Materiali inorganici. Capitolo 1. Rocce e calcestruzzo. Produzione del calcestruzzo

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1 Capitolo 1 Materiali inorganici Rocce e calcestruzzo Le pietre presenti sulla crosta terrestre hanno origini molto diverse, che ne determinano diverso aspetto e caratteristiche. Rocce Magmatiche, quando derivano da magma solidificato, proveniente dalle profonditá della Terra. Contengono prevalentemente Ossigeno, Silicio, Alluminio e Ferro; sono rocce generalmente molto compatte, dure e resistenti. Fanno parte di questa categoria i graniti. Rocce Sedimentarie, quando derivano dalla deposizione e compattazione di sabbie e gusci di organismi viventi. Contengono prevalentemente Ossigeno, Calcio e Carbonio, sono rocce generalmente porose, friabili e soggette ad erosione. Fanno parte di questa categoria le pietre calcaree. Rocce Metamorfiche, quando hanno origine dalla trasformazione di rocce preesistenti, prevalentemente sedimentarie. Fanno parte di questa categoria i marmi, rocce dure e resitenti, molto utilizzate per il loro aspetto estetico. Le pietre vengono estratte dalle cave naturali; si utilizzano fili di acciaio ricoperti di polvere di diamante che, scorrendo ad alta velocitá, tagliano le pietre per erosione e attrito. Si ottengono quindi blocchi di pietra di notevoli dimensioni, che vengono successivamente tagliati in lastre, secondo le esigenze. Produzione del calcestruzzo Il calcestruzzo é un materiale edile largamente usato in tutto il mondo per la costruzione di edifici e abitazioni. Il calcestruzzo é molto resistente ed economico, ed é preferibile alle pietre poiché viene trasportato e versato all interno di stampi allo stato liquido, solidificando successivamente. 1. Frantumazione. Le pietre calcaree vengono frantumate e miscelate ad argilla, ottenendo una miscela di rocce, detta miscela cruda. 2. Cottura. La miscela viene cotta all interno di enormi forni rotanti, raggiungendo i 1450 C. 1

2 2 CAPITOLO 1. MATERIALI INORGANICI Figura 1.1: Rocce magmatiche, sedimentarie, metamorfiche

3 1.1. ROCCE E CALCESTRUZZO 3 Durante la cottura le pietre si allegeriscono e divengono porose, rilasciando nell aria una grande quantitá di anidride carbonica (CO 2 ). Al termine della cottura le pietre porose ottenute si presentano in forma di piccole sfere irregolari del diametro di alcuni millimetri, dette Clinker. 3. Macinazione. Le sfere di clinker vengono finemente macinate e miscelate con piccole quantitá di gesso, la polvere ottenuta prende il nome di Cemento. Il cemento ottenuto viene confezionato e conservato a secco, lontano dall acqua e dall umiditá. 4. Posa. Solo al momento dell utilizzo, il cemento viene miscelato con sabbia, ghiaia e acqua, formando un impasto denso e malleabile. L impasto viene versato all interno di appositi stampi in legno, detti Casseri che danno la forma della struttura finale. Spesso all interno dei casseri é presente una struttura a gabbia di acciaio, che viene avvolta dal calcestruzzo versato, dando origine al Calcestruzzo armato. Il calcestruzzo solidifica in poche ore, assumendo in modo permanente la forma dei casseri, che vengono poi rimossi.

4 4 CAPITOLO 1. MATERIALI INORGANICI Figura 1.2: Produzione del calcestruzzo

5 1.2. CERAMICA 5 Ceramica La ceramica é un materiale terroso, compatto, duro e fragile. Le ceramiche sono solitamente economiche, molto resistenti alla temperatura e agli agenti chimici ed atmosferici; sono quindi un ottimo materiale da costruzione. Le ceramiche hanno origine da terre argillose; l argilla é una terra molto fine, untuosa al tatto, plastica, di colore chiaro, proveniente dalla frantumazione di rocce magmatiche ricche in silicio e alluminio. La ceramica varia notevolmente le sue proprietá a seconda della terra utilizzata e del processo di cottura, si distingue in pasta compatta e pasta porosa. La pasta compatta ha subíto una cottura a temperature elevate di circa 1500 C, pertanto le polveri che la compongono, fondendosi insieme, creano una struttura compatta. Si ottiene una porcellana impermeabile, molto resistente alla temperatura, al fuoco, all usura e isolante, detta refrattaria. Tale porcellana é utilizzata per costruire forni, piastrelle, vasellame. La pasta porosa ha subíto una cottura a temperature moderate di circa 1000 C, pertanto le polveri si compattano ma non fondono, mantenendo una struttura porosa. Si ottiene una terracotta permeabile, fragile, economica. Tale terracotta é utilizzata per costruire mattoni e tegole. Produzione della ceramica Il processo di produzione delle ceramiche parte dalle terre argillose; é un processo antico e semplice. 1. Impasto. Le terre argillose vengono finemente macinate e ripulite dalle impuritá, quindi impastate con acqua, rocce di caolino, e altre sostanze che conferiscono colore e plasticitá. 2. Modellatura. La pasta ottenuta viene modellata nella forma finale tramite stampi, trafilati, oppure manualmente. 3. Essicazione e cottura. Gli oggetti modellati vengono lasciati lentamente essicare, quindi cotti in forni ad elevata temperatura. La cottura avviene lentamente, impiegando diverse ore, per evitare crepe e fratture.

6 6 CAPITOLO 1. MATERIALI INORGANICI Figura 1.3: Produzione della ceramica

7 1.3. VETRO 7 Vetro Il vetro é un materiale lucido, compatto, duro e fragile. Il vetro é economico, facile da lavorare e molto resistente agli agenti chimici ed atmosferici, é inoltre un buon isolante termico ed elettrico; il vetro é quindi un ottimo materiale per realizzare recipienti e superfici esterne. Il vetro ha origine da sabbia di silicio, una sabbia molto comune, miscelata con Soda (Na 2 CO 3 ) e Calce viva (CaO). Il vetro é facilmente riciclabile, buona parte del vetro utilizzato proviene da frammenti di vetro nuovamente fusi. Produzione del vetro 1. Fusione. La sabbia di silicio viene miscelata a soda e calce viva, quindi fusa insieme ai frammenti di vetro riciclato in una grande fornace a gas, nella quale la sabbia diventa liquida, a temperature di circa 1300 C. 2. Formazione. Il vetro liquido viene versato su una superficie di stagno liquido, sopra la quale galleggia e si distribuisce uniformemente, assumendo la forma di una lastra perfettamente piana. 3. Raffreddamento e ricottura. La lastra viene inizialmente raffreddata, assumendo una consistenza rigida, quindi raffreddata molto lentamente all interno di un forno di ricottura. 4. Taglio. Infine le lastre vengono tagliate nelle dimensioni e forme desiderate.

8 8 CAPITOLO 1. MATERIALI INORGANICI Figura 1.4: Produzione del vetro

9 1.4. LEGHE DI FERRO 9 Leghe di ferro Le leghe di ferro sono conosciute fin dai tempi antichi e mostrano ottime proprietà di resistenza, durezza e resilienza, che dipendono fortemente dagli elementi di lega e dalle lavorazioni subite dal metallo. Le leghe sono composte da ferro, carbonio e altri elementi di lega. Il Ferro puro è l elemento principale della lega. Il Carbonio è presente in piccole percentuali, ma determina fortemente le caratteristiche della lega. Gli Elementi di lega sono metalli aggiunti alla lega principale per ottenere effetti particolari. Tipologie di leghe Esistono numerose leghe di ferro, e sempre più ne vengono ideate, per coprire svariati campi applicativi. I principali gruppi si differenziano per il tenore di carbonio e per la presenza di elementi di lega. La Ghisa è una lega con un tenore di carbonio compreso tra il 2% e il 6%. La ghisa appare scura e ruvida, è resistente ma fragile, di facile lavorabilità e resistente alla corrosione. Viene utilizzata per la produzione di ingranaggi, forni, tubazioni, arredi stradali. L Acciaio, è una lega con un tenore di carbonio minore del 2%. L acciaio è ottenuto dalla ghisa fusa, rimuovendo parte del carbonio tramite soffiatura. Ha un colore grigio lucente e una superficie liscia, è resistente ed elastico, ma difficile da lavorare e soggetto a corrosione. Viene utilizzato in moltissime applicazioni come: mezzi di trasporto, strutture portanti degli edifici, cavi e catene ad alta resistenza, coltelli e posate, ecc. Gli Acciai legati sono leghe molto complesse che, oltre a ferro e carbonio, contengono al loro interno diversi elementi che conferiscono alla lega particolari proprietà. Il Silicio aumenta l elasticità. L Azoto forma nitruri aumentando la durezza. Il Molibdeno aumenta la resistenza meccanica, a corrosione e la durezza. Il Cromo aumenta la resistenza a corrosione, generando gli acciai inox. Il Nichel aumenta la resistenza a corrosione ad elevata temperatura. Produzione dell acciao Ogni anno nel mondo si producono oltre un miliardo di tonnellate di acciaio, a partire da minerale di ferro o da rottami ferrosi riciclati 1. Carica dei minerali. Il minerale di ferro e il carbone coke vengono inseriti a strati dalla bocca superiore dell altoforno. L altoforno è un forno conico rivestito internamente da mattoni refrattari, per contenere il calore di fusione.

10 10 CAPITOLO 1. MATERIALI INORGANICI 2. Fusione e purificazione. Nella parte centrale dell altoforno, detta ventre, si raggiungono i 1500 C e inizia la fusione del minerale di ferro, riscaldato dalla combustione del carbone coke con l aria calda soffiata all interno del forno. Bruciando, il carbone purifica il minerale di ferro, che rilascia il ferro liquido. 3. Estrazione della ghisa. La ghisa fusa viene estratta dalla parte bassa dell altoforno, chiamata crogiolo, alla temperatura di circa 1600 C. 4. Soffiatura e conversione. Si utilizzano particolari forni convertitori, nei quali un getto di aria viene soffiato all interno della ghisa liquida. L aria riduce il quantitativo di carbonio, trasformando la ghisa in acciaio liquido. 5. Formatura e trattamenti termici. L acciaio viene stampato, trafilato o forgiato nella sua forma definitiva, quindi subisce trattamenti termici per aumentarne la resistenza e la durezza, quali ricottura, tempra e rinvenimento.