Altri materiali da costruzione

Laterizi e ceramici tradizionali I ceramici tradizionali utilizzati nel setto re delle costruzioni sono per lo più ottenuti da lavorazione e cottura dell’argilla Sono materiali che hanno tutte le caratteristiche comuni dei materiali ceramici (compresi i ceramici avanzati) A differenza dei ceramici avanzati (costituiti da composti di elevata purezza)i ceramici tradizionali sono costituiti da ossidi misti con elevate frazioni di impurezze

Argilla La argille sono principalmente costituite da silicati idrati di alluminio di composizione variabile Sono sempre presenti, in quantitativi variabili, anche silice cristallina (quarzo), feldspati (silico-alluminati potassici o sodici) e carbonati (di calcio, magnesio e misti)

Plasticità Quando viene miscelata con acqua, l’argilla acquista buona plasticità, cioè capacità di deformarsi a seguito dell’applicazione di una forza o una pressione L’acqua circonda le particelle di argilla rendendone possibile il loro movimento reciproco Maggiore il contenuto di acqua, maggiore la plasticità La plasticità viene persa per riscaldamenti a temperature di circa °C. la perdita di plasticità è reversibile, viene riacquisita portando il materiale a contatto con acqua Dopo trattamento a circa °C la perdita di plasticità è permanente

Smagranti I costituenti inerti (silice cristallina) hanno un’azione smagrante Riducono il ritiro durante la fase di essiccamento e cottura

Fondenti I fondenti (carbonato di calcio) favoriscono la formazione di un fase liquida Al raffreddamento, la fase liquida solidifica formando una fase vetrosa che lega i grani del materiale, eliminando la porosità presente In genere il processo di densificazione con fase liquida avviene attorno ai °C

Classificazione delle argille Data la forte eterogeneità, è molto difficile dare una classificazione dalle argille dal punto di vista chimico Dal punto di vista delle loro proprietà si dicono: Grasse: le argille in cui prevalgono i costituenti plastici Magre: le argille in cui prevalgono i costituenti inerti

Produzione delle argille Come in tutti i materiali ceramici, il ciclo tecnologico di produzione dell’argilla prevede diverse fasi: 1) preparazione dell’impasto (aggiunta di acqua) 2) formatura 3) essiccazione 4) cottura 5) smaltatura e decorazione

Cottura delle argille Durante la fase di cottura avvengono una serie di trasformazioni: 1)Fino a °C viene rimossa l’acqua La fase è molto critica, perché il ritiro del materiale può provocare la fessurazione e la rottura dello stesso Il riscaldamento deve essere molto lento 2) A temperature più elevate avvengono: °C Eliminazione dell’acqua di cristallizzazione (formazione di silice ed allumina) °C decarbonatazione del calcare e formazione di mullite (3Al2O3*2SiO2) °C formazione della fase liquida che riduce la porosità (riduzione di volume)

Densificazione L’efficacia di densificazione dipende dalla capacità di formare una fase liquida che leghi i cristalli di mullite e silice A basse temperature la fase liquida si forma in piccole percentuali, non sufficienti da eliminare la porosità. Si ottengono prodotti a struttura porosa Aumentando la temperatura di cottura, aumenta la frazione di fase liquida, e si ottengono prodotti a struttura compatta La temperatura di cottura dipende anche dalla composizione del materiale Per ogni tipo di materiale esiste una diversa temperatura a cui si forma la fase vetrosa

Classificazione dei prodotti La classificazione di prodotti in ceramico tradizionale viene effettuata sulla base di tre parametri: –Struttura porosa/compatta –Colore –Rivestimento superficiale

Laterizi I laterizi sono materiali da costruzione di vasto consumo, caratterizzati da forme regolari e struttura porosa Devono essere facilmente messi in opera per la produzione di murature, solai, rivestimenti Vengono realizzati con diversi tipi di argille La cottura deve essere adeguata da garantire buone proprietà meccaniche Ottenere una struttura troppo compatta è però svantaggioso, perché riduce l’adesione alle malte

Ceramici a pasta compatta Sono di due tipi principali: Gres Porcellane In entrambi i materiali, c’è un contenuto piuttosto elevato di feldspato, che da azione vetrificante, riducendo la porosità A causa dell’assenza di porosità, sono caratterizzati da elevata resistenza, bassa permeabilità ai liquidi, buona resistenza chimica,

Refrattari Sono definiti come materiali da costruzione in grado di sopportare temperature elevate senza fondere e conservando buone caratteristiche meccaniche L’intervallo di fusione del materiale deve essere superiore alla temperatura massima di utilizzo Il parametro più importante è il cedimento a caldo sotto carico, che indica la temperatura a cui il materiale tende a rammollire per effetto di un carico applicato costante Un aspetto molto critico è anche legato alla capacità del materiale di resistere a sbalzi termici senza fessurarsi

Vetri I vetri sono i più importanti materiali ceramici non cristallini Un vetro è dal punto di vista termodinamico simile ad un liquido sottoraffreddato Se però la temperatura è portata al di sotto della temperatura di transizione vetrosa la tendenza a formare cristalli scompare I vetri più comuni sono formati da silice amorfa La silice cristallina si ottiene per raffreddamenti lenti Per ottenere un vetro, si deve raffreddare in maniera abbastanza rapida temperatura Volume specifico (cm3/g) A Liquido sottoraffreddato vetro Solido cristallino Ritiro da cristallizzazione (transizione del I ordine) TmTm TgTg Variazione del CTE (transizione del II ordine) liquido D B C cristallovetro

Cinetiche di cristallizzazione Riprendendo i concetti espressi nel capitolo 4 e 7, la cristallizzazione può avvenire in un range di temperatura compresa tra Tm (T di fusione ) e Tg (al di sotto della quale la mobilità degli atomi si annulla) Se il vetro viene raffreddato sotto Tg, resta in uno stato amorfo metastabile La trasformazione può essere interpretata in base alle curve TTT Per l’ossido I le velocità di raffreddamento ottenibili in ambito industriale sono minori della velocità critica di tempra Per l’ossido II le velocità di raffreddamento ottenibili in ambito industriale sono maggiori della velocità critica di tempra T Log (t) TmTm TgTg Ossido II formatore di vetro Ossido I formatore di cristallo vrvr

Ossidi dei vetri Nella chimica dei vetri, si distinguono tre tipi di ossidi –Ossidi formatori (vetrificanti): sono gli ossidi che hanno la tendenza formare vetri (SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5 ) –Ossidi modificatori vengono aggiunti in genere per migliorare la lavorabilità dei vetri, sono ossidi alcalini (Na 2 O e K 2 O) o alcalino- tesrrosi (CaO). –Ossidi intermediari (Al 2 O 3 ) possono formare una struttura vetrosa solo in lega con la silice

Ossidi formatori Non tutti gli ossidi possono formare vetri (molti tendono a cristallizzare) Perché un ossido possa formare dei vetri devono essere soddisfatte le regole di Zachariasen: –Gli atomi di ossigeno non devono essere legati a più di due cationi –Il numero di coordinazione del catione è basso: 3 o 4 –I poliedri di ossigeno devono condividere solo i vertici, non spigoli o piani –In 3D devono essere condivisi almeno 3 vertici Si 4+ O 2-

Vetri silicei Nella silice, i tetraedri sono disposti ordinatamente nello spazio (ordine a lungo raggio) Nei vetri, non esiste ordine a lungo raggio SiO 2 : –CN O 2- =2 –CN Si 4+ =4 –I poliedri di ossigeno condividono 4 vertici Anche B 2 O 3, GeO 2, P 2 O 5 formano vetri MgO: –CN O 2- =6 –CN Mg 2+ =6 –I poliedri di ossigeno condividono gli spigoli Ossidi con cationi piccoli (basso CN)

Ossidi intermediari Non formano vetri di per se, ma agiscono da formatori di vetro se aggiunti con altri ossidi che formano vetri (Al 2 O 3 ) Il catione dell’elemento intermediario entra nel reticolo del vetro Il catione Al 3+ soddisfa, nel reticolo di SiO 2 le regole di Zachariasen (CN Al 3+ =4, CN O 2- =2) Si 4+ O 2- Al 3+

Modificatori di reticolo Alcuni ossidi, come Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, vengono aggiunti ai vetri di silice per diminuirne la viscosità e permettere la lavorazione a più basse temperature 4 ioni Na + sono necessari a sostituire uno ione Si 4+. I 4 ioni Na + si legano ad altrettanti atomi di ossigeno, interrompendo il collegamento che prima era dato dallo ione Si 4+ Si 4+ O 2- Na +

Composizione dei vetri Vetro sodico-calcico: 71-73% SiO 2, 12-14% Na 2 O, 10-12% CaO –Gli ossidi diminuiscono il punto di rammollimento, da 1600°C a 730°C –Si aggiunge MgO per prevenire la devetrificazione –Si aggiunge Al 2 O 3 per migliorare la durabilità Vetri al boro-silicato: L’aggiunta di B 2 O 3 permette di ridurre l’espansione termica e la temperatura di rammollimento Vetri al piombo: l’ossido di piombo agisce sia come formatore che come modificatore di reticolo. Si riduce la temperatura di rammollimento

Vetri più comuni vetroSiO 2 Na 2 OK2OK2OCaOB2O3B2O3 Al 2 O 3 altriproprietà 1 silicico99.5+Difficile da lavorare, ottime resistenza shock termici. Molto costoso,applicazioni fino ad alte T (1000°C) 2 96% silice96.3< sodico-calcico MgO, 1-4Facile da lavorare, elevato CTE, bassa resistenza shock termici. Economico, basse T di utilizzo 4 silicato di piombo PbO, 21 MgO, 0.2 Sono i più facili da lavorare (bassa T di rammollimento) 5 alto piombo357.2PbO, 58 6 borosilicato Basso CTE e buona resistenza shock termici 7 bassa perdita elettrica PbO, alluminoborosilicato B 2 O, 2.2Durabilità chimica 9 bassi alcali (vetro E) Compositi a fibre di vetro 10 alluminosilicato MgO, vetro-ceramica MgO, TiO 2, 7- 15

Deformazione viscosa Il vetro si comporta da liquido viscoso (sottoraffreddato) al di sopra della temperatura di transizione vetrosa Se una forza è applicata, si verifica la deformazione permanente del vetro Lo scorrimento viscoso aumenta all’aumentare della temperatura al di sopra della transizione vetrosa, seguendo una legge di tipo Arrhenius: Temperatura (°C) Log (viscosità, (Pa*s)) TVTV

Punti caratteristici Punto di lavorabilità  10 3 Pa*s caratterizza il punto in cui si può lavorare il vetro Punto di rammollimento  10 7 Pa*s caratterizza il punto in cui il vetro scorre per effetto del suo peso Punto di ricottura  Pa*s caratterizza il punto in cui si eliminano gli sforzi interni Punto di deformazione  Pa*s caratterizza il punto al di sotto del quale il vetro è rigido Temperatura (°C) Log (viscosità, (Pa*s)) Punto di deformazione Punto di ricottura Punto di rammollimento Punto di lavorabilità

Ricottura Per molti vetri, il processo di raffreddamento genera delle tensioni interne che possono portare alla fessurazione per trazione (materiale fragile) In alcuni casi un trattamento di ricottura (fino al punto di ricottura) consente di ridurre le tensioni interne Dopo ricottura, il raffreddamento deve essere piuttosto lento fino a 450°C.

Proprietà dei vetri A temperatura ambiente il vetro ha un comportamento fortemente fragile E=70 GPa  R,C =1 GPa  R,T =100 MPa (essendo molto sensibili alla presenza di difetti, dipende molto dalla finitura superficiale) Durezza Vickers Tenacità a frattura (Mpa*m 1/2 )=0.75 CTE (K -1 )=5*10 -7 (vetri alla silice)- 9*10 -6 (vetri sodico-calcici)

Vetri di sicurezza Hanno che hanno buone proprietà di resistenza all’urto Molto utilizzati nel settore edile –Vetri temprati –Vetri stratificati

Vetro temprato Il vetro temprato viene ottenuto raffreddando molto rapidamente con acqua dopo riscaldamento fino a circa 600°C La superficie si raffredda per prima e si contrae Il cuore si raffredda dopo, e la sua contrazione è ostacolata dallo scheletro già formatosi (superficie rigida) L’interno dello strato resta quindi sollecitato a trazione La superficie esterna resta sollecitata a compressione In questo modo, se si applica una sollecitazione flessionale, nella zona superficiale del vetro sollecitata a trazione la forza esterna deve essere tale da compensare non solo la resistenza a trazione, ma anche la compressione indotta dalla tempra

Tempra chimica Nella tempra chimica, condotta a temperature più basse, consiste nello scambio ionico tra ioni del vetro Na + e ioni K + di maggiori dimensioni L’espansione che sarebbe indotta dalla sostituzione degli ioni è ostacolata dalla presenza del cuore della lastra Si generano degli sforzi di compressione nella parte superficiale del vetro e sforzi di trazione nella parte centrale Si ottengono spessori temprati di 100  m (nella tempra termica ca 1 mm) E si inducono sforzi maggiori TT compressione trazione    R,T

Vetri stratificati Vetri costituiti da due o più lastre unite all’interfaccia attraverso uno strato polimerico trasparente Buona aderenza dello strato polimerico, stesso indice di diffrazione del vetro, elevato allungamento a rottura (polivinilbutirrale (PVB)) Quando il vetro si rompe, i frammenti restano attaccati alla superficie del film plastico Maggiori resistenze si ottengono aumentando gli spessori, ed utilizzando più lastre di vetro alternate a strati di film polimerico

Polimeri In tempi relativamente recenti, molte materie plastiche trovano applicazione nel settore edile: –Materiali espansi –Adesivi –Pitture e rivestimenti protettivi –Fibre –Sigillanti

Espansi polimerici Prodotti a struttura cellulare con elevata frazione di vuoti Ottenuti utilizzando agenti espandenti, che durante la formatura, liberano gas, che restano intrappolati nella matrice Porosità aperta o chiusa Bassissima densità, ottime proprietà di isolamento termico ed acustico –Porosità aperta: applicando uno sforzo, il gas fuoriesce, ma rientra facilmente quando la forza viene rimossa (materiale elastico). Viene utilizzate per imbottiture. L’isolamento termico dipende dal flusso del gas (convezione) –Porosità parzialmente aperta: il gas che fuoriesce rientra con più difficoltà. Dissipano bene energia –Porosità chiusa: la trasmissione di calore avviene senza convezione, e il gas delle bolle funge da isolante. Ottime proprietà di isolamento termico

Adesivi In genere, sono polimeri termoindurenti bicomponenti Miscelando i due componenti, si ha una reazione di reticolazione che porta all’ottenimento di un network tridimensionale –Urea-formaldeide –Melammina-formaldeide –Fenol-formaldeide –Poliuretani –Epossidiche –Poliesteri insature

fibre Si utilizzano principalmente fibre di poliesteri, poliammidi e acriliche Diametro <  m In molte applicazioni sono usate in sostituzione delle schiume per pannelli di isolamento termico ed acustico

Sigillanti Isolano dall’ambiente esterno aperture presenti in corrispondenza di giunti di elementi costruttivi –Buona adesione ai materiali da costruzione –Buona duttilità –Bassa permeabilità ad acqua, aria –Buona durabilità I più utilizzati sono –Siliconi –Poliuretani