Prevede l'utilizzo di una macchina per far passare l'argilla attraverso una serie di filiere che la formano in mattoni. Questo metodo è particolarmente utile per la produzione di mattoni di forma particolare o per la produzione di mattoni forati. Inoltre, l'oggetto fuoriesce dall'estrusore in maniera continua, quindi deve essere tagliato con una ghigliottina in base alle misure che si vogliono ottenere.
• Formatura manuale: Questo metodo prevede l'utilizzo di stampi in legno o in metallo per formare i mattoni. L'argilla viene pressata all'interno dello stampo e poi rimossa per essiccare. Questo metodo richiede molta mano d'opera ed è meno preciso rispetto ad altri metodi.

Dalla formatura ne escono oggetti in argilla ancora plasmabili, quindi tutte le movimentazioni sono calibrate per causare urti molto limitati, per evitare la deformazione dell’oggetto prima della cottura.

Movimentazione | carrelli

I mattoni così formati vengono posti su carrelli di movimentazione, piastre di grandi dimensioni interamente rivestite di materiale refrattario, e accompagnati verso il forno essiccatore. In questa fase si parla di “mattoni verdi”, in quanto sono ancora costituiti da acqua, che fornisce proprio il colorito verdognolo.

Essiccatura | essiccatoio

L’essiccatoio è una struttura molto lunga e lineare, in quanto il carrello viene fatto entrare e uscire in due punti diversi. Si tratta di una fase fondamentale, in quanto si vanno a stabilizzare i mattoni appena formati, andando a ridurre la quantità di acqua presente all'interno dell'oggetto, prima dell'effettiva cottura in forno, per evitare di produrre uno shock all'interno del mattone durante la cottura, in quanto potrebbe far sgretolare l'oggetto.

Cottura | forno

La fase della cottura avviene in linea con l’essiccatura, è subito successiva. Il forno di cottura è una struttura lunga e divisa in sezioni, ognuna delle quali caratterizzata da temperature diverse: inizialmente si avranno temperature basse, per aumentare gradualmente fino al punto di mezzo, in cui si avrà la temperatura massima; infine, ancora una graduale diminuzione fino all’uscita del mattone dal forno (in modo da evitare stress termini che possono compromettere le prestazioni del mattone). Il processo è in continuo, vengono sempre inseriti nuovi carichi e...