I.I.S.S E. Mattei Rosignano Solvay ARGILLE Definizione di argilla Le argille sono sostanze complesse e possono essere definite sotto vari punti di vista: mineralogico, geologico, chimico, tecnologico, ecc... Caratteri geologici Una definizione dell'argilla è legata al tipo di deposito. Le argille sono infatti depositi di sedimenti formati dai prodotti dell'erosione e disintegrazione di rocce più antiche. Un criterio di classificazione è quello relativo al rapporto tra argille e rocce di origine: sono, cioè, divise in primarie (o residue) e secondarie (trasportate o sedimentarie) Le argille primarie sono quelle che conservano più o meno la posizione delle rocce dalle quali sono derivate (ad esempio, rocce feldspatiche, granito, basalto, tufi). Poiché la decomposizione delle rocce madri non è sempre completa, le argille ne conservano spesso frammenti. Le argille primarie hanno uno scarso contenuto organico e sono spesso grossolane e poco plastiche. Le argille secondarie si trovano invece in depositi distanti dalle rocce di origine, trasportate da fenomeni naturali come onde, correnti, vento, erosione, ecc. Questo tipo di argille, più frequente delle primarie, ha generalmente una composizione complessa di più tipi di minerali, è caratterizzato da una grana più fine e un maggiore contenuto organico e si trova in depositi marini, fluviali, lacustri, eolici, glaciali. Secondo una classificazione granulometrica, le argille sono convenzionalmente contraddistinte da particelle inferiori ai 2 micrometri (m m) o 2 millesimi di millimetro (0,002 mm) di diametro. In pedologia un'argilla viene definita tale quando ha almeno il 35% di particelle fini inferiore a 0,002 mm. Caratteri chimici Dal punto di vista chimico, le argille sono principalmente composte da silicati, alluminio e acqua in percentuali diverse. La gran parte delle argille può essere definita come silicati idrati di alluminio e magnesio: la loro formula chimica generale è: Al 2.2SiO 2.2H 2 O base di numerose varianti. Alla base di tutti i silicati vi è una struttura a tetraedro formata dalla combinazione del silicio con l'ossigeno con un catione (ione con carica elettrica positiva) di silicio al centro circondato da quattro atomi di ossigeno. I tetraedri sono collegati in anelli esagonali che uniti tra loro formano lo strato tetraedrico. Un altro strato ha come motivo strutturale degli ottaedri formati da cationi di alluminio al centro, circondati da due atomi di ossigeno e quattro ioni idrossido (OH). Anche gli ottaedri sono collegati tra loro in anelli esagonali che uniti tra loro formano lo strato ottaedrico. Dalla sovrapposizione di strati tetraedrici e ottaedrici, legati tra loro da un comune ione O, si Prof. Luciano Cervelli
ottiene il motivo strutturale fondamentale dei fillosilicati, chiamato pacchetto. Questa è la struttura ideale della composizione di una pura argilla di silicati, ma in realtà le variazioni sono molteplici, perchè silicio e alluminio possono essere sostituiti da altri elementi, come Mg 2+ Fe 2+ Fe 3+ Al 3+ Caratteri mineralogici Le argille sono a tutti gli effetti dei minerali: se ne conoscono vari tipi, ma la loro classificazione è molto difficile, soprattutto perchè esistono argille che possiedono proprietà intermedie tra una categoria e l'altra. La maggior parte dei minerali argillosi sono fillosilicati (dal greco phyllos = foglia). Questa definizione è dovuta alla struttura a strati degli elementi chimici che li compongono, cioè dei tetraedri di silicio e degli ottaedri di alluminio. I fillosilicati possono essere distinti al loro interno in tre gruppi, a seconda della combinazione degli strati. Esistono perciò: argille a due strati (caolinite, allosite) composte da uno strato di tetraedri di silicio e uno strato di ottaedri di alluminio; argille a tre strati (smectite, vermiculite, illite) con uno strato di ottaedri di alluminio tra due strati di tetraedri di silicio; argille a strati misti (clorite) con strati alternati di diverso tipo. Le caoliniti sono i minerali argillosi più comuni e diffusi. Oltre ai minerali argillosi, molte argille contengono quantità variabili di minerali non argillosi a grana finissima, come quarzo, calcite, pirite, ossidi e idrossidi di alluminio e ferro, sali solubili, prodotti organici e sostanze amorfe. Caratteristiche dell'argilla L'argilla è la materia prima costitutiva di ogni ceramica (maiolica, porcellana, grès, materiali refrattari). E' in natura un sedimento molto fine, risultato dell'erosione, del trascinamento e della deposizione di altre rocce; giacimenti di argilla sono localizzati spesso nei depositi fluviali, lacustri o marini. Per il suo carattere di roccia sedimentaria la matrice argillosa ingloba spesso altri minerali e sostanze organiche anche in piccolissime particelle. Questi "minerali accessori" sono in genere di dimensioni maggiori di quelli "costitutivi" delle argille. Questi ultimi hanno molta importanza per la determinazione di tipi diversi di argilla, consentendone anche la localizzazione geografica. I primi invece, costituiscono aggiunte accidentali provenienti dai diversi ambienti che l'argilla attraversa o in cui si deposita. Ogni particella o cristallo dell'argilla è tanto piccola da poter essere individuata soltanto con il microscopio (ad es. i cristalli della caolinite sono inferiori a 2 micron). Alla presenza di questi "minerali costitutivi" si deve la plasticità dell'argilla e la sua proprietà di indurirsi seccando. Prof. Luciano Cervelli 2
Non tutte le argille allo stato naturale sono ugualmente adatte alla fabbricazione della ceramica: quasi tutte possono tollerare alte temperature di cottura (800 C), mentre a temperature più alte molte possono deformarsi o fessurarsi. Non tutte hanno il grado di plasticità necessario al montaggio dei vasi, ma anche una plasticità eccessiva può avere effetti indesiderati. E' stata proprio l'eccessiva duttilità ad indurre molto presto un "avanzamento tecnologico" tra i più antichi vasai, portandoli a miscelare argille diverse o ad aggiungere all'impasto altri minerali, conchiglie o sostanze organiche. Caolinite Le argille derivano dall alterazione di rocce ignee. E stato dimostrato che acqua ricca di CO 2 è capace, in condizioni di alta temperatura e pressione, di trasformare il feldspato potassico KAlSi 3 O 8, in caolinite, il più importante dei minerali argillosi. Concentriamo la nostra attenzione alla caolinite in quanto il caolino bianco (caolinite quasi pura) e le argille comuni caolinitiche di varia colorazione sono le materie prime per la fabbricazione dei laterizi e delle ceramiche. Come detto l argilla pura è bianca (caolino), ma spesso si colora per la presenza di impurità: le argille nere contengono, accanto ai minerali argillosi, sostanze organiche, le argille azzurre contengono ossido ferroso, le argille rosse e gialle ossidi ferrici. La caolinite e l acqua La caolinite è in grado di assorbire parecchia acqua fino a dare una sospensione fluida (acqua di sospensione). Allontanando progressivamente l acqua da una sospensione argillosa si arriva ad avere una massa plastica. La caolinite si può modellare. L acqua, che avvolge ogni singolo cristallo, svolge la duplice funzione di legante e di lubrificante. Diminuendo ancora la quantità d acqua assorbita, la caolinite arriva a diventare una massa rigida. Con solo l acqua nei pori la caolinite non è plastica. Prof. Luciano Cervelli 3
Il comportamento al riscaldamento Mediante la cottura l argilla perde plasticità e subisce trasformazioni irreversibili tali da conferirle notevole resistenza meccanica ed altre proprietà. Vediamo cosa succede alla caolinite alle varie temperature: - 100 Viene allontanata l acqua nei pori per evaporazione (solo in parte) - 130 La caolinite registra una diminuzione di peso senza che varino le sue proprietà. Viene allontanata l acqua d assorbimento - 560 Perde definitivamente la plasticità e cala ancora di peso. Si ha l eliminazione dell acqua di costituzione. Non si ha più caolinite ma un silicato di alluminio non idrato. (Al 2 O 3-2SiO 2 ) - 940 Il prodotto subisce una reazione esotermica si forma un silicato (2Al 2 O 3-3SiO 2 ) - 1000-1300 Si ha la Mullite Silicato di formula (3Al 2 O 3-2SiO 2 ) La plasticità La plasticità è una proprietà difficile da definire. Il limite di plasticità è la percentuale d acqua d impasto che un campione di argilla trattiene, sotto l azione di una certa forza subsce una data deformazione per schiacciamento. Quanto maggiore è la quantità d acqua che il materiale trattiene, a parità di deformabilità, tanto maggiore è la sua plasticità. La plasticità è dunque una caratteristica positiva in una argilla ma fino ad un certo punto. Nella fase di essiccamento, indispensabile prima della cottura, avverrà per perdita di acqua Un ritiro eccessivo con: - variazioni dimensionabili poco controllabili; - possibili deformazioni e fessurazioni del pezzo. Un ritiro lineare intorno al 6% è da considerarsi normale quando un argilla allo stato plastico viene essiccata. Ritiri superiori all 8% sono inaccettabili. Se un argilla è troppo plastica per le lavorazioni cui è destinata, si dice che è grassa, ed è necessario smagrirla, cioè si usano additivi per correggere la plasticità delle argille. Prof. Luciano Cervelli 4
La cottura dell argilla Nel corso della cottura di un argilla avvengono le trasformazioni già viste per la caolinite ed in più a circa 800-900 il calcare reagisce ( CaCO 3(s) CaCO (s) + CO 2(g) ) mentre l anidride carbonica sfugge all impasto la calce viva è destinata a reagire con la silice e l allumina che provengono dalla caolinite: Anche gli ossidi di ferro fungono da fondenti cioè agevolano (in fase liquida) ulteriori reazioni. Tra i 1150 e 1280 anche i minerali come i feldspati fungono da fondenti. Riguardo alla facilità con cui si forma la fase liquida, le argille sono classificabili in - Argille refrattarie che rammolliscono sopra 1500 (nota che la caolinite fonde a 1700 ) - Argille vetrificabili che rammolliscono tra 1200 e 1500 - Argille fusibili che rammolliscono sotto i 1200 Il diverso comportamento dipende dalla composizione delle diverse argille. Prof. Luciano Cervelli 5
L'uso dell'argilla nel tempo Sviluppo Europa Vicino Oriente Estremo Oriente Figurine di argilla cotta Dolni Vestonice (Cecoslovacchia) 30000 Tuc D'Audubert (Francia) ca 15000 Maliq (Albania) 10000 - - Ceramica - Anatolia 8500-8000 Giappone 10.000 Forni - Iran VII millennio Cina 4800-4200 Tornio - Iran 3500 Cina 2600-1700 Mattoni crudi - Palestina 8200-7600 Zagros 7500-6300 - Mattoni cotti - Sumer 1500 - "Stoneware" Germania XIV sec. - Cina 1400-1200 Ceramica invetriata - 1500 Cina 1028-927 Porcellana Germania 1709 Francia 1768 - Cina IX-X sec. d.c. Giappone 1616 "Bone-china" Inghilterra fine XVIII sec. - - Rif. ( it.wikipedia.org/ - www.mattoneromano.it/storia.htm - Dall'argilla al vaso. Cairoli Fulvio Giuliani, 1990 La Nuova Italia Scientifica - www.geologia.com/area.../rocce/rocce_home.html - ANDIL, ASSOLATERIZI- ASSOCIAZIONE NAZIONALE DEGLI INDUSTRIALI DI LATERIZI, CASA SICURA ) Prof. Luciano Cervelli 6