Teoria Scienza e tecnologia dei materiali

SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

1. INTRODUZIONE

Il corso intende fornire conoscenze riguardanti le proprietà dei materiali tradizionali (con particolare

riferimento a calcestruzzo, acciaio, laterizi, legno, materiali polimerici). E dei materiali innovativi (come i

materiali compositi fibrorinforzati o altre tipologie di materiali adatti all’impiego nel settore edile), per nuove

realizzazioni e/o per il recupero del patrimonio edilizio esistente. Viene sottolineata l'importanza di affinare le

capacità critiche di diagnosi e di scelta degli interventi, senza perdere mai di vista la sostenibilità delle scelte

effettuate.

La dei materiali è la scienza che studia le relazioni esistenti tra la struttura dei materiali e le loro

SCIENZA

proprietà.

La dei materiali è lo studio dell’applicazione e dell’impiego dei materiali con particolare

TECNOLOGIA

riferimento ai processi di produzione e trasformazione delle materie prime in prodotto finito.

L’ dei materiali è la progettazione della struttura di un materiale sulla base della conoscenza delle

INGEGNERIA

correlazioni tra struttura e proprietà (meccaniche, chimiche, fisiche) del materiale stesso per conferire

determinate proprietà.

Nel corso della storia è avvenuto un radicale cambiamento delle tecniche edilizie e dei materiali impiegati. Alla

pietra, ai mattoni, al legname si sono aggiunti, e in gran parte sostituiti, acciaio, conglomerati cementizi, leghe

leggere e materiali plastici per effetto della irresistibile spinta dei fattori economici e della rapida evoluzione

della produzione industriale. A determinare la qualità di un edificio sono sempre i materiali in esso impiegati!

La bellezza di ogni materiale dipende dall’efficacia con cui vengono utilizzati.

Si parlerà di: classificazione dei materiali (ceramico, metallico, polimerico); stato solido (solidi con struttura ordinata

cristallini e solidi amorfi); proprietà fisiche e meccaniche dei materiali; materiali ceramici sia tradizionali che avanzati

(struttura dei silicati e concetti di base sulle argille ed i minerali argillosi); vetri (tecnologie di produzione dei materiali

ceramici e dei vetri); leganti aerei ed idraulici e loro impiego nelle costruzioni; cementi (La produzione del cemento

Portland. I costituenti mineralogici del cemento Portland - idratazione delle fasi principali del cemento Portland. Le

aggiunte minerali: i materiali pozzolanici, pozzolanici a comportamento idraulico ed inerti. I cementi comuni e la norma

europea EN197/1); calcestruzzi (Proprietà allo stato fresco e indurito. Meccanismi di idratazione, porosità della matrice

cementizia e resistenza meccanica del calcestruzzo. La normativa. Prove di caratterizzazione. Mix-design cls. La durabilità

e il degrado dei calcestruzzi.); acciai; murature e loro degrado; legno; materiali polimerici; materiali compositi per il

rinforzo delle strutture in muratura e cls esistenti. Sistemi Fiber Reinforced Polymer (FRP), Fabric Reinforced Cementitious

Matrix (FRCM) e Composite Reinforced Mortar (CRM).

→ SCELTA DEL MATERIALE

I parametri per la scelta del materiale sono: la qualità tecnologica (cioè le caratteristiche fisiche e

meccaniche), la qualità dell’uso (durabilità, riparabilità, sostituibilità), la compatibilità costruttiva

(reperibilità, lavorabilità, sicurezza per gli operatori) e la fattibilità economica. Una scelta sbagliata dei

materiali può provocare ingenti danni a cose e persone e provocare la marcescenza precoce o la riduzione

della vita utile della struttura. Un ruolo fondamentale è rappresentato anche dalla necessità di fare

manutenzione ordinaria per monitorare lo stato di sicurezza di una struttura civile.

Un materiale deve avere proprietà che gli permettano di resistere, per un tempo ragionevole, a sollecitazioni

meccaniche, chimiche e termiche, secondo l’impiego cui è destinato. Deve anche poter assumere la forma e

le dimensioni di progetto conservandole successivamente, con definite tolleranze, in condizioni avverse. È

possibile classificare i materiali in 3 categorie: metallici, ceramici, polimerici.

→ NORMATIVA

Il “Regolamento prodotti da costruzione CPR 305/11” riguarda tutti i prodotti (materiali, manufatti, sistemi,

ecc.) che sono realizzati per diventare parte permanente di opere di costruzione (edifici ed opere di ingegneria

civile). Questi prodotti devono rispettare requisiti e prestazioni relazionate ai sette requisiti essenziali

dell’opera da costruzione: resistenza meccanica e stabilità; sicurezza in caso di fuoco; igiene, sicurezza e

ambiente; sicurezza in uso; protezione contro il rumore; risparmio energetico; uso sostenibile delle risorse

naturali per la realizzazione delle costruzioni.

La “Dichiarazione di Prestazione (DoP)” è il concetto chiave del Regolamento sui Prodotti da Costruzione

(CPR). Il DoP dà al fabbricante la possibilità di fornire le informazioni relative alle caratteristiche essenziali del

prodotto che vuole immettere sul mercato.

“NTC 2018 – Cap. 11”: Si definiscono materiali e prodotti per uso strutturale, utilizzati nelle opere soggette alle

presenti norme, quelli che consentono ad un’opera ove questi sono incorporati permanentemente di

soddisfare in maniera prioritaria il requisito base delle opere n.1 “Resistenza meccanica e stabilità” di cui

all’Allegato I del Regolamento UE 305/2011 . I materiali e prodotti per uso strutturale devono essere:

– identificati univocamente a cura del fabbricante, secondo le procedure di seguito richiamate;

– qualificati sotto la responsabilità del fabbricante, secondo le procedure di seguito richiamate;

– accettati dal Direttore dei lavori mediante acquisizione e verifica della documentazione di identificazione e

qualificazione, nonché mediante eventuali prove di accettazione.

In particolare, per quanto attiene l’identificazione e la qualificazione, possono configurarsi i seguenti casi:

A. materiali e prodotti per i quali sia disponibile, per l’uso strutturale previsto, una norma europea

armonizzata il cui riferimento sia pubblicato su GUUE. Al termine del periodo di coesistenza il loro impiego

nelle opere è possibile soltanto se corredati della “Dichiarazione di Prestazione” e della Marcatura CE,

prevista al Capo II del Regolamento UE 305/2011;

B. materiali e prodotti per uso strutturale per i quali non sia disponibile una norma europea armonizzata

oppure la stessa ricada nel periodo di coesistenza, per i quali sia invece prevista la qualificazione con le

modalità e le procedure indicate nelle presenti norme. E’ fatto salvo il caso in cui, nel periodo di

coesistenza della specifica norma armonizzata, il fabbricante abbia volontariamente optato per la

Marcatura CE;

C. materiali e prodotti per uso strutturale non ricadenti in una delle tipologie A o B. In tali casi il fabbricante

dovrà pervenire alla Marcatura CE sulla base della pertinente “Valutazione Tecnica Europea” (ETA), oppure

dovrà ottenere un “Certificato di Valutazione Tecnica” rilasciato dal Presidente del Consiglio Superiore

dei Lavori Pubblici, previa istruttoria del Servizio Tecnico Centrale, anche sulla base di Linee Guida

approvate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, ove disponibili; con decreto del Presidente del

Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, su conforme parere della competente Sezione, sono approvate

Linee Guida relative alle specifiche procedure per il rilascio del “Certificato di Valutazione Tecnica”.

Per quanto riguarda la qualificazione del prodotto, lo stesso capitolo stabilisce in generale che in presenza di

una norma europea armonizzata in vigore, derivante dal Regolamento UE n. 305/2011, il medesimo prodotto

deve possedere la “Dichiarazione di Prestazione” e la marcatura CE. Qualora invece non sia disponibile

oppure non sia ancora in vigore una norma europea armonizzata per uno specifico prodotto, e al contempo le

NTC prevedano una specifica procedura di qualificazione, sarà questa procedura a dover essere seguita. La

terza e ultima casistica riguarda i materiali e prodotti innovativi o comunque non ricadenti in una delle due

precedenti casistiche. In tali casi il fabbricante può pervenire alla Marcatura CE in conformità a Benestare

Tecnici Europei (ETA), ovvero, in alternativa, deve essere in possesso di un Certificato di Valutazione Tecnica

all’Impiego (CVT) rilasciato dal Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici.

In sintesi, le NTC stabiliscono l’obbligo per il produttore di qualificare il prodotto da costruzione ad uso

strutturale, e di accompagnare la fornitura in cantiere con la documentazione di qualificazione prevista per il

prodotto stesso. Il progettista delle strutture dovrà quindi prescrivere i prodotti e materiali da costruzione

facendo corretto riferimento alla casistica applicabile in materia di qualificazione. Il Direttore dei lavori è

tenuto a controllare che la fornitura richiesta dall’impresa sia accompagnata da tutta la documentazione

necessaria e a rifiutare le eventuali forniture non conformi.

Fra i requisiti delle opere strutturali richieste dalle normativa NTC abbiamo:

DURABILITA’

Un adeguato livello di durabilità può essere garantito progettando la costruzione, e la specifica manutenzione,

in modo tale che il degrado della struttura, che si dovesse verificare durante la sua vita nominale di progetto,

non riduca le prestazioni della costruzione al di sotto del livello previsto.

Tale requisito può essere soddisfatto attraverso l’adozione di appropriati provvedimenti stabiliti tenendo conto

delle previste condizioni ambientali e di manutenzione ed in base alle peculiarità del singolo progetto, tra cui:

a) scelta opportuna dei materiali;

b) dimensionamento opportuno delle strutture;

c) scelta opportuna dei dettagli costruttivi;

d) adozione di tipologie costruttive e strutturali che consentano, ove possibile, l’ispezionabilità delle parti strutturali;

e) pianificazione di misure di protezione e manutenzione; oppure, quando queste non siano previste o possibili,

progettazione rivolta a garantire che il deterioramento della costruzione o dei materiali che la compongono non ne causi il

collasso;

f) impiego di prodotti e componenti chiaramente identificati in termini di caratteristiche meccanicofisico-chimiche,

indispensabili alla valutazione della sicurezza, e dotati di idonea qualificazione, così come specificato al Capitolo 11;

g) applicazione di sostanze o ricoprimenti protettivi dei materiali, soprattutto nei punti non più visibili o difficilmente

ispezionabili ad opera completata;

h) adozione di sistemi di controllo, passivi o attivi, adatti alle azioni e ai fenomeni ai quali l’opera può essere sottoposta.

Le condizioni ambientali devono essere identificate in fase di progetto in modo da valutarne la rilevanza nei

confronti della durabilità.

SOSTENIBILITA’

È necessario ridurre i fenomeni di inquinamento e acquisire nuovi fonti di materie prima dal recupero di

materiali di scarto. Ci sono alcune strategie che ci consentono di tutelare l’ambiente: modifico i prodotti già

presenti in mercato (tipo amianto), miglioro la durabilità dei materiali per procrastinare l’abbandono in

ambiente, sostituisco le materie prime nei processi industriali, ottimizzo le caratteristiche in relazione all’uso

specifico. Si cerca di: impiegare materiali a ridotto carico ambientale sulla base del consumo di energia

primaria e di emissioni inquinanti; impiegare materiali ad elevato potenziale di riciclabilità e recuperabilità;

impiegare tecniche costruttive che facilitino il disassemblaggio a fine vita.

L’industria della costruzioni incide per il 24% sul totale delle materie prime utilizzate a scala globale.

Life Cycle Assessment (LCA): metodo strutturato e standardizzato a livello internazionale che permette di

quantificare i potenziali impatti sull’ambiente e sulla salute umana associati a un bene o servizio, a partire dal

rispettivo consumo di risorse e dalle emissioni. Considera l'intero ciclo di vita del sistema oggetto di analisi a

partire dall’acquisizione delle materie prime sino alla gestione al termine della vita utile includendo le fasi di

fabbricazione, distribuzione e utilizzo (approccio definito "dalla culla alla tomba").

LEED: sistema statunitense di classificazione dell'efficienza energetica e dell'impronta ecologica degli edifici

(acronimo di The Leadership in Energy and Environmental Design), sviluppato dallo U.S. Green Building

Council (USGBC), fornisce un insieme di standard di misura per valutare le costruzioni ambientalmente

sostenibili.

L’80% dell’impatto ambientale esercitato da prodotti, servizi e infrastrutture viene determinato in fase

progettuale. Si parla di Life Cycle Design cioè progettazione del ciclo di vita del prodotto. Attualmente produco

– utilizzo – butto l’80% dei materiali e ne viene recuperato solo un 20%. Bisogna passare e un modello

economico circolare in cui lo scarto diventa nuova risorsa per il prossimo ciclo produttivo. Non bisogna

compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni. Si inizia a parlare di materiali

circolari.

2. SOLIDI

→ STRUTTURA DEI MATERIALI

La struttura dei materiali influenza direttamente le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche (richieste anche

dalla normativa) e il suo comportamento strutturale (che dipende anche da come esso viene lavorato) e ne

determina il tipo di impiego. Qualunque sia l’applicazione, da un complesso elemento strutturale a una

semplice vite, la scelta del materiale è parte integrante del progetto. In genere possono essere adatti più

materiali che presentano caratteristiche e costi diversi. Sarà quindi necessario un compromesso tra

esigenze tecniche, commerciali ed economiche. Una volta scelto il materiale, si potrà procedere al progetto

del componente che si vuole realizzare, le cui caratteristiche dipenderanno dal modo con cui si comporta il

materiale in esercizio.

Le proprietà dei materiali permettono di prevedere il comportamento in esercizio delle strutture e degli

elementi costruttivi. Le proprietà vengono misurate attraverso dei parametri quantitativi (modulo elastico,

carico di snervamento, conducibilità termica, ecc…) che vengono utilizzati direttamente nell’esecuzione dei

calcoli di progetto. Distinguiamo:

Proprietà meccaniche: riflettono il comportamento del materiale a seguito dell’applicazione di un sistema di

forze. (→resistenza e stabilità delle costruzioni)

Proprietà fisiche: misurano il comportamento sotto l’azione della temperatura, della luce, del fuoco, di campi

elettrici o magnetici. (→progettazione impianti, comfort termoigrometrico, consumo energetico)

Proprietà chimiche: descrivono l’interazione del materiale con le sostanze con le quali viene a contatto nelle

condizioni di utilizzo. Caratterizzano la capacità del materiale di conservarsi nell’ambiente in cui opera.

(→durabilità)

La materia è fatta di molecole che sono fatte di atomi. Chiamiamo materia tutto ciò che ha massa ed essa può

presentarsi in diversi stati (gas, liquido, solido) a seconda del modo in cui gli atomi e le molecole sono legati tra

loro. Chiamiamo “materiale” la materia allo stato solido.

La struttura dei solidi può essere: (=ordinata a livello molecolare) o (disordinata) esistono

CRISTALLINA AMORFA

configurazioni ibride semicristalline (ordinate solo in alcune parti). Attraverso la microscopia elettronica e la

diffrattometria ai raggi X individuiamo la struttura atomica o molecolare ~ 10 m; attraverso la microscopia

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elettronica o ottica individuiamo la microstruttura ~10 m (cioè la presenza di diversi costituenti); attraverso

-6

prove empiriche determiniamo la macrostruttura (concetto della minima scala rappresentativa).

→ MICROSTRUTTURA

La microstruttura è data dall’insieme delle caratteristiche geometriche e quantitative delle fasi presenti,

compresi vuoti e difetti. Essa è il risultato della modalità di produzione del materiale, delle lavorazioni e dei

trattamenti subiti, condiziona profondamente il comportamento di un materiale, tanto che il rilevamento della

microstruttura fa parte dei metodi di controllo della qualità dei materiali. La relazione tra microstruttura,

composizione chimica, struttura cristallina, lavorazione e comportamento è uno degli obiettivi principali

della ricerca scientifica e tecnologica sui materiali.

Un materiale viene definito:

• Omogeneo se costituito da una sola sostanza, oppure da più sostanze “solubili” allo stato solido che

formano una soluzione solida omogenea.

• Eterogeneo se costituito da componenti insolubili tra loro, formanti un sistema polifasico. Se è costituito

da due o più sistemi omogenei separati in maniera netta da una superficie in corrispondenza della quale si

ha una discontinuità delle proprietà del corpo

Si definisce fase una porzione fisicamente omogenea (a livello microstrutturale) di un materiale, che si

differenzia da altre porzioni. La microstruttura dei materiali viene studiata tramite osservazione al microscopio

(ottico ed elettronico), con ingrandimenti compresi tra 50 e 10 .

4

→ STRUTTURA CRISTALLINA

Se nello stato gassoso la distribuzione delle molecole raggiunge il più alto grado di disordine, nello stato solido

cristallino la distribuzione delle particelle costitutive realizza il massimo grado di ordine. Un cristallo è un

corpo solido delimitato da facce regolari e simmetriche, che sono la manifestazione macroscopica dell’ordine

interno. La forma poliedrica esterna può cambiare per il differente sviluppo relativo delle varie facce, ma, a

temperatura costante, gli angoli tra le facce rimangono sempre gli stessi (principio della costanza dell’angolo

diedro, formulato da Stenone nel 1669 per i cristalli di quarzo).

Un solido cristallino è infatti formato