Materiali Cementizi, Ceramici e Vetri

=E

impedito da vincoli, genera sollecitazioni di trazione che obbediscono alla legge di Hooke: .

t

Quando l’UR diminuisce, l’acqua non legata presente nei pori del cls fuoriesce provocando la contrazione del

poro, una parte del ritiro è quindi irreversibile in quanto una volta che il poro si è contratto non riesce più a

tornare alla sua dimensione iniziale. Il ritiro igrometrico è calcolabile attraverso la formula:

S=S × f × f × f × f × f con S ritiro standard ed f fattori correttivi dipendenti dal tempo, dall’UR,

0 1 2 3 5 5 0 1,2,3,4,5

dallo spessore fittizio, dalle % di armature, dall’E dell’inerte.

• Cosa si intende per segmentazione dei pori.

La diminuzione della porosità, oltre ad aumentare la resistenza meccanica, rallenta i processi di penetrazione

degli agenti aggressivi nella pasta di cemento ed i conseguenti fenomeni di degrado. La permeabilità dipende

sostanzialmente dai macropori in quando nei micropori il movimento delle specie aggressive è notevolmente

ostacolato. Volendo ridurre la permeabilità l’ideale sarebbe quindi ottenere una struttura con soli micropori, si è

visto tuttavia che basta raggiungere una situazione intermedia in cui i macropori sono presenti ma non sono

comunicanti fra loro ma collegati al più da micropori. Si parla quindi di segmentazione dei pori. Per ottenere

tale condizione si deve agire sul rapporto a/c e sulla stagionatura: per valori di a/c di 0,4-0,5 i tempi di

stagionatura vanno da 3 giorni a 14 giorni, mentre se il rapporto a/c aumenta dovrei mantenere un tempo di

stagionatura molto superiore, da 6 mesi ad oltre 1 anno.

• Cos’è la zona di transizione?

È una zona del cemento con proprietà diverse rispetto alla pasta cementizia al di fuori di tale zona, presenta

infatti una minore resistenza meccanica ed una maggiore permeabilità. Si trova fra gli aggregati grossi e la

pasta cementizia ed è caratterizzata dalla presenza di un elevato numero di microcricche che possono formarsi

per le diverse dimensioni della pasta cementizia e dell’aggregato oppure a seguito di variazioni di umidità o

termiche. Ciò consente di giustificare alcune proprietà del calcestruzzo, infatti ad esempio le curve

sforzo/deformazione degli aggregati e della pasta cementizia sono lineari, mentre quella del calcestruzzo no.

• Quali sono le proprietà dei cementi di miscela?

I cementi di miscela si ottengono aggiungendo al clinker delle sostanze con attività pozzolanica o loppa

d’altoforno granulata. Sono caratterizzati da un’idratazione più lenta e quindi è ritardato lo sviluppo della

resistenza meccanica e del calore di idratazione; hanno tempi di maturazione molto lunghi. Inoltre l’utilizzo di

cementi di miscela porta ad un’affinazione dei por in quanto i prodotti d’idratazione della pozzolana o della

loppa formano precipitati molto fini provocando una diminuzione dei pori capillari; una struttura di questo tipo

porta ad una maggiore resistenza alla penetrazione di agenti aggressivi. A causa della minore velocità con cui

avviene l’idratazione rispetto al Portland, è necessaria una maturazione più lunga. Portano infine ad una minore

produzione di alcali in quanto quelli prodotti dal cemento Portland vengono in parte consumati dall’idratazione

dell’aggiunta pozzolanica o della loppa.

Materiali ceramici

• Che funzione hanno argilla, silicati e carbonati nell’impasto di un materiale ceramico tradizionale? Cosa devo

modificare se voglio un prodotto poroso oppure uno compatto?

I minerali argillosi svolgono la funzione di plastificanti, quelli silicei di smagranti e i carbonati di fondenti

durante la fase di cottura e tendono anche a neutralizzare il colore rosso delle argille cotte (ricche di ossido di

ferro). Se l’argilla è troppo grassa, ovvero ha prevalenza di costituenti plastici, si deve aumentare la parte inerte

aggiungendo materie antiplastiche, ovvero gli smagranti (silicati). La plasticità dell’argilla consente una più

semplice sagomatura dei prodotti, tuttavia, se eccessiva, può dar luogo ad un elevato rischio di ritiro durante

l’essiccamento che può provocare deformazioni e tensioni interne al prodotto; aggiungendo gli smagranti questi

riducono la plasticità dell’argilla e consentono di regolare il ritiro durante l’essiccamento e la cottura. Inoltre

favoriscono la stabilità del prodotto dopo la formatura conferendogli la resistenza meccanica necessaria a

sagomare l’oggetto e fargli mantenere tale forma durante la cottura. Per quanto riguarda i fondenti, questi

durante la cottura formano una fase liquida che, una volta solidificata (vetrificazione) lega i grani del materiale

e ne riempie le porosità. Se voglio quindi un prodotto poroso devo diminuire il quantitativo di fondenti, se

invece mi serve un prodotto compatto ne devo aumentare la quantità.

• Perché i materiali ceramici sono fragili?

I materiali ceramici hanno un comportamento fragile perché, pur essendo presenti, le dislocazioni non si

muovono facilmente perché ci sono pochi piani di scorrimento ed è necessario rompere i legami ionici (che

sono molto forti) e forzare gli ioni in posizioni diverse i quali tendono a respingersi generando una forza di

repulsione elettrostatica che porterà alla rottura fragile del materiale. Nei ceramici con legami covalenti la

rottura fragile avviene come conseguenza della separazione dei legami fra le coppie di elettroni condivisi, senza

che avvenga una loro successiva riformazione. Nei ceramici policristallini i grani adiacenti dovrebbero variare

la loro forma durante la deformazione imposta, tuttavia esistono pochi piani di scorrimento perciò ai bordi

grano si generano delle tensioni e cricche che portano di nuovo a rottura fragile. La rottura avviene in

corrispondenza di difetti quali cricche superficiali, vuoti, porosità in quanto zone di intensificazione e

concentrazione degli sforzi.

• Perché i materiali ceramici sono isolanti?

I ceramici sono ottimi isolanti elettrici in quanto non sono presenti elettroni liberi nella struttura in grado di

trasportare la carica elettrica. Nei ceramici con legami ionici gli elettroni di legame sono vincolati ed elementi

molto elettronegativi (Ossigeno), nei ceramici con legami covalenti gli elettroni di legame sono localizzati

negli orbitali di legame tra gli atomi stessi. In ogni caso tutti gli elettroni sono legati e non possono condurre

elettricità. (Per particolari applicazioni è tuttavia possibile rendere conduttori i materiali ceramici). I ceramici

sono anche isolanti termici sempre a causa dei forti legami ionici o covalenti che caratterizzano la struttura.

• Descrivere il ciclo di produzione di un mattone refrattario.

Si parte innanzitutto dalla preparazione dell’impasto. Per la produzione di un mattone si usa solitamente argilla

comune e non viene sottoposta a nessun particolare processo, le argille più utilizzate sono costituite da minerali

del gruppo della caolinite o della montmorillonite. Si passa poi alla fase della formatura nella quale si

conferisce all’impasto di materie prime la forma del prodotto desiderato mediante l’applicazione di una

pressione sufficiente a deformarlo plasticamente; dopo la formatura il crudo dev’essere in grado di sopportare il

proprio peso. Il metodo di formatura solitamente utilizzato nella produzione di mattoni refrattari è quello di

pressatura che può essere ad azione singola o duplice. Si passa poi alla fase di essiccatura nella quale viene

rimossa l’acqua contenuta nel crudo, prima della cottura. Si procede in modo graduale per evitare che il

manufatto si rovini o perda solo lo strato esterno di acqua, quindi viene prima riscaldato in ambiente umido,

viene poi diminuita gradualmente l’umidità ed aumentata la temperatura (sempre inferiore a 120°). Tale

processo viene solitamente effettuato in un essiccatoio continuo a tunnel. Avviene poi la fase di cottura

mediante il quale viene rimossa l’acqua strutturale chimicamente legata ai vari componenti, vengono

decomposti i leganti organici e viene cotta l’argilla. Lo scopo della fase di cottura è quello di ottenere la

coesione tra le particelle (resistenza meccanica) e la riduzione della porosità (impermeabilità). Fino a 200° è

rimossa l’acqua libera residua, fra 400° e 650° viene eliminata l’acqua di cristallizzazione, l’argilla perde

definitivamente plasticità, fra 800° e 900° comincia la formazione della mullite (3Al O ·2SiO ), fra 900° e

2 3 2

1000° comincia la formazione della fase liquida (vetrificazione) che riempie i vuoti e agevola la formazione di

mullite (riduzione della porosità), oltre i 1400° si ha completa vetrificazione. La cottura del mattone si ferma ai

1000°.

• Quali sono le principali differenze tra i ceramici tradizionali e quelli avanzati.

I ceramici tradizionali sono pressoché isolanti, sia elettricamente che termicamente, hanno un’ottima resistenza

al calore e hanno la caratteristica di refrattarietà ed hanno una buona resistenza a carichi di compressione ma

sono purtroppo soggetti ad un’elevata fragilità a causa dei forti legami ionici e covalenti che li caratterizzano. I

ceramici avanzati sono stati progettati per migliorare quelli che sono i punti deboli dei ceramici tradizionali,

conducono quindi elettricità, sono in grado di sopportare carichi di trazione e possono assumere particolari

colorazioni. Un’altra differenza sta nelle materie prime utilizzate per la loro produzione. I tradizionali sono

ottenuti a partire da argilla e silicati, materie prime ampiamente diffuse sulla crosta terrestre; i ceramici

avanzati sono realizzati a partire da composti puri (quasi totalmente) ottenuti spesso per sintesi e quindi non

presenti naturalmente. Questi composti sono ad esempio ossidi (come l’allumina), carburi (carburo di silicio) o

nitruri (nitruro di silicio), perovskiti e piezoelettrici.

• Cosa si intende per shock termico?

Lo shock termico è la frattura, parziale o totale, di un materiale fragile in seguito ad una variazione di

temperatura, solitamente un rapido raffreddamento. Infatti durante il raffreddamento la superficie tende a

portarsi alla temperatura di equilibrio più velocemente del cuore del materiale. La superficie quindi tenderà a

contrarsi più del cuore generando uno stato di tensione che, se maggiore dello sforzo massimo del materiale,

porterà a fessurazione. Lo shock termico è influenzato dal coefficiente di espansione termica (basso coeff

minimizza le variazioni dimensionali), modulo di Young (basso modulo consente una maggiore deformazione

prima di rompersi), carico di rottura (un carico elevato consente al materiale di resistere a sforzi maggiori),

conducibilità