Altri materiali da costruzione Laterizi e ceramici tradizionali

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 100 -120°C. la perdita di plasticità è reversibile, viene riacquisita portando il materiale a contatto con acqua • Dopo trattamento a circa 600 -700°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 950 -1000°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 100 -120°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: • • • 400 -500°C Eliminazione dell’acqua di cristallizzazione (formazione di silice ed allumina) 800 -900°C decarbonatazione del calcare e formazione di mullite (3 Al 2 O 3*2 Si. O 2) 900 -1100°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

• 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 Volume specifico (cm 3/g) Vetri Variazione del CTE (transizione del II ordine) Liquido sottoraffreddato A liquido vetro Ritiro da cristallizzazione (transizione del I ordine) D B Solido cristallino C Tg cristallo Tm temperatura vetro

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 T interpretata in base alle curve TTT Tm • 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 Tg industriale sono maggiori della velocità critica di tempra Ossido I formatore di cristallo Ossido II formatore di vetro vr Log (t)

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 (Si. O 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 alcalinotesrrosi (Ca. O). – 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 3 D 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 • Si. O 2: – CN O 2 -=2 – CN Si 4+=4 – I poliedri di ossigeno condividono 4 vertici • Anche B 2 O 3, Ge. O 2, P 2 O 5 formano vetri • Mg. O: – 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 Si. O 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, Ca. O, Mg. O, 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+ O 2 - Na+

Composizione dei vetri • Vetro sodico-calcico: 71 -73% Si. O 2, 12 -14% Na 2 O, 10 -12% Ca. O – Gli ossidi diminuiscono il punto di rammollimento, da 1600°C a 730°C – Si aggiunge Mg. O 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 vetro Si. O 2 Na 2 O 1 silicico 99. 5+ 2 96% silice 96. 3 <0. 2 3 sodico-calcico 71 -73 1214 4 silicato di piombo 63 7. 6 5 alto piombo 35 6 borosilicato 80. 5 7 bassa perdita elettrica 70 8 alluminoborosilicato 74. 7 6. 4 9 bassi alcali (vetro E) 54. 5 10 alluminosilicato 57 11 vetro-ceramica 40 -70 K 2 O Ca. O B 2 O 3 Al 2 O 3 altri proprietà Difficile da lavorare, ottime resistenza shock termici. Molto costoso, applicazioni fino ad alte T (1000°C) <0. 2 2. 9 10 -12 6 0. 3 0. 2 0. 4 0. 5 -1. 5 Mg. O, 1 -4 Facile da lavorare, elevato CTE, bassa resistenza shock termici. Economico, basse T di utilizzo 0. 6 Pb. O, 21 Mg. O, 0. 2 Sono i più facili da lavorare (bassa T di rammollimento) 7. 2 3. 8 Pb. O, 58 0. 4 12. 9 2. 2 0. 5 28 1. 1 Pb. O, 1. 2 0. 9 9. 6 5. 6 B 2 O, 2. 2 0. 5 22 8. 5 14. 5 1 5. 5 4 20. 5 Mg. O, 12 10 -35 Mg. O, 1030 Ti. O 2, 7 -15 0. 5 Basso CTE e buona resistenza shock termici Durabilità chimica Compositi a fibre di vetro

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: Log (viscosità, (Pa*s)) 20 15 10 TV 5 200 400 600 800 Temperatura (°C) 1000

Punti caratteristici 15 13 Log (viscosità, (Pa*s)) • Punto di lavorabilità 103 Pa*s caratterizza il punto in cui si può lavorare il vetro • Punto di rammollimento 107 Pa*s caratterizza il punto in cui il vetro scorre per effetto del suo peso • Punto di ricottura 1012 Pa*s caratterizza il punto in cui si eliminano gli sforzi interni • Punto di deformazione 1013. 5 Pa*s caratterizza il punto al di sotto del quale il vetro è rigido 11 9 7 1 6 10 4 3 2 Punto di deformazione Punto di ricottura Punto di rammollimento 5 3 5 Punto di lavorabilità 1 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperatura (°C)

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 550 -600 • 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 trazione R, T T compressione

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 < 20 -25 m • In molte applicazioni sono usate in sostituzione delle schiume per pannelli di isolamento termico ed acustico

Sigillanti • Isolano dall’ambiente esterno aperture 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 presenti in