Corso di Laurea in Ingegneria Edile

Transcript

1 Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università Federico II di Napoli Corso di Laurea in Ingegneria Edile Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata (Prof. Fabio Iucolano) I materiali ceramici tradizionali

2 I materiali ceramici Definizione: Materiali inorganici non metallici Materiali Ceramici Tradizionali Vetri Leganti Materiali Ceramici Speciali

3 vengono definiti come i prodotti ottenuti da materie prime inorganiche non metalliche, formati generalmente a freddo e consolidati mediante cottura. Con il termine materiali ceramici tradizionali vengono usualmente indicati i prodotti ceramici impiegati per alcune applicazioni ormai da lungo tempo consolidate (per l edilizia, per uso domestico: applicazioni per le quali esistono testimonianze d impiego risalenti ad antiche civiltà) ed ottenute da materie prime largamente diffuse in natura (argille, silicati). Etimologia del termine Ceramica κεραμός (argilla)

4 Classificazione La classificazione dei prodotti ceramici è basata sul campo di applicazione e sulla loro funzione. Campo di applicazione Funzione Classe Edilizia Elementi per solai, pareti, coperture Rivestimento pavimenti e pareti Apparecchi per servizi igienici Convogliamento fluidi e scarichi Laterizi Piastrelle Sanitari Tubi in grès Uso Domestico Industria Oggetti per tavola o cucina Oggetti ornamentali Materiali per elettronica e chimica Costruzioni di forni Stoviglieria Ceramica artistica Porcellane tecniche Refrattari In funzione di altri parametri tale classificazione può così essere integrata: - La struttura del supporto: porosa o compatta (greificata) - Lo stato della superficie: smaltata o non smaltata, - Il colore del supporto: bianco o di altro colore.

5 Classificazione

6 La storia della ceramica La ceramica accompagna da sempre la vita dell uomo sulla terra, è diffusa da millenni in ogni parte del mondo. Nella repubblica Ceca sono state rinvenute figurine in terracotta databili tra e anni a.c. Oltre 6000 anni fa, l uomo neolitico era già in grado di scavare e depurare l argilla, di impastarla e conferirle la forma voluta. Il primato per l alto livello artistico e tecnico raggiunto va riconosciuto all EstremoOriente,inparticolare alla Cina. La ceramica fu introdotta nel mondo greco dall Oriente, ma ben presto si allontanò dai modelli di importazione per orientarsi verso un gusto autonomo. Nel VI secolo a.c. si sviluppa la ceramica a figure nere e rosse con scene epiche e eroiche, venne ben presto imitata dagli Etruschi e Romani. Tra il I e il III secolo a.c. si diffonde in tutto l Impero Romano la ceramica a vernice rossa decorata a rilievo.

7 La storia della ceramica Con la caduta dell Impero Romano anche la ceramica subisce un abbassamento del profilo qualitativo e viene relegata alla produzione di semplici tazze e brocche per l uso quotidiano. Nel Medioevo la ceramica viene usata per la prima volta in Europa in architettura, con fregi in terracotta che venivano inseriti nelle murature. Nel 400, con la creazione della maiolica, si assiste ad una vera e propria rinascita della ceramica, che raggiunge ben presto un altissimo grado di perfezione tecnica e qualità artistica. A Colonia si sviluppa nella seconda metà del Trecento una tecnica che preveda l utilizzo di un argilla finissima e cotture ad altissime temperature che davano un prodotto quasi vetrificato, compatto e ultra resistente: il grès. Anche se le porcellane erano note già nel d.c. in Cina, solo agli inizi del 1700 si produsse in Sassonia la prima porcellana Europea (Venezia, Limonges, Parigi, Capodimonte).

8 Proprietà tipiche dei materiali ceramici tradizionali Le proprietà dei M.C. dipendono dalla struttura atomica di tali materiali, caratterizzata da forti legami direzionali e dall assenza di elettroni liberi (legami covalenti) - Inerzia chimica - Refrattarietà - Basso coefficiente di conducibilità termica - Basso coefficiente di dilatazione termica - Basso coefficiente di conducibilità elettrica - Alta durezza superficiale - Buona resistenza a compressione - Scarsa resistenza a trazione - Rottura fragile

9 La produzione della ceramica Materie prime Preparazione dell impasto Formatura Essiccamento Rivestimento e Decorazione Cottura Ceramici grezzi (Laterizi) Cottura Rivestimento e Decorazione Monocottura Cottura Bicottura (piastrelle)

10 La produzione della ceramica Materie prime Fondamentali Secondarie Smagranti (Silice, chamotte) Fondenti (Feldspati, Calcare, Dolomite) Complementari Argilla (Plasticità) Rivestimenti (Vetri, smalti) Colori (Ossidi metallici)

11 Argilla Materia prima fondamentale per la preparazione dei materiali ceramici (in particolare per i laterizi) è l argilla. L argilla è una roccia sedimentaria, assai diffusa, di composizione chimica e mineralogica notevolmente variabile, con struttura reticolare stratificata.

12 Argilla Cava di argilla Cava di caolino

13 Microstruttura di un caolino Caolinite

14 La struttura di un argilla - Chimicamente sono silicati idrati di alluminio, cioè a base di Si, Al, O e H - O e H danno luogo a ossidrili (OH - ) o a molecole d acqua (H 2 O). - Si e O sono organizzati nello spazio tetraedricamente, mentreal, O e OH sono organizzati nello spazio ottaedricamente. ossigeno silicio ossigeno Ossigeno OH - Alluminio

15 Foglietto tetraedrico (T) La struttura di un argilla S T R A T O ossigeno ossidrile silicio alluminio Foglietto ottaedrico (O)

16 La struttura di un argilla Strati a tre foglietti T O T

17 La struttura di un argilla H 2 O Strati a due foglietti Strati a tre foglietti

18 La plasticità Proprietà fisica basilare dell argilla è la plasticità: capacità di dare origine, per impasto con acqua, a masse plastiche cui è possibile impartire per modellazione una forma desiderata, forma che mantengono dopo essiccazione e cottura. Questa proprietà delle argille è da attribuire al fatto che all atto dell impasto fra i cristalli lamellari degli idrosilicati di alluminio (dalla dimensione estremamente piccola, 2-4 µm) si inserisce un velo di molecole d acqua che ne permette lo scorrimento reciproco, con conseguente possibilità di modellazione.

19 Sistema acqua - argilla Acqua libera Acqua legata Cristallo lamellare Le argille, al variare del contenuto di acqua, si comportano come: materiali rigidi e fragili se il contenuto di acqua è inferiore a circa il 7% (stato secco) massa plastica che prende e conserva la forma impartita per manipolazione o lavorazione meccanica se la percentuale di acqua sale al 15-20% (stato plastico) sospensione acquosa (barbottina) se il contenuto di acqua è superiore al 30%. N.B.: i valori percentuali di acqua sono indicativi e dipendono dal tipo di argilla.

20 Sistema acqua - argilla Il comportamento reologico dipende dal rapporto acqua d impasto/argilla Acqua d impasto: < 10% Stato secco: i cristalli sono costretti a condividere totalmente l acqua legata e non hanno mobilità reciproca. Acqua d impasto:10-30% Stato plastico: i cristalli condividono strati sempre minori di acqua legata e hanno crescente mobilità reciproca. Transizione dallo stato plastico a quello disperso

21 Sistema acqua - argilla Cristallo lamellare Acqua legata Acqua libera Acqua d impasto: >50% Stato fluido (barbottina): i cristalli non condividono gli strati di acqua legata e sono reciprocamente indipendenti.

22 Smagranti Gli smagranti (in lingua anglosassone fillers, cioè riempitivi) sono minerali o rocce, impiegati nella loro forma originaria o pretrattati termicamente, aventi come principale requisito la stabilità dimensionale (o perfino una tendenza all espansione). Aggiunti ad un impasto ceramico, ne vanno a costituire l ossatura, contrastando in tal modo il ritiro cui il manufatto è soggetto La sabbia silicea La sabbia è una roccia sedimentaria incoerente che può avere origini diverse. Quella usata come smagrante è di costituzione silicea (SiO 2 )e contiene elevati tenori di quarzo, la forma di silice stabile a temperatura ambiente.

23 Smagranti: la sabbia silicea Il quarzo subisce nel corso del riscaldamento un incremento di volume dell ordine dell 1,5%, più della metà del quale a 573 C, in corrispondenza di un cambio di struttura. Espansione % 573 C Tale espansione va in parte a bilanciare il forte ritiro che subisce il manufatto in cottura a causa della disidratazione dell argilla (~14%). % C

24 Fondenti I fondenti sono materiali, in genere di origine naturale, quindi minerali e rocce (sostanzialmente mono-mineraliche), che hanno la funzione di ridurre la temperatura alla quale in un manufatto in cottura inizia a formarsi un fluido viscoso. I principali fondenti per ceramici convenzionali sono i feldspati e i carbonati. % I feldspati sono alluminosilicati di potassio (ortoclasio), sodio (albite) o calcio (anortite) e fanno parte delle rocce eruttive. Sono i minerali più diffusi sulla crosta terrestre, costituendone circa il 60%.

25 Materie prime complementari Nella tecnologia ceramica i termini vetrina (o vernice) e smalto vengono spesso usati indifferentemente. In realtà si tratta di rivestimenti diversi. Più precisamente: per vetrina si intende un rivestimento vetroso trasparente attraverso cui si vede il colore della pasta; per smalto si intende invece un rivestimento vetroso opaco; l opacità è realizzata attraverso la presenza di microparticelle insolubili sospese nello strato vetroso. Sia la vetrina che lo smalto possono essere colorati con pigmenti minerali.

26 Funzione e requisiti dei rivestimenti Il sottile strato vetroso che ricopre il manufatto ceramico ha diversi scopi: rendere impermeabile la pasta ceramica, nei casi in cui questa è porosa; migliorarne la resistenza meccanica; formare una superficie dura, liscia, lucente, di facile pulitura e di gusto piacevole; costituire un supporto uniforme e continuo, sul quale apporre eventuali decorazioni. I rivestimenti devono avere come requisito fondamentale quello di interagire intensamente con la superficie ceramica cui devono fissarsi tenacemente. Devono essere pertanto chimicamente affini al materiale cuisivannoalegare. Ecco perché le composizioni dei rivestimenti sono a base di silicati.

27 Il colore: i pigmenti semplici I pigmenti semplici sono quelli costituiti da un solo ossido. Dall insieme di più pigmenti semplici si possono ottenere pigmenti composti che conferiscono tinte e tonalità di ogni genere. Principali pigmenti: Co (ossido, carbonato, nitrato) Cr (ossido) Fe (ossido) Fe (a seconda dello stato di ossidazione) Ni (a seconda dello stato di ossidazione) Mn (ossido, a seconda delle condizioni) blu verde giallo vari vari rosso bruno - viola

28 Composizione (%) di alcuni ceramici tradizionali

29 Formatura Mediante la formatura si conferisce all impasto la forma del prodotto desiderato con l applicazione di una pressione sufficiente a deformarlo plasticamente e stabilmente. Il sistema di formatura viene scelto in base alle caratteristiche del materiale, alle dimensioni, alla forma del prodotto, al volume produttivo e influenza a sua volta il contenuto d acqua dell impasto.

30 Formatura - Pressatura (a) 5-7% acqua Piastrelle, stoviglie - Estrusione (b) 15-20% acqua Piastrelle, laterizi - Colaggio (c) 35-40% acqua Sanitari

31 Formatura per colaggio

32 Essiccamento L essiccamento artificiale inizia in un ambiente molto umido, dove il pezzo viene riscaldato senza perdita di acqua (il riscaldamento favorisce il flusso dell acqua dal cuore del pezzo alla superficie). In seguito viene gradualmente diminuita l umidità e aumentata la temperatura (senza superare i 120 C). In un secondo momento anche l acqua contenuta nei pori interni delle particelle di argilla viene allontanata, ma questo processo non è associato ad alcuna contrazione della pasta.

33 Cottura - Attraverso la cottura gli impasti essiccati acquistano le proprietà fisico meccaniche, le dimensioni e l aspetto definitivi. - La T di cottura dipende dalla composizione delle materie prime e dal tipo di ceramico che si vuole ottenere (a pasta porosa o compatta). - Per laterizi e terrecotte varia tra 900 e 1000 C, per porcellane e gres si arriva a T= C. - Quando tra le materie prime è presente carbonato come fondente, cuocendo a T basse si ha una bassa percentuale di massa fusa, che in parte salda tra loro le particelle del ceramico, ma lascia anche un gran numero di spazi vuoti (ceramici a pasta porosa) - Quando invece come fondenti ci sono principalmente feldspati esi arriva a T più elevate si ottiene un abbondante formazione di una fase fusa molto viscosa, che raffreddando dà luogo ad una matrice vetrosa che ingloba le particelle solide e riempie buona parte della porosità (ceramici a pasta compatta)

34 Trasformazioni durante la cottura (a) Ceramico poroso (b) Ceramico compatto

35 Laterizi: Requisiti Il termine laterizio comprende una vasta gamma di prodotti con forme, dimensioni e caratteristiche meccaniche e fisiche molto variabili. Laterizi per murature. Oltre all esame dell aspetto, delle dimensioni e dell uniformità, sono particolarmente importanti la resistenza meccanica, l aderenza alle malte, l assorbimento di acqua, la resistenza all efflorescenza e il rischio di gelività. Laterizi per coperture. Anche prove di impermeabilità, di resistenza a flessione e all urto.

36 Laterizi: tipologie Mattone pieno UNI Mattone semipieno UNI Mattone semipieno doppio UNI Mattoni forati Elemento per solai Tavella Tavellone Coppo Laterizi per falde di copertura Embrice

37 Piastrelle e ceramiche Vengono impiegati quasi tutti i tipi di materiali ceramici tradizionali per realizzare prodotti con una grande varietà di forme e colori. Il processo produttivo termina con la fase di scelta con la quale si raggruppano per omogeneità di tonalità cromatiche e di dimensioni Proprietà: - impermeabilità all acqua - resistenza all usura - resistenza agli urti - resistenza agli attacchi chimici - resistenza al gelo

38 Piastrelle (UNI EN 14411) Metodo di Assorbimento d acqua (%) formatura 0.5% 0.5-3% 3-6% 6-10% >10% Estrusione A I a A I b A II a A II b A III Pressatura B I a B I b B II a B II b B III porosità Cotto Faenze e maioliche Terraglie Grés rosso Grés fine porcellanato Clinker A: formatura per estrusione B: formatura per pressatura

39 Piastrelle (UNI EN 14411) Tipo Rivest. Assorb. d acqua Peso (kg/m 2 ) Spessore (mm) Uso prevalente Maiolica sì Rivestimenti interni Cottoforte sì Pavimenti interni Monocot- sì Pavim. interni tura chiara ed esterni Monocot- sì Pavim. interni tura rossa ed esterni Terraglia sì Rivestimenti bianca interni Clinker sì/no Pavim. interni ed esterni Cotto no Pavim. interni ed esterni Grés sì Pavim. interni rosso ed esterni Grés porcellanato sì/no Pavim. interni ed esterni Classificazione EN BIII BIIb, BIII BIa, BIb, BIIa BIa, BIb, BIIa, BIIb, BIII BIIb, BIII AI, AIIa, AIIb AIIa, AIIb, AIII BIa, BIb, BIIa BIa