Appunti Tecnologia dei Materiali da Costruzione - modulo Prof. S. Perero

TECNOLOGIA DEI MATERIALI DA COSTRUZIONE – NON METALLI

INTRODUZIONE – MATERIALI E PROGETTAZIONE

à à à

Nella progettazione (= esigenza requisito definizione delle prestazioni dimensionamento), la scelta dei

materiali permette di adottare soluzioni differenti per ottenere le prestazioni strutturali volute, modificando costi

e consumi. Le proprietà dei materiali influenzano:

- Fattibilità del progetto

- Costi di produzione e realizzazione

- Consumi di energia ed inquinamento, nonché possibilità di riciclo/riuso

- Comfort ed estetica

à Il più tipico esempio di correlazione progettazione-materiali è il soddisfacimento dei requisiti energetici delle

nuove abitazioni (edifici ZEB) in un’ottica di maggiore sostenibilità.

Regolamentazione normativa

La progettazione deve seguire, oltre alle leggi fisiche del calcolo, l’ordinamento normativo e giuridico in materia:

- Costituzione e leggi comunitarie

- Norme di primo livello (L. / LR / DPR / D.lgs. / DL)

- Norme di secondo livello (DM, DPCM)

- Norme di terzo livello (circolari, ordinanze)

NORME = raccomandazioni, non obbligatorie se non riportate in capitolato o non richiamate da leggi (à ISO

EN UNI). Norme e leggi possono avere carattere:

- Assoluto = imperative

à

- Relativo = derogabili dispositive = derogabili in base alla volontà dei privati

à suppletive = regolatrici quando manca la volontà delle parti

Criteri di ordinamento delle leggi:

- Criterio gerarchico

- Criterio cronologico = tra norme “in conflitto” prevale quella emanata più recentemente

- Criterio di specialità = tra norme sulla stessa tematica prevale quella più specifica

- Criterio di competenza (degli organi amministrativi)

Norme e leggi possono dare prescrizioni (obbligatorie) o raccomandazioni (buona pratica o regola dell’arte).

Queste ultime prescrivono indicazioni progettuali tradizionali, indicate dalle norme ISO, UNI, CEI. Se non

seguite, il progettista deve fornire motivazione.

Criteri di scelta dei materiali edili

NECESSITÀ DI LEGGE:

Per i materiali da costruzione è recepito il Regolamento Europeo 305/2011, che prescrive l’apposizione del

marchio CE su tutti i prodotti manufatti da costruzione, con obbligo di “Dichiarazione di Prestazione” (DoP) sugli

stessi (non sui materiali). Esistono anche regolamenti indiretti, non specifici sui materiali ma con vincoli tecnici

di realizzazione delle strutture:

- Testo Unico sull’Edilizia – DPR 380/2001

- NTC 2018 – DM 17/01/18 à

- Obblighi del direttore dei lavori – L. 1086/1971 e DPR 380/2001. materiali, certificazioni, esecuzione…

NECESSITÀ FISICHE:

di progettazione in accordo alle NTC

COSTI:

produzione, stoccaggio, trasporto, lavorazione e smaltimento

ECO-COMPATIBILITÀ: à

marchi volontari “onerosi” per i produttori (per i singoli materiali EcoLabel, Pefc, Fsc)

ESTETICA

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Francesco Torre, 2019/2020

RICHIAMI – PROPRIETÀ FISICHE DEI MATERIALI

- Proprietà elettriche

- Proprietà ottiche

- Proprietà termiche

Proprietà ottiche ed elettriche dei materiali sono rilevanti a livello estetico ma anche funzionale all’uso degli

spazi e alla sicurezza degli stessi.

Proprietà elettriche à

Per le equazioni di Maxwell perturbazioni del campo elettromagnetico producono variazioni dello stesso. Se

tali perturbazioni incontrano un materiale, nel caso reale questo produce dissipazione e dispersione dell’onda,

con conseguente smorzamento. Le proprietà elettriche dei materiali dipendono dalla loro microstruttura interna:

o Atomi, molecole, ioni

o Interazioni tra le particelle e gli elettroni/fotoni, mediatori del campo elettromagnetico.

La conduzione dell’elettricità nei solidi è data, quindi, dal moto delle cariche (elettroni e ioni) all’interno del

materiale. In presenza di potenziale elettrico, le cariche acquistano una velocità proporzionale al campo: si crea

corrente.

LIVELLO ENERGETICO = energia dell’elettrone nella regione dell’orbitale. Avvicinando più atomi, i livelli

tendono a sovrapporsi, formando delle bande, ossia degli intervalli di valori ben definiti. Avvicinando e

allontanando gli atomi si modificano le sovrapposizioni di questi livelli. Tra differenti bande possono esistere

zone di separazione (energy gap), i cui livelli energetici non sono occupati da elettroni.

à

Metalli banda elettronica continua, possibile sovrapposizione tra bande piene e vuote. Basta l’agitazione

termica per far “saltare” gli elettroni nella banda vuota

à

Isolanti la banda di separazione è molto ampia

à

Semiconduttori banda di separazione stretta

E (energia di Fermi) è funzione del materiale.

f

Effetti sulla conducibilità sono dati anche da:

- Struttura (cristallina, policristallina, amorfa)

- Tipo di legame (metallico, ionico-covalente,..)

- Difettosità (= concentrazione di difetti, ossia resistenza al movimento delle cariche)

- Purezza del materiale (puro, leghe-soluzioni solide)

- Azioni termo-meccaniche (temperatura o deformazioni meccaniche)

Proprietà ottiche

LUCE = energia sotto forma di particelle elementari, i “fotoni”, legata

alla lunghezza d’onda. La luce è un sottoinsieme dello spettro

elettromagnetico. In particolare, la luce visibile è una radiazione

elettromagnetica con lunghezze d’onda comprese tra 0,4 um e 0,7 um (colori).

La luce incidente su un solido può essere: Trasmessa (T), Assorbita (A), Riflessa (R).

L’intensità del raggio incidente corrisponde alla somma delle tre intensità dei raggi T, A, R. L’intensità di

ciascuna componente dipende dalla rugosità della superficie del materiale: superfici rugose aumentano la

componente diffusa rispetto a quella riflessa (opacità). Da questo punto di vista, i materiali possono essere:

- Trasparenti

- Traslucidi

- Opachi

I fenomeni ottici nei solidi sono dovuti all’interazione tra radiazione elettromagnetica e atomi, ioni e/o elettroni:

a. POLARIZZAZIONE = parte dell’energia della radiazione è spesa per deformare la nuvola elettronica

(assorbimento). Passando attraverso il mezzo (= rifrazione), le onde luminose rallentano la velocità. La

rifrazione è la distorsione della velocità e dell’angolo di direzione della luce nel passaggio attraverso il

materiale. Individuabile attraverso l’indice di rifrazione (n = c/v), dipendente dal materiale.

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b. TRANSIZIONE DEGLI ELETTRONI = passaggio tra gli stati energetici

à

- Metalli la radiazione incidente (visibile) eccita gli elettroni nei livelli energetici liberi, sopra E f

à

- Non metalli se l’elettrone non ha abbastanza energia da passare l’energy gap, non si ha transizione.

Impurezze o altri difetti introducono livelli elettronici aggiuntivi all’interno della banda di separazione.

Possibilità di emissioni multistadio (diverse colorazioni del materiale).

Il colore è funzione del legame chimico, della microstruttura e della temperatura. In particolare, è dato da:

à

- Onda riflessa e radiazione termica emessa per materiali completamente opachi

à

- Onda trasmessa, onda riflessa e radiazione termica emessa per materiali trasparenti

L’introduzione delle impurezze (Cr, ad esempio) influenza l’assorbimento delle radiazioni e, quindi, il colore.

Proprietà termiche: caratteri generali _ importante

Importanti per valutare:

- Isolamento termico

- Dilatazioni termiche

- Proprietà e prestazioni meccaniche ad alte/basse temperature à

CALORE = forma di energia. La trasmissione del calore (misurata in J) è trasmissione di energia nell’unità

di tempo è potenza (W). La propagazione del calore avviene nel vuoto o nei materiali.

• Nel vuoto l’energia si propaga in “pacchetti”: è, cioè, quantizzata in fotoni. La potenza che si infrange sulla

superficie del materiale è definibile tramite il Vettore di Poynting “S”, che rappresenta la potenza per unità

di superficie trasportata dall’onda elettromagnetica.

• Lo scambio di energia in superficie di materia può avvenire per: irraggiamento, conduzione, convezione.

IRRAGGIAMENTO

Ad una certa temperatura T, un corpo assorbe ed emette fotoni.

Per corpi neri (ideali), capaci di emettere ed assorbire energia a tutte le lunghezze d’onda (ma

non con la stessa intensità), la massima potenza emessa per unità di superficie è data dalla

Legge di Stefan-Boltzmann.

Nella realtà, i corpi “grigi” hanno emissione inferiore rispetto al corpo nero, a causa di

disomogeneità e difetti. La capacità di assorbimento, inoltre, dipende dalla superficie e dagli

à

angoli di assorbimento si introduce un fattore di forma F . Vale la reciprocità: A F = A F

à à

ii 2 2 1 1 2 1

Ogni superficie che emette, sarà anche assorbente: lo scambio di potenza termica è quindi

funzione della differenza tra energia emessa e assorbita. Nel caso reale, lo scambio di potenza

termica dipende anche dalla forma e dall’omogeneità della superficie, nonché dalle lunghezze

d’onda (Legge di Plank).

CONDUZIONE

Avviene tra due materiali a contatto, caratterizzati da diverse temperature T (uno minore e uno maggiore).

à

L’energia viene scambiata attraverso l’urto tra le particelle (elettroni, fononi) La conducibilità termica è il

parametro che regola il processo.

CONVEZIONE

Trasmissione di calore attraverso un mezzo (fluido) “caldo”, ovvero ad una certa temperatura ed energia, posto

in contatto dinamico con il solido. Nel fluido il processo non raggiunge l’equilibrio termico, ma lo scambio

energetico si rinnova di continuo in funzione della velocità del fluido stesso.

La convezione è regolata dalla Legge di Fourier, accoppiata con l’Equazione di Navier-Stokes e l’Equazione di

à

continuità non ci sono soluzioni analitiche, si utilizzano modelli semplificati, come la Legge di Newton, che

calcola la potenza scambiata per convezione (W/m ): q = h(T – T ).

2 superficie fluido

Nel coefficiente di convezione “h” sono racchiuse le proprietà del materiale e del fluido; più alti valori di “h” per

la convezione forzata la rendono più efficace di quella naturale.

La massima efficacia, in particolare, è raggiunta in condizioni di regime turbolento (favorito dai vortici), mentre

la minima efficacia si ottiene in condizioni di moto laminare (il calore è trasmesso per conduzione sia nel fluido

stesso, sia all’interfaccia fluido-solido).

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• Nella materia si propaga parte dell’energia che arriva alla superficie. La propagazione è legata a parametri

quali il calore specifico, la conducibilità termica, la densità del materiale (Equazione di Fourier).

Per il Postulato di Fourier, il calore fluisce spontaneamente da superfici a

temperatura maggiore verso quelle a temperatura minore: il flusso di calore che

ne deriva è funzione della differenza di temperatura, dell’area esposta al flusso,

del materiale ed è inversamente proporzionale allo spessore dello strato.

à convenzionalmente, un materiale è isolante se la conducibilità termica vale

< 0,12 /( ∙ )

Lo scambio di energia dipende dai portatori di energia disponibili.

Nella materia i portatori di energia sono:

à

- Elettroni liberi se il livello di energia è > dell’Energia di Fermi

à

- Fononi vibrazioni reticolari degli atomi attorno alla loro posizione di

equilibrio; dipendono dalla forza di legame del mezzo. Conducibilità termica dei materiali

à

- Vibrazioni al livello di atomi o molecole isolanti per l'edilizia

Calore specifico molare (c ) e capacità termica

v,molare

Capacità di una mole di materia di assorbire calore senza aumentare la temperatura.

Dipende dalla capacità della sostanza di assorbire energia interna:

- per un gas ideale dipende dai possibili modi vibrazionali delle molecole e degli atomi che lo compongono

(per un gas reale si apportano piccole correzioni) à

- nei solidi e nei liquidi, c dipende dai due contributi energetici dei fononi e degli elettroni modulo di Young,

v

velocità del suono, energia di Fermi, densità degli elettroni liberi, energia del singolo elettrone. Il contributo

elettronico è trascurabile per alte temperature.

Il calore specifico dipende dalla densità delle moli al chilogrammo. La capacità termica dipende dalla massa del

solido: a T ambiente, il calore specifico molare è uguale per qualsiasi sostanza e quasi non dipende dalla

temperatura.

Dilatazione termica a

L

Il volume del solido varia con il calore: il Coefficiente di Espansione Termica (CTE) dipende dall’aumento

dell’ampiezza dell’oscillazione degli atomi attorno alla loro posizione di equilibrio. Poiché il potenziale non è

simmetrico, le posizioni di equilibrio si spostano gradualmente verso distanze interatomiche maggiori

all’aumentare della temperatura (e quindi dell’energia). La dilatazione del solido segue l’andamento della sua

capacità termica.

Nei liquidi, invece, le interazioni interatomiche sono più deboli:

- liquidi non polari, non si espandono col calore

- liquidi polari, hanno comportamenti alternati in funzione della polarizzazione (espansione – contrazione)

I gas non hanno volume proprio, pertanto non ha senso parlare di CTE.

Conducibilità termica e isolamento

Capacità del materiale di trasmettere calore in funzione della differenza di temperatura tra le superfici.

à

Per gas e liquidi, i portatori di energia sono le molecole/atomi stessi dipende dal peso molecolare.

Per i solidi, la conducibilità dipende dalla densità e dal moto degli elettroni e dei fononi. Oltre alla disponibilità

dei portatori (c ), è importante il tempo di scattering (à LCM = libero cammino medio), che definisce la “mobilità”

v

dei portatori all’interno del materiale. Nei cristalli reali, quanto più sono presenti difetti, tanto più il moto dei

portatori risulta disturbato. In generale, la conducibilità vale

Migliori isolanti sono, generalmente:

- Amorfi

- Materiali organici (polimeri)

- Non metallici

- Materiali con vuoto o gas all’interno

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Considerazioni ingegneristiche sui materiali

ISOLAMENTO

Nei materiali conduttori, l’energia è in parte assorbita all’interno del solido e in parte riemessa.

Negli isolanti, il calore viene assorbito ma rimane confinato sulla superficie (e in parte riemesso). Parte del

à

calore è comunque trasmesso, con tempi di propagazione più lunghi non esistono isolanti assoluti.

SHOCK TERMICO

Tensioni residue possono essere indotte da variazioni di temperatura, specialmente da raffreddamenti rapidi

(in quanto nel raffreddamento gli sforzi superficiali sono di trazione. Se l’applicazione della variazione termica

è brusca (shock termico), la resistenza dipende da:

- Dilatazione termica

- Conducibilità termica

- Modulo elastico

- Tensioni massime a rottura

COMPORTAMENTO AL FUOCO

La combustione è una reazione chimica rapida che avviene in compresenza di: combustibile, comburente

∆E

(ossigeno) ed energia sotto forma di calore. La reazione, che per avvenire ha bisogno di un iniziale, avviene

sotto forma di urto tra molecole in forma gassosa.

Gli step della combustione (e dell’incendio) sono:

à

a. Ignizione non avviene a bassa temperatura. Occorre una fonte di energia esterna superiore ad una sogli

di attivazione che avvii la reazione.

à

b. Propagazione il calore prodotto dalla combustione auto-sostiene la reazione. Vengono coinvolti altri

oggetti combustibili, che prendono fuoco.

à

c. Incendio generalizzato flash over = tutti i materiali combustibili presenti prendono fuoco

à

d. Terminazione rapido abbassamento della temperatura o mancanza di combustibile/comburente.

L’incendio provoca potenzialmente:

- Collasso dei materiali per le emissioni ad elevata potenza

termica

- Rischio di soffocamento da emissione di fumi

- Rischio di intossicazione

- Esplosioni = rilasci di energia in tempi brevissimi capace di

generare onde meccaniche e termiche di pressione che si

à

propagano nello spazio circostante detonazioni (esplosivi) in

tempi rapidi o deflagrazioni in tempi più “lenti” (gas, vapori).

o Autoignizione = temperatura minima alla quale la sostanza inizia spontaneamente a bruciare in presenza

di ossigeno, senza sorgenti esterne di innesco

o Temperatura di flash point = temperatura minima alla quale una sostanza si incendia in presenza di

sorgente esterna di accensione. Prima di tale temperatura minima, il materiale non prende fuoco.

La combustione dei solidi avviene per pirolisi = degradazione della superficie del solido a causa del calore ed

emissione di sostanze volatili (in fase gassosa) che vengono coinvolte nella combustione e la autoalimentano.

A livello di collasso strutturale, il comportamento dei materiali è diverso:

à

- Legno non modifica le proprie proprietà strutturali ma brucia (diminuisce la sezione!)

- Materiali ceramici o e/o con rin