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Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

MARTENSITE

Se un acciaio al carbonio con struttura austenitica viene raffreddato rapidamente a temperatura

ambiente, la sua struttura cambierà da austenitica a martensitica.

La martensite, negli acciai al carbonio, è una fase metastabile composta da una soluzione solida

interstiziale sovrassatura di carbonio nel ferro tetragonale a corpo centrato (TCC). La tetragonali del

ferro è causata da una leggera distorsione della cella CCC per la presenza del carbonio.

La temperatura alla quale inizia la trasformazione martensitica durante il raffreddamento è detta

martensite start (Ms), mentre la temperatura alla quale finisce viene detta martensite finish (Mf).

MICROSTRUTTURA DELLA MARTENSITE

La microstruttura della martensite negli acciai al carbonio dipende principalmente dalla percentuale

di carbonio presente nell’acciaio.

- Se l’acciaio contiene una percentuale di carbonio inferiore allo 0,6%, la martensite ha una

microstruttura di tipo aciculare, ed è costituita da domini di aghetti;

- Se l’acciaio confine una percentuale di carbonio superiore all’1%, la mertensite ha una

microstruttura di tipo a placchette;

- Se l’acciao contiene una percentuale di carbonio compresa tra lo 0,6% e l’1%, la martensite ha

una microstruttura mista, formata sia da martensite aciculare che da martensite a placchette.

DUREZZA E RESISTENZA DELLA MARTENSITE

La durezza e la resistenza meccanica della martensite dipendono dal contenuto di carbonio ed,

infatti, aumentano con esso. tuttavia, all’aumentare del tenore di carbonio si ha anche una

diminuzione della duttilità e della tenacità e perciò si ricorre al processo di rinvenimento per la

maggior parte degli acciai al carbonio.

MARTENSITE RINVENUTA

Il rinvenimento è un processo di riscaldamento di un acciaio martensitico, realizzato in genere, dopo

un trattamento di tempra, ad una temperatura inferiore alla temperatura eutettoidica e che ha come

obiettivo quello di rendere un acciaio meno duro e resistente, ma in compenso più duttile e tenace.

La microstruttura della martensite rinvenuta consiste di particelle di cementite estremamente piccole

e uniformemente disperse all’interno di una matrice continua di ferrite.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

MATERIALI CERAMICI

I materiali ceramici sono materiali inorganici non metallici, costituiti da elementi metallici e non

metallici legati fra loro, prevalentemente da legami ionici e/o covalenti. In generale, i materiali

ceramici sono duri e fragili, con bassa tenacità e duttilità, e sono anche buoni isolanti termici ed

elettrici, per l’assenza di elettroni di conduzione.

I materiali ceramici possono essere divisi in due gruppi:

- MATERIALI CERAMICI TRADIZIONALI, costituiti in genere da tre componenti, quali l’argilla, la

silice e il feldspato, ed utilizzati nell’industria edile (mattoni, tegole, laterizi, ecc…) e nell’industria

elettrica (porcellane, ecc…);

- MATERIALI CERAMICI AVANZATI, formati da composti puri o quasi puri, quali l’ossido di alluminio

(Al O , il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di silicio (Si N ), ed utilizzati nell’industria meccanica ed

2 3) 3 4

in quella elettronica.

STRUTTURE DEI SILICATI

I silicati sono delle strutture formate da atomi di silicio e di ossigeno legati assieme in modi differenti

e sono alla base di molti dei tanti materiali ceramici tradizionali esistenti.

44-

L’elemento di base dei silicati è il tetraedro SiO . Il legame Si-O è per il 50% covalente e per l’altro

50% ionico, infatti la struttura tetraedrica soddisfa le esigenze di direzionalità del legame covalente e

del rapporto tra raggi ionici richiesto dal legame ionico.

Poiché ogni ossigeno del tetraedro dei silicati ha un elettrone disponibile per legarsi, possono essere

prodotti diversi tipi di strutture di silicato:

- SILICATI A ISOLA, si formano quando ioni positivi si legano con ioni di ossigeno del tetraedro;

- SILICATI A CATENA, si formano se due angoli di ogni tetraedro sono legati con gli angoli di altri

tetraedri per formare, appunto, una struttura a catena;

- SILICATI A STRATI, si formano quando tre angoli complanari di ogni tetraedro sono legati agli

angoli di altri tre tetraedri;

RETICOLI DI SILICATI 44-

Quando tutti e quattro gli angoli del tetraedro SiO condividono atomi di ossigeno, si produce un

reticolo SiO chiamato silice. La silice cristalline esiste in diverse forme polimorfe che corrispondono

2

a diversi modi nei quali i tetraedri di silice sono disposti: quarzo, tridimite e cristobalite.

Altri tipi di silicati reticolati molto importanti per l’industria sono i feldspati, nonché uno dei maggiori

3+

componenti delle ceramiche tradizionali. Nella struttura dei feldspati alcuni ioni Al sostituiscono

4+

alcuni ioni Si , formando un reticolo con carica negativa che può essere bilanciato solo da ioni

alcalini o alcalino terrosi se sistemati in posizioni interstiziali.

MATERIALI CERAMICI TRADIZIONALI

I materiali ceramici tradizionali possono essere classificate in base al loro tipo.

- TERRECOTTE E LATERIZI: sono materiali ottenuti dalla cottura, a temperature comprese tra

900°C e 1000°C, di argille comuni ricche di ossido di ferro e sono caratterizzati dalla loro porosità

e dal loro colore rossiccio;

- TERRAGLIE: sono materiali caratterizzati da un corpo poroso e di colore biancastro. Possono

essere suddivisi a loro volta in:

TERRAGLIE TENERE, con composizione calcarea e cottura tra i 950°C e i 1050°C;

• TERRAGLIE FORTI, con composizione feldspatica e cottura tra i 1250°C e 1280°C;

- FAENZE: sono terrecotte, cotte tra i 920°C e 980°C, le cui argille hanno un accurato trattamento

di raffinazione. Se la loro superficie è ricoperta da uno smalto bianco o decorato il prodotto viene

denominati maiolica;

- GRÈS: sono materiali contraddistinti dal colore bianco, grigiastro o marrone, a bassissima

porosità, accomunati dall’insorgenza di una fase vetrosa, dotata di alta viscosità, durante la

cottura tra i 1200°C e i 1280°C;

- PORCELLANE: sono materiali cotti tra 1250°C e 1400°C che si distinguono dagli altri per la loro

particolare bianchezza e lucidità.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

MATERIALI CERAMICI REFRATTARI

La maggior parte dei materiali ceramici hanno bassa conducibilità termica a causa del loro legame

iono-covalente e sono buoni isolanti termici. Grazie a questa loro peculiarità, i materiali ceramici che

sono in grado di resistere alle sollecitazioni termomeccaniche fino alla temperatura di circa 1500°C

vengono denominati refrattari.

MATERIE PRIME PER LA PRODUZIONE DI MATERIALI CERAMICI

Le materie prime per la produzione dei materiali ceramici ordinari si dividono in argillose e non

argillose. Alla prima categoria appartiene l’argilla, mentre ala seconda categoria appartengono le

sabbie siliciche, i feldspati e tutte quelle materie complementari delle argille.

ARGILLE

L’argilla è una roccia sedimentaria che deriva dalla disgregazione di rocce prevalentemente silicee

ed è costituita da granuli con diametro inferiore a 2 μm. Le argille utilizzate per la produzione di

materiali ceramici sono generalmente mescolanze di vari minerali argillosi che sotto l’aspetto

chimico possono essere definiti come silicati idrati di alluminio.

Le argille possiedono principalmente tre proprietà fondamentali:

- PLASTICITÀ, nonché l’attitudine, da parte di un’argilla, a lasciarsi modellare e deformare dopo

essere stata impastata con una quantità di acqua ottimale;

- ELASTICTÀ, nonché la capacità di un’argilla di vincere una certa resistenza prima che abbia luogo

la deformazione. Un’argilla molto elastica viene detta grassa (montmoriloniti), mentre un’argilla

poco elastica viene detta magra (caolini);

- RITIRO, nonché la contrazione di volume che un’argilla subisce per effetto dell’essiccazione .

MATERIE COMPLEMENTARI DELLE ARGILLE

Le materie complementari alle argille sono quelle che conferiscono particolari requisiti agli impasti e

possono essere suddivisi in:

- MATERIE PRIME SGRASSANTI, che oltre a dimagrire gli impasti, contribuiscono a formare nel

corpo ceramico uno scheletro rigido che riduce la tendenza alla deformazione e al ritiro (quarzo);

- MATERIE PRIME FONDENTI, che, in cottura, favoriscono la formazione di fasi vetrose,

abbassando la temperatura di fusione dell’argilla con cui vengono impastate (feldspati e calcare);

- MATERIE PER I RIVESTIMENTI VETROSI, che conferiscono al prodotto una superficie vetrosa che

differisce dal vetro comune per una più alta temperatura di fusione e per una più elevata viscosità.

TECNICHE DI FABBRICAZIONE DEI MATERIALI CERAMICI

I prodotti ceramici vengono realizzati compattando polveri o particelle in forme che vengono poi

scaldate a temperatura sufficientemente elevata da legare insieme le particelle. Il procedimento di

lavorazione dei materiali ceramici mediante agglomerazione delle particelle consta di tre

procedimenti fondamentali: preparazione del materiale, formatura e trattamento termico con

essiccamento e cottura.

PREPARAZIONE DEL MATERIALE

Durante la preparazione del materiale, la scelta della materia prima deve essere fatta accuratamente

e tenendo conto che:

- le argille devono avere buona plasticità;

- Le argille per prodotti più fini devono cuocere relativamente bianche e devono quindi avere un

basso contenuto di ossido di ferro o altre impurezze coloranti;

- È accettabile che le argille per mattoni e laterizi contengano impurezze purché abbiano una

diffusione uniforme.

Le materie prime nella fase iniziale vengono sottoposte a frantumazione e macinazione, in modo da

ridurre la dimensione delle particelle non argillose, alla quale segue una setacciatura che definisce

una composizione granulometrica uniforme.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

FORMATURA

I prodotti ceramici realizzati con particelle agglomerate possono essere formati con vari metodi, sia

a secco che idroplastica. Nell’industria ceramica sono predominanti i processi di formatura a freddo,

ma per produrre oggetti a base di argilla vengono usati i processi a caldo. L’estrusione, il colaggio e

la pressatura sono le tre tecniche più comunemente usate nella formatura della ceramica.

ESTRUSIONE

L’estrusione è la più comune tecnica di formatura idroplastica che consiste nel produrre materiali

ceramici con forme cave. Questa, si esegue forzando, tramite una matrice di formatura, la massa

argillosa allo stato plastico, in modo tale da conferirgli la forma desiderata. Questo metodo viene per

lo più usato per la produzione di mattoni refrattari, tubazioni fognarie, laterizi forati, ecc…

COLAGGIO

Il colaggio, o colata semiliquida, è una tecnica di formatura che prevede in primis la preparazione di

una sospensione in acqua di polvere ceramica (barbottina). Tale sospensione, di seguito, deve

essere colata in uno stampo poroso, che possiede la forma dell’oggetto desiderato, il quale riesce

ad assorbire l’acqua e a far depositare uno strato solido. infine, dopo aver essiccato il pezzo ed

averlo estratto dallo stampo deve essere cotto per fargli assumere le proprietà richieste.

PRESSATURA

La pressatura è un altro metodo di formatura dei materiali ceramici comunemente usato. Questa

tecnica consiste nel compattare a pressione una polvere ceramica contenente una piccola quantità

d’acqua o di adatto legante dentro la forma desiderata.

TRATTAMENTI TERMICI

Un oggetto ceramico formato per via idroplastica o per colata semiliquida possiede un’elevata

porosità ed una resistenza troppo bassa per la maggior parte delle applicazioni, entrambe scaturite

anche dal quantitativo d’acqua aggiunto per eseguire le operazioni di formatura. Per questo motivo

si ricorre ad alcuni trattamenti termici quali l’essiccamento e la cottura.

ESSICAMENTO

L’essiccamento è un processo utilizzato per rimuovere il residuo di acqua contenuto da un oggetto

ceramico che viene eseguito sotto i 100°C e può durare anche fino a 24h in base alle dimensioni del

pezzo di materiale. Durante questo processo la rimozione d’acqua è accompagnata da un

avvicinamento delle particelle, quindi da una diminuzione di volume o ritiro;

COTTURA

La cottura è un processo, successivo a quello di essicamento, il cui obiettivo è quello di migliorare la

densità e la resistenza meccanica di un oggetto ceramico. Questo processo viene eseguito ad una

temperatura che dipende dalla composizione e dalle proprietà desiderate e che varia dai 900°C ai

1400°C. Spesso durante la cottura si produce la vetrificazione, cioè la formazione graduale di un

fuso che scorre, riempire i pori e che al raffreddamento vetrifica. Il grado di vetrificazione regola le

proprietà dei ceramici (resistenza, durabilità e densità) ed aumenta in funzione della temperatura: i

mattoni da costruzione ad esempio vengono, in genere, cotti a 900°C e sono relativamente porosi,

mentre le porcellane che hanno un’elevata vetrificazione e traslucidità, si ottengono a temperature

intorno ai 1450°C. Normalmente, si evita una vetrificazione completa di materiali ceramici poiché

rendono il manufatto troppo fragile.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

VETRI

Un vetro è un materiale ceramico, in quanto prodotto da materiali inorganici ad elevate temperature.

Tuttavia, si distingue dagli altri materiali ceramici in quanto i suoi componenti vengono portati a

fusione e successivamente raffreddati ad uno stato solido senza cristallizzazione. Una caratteristica

del vetro, infatti, è quella di appartenere alla classe dei solidi amorfi, ovvero, quella di non possedere

una struttura cristallina.

TEMPERATURA DI TRANSIZIONE VETROSA

Il comportamento di un vetro durante la solidificazione è diverso da quello di un solido cristallino:

infatti, un liquido che solidificando forma un solido cristallino, cristallizzerà normalmente al suo

punto di fusione con una diminuzione significativa del volume specifico. Al contrario, un liquido che

raffreddandosi forma un vetro non cristallizza, ma al diminuire della sua temperatura diventa più

viscoso e si trasforma da uno stato gommoso ad uno stato solido-vetroso fragile. Questo avviene in

un’intervallo di temperatura ridotto nel quale la pendenza della curva del volume specifico (nel

grafico) si riduce notevolmente e l’intersezione delle due tangenti a questa curva definisce un punto

di trasformazione, detto temperatura di transizione vetrosa (T ).

g

PROPRIETÀ E STRUTTURA DEI VETRI

I vetri hanno particolari proprietà come la trasparenza, la durezza a temperatura ambiente e un

eccellente resistenza in molti ambienti, che li rendono indispensabili per molte applicazioni, come le

vetrate degli edifici o dei veicoli.

La maggior parte dei vetri inorganici si basa su un reticolo di tetraedri di silice (SiO ) legati

2

ionicamente e covalentemente; aggiunte di altri ossidi modificano il reticolo della silice e di

conseguenza la lavorabilità e le proprietà dei vetri.

OSSIDI CHE FORMANO VETRI

L’ossido di silicio (SiO ) ha la caratteristica di formare strutture vetrose e l’unita base nei vetri a base

2 44- 4+

di silice è il tetraedro SiO , nel quale un atomo di silicio (SiO ) è legato a quattro atomi di

ossigeno, tramite legame iono-covalente. Si può notare come nella silice cristallina, detta

cristobalite, i tetraedri sono uniti angolo ad angolo formando una disposizione ordinata mentre, in un

vetro di silice i tetraedri sono sempre uniti angolo ad angolo ma formano un reticolo disordinato.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

OSSIDI CHE MODIFICANO I VETRI

Gli ossidi che rompono il reticolo vetroso sono detti modificatori di reticolo e sono quegli ossidi

alcalini (Na O, K O…) e alcalino-terrosi (CaO, MgO…) che vengono aggiunti ai vetri di silice per

2 2

diminuirne la viscosità, in modo che possano essere lavorati e formati più facilmente.

Gli atomi di ossigeno di questi ossidi entrano nel reticolo della silice nei punti di unione dei tetraedri

e lo rompono, generando atomi di ossigeno con elettroni non condivisi.

OSSIDI INTERMEDIARI

Gli ossidi intermediari sono quegli ossidi che non sono in grado di formare un reticolo vetroso ma

possono unirsi ad uno già esistente. Talvolta, essi sono aggiunti al vetro di silice per ottenere

particolari proprietà: per esempio, l’ossido di alluminio, Al O , può entrare nel reticolo della silice

2 3

4- 4-

sotto forma di tetraedri di AlO e sostituire alcuni dei gruppi SiO ; ne derivano vetri alluminosilicati

che sono in grado di sopportare temperature superiori rispetto ai vetri comuni.

TECNICHE DI FORMATURA DEI VETRI

Per fabbricare i manufatti in vetro si adoperano, generalmente, quattro differenti metodi:

- PRESSATURA: usata nella fabbricazione di pezzi spessi come piatti e dischi, consiste nel formare

pezzi di vetro per compressione in uno stampo di ghisa avente la forma desiderata;

- SOFFIATURA: usata per lo più per la fabbricazione di oggetti d’arte, a livello manuale, ed oggetti

comuni, a livello industriale, consiste in un processo che prevede l’utilizzo dell’aria per far aderire

il vetro fuso alla superficie della forma desiderata;

- TRAFILATURA: usata per fabbricare manufatti di vetro lunghi (lastre, bacchette e tubi), può

avvenire in due diversi modi:

LAMINAZIONE, che prevede il passaggio del vetro fuso attraverso cilindri paralleli raffreddati

• con acqua e distanziati tra loro dello spessore previsto per la lastra;

GALLEGGIAMENTO, dove un nastro continuo di vetro esce dal forno di fusione ed è fatto

• galleggiare su un bagno di stagno fuso ad una temperatura inferiore;

- FILATURA: usata per la fabbricazione di fibre di vetro, consiste nel trafilare il vetro fuso attraverso

una serie di piccoli orifizi in una camera di deposito che controlla la viscosità del vetro.

VETRO TEMPRATO

Il vetro temprato è un tipo di vetro rinforzato mediante un rapido raffreddamento in aria della sua

superficie dopo che è stato scaldato quasi fino al suo punto di fusione. Durante il processo di

tempra, la superficie del vetro si raffredda prima e si contrae rispetto al suo interno. Quando l’interno

si raffredda le superfici sono già rigide e quindi si creano sforzi di trazione residui all’interno del vetro

e sforzi di compressione sulle superfici. Questo trattamento di conseguenza aumenta la resistenza

del vetro poiché per arrivare alla rottura del vetro temprato è necessario applicare degli sforzi in

grado di superare gli sforzi di compressione residui sulle sue superfici. Il vetro temprato è molto

utilizzato in quanto utile per i finestrini dei veicoli o per qualsiasi vetro di sicurezza.

VETRO RINFORZATO CHIMICAMENTE

La resistenza del vetro può essere aumentata anche con trattamenti chimici. Per esempio, se un

vetro sodico alluminosilicato viene immerso in un bagno di nitrato di potassio a temperatura di circa

500°C per 6-10 ore, i piccoli ioni sodio vicino alla superficie del vetro vengono sostituiti dagli ioni

potassio più grandi. L’introduzione dei grossi ioni di potassio nella superficie del vetro produce sforzi

di compressione sulla superficie e corrispondenti sforzi di trazione nella zona centrale.

Questo processo detto tempra chimica può essere utilizzato in presenza sezioni trasversali più sottili

di quanto sia possibile con la tempra termica poiché lo strato di compressione è molto più sottile.

Il vetro rinforzato chimicamente viene utilizzato per le vetrate di aerei supersonici e lenti oftalmiche.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

MONOMERI E POLIMERI

Si definisce monomero una molecola piccola semplice in grado di combinarsi con altre molecole

uguali o complementari ad essa.

Si definisce polimero, invece, una macromolecola ottenuta dall’unione di più monomeri a catena.

MATERIALI POLIMERICI

Un materiale polimerico può essere considerato un materiale che contiene numerose parti o unità

legate chimicamente tra loro. Le due categorie più importanti di materiali polimerici, a livello

industriale, sono: le materie plastiche e gli elastomeri.

Le materie plastiche sono un ampio e variato gruppo di materiali sintetici che vengono trasformati

attraverso formatura o stampaggio in forme e si possono a loro volta classificabili in: materiali

termoplastici e materiali termoindurenti. Gli elastomeri o gomme possono essere deformati

elasticamente in misura notevole quando viene applicata loro una deformazione e tendono a

ritornare alla loro forma originale quando la forza viene rilasciata.

MATERIALI POLIMERICI TERMOPLASTICI

I materiali termoplastici sono quel tipo di materie plastiche che richiedono l’intervento del calore per

essere plasmate e dopo il raffreddamento mantengono la forma in cui sono state modellate.

Questi materiali possono essere nuovamente riscaldati e rimodellati in nuove forme per un certo

numero di volte, senza subire cambiamenti significativi, e sono quindi riciclabili.

La maggior parte dei termoplastici consiste di catene principali molto lunghe, formate da atomi di

carbonio legati tra loro covalentemente. Inoltre, queste lunghe catene possono essere legate le une

alle altre attraverso dei legami secondari.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

REAZIONI DI POLIMERIZZAZIONE

La maggior parte dei termoplastici viene sintetizzata mediante un processo di polimerizzazione per

crescita a catena, detto anche polimerizzazione per addizione. In questo processo molte molecole

piccole (monomeri) vengono legate insieme, tramite legami covalenti, in modo da formare delle

catene molecolari molto lunghe.

Il monomero più semplice è il gas etilene, la cui molecola CH = CH quando viene attivata diventa

2 2

CH - CH poiché il doppio legame viene aperto e sostituito da un singolo legame.

2 2

La reazione generale che si verifica per la polimerizzazione a catena del monomero etilene porta alla

formazione del polietilene e può essere scritta come:

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

POLIMERI VINILICI

Sostituendo uno o più atomi di idrogeno dell’etilene con altri tipi di atomi o gruppi di atomi, si

possono sintetizzare molti materiali polimerici utili per addizione. Se viene sostituito un solo atomo

di idrogeno del monomero etilene con un altro atomo o gruppi di atomi, il polimero che si ottiene è

chiamato polimero vinilico. La reazione generale di polimerizzazione dei polimeri vinilici è:

POLIMERI VINIDELICI

Se entrambi gli atomi di idrogeno di uno degli atomi di carbonio del monomero etilene sono sostituiti

da altri atomi o gruppi di atomi, il polimero che risulta dalla reazione di polimerizzazione viene detto

polimero vinidelico. La reazione generale per la polimerizzazione di polimeri vinidelici è:

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

OMOPOLIMERI E COPOLIMERI

Gli omopolimeri sono materiali polimerici costituiti da catene polimeriche formate da singole unita

ripetitive. I copolimeri, invece, consistono di catene polimeriche costituite da due o più unità

ripetitive chimicamente differenti, disposte in sequenze diverse. Nonostante la maggior parte dei

copolimeri siano combinati a caso, è possibile individuarne quattro tipi diversi:

- COPOLIMERI CASUALI: formati da monomeri differenti inseriti a caso nelle catene polimeriche

AABABBBBAABABAAB…

- COPOLIMERI ALTERNATI: formati da monomeri differenti inseriti in modo ordinato nelle catene;

ABABABABABABABAB…

- COPOLIMERI A BLOCCHI: formati da monomeri differenti disposti in sequenza nelle catene;

AAAAA - BBBBB -

- COPOLIMERI A INNESTO: formati da appendici di un monomero inserite nella catena dell’altro;

AAAAAAAAAAAAAAAAAA

B B

B B

B B

POLIMERIZZAZIONE A STADI

Nella polimerizzazione a stadi, talvolta chiamata anche polimerizzazione per condensazione, i

monomeri reagiscono tra di loro in modo da formare polimeri lineari, ottenendo anche una piccola

molecola come prodotto secondario. Un esempio di reazione polimerica a stadi è la reazione della

esametilene diammina con a acido atipico per dare nylon 6,6 e acqua come sottoprodotto.

POLIMERIZZAZIONE PER RETICOLAZIONE

In altre reazioni, dette di polimerizzazioni per reticolazione, si può ottenere un materiale plastico

tridimensionale reticolato. Questo tipo di polimerizzazione è quella che avviene nella produzione di

materie plastiche termoindurenti come le resine fenoliche.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

CRISTALLINITÀ NEI TERMOPLASTICI

Quando un termoplastico passa dallo stato liquido a quello solido si trasforma in un solido che può

essere non cristallino o parzialmente cristallino.

SOLIDIFICAZIONE DI TERMOPLASTICI NON CRISTALLINI

Quando un termoplastico non cristallino passa allo stato solido, man mano che la temperatura si

abbassa non si verifica una diminuzione del volume specifico. Sottoposto a solidificazione, il liquido

si trasforma in un liquido sovraraffreddato che si trova allo stato solido e mostra una graduale

diminuzione del volume specifico in funzione della temperatura.

SOLIDIFICAZIONE DI TERMOPLASTICI PARZIALMENTE CRISTALLINI

Quando un termoplastico parzialmente cristallino solidifica e si raffredda si ha un’improvvisa

diminuzione del volume specifico, determinata da un più efficiente impacchettamento delle catene

polimeriche in regioni cristalline. La struttura di un termoplastico risulta così essere quella di un

solido viscoso, ovvero quella di regioni cristalline in una matrice liquida sovraraffreddata e non

cristallina.

GRADO DI CRISTALLINITÀ

Il grado di cristallinità nei materiali polimerici lineari parzialmente cristallini varia all’incirca dal 5% al

95% del loro volume totale. Anche con materiali polimerici altamente cristallizzatili non si può

ottenere una completa cristallizzazione a causa delle sovrapposizioni tra le molecole. La quantità di

materia cristallina all’interno di un termoplastico influenza la sua resistenza a trazione infatti

all’aumento del grado di cristallinità aumenta anche la resistenza del materiale.

PROPRIETÀ DEI TERMPOLASTICI

Uno dei maggiori vantaggi di molte materie plastiche per le applicazioni è il loro basso peso

volumico che si aggira intorno ad 1. La resistenza a trazione ed il modulo elastico delle materie

plastiche sono anch’essi relativamente bassi e di conseguenza possono rappresentare uno

svantaggio per un tipo di applicazione costruttiva o strutturale.

Uno dei loro vantaggi è quello di avere temperatura d’uso alte e comprese tra i 50°C e i 150°C

anche se alcuni termoplastici possono raggiungere anche i 300°C senza decomporsi (ad esempio il

politetrafluoroetilene PTFE).

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

MATERIALI POLIMERICI TERMOINDURENTI

I materiali polimerici termoindurenti hanno una struttura molecolare reticolata formata da legami

covalenti primari. Questa reticolazione per alcuni è data dalla combinazione tra calore e pressione,

per altri è generata attraverso una reazione chimica che avviene a temperatura ambiente.

Benché i manufatti in resina termoindurente possono ammorbidirsi per effetto del calore, i legami

covalenti del reticolo impediscono loro di ritornare al loro stato fluido iniziale e di conseguenza non

hanno il vantaggio di poter essere fusi e riciclati.

In generale, i vantaggi delle materie plastiche termoindurenti sono dovuti alla loro struttura reticolata

che impartisce loro:

- Elevata stabilità termica;

- Elevata rigidità;

- Elevata stabilità dimensionale;

- Resistenza al crepe ed alla deformazione sotto carico;

- Basso peso volumico;

- Elevate proprietà di isolamento elettrico e termico.

ELASTOMERI

Gli elastomeri, o gomme, sono materiali polimerici le cui dimensioni possono variare enormemente

sotto sforzo, e poi ritornare ai valori originali quando lo sforzo di deformazione viene rimosso.

Questo tipo di materiali rappresenta una larga sottodivisione dei materiali polimerici e sono molto

importanti dal punto di vista ingegneristico poiché trovano molte applicazioni grazie alle loro

proprietà.

DEFORMAZIONE DEI MATERIALI POLIMERICI

I materiali polimerici sottoposti a carico costante vanno incontro a fenomeni di scorrimento viscoso

(creep): quindi la loro deformazione sotto un carico costante applicato a temperatura costante

continua ad aumentare nel tempo. Inoltre, la temperatura alla quale si verifica il creep è un fattore

importante per determinare la velocità dello stesso creep.

La deformazione dei materiali termoplastici può essere principalmente elastica, plastica

(permanente) o una combinazione di entrambi. Al di sotto della loro temperatura di transizione

vetrosa, i termoplastici si deformano in modo elastico; al di sopra della loro temperatura di

transizione vetrosa, invece, si deformano per lo più in modo plastico; perciò i termoplastici vanno

incontro ad una transizione duttile-fragile quando vengono riscaldati oltre la loro temperatura di

transizione vetrosa assumendo un comportamento viscoelastico.

I termoindurenti, invece, a causa del reticolo di legami covalenti presentano deformazioni per lo più

elastiche e limitate che molto spesso portano a rottura fragile.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

INTRODUZIONE ALLA TECNOLOGIA DEL CALCESTRUZZO

Le malte ed i calcestruzzi rappresentano i materiali da costruzione più importanti nel mondo ed

entrambi vengono prodotti miscelando e processando degli ingredienti principali:

- ACQUA;

- CEMENTO;

- INERTI (detti anche elementi lapidei o aggregati).

Il materiale risultante prende il nome di malta se la dimensione massima dell’aggregato non supera i

5 mm, mentre viene detto calcestruzzo quel conglomerato cementizio con aggregato di dimensioni

superiore agli stessi 5 mm. Pertanto, il calcestruzzo può anche essere considerato come una malta

(acqua + cemento + sabbia) alla quale viene aggiunto un certo quantitativo di aggregato grosso

come la ghiaia o il pietrisco.

La malta è destinata per lo più ad opere di finitura (intonaci) o, nel caso di molte da allettamento, per

la costruzione di opere murarie con giunzione di pietre, mattoni, ecc…

Il calcestruzzo, invece, è utilizzato maggiormente per opere strutturali (travi, pilastri, ecc..) nelle quali

viene rinforzato con armature d’acciaio, in modo da possedere una resistenza meccanica, e grazie

alle quali viene denominato calcestruzzo armato.

In alcune applicazioni le armature vengono pre-tese o post-tese in modo che, per effetto

dell’aderenza tra calcestruzzo ed acciaio, si stabilisca una sollecitazione di trazione nelle armature e

di compressione nel conglomerato cementizio: in queste condizioni il materiale risultante è in grado

di sopportare maggiori carichi statici o dinamici, viene utilizzato per opere prefabbricate e viene

denominato calcestruzzo armato precompresso.

Al contrario della maggior parte dei materiali strutturali, la preparazione del calcestruzzo avviene in

cantieri o centrali di betonaggio in cui i tempi che intercorrono tra il mescolamento e la presa del

conglomerato sono talmente ristretti da escludere qualsiasi tipo di controllo qualitativo che permetta

subito di giudicare i requisiti sufficienti. Dunque, un materiale anche se mal formulato può essere

gettato e sarà possibile giudicarne i risultati, quando non rimane altro che subirli. Per complicare

ulteriormente le cose, un impasto perfetto dal punto di vista del dosaggio e del mescolamento può

essere alterato irrimediabilmente durante il getto, anche semplicemente aggiungendo acqua o

eseguendo una costipazione errata.

Dal punto di vista macroscopico il calcestruzzo fresco rappresenta una fase intermedia del processo

produttivo mentre quello indurito è quello che si configura come vero e proprio materiale da

costruzione. Il calcestruzzo indurito, infatti, può essere definito un materiale composito in cui gli

elementi lapidei oltre lo 0,2 mm appaiono visivamente dispersi in una matrice cementizia.

Per quanto riguarda, invece, il punto di vista microscopico, il sistema appare molto complesso è

difficile da descrivere strutturalmente poiché: accanto agli elementi lapidei, la matrice cementizia si

presenta anch’essa eterogenea , in quanto composta da diverse fasi (zona di transizione e la matrice

vera e propria).

infine, a differenza di tutti gli altri materiali per l’ingegneria, il calcestruzzo è un materiale dinamico le

cui proprietà evolvono continuamente e sono sottoposte a variazioni significative in relazione non

solo al tempo atmosferico ma anche e soprattutto al tempo cronologico.

MATERIALI LEGANTI

Con il termine legante si intende un materiale capace di legare assieme materiali che, usualmente,

sono di per sé slegati. I leganti possono essere raggruppati in due grandi categorie:

- LEGANTI AEREI, che possono indurire soltanto all’aria;

- LEGANTI IDRAULICI, che induriscono e resistono al contatto anche sott’acqua.

I leganti si presentano come delle polveri impalpabili che, miscelate con l’acqua, si trasformano in

poltiglie plastiche o fluide; quando vengono lasciate a riposo le poltiglie solidificano dopo un

predeterminato tempo mantenendo la forma del getto originario.

Dopo la lavorazione, i leganti, sono soggetti a due fenomeni principali:

- PRESA, che caratterizza il periodo iniziale di irrigidimento, quando la massa inizia a perdere

plasticità e lavorabilità;

- INDURIMENTO, che inizia nella fase finale del periodo di presa, porta ad un irrigidimento

completo del materiale e continua nel tempo aumentando le proprietà meccaniche dello stesso;

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

LEGANTI AEREI

I leganti aerei sono leganti che induriscono solo a contatto con l’aria, di cui fanno parte:

- CALCE AEREA

- GESSO

GESSO

Il gesso, utilizzato come legante aereo è il prodotto artificiale ottenuto dalla cottura di una roccia

sedimentaria di composizione CaSO ∙ 2H O (solfato di calcio).

4 2

La pietra da gesso viene estratta da cave a cielo aperto o in gallerie, macinata e cotta ad una

temperatura intorno ai 130°C con forni a caldaia, in modo discontinuo, e forni a canale, in modo

continuo. Le reazioni durante la cottura a diverse temperature sono, rispettivamente:

128 C CaSO 2H O − − − > CaSO 0.5 H O + 1.5 H O

⋅ ⋅

2 2 2

4 4

163 C CaSO 0.5 H O − − − > CaSO 0.5 H O

⋅ ⋅

2 2

4 4

Il solfato di calcio emidrato si può presentare in due forme (alfa e beta) che differiscono per il grado

di perfezione dei cristalli:

- ALFA, si forma quando si lavora in ambiente umido, è duro ed è composto da cristalli aghiformi;

- BETA, si forma quando si lavora in ambiente secco, è più tenero ed è composto da da

criptocristalli, ovvero cristalli minutissimi.

Esistono vari tipi di gesso, che si differenziano per lo più per la differente temperatura di cottura o

per la differente rapidità di presa.

- GESSO A PRESA RAPIDA: si ottiene per cottura della pietra da gesso intorno ai 130°C e dopo

l’impasto fa presa entro 2 o 3 minuti. Viene utilizzato per lavori rapidi di manutenzione, per

ammirare tasselli di legno e scatole da impianto elettrico o per fabbricare tramezzi in cartongesso;

- GESSO PER STUCCATORI: si ottiene per cottura compresa tra 130°C e 180°C, viene usato per

lavori decorativi come rosoni e bassorilievi e si usa per preparare leganti speciali come la

scagliola e lo stucco;

- GESSO COTTO: si ottiene per cottura compresa tra 250°C e 350°C, fa presa molto lentamente e

viene perciò utilizzato per lavori che richiedono un tempo di esecuzione più lungo;

- GESSO MORTO: si ottiene per cottura superiore ai 600°C e non è in grado di fare presa, infatti,

viene usato come correttivo acidificante dei terreni nel settore agricolo;

- GESSO IDRAULICO: si ottiene per cottura intorno ai 1000°C ed è utilizzato per la preparazione di

molte destinate alla realizzazione di pavimentazioni;

- GESSO ALLUMATO: si ottiene per cottura della pietra da gesso con allume e fa presa dando una

massa molto compatta che, trattata e decorata, dà il finto marmo.

Il gesso viene messo in opera impastandolo con un quantitativo d’acqua pari ai 2/3 del suo peso e

la resistenza meccanica varia notevolmente in base a questo rapporto, infatti si evidenziano tre tipi

diversi di gesso in base alla resistenza stessa:

- GESSO TENERO (A/G = 1/2)

- GESSO DURO (A/G = 1/3)

- GESSO EXTRADURO (A/G = 1/4)

L’indurimento del gesso avviene con aumento di volume, il che è vantaggioso per molto applicazioni

alle quali il gesso è destinato. In realtà si hanno due effetti contrastanti e precisamente:

1. Una contrazione iniziale poiché il volume dell’emigrato più l’acqua è maggiore di quella del

gesso biidrato che si forma;

2. Un’espansione della massa dei cristalli che s’accrescono disordinatamente durante

l’indurimento.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

CALCE

La calce è un materiale da costruzione ottenuto per cottura di prodotti calcarei ad elevato contenuto

di carbonato di calcio (CaCO ). Si ottiene, infatti, industrialmente per mezzo di un processo che

3

comprende due reazioni chimiche:

- CALCINAZIONE

CaCO − − − > CaO + CO

3 2

- IDRATAZIONE

CaO + H O − − − > Ca(OH)

2 2

Dalla calcinazione si ottengono degli ossidi ad una temperatura di poco superiore a quella di

dissociazione completa dei carbonati (850°C - 950°C) che possiedono una grande reattività verso

l’acqua e perciò il prodotto viene detto calce viva. In opposizione, la calce ottenuta a temperatura

elevata (1400°C - 1500°C), e quindi con reattività molto ridotta è detta cotta a morte.

Dall’idratazione si ottengono, invece, degli idrossidi che costituiscono la cosiddetta calce idrata,

nonché quella commercializzata in polvere. In italia, le normative prevedono due tipi di calce idrata

in polvere, che si differenziano per la purezza e per il grado di finezza:

- FIORE DI CALCE, con contenuto di idrossido superiore al 91%;

- CALCE DA COSTRUZIONE, con contenuto di idrossido almeno dell’82%;

La calce idrata oltre che allo stato di polvere, può essere impiegata sotto forma di grassello, nonché

una dispersione in acqua di cristalli di idrossido di calcio, che si presenta come una pasta molto

plastica e untuosa.

LEGANTI IDRAULICI

I leganti idraulici sono quei tipi di leganti che induriscono anche se immersi in acqua e possono

essere suddivisi in:

- SILICO-CALCAREI

- ALLUMINOSI

Nella grande famiglia dei silico-calcarei si possono ulteriormente distinguere i leganti semplici e

quelli di miscela. I leganti semplici comprendono prodotti scorificati (Cemento Portland) o non

scorificati (calce idraulica). Scorificati sono quelli la cui preparazione richiede il raggiungimento di

una temperatura di cottura idonea a provocare la fusione del materiale ed a produrre

un’agglomerazione del materiale (clinkerizzazione).

I leganti di miscela, invece, comprendono sia costituenti idraulicamente attivi (cementi pozzolanici,

cementi d’altoforno, loppa d’altoforno, ecc…) sia miscele con componenti inerti (calci idrauliche).

ELEMENTO ACIDO + ELEMENTO BASICO = LEGANTE IDR AULICO

Quando ad un legante idraulico si aggiunge acqua, i costituenti anidri sono da questa attaccati e

decomposti con formazione di sali idrati, di composizione e struttura diverse da quelle delle fasi

anidre dalle quali provengono. Il processo evolve attraverso una serie di reazioni, alcune di

demolizione idrolitica, altre di combinazione, altre di condensazione.

ABBREVIAZIONE DI NOTAZIONI DI ANIDRI E IDRATI

SiO = S CaO = C MgO = M

2

Al O = A K O = K SO = S

2 3 2 3

Fe O = F Na O = N H O = H

2 3 2 2

NOMENCLATURA DEI SISTEMI CEMENTIZI

Cemento + Acqua + Aria + Eventuali Additivi = PASTA DI CEMENTO

Pasta di Cemento + Sabbia = MALTA CEMENTIZIA

Malta Cementizia + Ghiaia o Pietrisco = CALCESTRUZZO

Calcestruzzo + Armatura in Acciaio = CALCESTRUZZO ARMATO

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

CEMENTO PORTLAND

Il cemento Portland è un legante idraulico che si ottiene tramite la cottura (a temperatura compresa

tra 1250°C e 1500°C) di calcari argillosi, di marne o di miscele artificiali di calcare e argilla contenenti

silicati di calcio. Dunque, le materia prime per la produzione del cemento devono fornire calcio e

silice in opportune proporzioni: i calcari e le marne sono le comuni fonti industriali di calcio, mentre

l’argilla e gli scisti assicurano il rifornimento di silice.

Il prodotto finale della cottura viene detto clinker e contiene, oltre che ai silicati di calcio, anche

alluminati e allumino-feriti di calcio.

PREPARAZIONE DEL CLINKER

La preparazione del clinker è composta da tre fasi principali.

- ESTRAZIONE DELLE MATERIE PRIME: il calcare e/o le marne si estraggono delle cave con vari

metodi meccanici, e dopo la frantumazione attraverso mulini a palle, vengono inviati ai

cementifici;

- PREPARAZIONE DELLE MISCELE: i materiali macinati vengono dosati in modo da ottenere una

miscela costituita dal 75-78% da calcare e dal 22-25% da argilla;

- COTTURA DELLA MISCELA: durante quest’ultima fase il miscuglio viene cotto, attraverso forni

rotativi, ad una temperatura di 1400-1500°C.

Le reazioni chimiche che si verificano nel forno da cemento portano alla formazione di quattro

composti principali:

A circa 500°C Argilla —> SiO + Al O + Fe O + H O

2 2 3 2 3 2

A circa 900°C Calcare —> CaO + CO 2

L’acqua e la CO vengono trascinati dai fumi della combustione, mentre i quattro ossidi solidi

2

possono combinarsi tra loro per dar luogo ai seguenti composti mineralogici costituenti del clinker:

50-70% C S (silicato tricalcico o alite) 3CaO + SiO —> Ca SiO 5

3 2 3

15-30% C S (silicato bicalcico o belite) 2CaO + SiO —> Ca SiO 4

2 2 2

5-10% C A (Alluminato tricalcico o celite) 3CaO + Al O —> Ca Al O

3 2 3 3 2 6

5-15% C AF (Alluminoferrito tetracalcico o fase ferrica) 4CaO + Al O + Fe O —> Ca Al Fe O

4 2 3 2 3 4 2 2 10

Il clinker si presenta sotto forma di piccoli globuli solidi di colore più o meno scuro, prima della

macinazione, ma diventa una polvere impalpabile con dimensione massima di 80 microns, dopo la

3

macinazione. La sua densità è intorno a 3,15 g/cm .

COSTITUENTI DEL CLINKER

- SILICATO TRICALCICO

Il silicato tricalcico è il costituente più importante e presente in maggiore quantità in un cemento

Portland. Esso infatti risulta essere il composto responsabile dell’indurimento del cemento nei primi

28gg di idratazione.

- SILICATO BICALCICO

Il silicato bicalcico è il secondo dei maggiori costituenti del cemento Portland, nonché un composto

che ha una reazione piuttosto lenta con l’acqua e per questo è responsabile dell’indurimento del

cemento a lungo termine.

- ALLUMINATI E FERRITI DI CALCIO

Gli alluminati e i feriti sono i costituenti del clinker presenti in minore quantità ma sono le fasi che

reagiscono più velocemente con l’acqua e quindi i responsabili della rapidità di presa del cemento.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

IDRATAZIONE DEL CEMENTO PORTLAND

L’idratazione del cemento è una reazione tra l’acqua ed i costituenti del cemento ed è il fenomeno

fondamentale che causa l’indurimento delle paste, delle molte e dei calcestruzzi. Il processo di

idratazione del cemento Portland consiste di un insieme di reazioni, alcune simultanee, altre in

successione, nelle quali sono coinvolti i costituenti anidri del clinker, il gesso usato per regolare i

tempi di presa e l’acqua di impasto. Questo processo evolve in modo irreversibile verso lo stato di

equilibrio e, se l’acqua è presente in quantità sufficiente, prosegue fino alla scomparsa della fase

anidra.

IDRATAZIONE DEI SILICATI DI CALCIO

Le reazioni di idratazione dei silicati contribuiscono al fenomeno dell’indurimento e sono:

2C S + 6H —> C S H + 3CH

3 3 2 3

2C S + 4H —> C S H + CH

2 3 2 3

I prodotti ottenuti dall’idratazione del C S e del C S presentano una struttura analoga sia per

2 2

composizione che per morfologia. Questi silicati idrati presentano una struttura formata da lamelle

nanometriche con legami deboli (forze di Van Der Waals) di composizione C S H . Per questo

5 6 5

motivo i silicati idrati prodotti sono noti anche con il nome di gelo tobermoritico CSH.

La sostanziale differenza tra l’idratazione del C S e quella del C S risiede nel fatto che la reazione

2 3

del primo procede ad una velocità inferiore di quella del secondo e ciò viene attribuito al fatto che il

reticolo cristallino C S risulterebbe più compatto e quindi meno permeabile nei confronti dell’acqua.

2

IDRATAZIONE DEGLI ALLUMINATI E DEI FERRITI DI CALCIO

Le reazioni di idratazione di alluminati contribuiscono al fenomeno della presa e sono:

2C A + 21H —> C AH + C AH

3 4 13 2 8

I prodotti di idratazione degli alluminati sono l’alluminato tetracalcico idrato C AH e l’alluminato

4 13

bicalcico idrato C AH sono due fasi metastabili che a temperatura ordinaria si trasformano nella

2 8

fase stabile C AH . Se invece la temperatura è relativamente più elevata (più di 50°C) il C A reagisce

3 6 3

con l’acqua per dare direttamente C AH con conseguente presa rapida del cemento. Proprio per

3 6

evitare questo si procede all’aggiunta di gesso.

Il gesso biidrato reagendo con il C A forma il sale quaternario trisolfoalluminato di calcio idrato,

3

detto anche ettringite. La formazione di ettringite, a causa della grande quantità di acqua coinvolta

nella reazione, avviene con notevole aumento di volume rispetto a quello occupato del C A anidro,

3

pertanto quando l’ettringite si forma in un impasto già indurito può causare danni di tale entità da

compromettere la stabilità del manufatto. La quantità di gesso aggiunto al clinker deve pertanto

essere quella necessaria a regolare il fenomeno di presa, tenendo conto che un eccesso può

provocare fenomeni espansivi indesiderati. Le norme italiane, come quelle di tutti gli altri Paesi,

prevedono un limite massimo per i contenuti di gesso nei cementi, espresso come SO .

3

Per quanto riguarda le fasi contenenti Fe O , esse si idratano in modo analogo alle fasi alluminiche

2 3

ma con una velocità nettamente minore.

CALORE DI IDRATAZIONE

La reazione tra cemento e acqua è isotermica e produce una grande quantità di calore chiamato

calore di idratazione. La sue entità dipende di solito dai componenti del cemento, dalla velocità di

idratazione e dalla sua finezza e può arrivare fino a circa 120 cal/g.

Il calore di idratazione è un fattore molto importante per i getti massivi con i quali si realizzano

enormi manufatti: infatti, questi sono soliti a sviluppare una notevole quantità di calore per lunghi

periodi di stagionatura.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

GESSO OPTIMUM

Gli ioni solfato, provenienti dalla dissoluzione del gesso, hanno un effetto ritardante sugli alluminati

ma un effetto accelerante sull’idratazione dei silicati. Pertanto il gesso biidrato non soltanto controlla

i tempi di presa ma modifica anche altre proprietà della pasta indurita, come la resistenza

meccanica ed il ritiro. Le quantità ottimali di gesso (gesso optimum) per l’incremento della resistenza

meccanica e per il minimo ritiro sono, per uno stesso cemento, poco diverse e all’incirca

corrispondenti alla quantità definita corretta nei riguardi della presa. Di norma l’optimum di gesso è

tale da non causare fenomeni di espansione ritardata dovuti al protrarsi della formazione di ettringite

oltre la fine della presa durante il primo indurimento.

ANOMALIE DEL FENOMENO DI PRESA

La press del cemento Portland può manifestarsi con andamento anomalo a causa di inconvenienti

che si verificano in sede di fabbricazione o durante la conservazione. Nel mulino si possono

raggiungere temperature per le quali il gesso biidrato tutto o in parte si trasforma in emidrato e il

cemento da luogo al cosiddetto fenomeno di falsa presa. Per contrastare questo fenomeno è

necessario rimescolare con forza l’impasto per fargli riacquistare la sua plasticità e risulta essere

completamente errata qualsiasi aggiunta di acqua che diminuisce la resistenza meccanica

dell’impasto indurito. La falsa presa si distingue dalla presa rapida per l’intensità dei fenomeni

termici che per la prima sono decisamente inferiori e per il fatto che la presa rapida, a differenza

della falsa presa, non può essere annullata attraverso il rimescolamento.

MICROSTRUTTURA DELLA PASTA DI CEMENTO

La matrice cementizia allo stato indurito è schematicamente rappresentata da:

- una frazione di cemento non idratato localizzato nella zona centrale dei granuli di cemento

originari;

- prodotti formatisi per reazione del cemento con l’acqua, ed in particolare del CSH;

- da una serie di vuoti, detti pori capillari, di dimensioni variabili di quale micron, che rappresentano

lo spazio non occupato dai prodotti di idratazione.

PROPRIETÀ DELLA PASTA DI CEMENTO

L’idratazione del cemento modifica totalmente le prorpietà chimico-fisiche e meccaniche degli

impasti di cemento. L’evoluzione più evidente riguarda la consistenza degli impasti che assumono

rigidità crescente nel tempo. Anche la resistenza meccanica prevede uno sviluppo nel tempo che

procede rapidamente all’inizio e più lentamente a tempi lunghi. Il ruolo determinante giocato sulla

resistenza meccanica è comunque giocato dal rapporto a/c attraverso l’influenza sulla porosità

capillare. Il volume dei pori (V ) è determinato dal rapporto a/c e dal grado di idratazione del

p

cemento (α), secondo l’equazione: V = 100 a/c - 40α

p

D’altra parte, l’aumento del volume dei pori capillari penalizza la resistenza meccanica a

compressione (R ) secondo l’equazione:

c n

R = K [V /(V + V )]

c s p s

La pasta di cemento indurita non è dimensionalmente stabile al variare dell’umidità relativa (U.R.).

appena l’U.R. scende in un intervallo compreso tra il 100% e il 95% avviene uno svuotamento dei

pori capillari e l’acqua viene evaporata nell’ambiente. Quando, però, l’U.R. scende al di sotto del

95%, l’evaporazione dell’acqua libera dalla pasta di cemento verso l’ambiente coinvolge la perdita

delle molecole di acqua assorbite o contenute nei pori capillari di dimensione minore con il

conseguente ritiro della pasta. Il ritiro sarà tanto minore quanto maggiore è la percentuale di

materiale compatto. I meccanismi responsabili del ritiro da essiccamento sono anche quelli che

determinano in gran parte la deformazione sotto carico della pasta indurita.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

CEMENTI DI MISCELA

Un cemento di miscela è un legante composto da clinker Portland, da gesso e da un materiale

inorganico minerale che partecipa alle reazioni di idratazione e contribuisce allo sviluppo delle

caratteristiche fisico-meccaniche della pasta.

I cementi di miscela sono utilizzati, generalmente, per:

- necessità di utilizzare sottoprodotti industriali;

- risparmio energetico;

- confezionare calcestruzzi con particolari caratteristiche, come una migliore durabilità.

Le aggiunte di minerali impiegate sono a base di loppa d’altoforno oppure di materiali pozzolanici e i

corrispondenti cementi di miscela vengono detti, rispettivamente:

- CEMENTI D’ALTOFORNO;

- CEMENTI POZZOLANICI.

Nella attuale normativa, i cementi d’altoforno sono identificati come cementi di tipo III e quelli

pozzolanici come cementi di tipo IV. Tuttavia esistono altri cementi che prevedono l’aggiunta di

minerali in misura ridotta come i cementi di tipo II, ed altri che prevedono l’aggiunta sia di loppa che

di pozzolana come i cementi di tipo V.

CEMENTI POZZOLANICI

La pozzolana è una roccia sedimentaria piroclastica formatasi con l’accumulo e la parziale

cementificazione di particelle, ceneri, lapilli emesse nel corso di eruzioni vulcaniche. Dunque, i

materiali pozzolanici naturali sono di origine vulcanica ma in generale si definisce pozzolanico ogni

materiale di origine naturale o artificiale dotato della proprietà di combinarsi con l’idrossido di calcio

per formare prodotti cementati insolubili che resistono all’azione dilavante dell’acqua.

Un cemento pozzolanico è un cemento di miscela che viene ottenuto dalla miscelazione di clinker

Portland, gesso e pozzolana:

- 55-70% di clinker Portland;

- 30-45% di pozzolana;

- 2-4% di gesso.

Questo cemento viene utilizzato per getti di notevole dimensione, in situazioni di clima

particolarmente caldo o in presenza di acque aggressive. Infatti, con la reazione tra pozzolana e

calce si produce una pasta che indurita non possiede alcun contenuto di Ca(OH) e poiché

2

quest’ultima è la componente che viene di solito attaccata dall’acqua si otterrà un cemento in grado

di fare presa anche se sottoposto all’azione dell’acqua stessa.

CEMENTI D’ALTOFORNO

Le loppe d’altoforno sono scorie eliminate allo stato liquido (1400°C-1500°C) dall’altoforno durante

la produzione della ghisa. L’applicazione più interessante della loppa riguarda la produzione di

cemento d’altoforno. Il cemento d’altoforno è il prodotto della macinazione di clinker Portland,

gesso e loppa d’altoforno: a differenza dei cementi pozzolanici, dove l’aggiunta di pozzolana

difficilmente supera il 50%, nei cementi d’altoforno l’aggiunta di loppa può arrivare ad un massimo

del 95% (CEM III/C). Ciò dipende dal fatto che, a differenza della pozzolana, la loppa può idratarsi

per proprio conto purché la fase acquosa contenga sostanze (attivatori) capaci di innescare la

reazione tra loppa ed acqua. Gli impieghi per i quali il cemento d’altoforno può essere preferito al

cemento Portland sono sostanzialmente gli stessi per i quali si raccomanda utilizzo del cemento

pozzolanico e come questo sviluppa una resistenza meccanica più bassa rispetto al Portland alle

brevi stagionature o in climi freddi.

CEMENTI ALLUMINOSI

I cementi alluminosi possiedono caratteristiche uniche quali la elevata resistenza iniziale e la elevata

durabilità all’ambiente solfatici. Diversi fallimenti strutturali, dovuti alla perdita di resistenza nel

tempo, sono stati determinanti nel vietarne l’uso nelle applicazioni strutturali. Il cemento alluminoso

trova la principale applicazione nelle pigiate per rivestimento dei forni e come malta di giunzione tra

mattoni refrattari, anche se generalmente viene utilizzata per opere di carattere provvisorio.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

CLASSIFICAZIONE DEI CEMENTI (UNI EN 197-1)

CLASSI DI RESISTENZA DEI CEMENTI (UNI EN 197-1)

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

CALCESTRUZZO

Il calcestruzzo è un materiale da costruzione di natura lapidea artificiale, costituito da una miscela di

cemento, acqua, aggregati lapidei (inerti) ed eventuali additivi. Il notevole pregio di questo tipo di

materiale sin dai tempi antichi è quello di poter ottenere un manufatto di qualsiasi forma o

dimensione.

AGGREGATI

Nel gergo del calcestruzzo i materiali lapidei (sabbia, ghiaia e pietrisco) sono genericamente indicati

con il nome di aggregati o di inerti. La sabbia, la ghiaia ed il pietrisco si differenziano unicamente in

base alle dimensioni delle particelle nel senso che si considera sabbia il materiale lapideo di

dimensione compresa tra 0,075 e 5 mm mentre si considera ghiaia e/o pietrisco tutto il materiale di

dimensione superiore ai 5 mm. La sabbia o inerte fino è in prevalenza di cava ma può anche essere

prodotta per frantumazione, la ghiaia è un materiale lapideo di fiume e il pietrisco è ottenuto per

frantumazione di rocce compatte.

L’idoneità di un materiale lapideo ai fini dell’impiego nella produzione del calcestruzzo è stabilita

mediante il controllo delle proprietà chimiche, fisiche e meccaniche.

CARATTERISTICHE FISICHE DEGLI AGGREGATI

POROSITÀ

Ogni materiale è dotato di porosità poiché una parte del suo volume è occupata da piccole cavità o

microdifetti che possono corrispondere a gas intrappolato, spazi intergranulari, fessure dovute a

ritiro, ecc. Se i pori sono intercomunicanti attraverso la superficie dell’aggregato, si parla di porosità

aperta, mentre se i pori sono isolati dalla superficie si parla di porosità chiusa.

MASSA VOLUMICA (DENSITÀ)

In relazione alla porosità e al grado di interconnessione dei pori è opportuno definire per uno stesso

materiale diversi valori della massa volumica:

- La massa volumica assoluta riferita alla sostanza solida senza pori e misurato sulla sostanza

ridotta in polvere;

- La massa volumica apparente riferita al materiale comprendente i pori isolati ma non quelli aperti;

- Il bullo spcific gravity, ovvero il peso specifico riferito al volume solido cioè al materiale con l’intero

sistema di pori;

- La massa volumica nello stato saturo con superficie asciutta che è sempre riferito al volume del

solido ma con una porosità aperta piena d’acqua.

ASSORBIMENTO D’ACQUA E UMIDITÀ

L’assorbimento d’acqua è un particolare valore di umidità che individua un aggregato con le porosità

aperte sature di acqua e la superficie asciutta. L’umidità libera indica la quantità di acqua aderente

sulla superficie visibile dei granuli e quella trattenuta tra di essi da forze di tensione superficiale.

Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

MORFOLOGIA DEGLI AGGREGATI

I fattori morfologici che caratterizzano un aggregato sono: la forma, la tessitura superficiale e

l’angolarità. Questi tre fattori hanno un effetto notevole sulla lavorabilità infatti per quanto riguarda la

forma sappiamo che forme sferiche aumentano la lavorabilità e predispongono un minore utilizzo di

cemento. La tessitura superficiale è importante perché non favorisce la lavorabilità ma aumenta

l’adesione tra inerte e cemento. infine, riguardo all’angolosità sappiamo che in presenza di spigoli

vivi c’è la necessità di una maggiore quantità d’acqua con conseguente abbassamento della

resistenza meccanica.

CARATTERISTICHE MECCANICHE DEGLI AGGREGATI

Le caratteristiche meccaniche degli inerti dipendono principalmente dalla natura, dalla

composizione, dalla tessitura e dalla struttura. Una bassa resistenza può dipendere pertanto dalla

debole resistenza intrinseca dei grani cristallini, oppure malgrado un’elevata resistenza intrinseca, da

una debole coesione e cementazione tra i grani stessi. Il valore medio generale della resistenza alla

2

rottura a compressione degli inerti può essere valutato attorno a 2000 kg/cm , anche se molti inerti,

2

pur essendo considerati di buona qualità, possono scendere a 800 kg/cm .

vi sono altre proprietà meccaniche importanti negli inerti, specialmente per l’impiego in calcestruzzi

destinati a costruzioni stradali o comunque soggette ad elevata usura. La più importante è la

resistenza all’urto che può essere determinata su campioni cilindrici di roccia, misurando l’altezza

minima da cui deve essere lasciato cadere un peso standard per provocarne la frattura.

Un’altra caratteristica importante è la resistenza all’usura che nelle diverse prove esistenti può

essere provocata con mezzi abrasivi: ad esempio, nella prova Los Angeles, che combina effetti di

attrito e di abrasione, gli inerti, con granulometria controllata, vengono caricati in un tamburo

cilindrico in acciaio che viene fatto ruotare per un numero prefissato di giri. La simultanea caduta

delle sfere e dell’inerte da luogo a una frantumazione degli inerti stessi. La resistenza all’usura viene

misurata come la percentuale di materiale che si è frantumato.

CARATTERISTICHE CHIMICHE DEGLI AGGREGATI

Un inerte può essere soggetto a reazioni chimiche con il cemento, capaci di produrre effetti dannosi

anche nel calcestruzzo indurito. I solfuri di ferro possono essere presenti in molte rocce e per azione

dell’ossigeno e dell’idrossido di calcio reagiscono. Se il manufatto è ben compattato, il fenomeno

interessa soltanto gli strati in superficie perché l’ossigeno non penetra in profondità ed intorno alla

particella di solfuro compare una macchia bruna dovuta all’idrossido ferrino; se invece l’ossigeno

penetra in profondità è possibile che si abbia distacco di materiale perché la reazione di ossidazione

e idratazione avviene con aumento di volume. Se il solfato di calcio formatosi può sciogliersi, a

causa delle condizioni ambientali di umidità nelle quali il manufatto si trova, gli ioni solfato migrano

verso la pasta ed a causa della formazione di ettringite il fenomeno di disgregazione diventa intenso.

SOSTANZE DANNOSE NEGLI AGGREGATI

Vi sono tre categorie di sostanze che, se presenti negli inerti, possono esercitare effetti nocivi o

indesiderati nei calcestruzzi e sono:

- IMPUREZZE ORGANICHE

Un inerte può essere inadatto alla confezione di calcestruzzo, se contiene impurezze organiche capaci di

modificare in modo incontrollato i processi di idratazione del cemento. Questi prodotti organici compaiono

generalmente sotto forma di humus e la loro presenza è più frequente nelle sabbie che negli inerti grossi;

- ARGILLE ED ALTRI MATERIALI FINI

L’argilla, il limo e le polveri, negli inerti, forma una copertura superficiale sui granuli che ne influenza

notevolmente l’adesione con la pasta di cemento. La loro concentrazione deve essere sempre tenuta

bassa poiché, a causa della loro elevata area superficiale specifica, aumentano la quantità di acqua

necessaria a bagnare completamente la superficie dell’inerte;

- IMPUREZZE INSTABILI

Può accadere che una piccola parte di inerte presenti qualche instabilità o debolezza a livello meccanico e

se la sua concentrazione supera questi valori si può avere una diminuzione della resistenza finale o della

resistenza ad abrasione del calcestruzzo.


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria civile
SSD:
Università: Calabria - Unical
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher ingegneremedio di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Scienza e tecnologie dei materiali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Calabria - Unical o del prof Ingegneria Prof.

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