Riassunto esame di Scienza e tecnologia dei materiali, prof. Pagliolico, libro consigliato Introduzione ai materiali per l'architettura, Gastaldi e Bertolini

Cap 1- Struttura e classificazione

Un qualsiasi aggregato di atomi costituisce la materia, termine con cui si indica tutto ciò che ha massa. La materia può presentarsi in diversi stati a seconda del modo in cui atomi e molecole sono legate. I diversi stati sono determinati dall’equilibrio tra l’energia di coesione, che tende ad avvicinare gli atomi, e l’energia termica, che tende ad allontanarli.

Stati di aggregazione

• Solido: Forma propria e volume in funzione della temperatura
• Liquidi: Assenza di forma propria, volume dipende dalla temperatura
• Gas: Assenza di forma propria e volume che dipende dalla temperatura e dalla pressione

I solidi hanno struttura:

• Cristallina: Quando sono caratterizzati da una struttura ordinata a livello atomico o molecolare
• Amorfo: Struttura disordinata simile a quella dei liquidi
• Semicristallina: In cui è presente una struttura mista

Esistono strutture più complesse come i gel dove vi è la contemporanea presenza di una fase liquida e una solida, questi sono costituiti da una dispersione in un liquido di particelle molto fini, legate in una struttura che intrappola il liquido stesso.

Struttura atomica e molecolare

La struttura atomica o molecolare descrive il modo con cui gli atomi o le molecole che costituiscono il materiale sono legati fra loro. La microstruttura rappresenta la struttura del materiale osservata con l’ausilio di microscopi. La macrostruttura, è la struttura del materiale che si presenta a livello macroscopico, cioè osservabile a occhio nudo.

Struttura a livello macroscopico

A questo livello il materiale viene considerato continuo e omogeneo, e si considerano proprietà medie valide per tutto il suo volume. La scala minima che consente di considerare correttamente il materiale è quella relativa alla dimensione di un elemento rappresentativo corrispondente al più piccolo volume che descrive l’intero sistema. Se le proprietà sono le stesse in tutte le direzioni il materiale è isotropo, viceversa se le proprietà differiscono nelle varie direzioni è anisotropo.

Struttura a livello microscopico

A questo livello si possono individuare le singole fasi o particelle che lo costituiscono. Molti materiali sono caratterizzati da una struttura porosa (legno, laterizi), i pori possono essere considerati una fase (riempita di aria o acqua) che contribuisce a determinare le proprietà macroscopiche del materiale. Visto che i pori sono una fase a resistenza nulla, si osserva una diminuzione della resistenza meccanica all’aumentare della porosità. Se i pori sono pieni di gas e isolati tra loro, conferiscono al materiale caratteristiche di isolamento termico.

Struttura a livello molecolare

Il materiale a livello molecolare viene considerato come aggregato di atomi o di molecole. Fra più atomi o molecole si possono creare legami chimici, questi influenzano sia la struttura che le proprietà del materiale e possono essere:

• Legame covalente: Quando due o più atomi mettono in compartecipazione due o più elettroni di valenza (legame forte)
• Legame ionico: Vi è la cessione di elettroni di valenza da un atomo (metallico) ad un altro (non metallico)
• Legame metallico: Gli atomi si dispongono formando un reticolo cristallino in cui gli ioni metallici si trovano ai nodi del reticolo e gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi
• Legami di tipo elettrostatico: Sono legami deboli, che si creano quando atomi caratterizzati da distribuzione non uniforme delle cariche interagiscono tra loro

Proprietà che dipende immediatamente dal tipo di struttura molecolare sono:

• Densità (massa/volume)
• La stabilità chimica e la temperatura di fusione
• La rigidità, in genere misurata con il modulo elastico, cioè la tendenza del materiale a deformarsi in modo maggiore o minore in seguito ad una applicazione di una forza.
• Proprietà elettriche

Classificazione dei materiali

Esistono quattro grandi classi di materiali:

• Materiali metallici: Sono composti da uno (metallo puro) o più metalli miscelati tra loro (leghe), possono anche contenere elementi non metallici come il carbonio, l’ossigeno e l’azoto. A temperatura ambiente la maggior parte sono allo stato di solido cristallino. Tradizionalmente i metalli si dividono in due classi: metalli e leghe ferrose; metalli e leghe non ferrose (rame e alluminio). I metalli sono in genere dotati di elevata resistenza meccanica e tenacità, sono facilmente deformabili a freddo e a caldo, ottimi conduttori di calore e elettricità.
• Materiali polimerici: (materie plastiche), sono materiali composti da lunghe catene di molecole, macromolecole, a base di atomi di carbonio. Per la maggior parte i polimeri sono amorfi o semicristallini. In genere: sono dotati di bassa resistenza meccanica, flessibili e deformabili, stampabili dopo riscaldamento, isolanti elettrici e termici, dotati di basso peso specifico, soggetti a rammollimento o decomposizione a temperature relativamente basse.
• Materiali ceramici: Sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici, legati chimicamente tra di loro. Possono essere cristallini o amorfi o semicristallini. In genere sono: duri e fragili, dotati di elevata resistenza a compressione, isolanti termici ed elettrici, dotati di elevata resistenza chimica.
• Materiali compositi: Due o più materiali appartenenti alle tre categorie precedenti possono essere combinati per ottenere un materiale composito, con il quale si ottengono proprietà migliori rispetto al singolo materiale. Questi sono in genere formati da un materiale di rinforzo inglobato in un materiale che funge da matrice. Esempi sono le resine epossidiche con fibre di carbonio e il calcestruzzo (pasta cementizia funge da matrice e gli aggregati sono il rinforzo).

Cap 2- Proprietà dei materiali

Le proprietà possono essere:

• Proprietà meccaniche
• Proprietà fisiche
• Proprietà chimiche

Proprietà meccaniche

In genere se la forza applicata ad un materiale è sufficientemente piccola, il corpo si deforma, ma la variazione delle sue dimensioni è solo temporanea e recuperata quando viene rimossa la forza, questo è un comportamento elastico. Aumentando la forza può avvenire una deformazione che non viene recuperata, si parla allora di deformazione plastica o permanente. Infine se viene applicata una forza molto elevata, si può giungere a rottura cioè alla divisione del corpo in due o più parti e alla formazione di nuove superfici.

Le prove meccaniche vengono solitamente eseguite attraverso prove sperimentali effettuate in condizioni standardizzate su provini di geometria semplice soggetti a condizioni di carico prefissate. La prova utilizzata per caratterizzare il comportamento meccanico dei materiali è la prova a trazione, il risultato della prova è una curva che lega la forza applicata all’allungamento, la prova termina quando il provino arriva a rottura.

Le tre deformazioni di un materiale sono:

• Deformazione elastica: Quando il corpo riprende la forma iniziale dopo che viene rimossa la forza, il comportamento elastico di molti materiali è caratterizzato da una proporzionalità tra allungamento e forza -> ∆l = k*F. La deformazione che il materiale subisce in campo elastico non è caratterizzata da un movimento di atomi che compongono un materiale ma solo dalla variazione della loro distanza.

Si può definire:

• Sforzo nominale: Il rapporto tra forza applicata e la sezione iniziale del provino -> σ=F/A₀, l’unità di misura è il Pascal.
• Deformazione nominale: Il rapporto tra l’allungamento e la lunghezza iniziale -> ε=∆l/l₀, il risultato è adimensionale.
• Legge di Hook: Legame lineare tra sforzo e deformazione -> σ=ε*E
• E= Modulo elastico o modulo di Young, dipende dal ciascun materiale non dalle dimensioni del provino

• Deformazione plastica: quando il materiale viene sollecitato con un certo sforzo superiore ad un certo carico detto carico di snervamento, egli subisce una deformazione plastica. Infatti quando il carico viene rimosso solo una parte della sollecitazione viene recuperata (componente elastica), mentre la restante diventa una deformazione. L’attitudine di un materiale ad essere deformato plasticamente viene definita duttilità, questa proprietà dipende in genere anche dalla temperatura, in genere all’aumentare di questa il materiale tende a mostrare maggiori deformazioni plastiche.
• Comportamento a rottura: Raggiunto uno sforzo sufficientemente elevato il materiale si rompe, la rottura è caratterizzata dalla divisione del provino in due o più parti, con la formazione di nuove superfici, dette superfici di frattura. Il carico di rottura è lo sforzo massimo della curva di trazione nominale. La resistenza che un materiale oppone alla frattura viene valutata attraverso la tenacità, che esprime la capacità del materiale di assorbire energia prima di giungere a rottura. Nel caso di sollecitazione di trazione si può distinguere tra materiali a comportamento:

• Duttile: Quando la rottura è preceduta da rilevanti deformazioni plastiche
• Fragile: Quando la rottura avviene senza significative deformazioni plastiche, per cui si passa direttamente dal campo elastico alla rottura.

Comportamenti in presenza di difetti

• In presenza di un difetto (intaglio) un materiale può giungere a rottura con una sollecitazione molto inferiore a quella necessaria per portarlo a rottura in assenza di difetti
• La rottura avviene perché il difetto si accresce: si parla di propagazione del difetto. Un difetto può propagarsi o rimanere stabile: le condizioni critiche sono quelle in corrispondenza delle quali il difetto può propagarsi
• Le condizioni critiche portano alla rottura catastrofica, cioè la cricca si propaga a una velocità elevatissima, prossima a quella del suono: si ha una rottura di schianto

Proprietà fisiche

Descrivono il comportamento di un materiale sottoposto a sollecitazioni di tipo fisico come: l’azione della temperatura, dei campi elettrici o magnetici, delle onde acustiche o della luce. Possono essere suddivise in:

Proprietà termiche

Quando un materiale è esposto ad una variazione termica assorbe o cede energia (calore), varia di dimensioni e in esso avviene un trasporto di energia tra le parti a diversa temperatura. Il flusso di calore si trasferisce dalle zone a temperatura maggiore a quelle a temperatura minore. Le principali proprietà termiche sono:

• Capacità termica: È la quantità di energia assorbita o ceduta da una certa massa di materiale per variare la sua temperatura di 1°C.
• Calore specifico: È la quantità di energia che è necessario trasferire ad un’unità di massa di un materiale per variare la sua temperatura di 1 °C, a pressione costante viene espressa in J/kg*°C.
• Conducibilità termica: Attitudine di un materiale a condurre calore quando è presente una differenza di temperatura. Quando il suo valore diminuisce si avrà un minor flusso di calore e quindi una maggiore resistenza al trasporto di calore.
• Trasmittanza termica (U): Misura il flusso di calore che attraversa una superficie di un metro quadro a causa di una differenza di temperatura di un grado tra l’interno e l’esterno -> U=q/∆T. La trasmittanza si assume come l’inverso della sommatoria delle resistenze termiche dei diversi strati del materiale.
• Dilatazione termica: È provocata dall’oscillazione degli atomi prodotta dall’aumento della temperatura, che causa un aumento della distanza tra di loro.
• Shock termico: Se la variazione dimensionale non è uniforme nel materiale, ad esempio quando un materiale è raffreddato rapidamente si instaura un gradiente di temperatura che porta ad avere differenti variazioni dimensionali in diverse zone. Pertanto un materiale presenta una maggiore resistenza allo shock termico maggiore è la sua conducibilità e resistenza a trazione e minore è la sua rigidezza e dilatazione termica.

Proprietà elettriche

Descrivono come un materiale risponde all’applicazione di un campo elettrico. I materiali sono divisi in conduttori, semiconduttori e isolanti a seconda della loro capacità di condurre una corrente elettrica. In genere la circolazione di una corrente elettrica è causata dal moto di elettroni liberi prodotto dall’applicazione di una differenza di potenziale. Una differenza di potenziale ∆V, applicata a un materiale causa un flusso di corrente inversamente proporzionale alla resistenza elettrica che il materiale oppone al passaggio della carica (legge di Ohm). L’unità di misura della corrente I è l’ampere, della differenza di potenziale è il volt, della resistenza è l’ohm.

Proprietà ottiche

Sono legate all’interazione dei materiali con la luce visibile. Questa è una radiazione elettromagnetica con lunghezza d’onda compresa tra 0,4 e 0,7 micron. Quando la luce incide sulla superficie di un materiale, la radiazione può essere trasmessa attraverso il materiale, assorbita o riflessa. I materiali trasparenti sono in grado di trasmettere la luce, con una riflessione e un assorbimento relativamente piccoli; viceversa i materiali opachi non consentono la trasmissione della luce visibile, la radiazione viene in parte riflessa e in parte assorbita.

Proprietà acustiche

Definiscono come un materiale genera, assorbe o riflette e fa propagare un suono. Per propagare un suono è necessario avere una sorgente che vibra e un mezzo che trasporti la vibrazione. La trasmissione dell’onda acustica nel mezzo dipenderà dalle sue proprietà elastiche. Il numero di oscillazioni che si produce al secondo rappresenta la frequenza dell’onda sonora e viene misurato in hertz (Hz). Un materiale che tende ad attenuare la riflessione del suono è definito un materiale fonoassorbente, un materiale che riduce la trasmissione del suono è un fonoisolante. Si definisce coefficiente di assorbimento acustico (a) come la frazione dell’intensità sonora che non viene riflessa.

Proprietà chimiche - azioni dell'ambiente

Un materiale può degradarsi nel tempo ad opera delle azioni chimico-fisiche prodotte dall’ambiente con cui si trova a contatto. Il sole, il vento e l’acqua producono sui materiali una serie di azioni che tendono a degradarli nel tempo. I moti vorticosi o turbolenti dovuti al vento o all’acqua tendono ad erodere e abraderer la superficie dei materiali. La presenza dell’acqua è una delle condizioni necessarie perché avvengano moltissime delle forme di degrado, in assenza di questo elemento la maggior parte delle cause di degrado delle malte e dei cls non sussistono. Non va dimenticata anche l’azione della temperatura, che provoca la variazione dimensionale del materiale. L’ambiente inoltre può contenere sostanze chimiche che reagendo con i componenti che costituiscono il materiale lo degradano, ad esempio le variazioni di pH possono risultare dannose.

Costi

Il costo di un materiale è funzione del costo delle materie prime, della produzione, della lavorabilità e dell’eventuale manutenzione necessarie e della dismissione. Per effettuare una corretta scelta dei materiali in base ai costi occorrerebbe realizzare un’analisi del costo durante il ciclo di vita, partendo dal costo iniziale fino alla dismissione, così si potrebbe optare per una scelta economicamente meno vantaggiosa all’inizio ma a lungo termine più proficua.

Impatto ambientale dei materiali

Un materiale quando viene dismesso, può seguire diversi percorsi:

• Riusato: Quando è possibile riutilizzare il prodotto com’è, attuando operazioni semplici, senza distruggerlo
• Riciclo: Il rifiuto subisce una trasformazione, viene quindi reinserito nel ciclo di produzione ove è utilizzato come materia prima o materiale d’apporto per riottenere un certo prodotto
• Trasformato: Quando non è possibile o economicamente non conviene riusarlo o riciclarlo, si può così ottenere energia da esso (bruciandolo) o creare nuovi materiali
• Smaltirlo: Quando tutto il precedente non è possibile, il materiale viene immesso in discarica.

Cap 3- Calcestruzzi e malte

Per confezionare un calcestruzzo, o una malta, si miscelano un legante, acqua e aggregati. Oltre a questi costituenti di base, possono essere utilizzati anche additivi o aggiunte minerali. Le proporzioni secondo cui sono combinati i diversi costituenti sono scelte in funzione delle caratteristiche allo stato fresco e allo stato indurito richiesto.

Definizioni

• Pasta (boiacca): Impasto del legante con sola acqua
• Malta: Legante, acqua e sabbia (diametro massimo < 5 mm)
• Betoncino: Legante, acqua e aggregato (diametro massimo < 10 mm)
• Calcestruzzo: Legante, acqua, sabbia e aggregato grosso - pietrisco o ghiaia – (diametro massimo > 10 mm).
• Stagionatura o maturazione: Lasso di tempo variabile, in relazione al tipo di legante, nel quale gli impasti perdono plasticità e induriscono, trasformandosi in masse lapidee più o meno resistenti.
• Presa: Fase iniziale della stagionatura durante la quale l’impasto perde plasticità e non è più lavorabile. Può variare da qualche minuto a qualche giorno a seconda del tipo di legante (tempo di presa).
• Indurimento: Fase successiva alla presa nella quale l’impasto sviluppa resistenze meccaniche. Può variare da qualche giorno ad alcuni anni a seconda del tipo di legante.

Materiali leganti

I leganti sono costituiti da polveri fini, ottenute per miscelazione e cottura di rocce.