Riassunti di tecnologia dei materiali

Materiali ceramici

I ceramici sono formati da almeno due elementi e quindi le loro strutture cristalline sono generalmente complesse. Il legame atomico varia da quello ionico puro a quello totalmente covalente e spesso abbiamo una combinazione dei due tipi di legami. Per determinare la percentuale di carattere ionico si fa riferimento alla seguente equazione:

%legame_ionico=[1-exp(-(0,25)(XA-XB)²)]*100 (XA e XB sono le elettronegatività).

Sono ottenuti da materie prime inorganiche, non metalliche, attraverso un processo di cottura ad alta temperatura: sinterizzazione. Si dividono in:

• Tradizionali (piastrelle, sanitari, stoviglieria, laterizi, refrattari);
• Avanzati (bioceramici, porcellane elettriche e termiche, ceramici per l'elettronica, catalizzatori, refrattari speciali).

Ceramici tradizionali

Tradizionali: modellazione e cottura di impasti plastici a base di argilla (rocce sedimentarie di deposito meccanico, costituite da allumino-silicati idrati, xAl₂O₃ ySiO₂ zH₂O; ossidi e idrossidi di Fe [colore rosso mattone], K, Al, Si, Ti; Carbonati di Ca, Mg, Fe, Ti.)

Si dividono in:

• A pasta porosa: grani separati da pori e interstizi
• A pasta compatta: i vuoti sono riempiti da una fase vetrosa in seguito a una parziale fusione subita durante la cottura.

Argille

Per la produzione dei ceramici sono molto interessanti le argille che derivano dall’alterazione di rocce feldspatiche e che contengono quasi esclusivamente il caolino 2SiO₂ Al₂O₃ 2H₂O, queste sono pregiate e cuociono bianche. Le argille sono idroplastiche (con l’acqua formano una massa plastica lavorabile). Plasticità: capacità di deformarsi sotto l’azione di una pressione esterna e conservare la forma acquisita dopo la rimozione di tale azione meccanica. Questa è acquisita con particolari quantità d’acqua, granulometria e fenomeni colloidali. Si perde dopo l’essicamento.

Le particelle dei silicati idrati devono essere circondate da un film di acqua, così da permettere il loro movimento reciproco. L’acqua aderisce alla superficie dei cristalli permettendo di conservare la forma al termine dell’azione esterna. Infine, esistono dei costituenti inerti: silice cristallina (=Smagranti: controllo della plasticità e del ritiro, stabilità del “crudo” dopo formatura), feldspati (per quelli a p.compacta), carbonato di Ca (per quelli a p.porosa), carbonato di Ca e Mg (=Fondenti: Durante la sinterizzazione, generano una fase fusa che riempie le porosità e solidifica).

Sono molto eterogenee e possono essere:

• Grasse (elevata plasticità, necessitano di smagranti);
• Magre (naturalmente ricca di costituenti inerti, plasticità incrementabile con addizione di bentonite).

Ciclo produttivo

1. Materie prime: Argilla con acqua, smagranti e fondenti.
2. Macinazione: A umido o a secco.
3. Formatura: Si conferisce all’impasto la forma del prodotto, applicando una pressione sufficiente a deformarlo plasticamente e stabilmente. La scelta del metodo di formatura influenza il contenuto di acqua nell’impasto e dipende dalle caratteristiche del materiale, dalle dimensioni e forma del prodotto, dal volume produttivo. Può essere per: pressatura, estrusione, colaggio.
4. Essicamento: Allontanamento dell’acqua dell’impasto che si trova frapposta fra le particelle o nei pori; se condotto a meno di 120 °C, l’argilla può riacquistare plasticità a contatto con l’acqua. Contrazione del volume dovuta al riavvicinamento delle particelle con aumento delle forze attrattive tra loro, aumento della resistenza meccanica. Un essiccamento troppo rapido (superficiale) può provocare la distorsione, l’incrinatura o la rottura del pezzo.
5. Cottura - sinterizzazione: Inizia a 200 °C (evaporazione acqua libera residua; poi evaporazione acqua adsorbita sulle particelle di argilla; in seguito evaporazione acqua di cristallizzazione dei minerali, con rottura del reticolo cristallino e formazione di una miscela di silice (SiO₂) ed allumina (Al₂O₃) in rapporto 2:1.); Fino a 700 °C (ossidazione eventuali sostanze organiche presenti nell’argilla.); 800 – 900 °C (decarbonatazione del calcare con sviluppo di CO₂ e inizio formazione di un composto tra silice ed allumina detto mullite (3Al₂O₃·2SiO₂)); 900 – 1100 °C (graduale formazione di una fase liquida, che riempie i vuoti fra le particelle e agevola la formazione di mullite, inizia il ritiro e la diminuzione della porosità.); Al crescere della temperatura (aumento della fase liquida e diminuzione del contenuto di quarzo.); Ulteriore aumento di temperatura (diminuzione della viscosità della fase liquida fino a possibile deformazione del pezzo per effetto del proprio peso). La temperatura di cottura dipende dalla composizione dell’impasto e dal tipo di prodotto ceramico da produrre: Laterizi, terrecotte (pasta porosa) T = 900 – 1000 °C ; Porcellana (pasta compatta) T = 1200 – 1450 °C.
6. Rivestimento: Opaco (smalto); Trasparente (vetrina). Estetica, impermeabilità, resistenza ad abrasione e ad aggressione chimica (superfici dure e facilmente pulibili). Vetrificazione del rivestimento avviene tramite trattamento termico, durante il quale la miscela di smalto fonde ricoprendo uniformemente la superficie ed ancorandosi al supporto, con il quale deve essere compatibile termicamente. Può essere fatta una bicottura o una monocottura.

Classificazione dei ceramici tradizionali

• Sanitari: In gres [prodotto impermeabile ad elevata resistenza meccanica (greificazione, graduale vetrificazione durante la cottura). Esistono grès naturali, ottenuti con argille contenenti fondenti di natura alcalina in quantità opportune, oppure grès fini (artificiali), ottenuti con l’aggiunta di feldspati come fondenti ad argille pure (prive di ossido ferrico)]; in porcellana [Prodotti ceramici a pasta bianca, molto compatta, ottenuti da miscele di Caolino (refrattarietà), Quarzo macinato finemente Feldspati (r.elettrica)(r.meccanica) materiali traslucidi, materiali molto compatti].
• Laterizi: Costituiti da argille comuni impure contenenti: ossido di ferro, quarzo (SiO₂) come smagrante, carbonato di calcio (CaCO₃) come fondente, solfati (à possono restare come sali solubili nei pori anche dopo la cottura e generare efflorescenza nei prodotti in opera; oppure possono cristallizzare a contatto con acqua e produrre sali idrati con effetti espansivi all’interno del materiale). Possono essere albasi (di colore chiaro, insufficientemente cotti, con elevata porosità e di scarsa resistenza meccanica ed al gelo); mezzani (ben cotti con resistenza a compressione di circa 150 kg/cm²); forti (ben cotti con resistenza a compressione di circa 180 kg/cm²); ferrioli (di colore scuro, troppo cotti, con buone caratteristiche meccaniche, ma non porosi. La carenza di porosità fa si che aderiscano difficilmente alla malta cementizia). Le murature in laterizio possono essere portanti, di tamponamento, per divisori interni. Nella progettazione sismica si usano solo elementi pieni o semipieni (foratura tra 15-45%).
• Piastrelle ceramiche: Lastre relativamente sottili e di vario formato di materiale ceramico, utilizzate per rivestire pavimenti e pareti. Possono essere: smaltate (GL, se la loro superficie è ricoperta da uno strato di vetro colorato, che impartisce ad essa importanti caratteristiche estetiche e tecniche); non smaltate (UGL, uniformi in tutto lo spessore, senza nessun rivestimento superficiale). Classificazione in funzione del metodo di formatura e dell’assorbimento d’acqua.

Fasi della vita della costruzione e ruolo dei materiali

Proprietà richieste: Resistenza (capacità di sopportare i carichi senza cedimenti strutturali, a trazione, a compressione, a taglio); Rigidezza (capacità di resistere a deformazione elastica sotto sforzo); Duttilità (capacità di deformarsi plasticamente sotto sforzo); Tenacità (capacità di assorbire energia prima di giungere a rottura); Durezza (resistenza all’indentazione sotto carico, resistenza superf.). Proprietà meccaniche che prevedono un danneggiamento progressivo del materiale nel tempo: Resistenza ad usura e abrasione (capacità della superficie del materiale di resistere all’attrito con altri materiali); Scorrimento viscoso (creep); Fatica.

Interazione con l’ambiente

Sono soggetti all’azione chimico fisica dell’ambiente. Azioni chimiche (ad es. la corrosione dei metalli, l’attacco alcalino del vetro, ecc.), Trasporto nei materiali porosi (nel caso di materiali come i laterizi, le sostanze aggressive allo stato liquido o gassoso possono penetrare attraverso i pori e quindi aggredire il materiale dal suo interno; principali meccanismi: la diffusione, l’assorbimento capillare, la permeazione, la migrazione elettrica); Variazioni di umidità (possono portare a variazioni dimensionali in alcuni materiali, quando queste sono contrastate, si generano sforzi che possono danneggiarlo); Variazioni di temperatura (analogamente a quanto visto sopra, possono portare a variazioni dimensionali, che se contrastate, possono danneggiare il materiale); Azioni espansive (fenomeni di natura fisica, come nel caso del gelo o disgelo, o di natura chimica, come nel caso della cristallizzazione salina, generano azioni espansive che possono danneggiare i materiali porosi). Questi fenomeni possono portare nel tempo ad una perdita di prestazioni del materiale e quindi compromettere la funzionalità della struttura o la sua sicurezza.

Le conseguenze delle variabili ambientali sui materiali sono quindi funzione del tempo di esposizione, le prove richiedono tempi lunghi. Anche in questo caso si può ricorrere a prove accelerate, non utili in termini assoluti, ma utili per confrontare soluzioni progettuali alternative. Tali prove però devono essere tali da riprodurre gli stessi meccanismi di degrado che si producono nelle condizioni di esposizione reale: è necessario verificare che non si sovrappongano fenomeni di degrado diversi.

Vita di servizio e durabilità

A causa degli effetti dell’ambiente, un elemento costruttivo subisce nel tempo un progressivo decadimento delle sue prestazioni, in seguito alle alterazioni che subiscono i materiali di cui è costituito. Vita di servizio di una struttura: periodo di tempo in cui la struttura è in grado di garantire non solo la stabilità, ma tutte le funzioni per cui è stata progettata. Durabilità: una struttura si può considerare durevole solo se la sua vita di servizio è almeno pari alla vita di servizio richiesta in sede di progetto.

Problemi dovuti alle variazioni dimensionali dei materiali

In funzione del segno della variazione dimensionale si potranno avere 2 conseguenze diverse: I fenomeni che portano ad una contrazione (ritiro), che quindi sono associati a riduzioni di temperatura o ad asciugatura del materiale, quando sono contrastati possono indurre sforzi di trazione possono provocare la fessurazione di materiali fragili; I fenomeni che portano ad un’espansione, dovuta ad aumento di temperatura o ad assorbimento d’acqua, possono indurre sforzi di compressione, possono determinare condizioni di instabilità nel caso di elementi snelli.

Durabilità dei ceramici

Nel caso dei materiali da costruzione il materiale poroso è caratterizzato da pori di diverse dimensioni, tra loro interconnessioni e comunicanti con la superficie del materiale. In un ambiente umido, una parte dei pori può essere riempita d’acqua. Il contenuto di acqua di un materiale poroso esposto all’atmosfera cresce con l’umidità relativa esterna. Il vapore d’acqua presente nell’ambiente può diffondere all’interno dei pori e condensare al loro interno. In ambienti con bassa umidità relativa, l’acqua è adsorbita sulla superficie dei pori; all’aumentare dell’umidità si raggiungono le condizioni per la condensazione capillare, cominciando dai pori più piccoli. Solo dopo si riempiono i pori di dimensioni maggiori.

Il trasporto di specie aggressive può avvenire per: diffusione (effetto di un gradiente di concentrazione da più elevata a più bassa); permeazione (fluido penetra attraverso i pori di un materiale per effetto di una pressione); migrazione elettrica (campi elettrici possono determinare il trasporto delle specie ioniche disciolte nella soluzione presente nei pori); Assorbimento capillare (soluzione acquosa viene a contatto con un materiale poroso non saturo, può essere assorbita a causa di una depressione prodotta dalla azione capillare tra il liquido e la superficie dei pori del solido).

Comportamento termico di un materiale è responsabile della velocità di degrado può essere descritto attraverso diversi parametri: il calore specifico Cp (energia assorbita o ceduta dall’unità di massa del materiale per variare di 1°C la sua temperatura, m x Cp è la capacità termica); la conducibilità termica k (densità di flusso termico in un materiale sottoposto ad un gradiente unitario di temperatura); la diffusività termica (Dt = k / (δ x Cp), δ densità del materiale); il coefficiente di dilatazione termica (volumetrico α (°C^-1), lineare λ (°C^-1).

L’umidità può indurre diversi fenomeni di degrado: favorendo reazioni chimiche che alterano la composizione dei costituenti dei materiali della muratura oppure determinano la formazione di nuovi composti all’interno dei loro pori (sali disciolti); favorendo azioni fisiche, come espansione del materiale poroso in corrispondenza della superficie, o come fenomeni di cristallizzazione: la formazione di cristalli all’interno dei pori può produrre tensioni elevate, fessurazioni, distacchi di frammenti, disgregazione dei materiali dalle murature: cristallizzazione dei sali solubili (efflorescenze e subflorescenze); cristallizzazione dell’acqua (gelo-disgelo); compromettendo la funzionalità di un edificio, ad es. per l’abitabilità, a causa di inconvenienti di natura igienica ed economica (muffe, consumo energetico, ecc.).

L’umidità nelle murature può essere causata: dalla costruzione (acqua per la posa in opera); discendente (acqua piovana); da condensa (alte U.R.; DT); da risalita (per effetto capillare [limitata con basamento sotto i pilastri; guaine impermeabili; taglio fisico nella muratura con guaina; barriera chimica con liquido idro-repellente; tecniche che promuovono l’evaporazione vespai areati, camere d’aria ecc.] un materiale con pori di dimensioni maggiori tende a saturare più rapidamente). L’umidità può abbandonare la muratura per effetto dell’evaporazione. La velocità di evaporazione è elevata per pori aperti e di grandi dimensioni.

Meccanismi di degrado

Alterazioni biologiche

Sulle superfici delle murature si possono formare alghe (ambiente umido, in zone non esposte al sole, e formano una patina sulla superficie del materiale, inizialmente verdastra, poi tendente al bruno ed al nero; alterano aspetto estetico), licheni (alghe-funghi e sopravvivono anche in condizioni asciutte; possono attaccare la superficie dei materiali per una profondità di diversi mm hanno azione acida e meccanica di accrescimento), muschi (depositi terrosi sulla superficie, indice di umidità elevata), muffe (locali poco areati, alterando l’aspetto estetico delle pareti e creando problemi igienici).

Cristallizzazione Sali

Formazione di cristalli all’interno dei pori, questi si formano dai Sali introdotti nella muratura dall’acqua, contenuti nei materiali da costruzione, formati per reazioni con inquinanti o per attività metaboliche di microorganismi. Si devono raggiungere le condizioni di sovrasaturazione, e la cristallizzazione dei sali può ripetersi ciclicamente nel tempo se variano le condizioni di umidità. Questo non basta a giustificare l’azione distruttiva che è dovuta a una pressione tra il cristallo e la superficie del poro che lo vincola, è necessario che ci sia un velo liquido della soluzione sovrasatura, altrimenti il cristallo viene a contatto diretto con la superficie del poro e interrompe la sua crescita.

Con il termine efflorescenze si intende la migrazione alla superficie della muratura di sali di vario tipo che, trasportati in soluzione dall’acqua, quando questa evapora a contatto con l’aria, cristallizzano, formando sulla faccia del muro macchie di dimensioni variabili, più o meno aderenti. Se l’evaporazione dell’acqua e la conseguente cristallizzazione dei sali si verifica nei pori interni della muratura, si manifesteranno le subflorescenze. L’evaporazione tende ad aumentare la concentrazione di sali in superficie, ma il gradiente di concentrazione rispetto ai pori interni determina il richiamo dei sali verso l’interno, non si hanno formazioni saline vicino al terreno. Un fattore importante da considerare è la solubilità del singolo sale: Carbonati (bassa solubilità, tendono a cristallizzare poco sopra il terreno); Solfati (solubilità intermedia, sono i maggiori responsabili di efflorescenze e subflorescenze); Cloruri (alta solubilità, possono formare soluzioni liquide anche con bassa umidità relativa e possono rimanere in soluzione anche ad altezze elevate, raramente producono efflorescenze/subflorescenze, ma possono mantenere la muratura umida anche in ambienti asciutti, impedendo l’evaporazione).

Degrado da gelo-disgelo

Produce effetti analoghi a quella dei sali, l’alternanza di cicli di gelo-disgelo può quindi produrre una progressiva fessurazione e disgregazione, il fenomeno dovuto al maggior volume specifico del ghiaccio rispetto all’acqua liquida, gli effetti del gelo-disgelo sono maggiori nei pori con dimensione nell’ordine di grandezza del μm, che sono più soggetti all’assorbimento capillare. Quando i mattoni vengono inadeguatamente trattati, l’acqua, che eventualmente si infiltra dietro allo strato protettivo, non potendo evaporare naturalmente, alla prima gelata può provocare lo scartellamento dei mattoni stessi.

Vetri

Materiali amorfi ottenuti per progressivo irrigidimento (aumento della viscosità) di un liquido che non è stato in grado di cristallizzare durante il raffreddamento. Sono termodinamicamente metastabili: si trasformano in cristalline se le condizioni termodinamiche e cinetiche lo permettono. I vetri sono solidi non cristallini.