I MATERIALI NELLA TRADIZIONE COSTRUTTIVA:LA PRODUZIONE DEL LATERIZIO E LE SUE CARATTERISTICHE CHIMICHE E FISICHE

Prof.re  P.Abbatichio

            Il materiale che tratteremo in questo seminario, è un materiale abbastanza povero di materia prima ricco di energia da spendere per ottenerlo e molto ricco come tipo di utilizzazione nel campo edilizio. Ci riferiamo alle TERRE COTTE o ai MATERIALI CERAMICI che sono molto diversi fra di loro, se non per la materia prima, ma molto dalla tecnologia di produzione. Nella nuova nomenclatura s’intendono materiali ceramici, tutti quei materiali caratterizzati da legami covalenti e che hanno più o meno le stesse proprietà, in altre parole sono materiali a bassa conducibilità termica e materiali duri e fragili nello stesso tempo. In passato per materiali ceramici, si intendevano solo i materiali utilizzati nell’edilizia, ovvero laterizi e le piastrelle di vario tipo per le varie utilizzazioni quali pavimenti, decorazioni, rivestimenti esterni, oltre ai sanitari stessi che sono materiali ceramici di tipo particolare. Secondo questa classificazione universale, la parola ceramica deriva dal greco: ceramica=terra cotta, mentre secondo la moderna dizione vi fanno parte tutti i materiali naturali che sono silicati, vetri, rocce (SiO₂ +Al₂O₃ 85% crosta terrestre), da materiale pozzolanico (utilizzato nel campo dei leganti idraulici), oppure i materiali artificiali quali i vetri prodotti dall’uomo a partire dalla sabbia silicea, i laterizi propriamente detti, i leganti aerei e idraulici e per finire i refrattari. Infine ci sono i materiali speciali a base di particolari tipi di ossidi che hanno particolari applicazioni nel campo industriale.

Dopo aver fatto questa prima classificazione vediamo ore quali sono le proprietà generali che rimangono invariate per tutta la gamma di questi prodotti diversificati e sono:

1)     legame covalente prevalente, è un legame molto forte il che è difficile allontanare gli atomi uniti da questi legami, dalle posizioni di equilibrio, quindi è più facile rompere il materiale che non far si che si allontanino e quindi deformare il materiale;

2)     durezza elevata, ovvero la capacità di non deformarsi anche superficialmente, si possono applicare carichi sul materiale senza che esso si deformi;

3)     fragilità, ovvero è l’incapacità di assorbire un urto;

4)     elevata stabilità chimica, sono materiali non facilmente reattivi, che non si sciolgono in acqua e che non sono attaccati facilmente dagli agenti chimici, e dopo il trattamento tecnologico che produce il bene di consumo, in pratica il bene da utilizzare, abbiamo semplicemente una maggiore stabilità chimica;

5)     isolanti elettrici (eccezione: i carburi);

6)     isolanti termici, esaltata da porosità e che può essere controllata da alcuni processi tecnologici;

Non hanno temperatura di fusione ma di rammollimento, questo sempre in conseguenza dal fatto che questi materiali non sono costituiti, almeno la maggior parte, da materiali puri, ma da una miscela di alcuni componenti e per cui è più facile parlare di temperatura di rammollimento e non di fusione che rappresenta il passaggio dalla fase solida a quella liquida e non a stadi intermedi. Essendo questi materiali, strutturalmente formati da più componenti è facile che l’innalzamento di temperatura, provochi prima il rammollimento cioè una tendenza del materiale a perdere, sotto un certo carico, la sua rigidità e poi ad uno stato liquido, molto difficile in quanto si devono raggiungere temperature molto elevate.

LE MATERIE PRIME

Le materie prime utilizzate per la produzione di questi materiali ceramici sono costituite specialmente da argilla, o meglio da famiglie di elementi argillosi che hanno in comune una matrice costituita essenzialmente da Silice e Allumina, alcune proprietà fisiche, tipo la plasticità (fenomeno ottenuto mescolando le argille con acqua, che genera un impasto plastico) che dipende dal rapporto acqua – materiale. In rapporti ben determinati si ha la possibilità di lavorare le argille con altri materiali ed anche la possibilità di dare una forma all’oggetto e quindi di conservarla. Questo è il concetto di plasticità dovuto all’impasto acqua – argilla che è una caratteristica di tutti i minerali. Invece quello che differenzia tutti i materiali argillosi è:

-        l’abito cristallino;

-        il rapporto fra Silice e Allumina;

-        contenuto di impurezze;

 I minerali argillosi di solito sono presenti come miscuglio nei banchi di argilla che si sfruttano come cave di materia prima per la produzione dei materiali ceramici. Tali materiali derivano da demolizione di alcuni silicati (molto abbondanti sulla crosta terrestre) per azione degli agenti atmosferici, acqua, cicli termici ed anche dall’anidride carbonica. Si definisce materiale argilloso di tipo caolinitico, un materiale che presenta un rapporto fra ossido e alluminio di silicio di 1:2 con molecole di acqua di cristallizzazione. Logicamente questi minerali argillosi, non sono di tipo caolinitico (altrimenti sarebbe un minerale abbastanza buono per questi materiali), ma accompagnati da altri minerali accessori quali : feldspati indecomposti, che facilitano la trasformazione in fase di cottura, i quarzi di sabbia silicea mista, i carbonati di calcio e di magnesio, ossidi di ferro che ne determinano la colorazione del materiale finito.

LE UNITA’ STRUTTURALI

Vi sono due unità strutturali diverse in cui sono organizzati il Silicio e l’Allumina. L’unità strutturale del Silicio è quella del tetraedro, che vede al centro del tetraedro un atomo di Silicio contornato da quattro atomi di Ossigeno, i quali a loro volta hanno la capacità di legarsi ad altri atomi si Silicio più altre unità strutturali, per cui questo si estende nello spazio formando delle catene di tetraedri. A sua volta l’Allumina forma degli strati esagonali, perché l’Allumina è formata da ottaedri.

PREPARAZIONE IMPASTO

Dopo la formazione dell’impasto acqua – argilla, per ottenere il materiale finito devo passare attraverso due procedure: uno è quello di essiccazione, l’altro è di cottura, che servono per stabilizzare l’oggetto e far si che diventi inerte, duro e abbia una certa resistenza meccanica. Nella fase di essiccazione, l’acqua che si trova intrappolata all’interno dell’impasto, è eliminata piano piano, man mano che si riscalda il materiale. Il riscaldamento del materiale avviene dall’esterno verso l’interno, e di conseguenza anche l’acqua è allontanata secondo questa direzione. Qui sorgono i primi problemi, perché l’acqua, presente allo stato di vapore all’interno del materiale, nel momento in cui cercherà di sviscerare verso l’esterno, troverà una resistenza opposta dallo strato esterno. Si vengono quindi a creare delle tensioni interne a discapito della forma dell’oggetto oppure si può verificare che il vapore accumulato durante la fase di essiccazione fuoriesca durante la fase di cottura, creando delle sollecitazioni interne maggiori a discapito della qualità finale del manufatto. Per eliminare questo problema si deve ridurre la plasticità dell’argilla, ottenuto mettendo nell’impasto un materiale chiamato chamot, ovvero argilla cotta a 500-600 °C priva di acqua di costituzione che si trasforma in un silico-alluminato di forma non meglio definita, che ha la proprietà di non riassorbire l’acqua persa per riscaldamento. Il grado di plasticità può essere dunque regolato dall’aggiunta di questo materiale all’argilla, dando quindi una maggiore consistenza al tutto. Un’altra caratteristica molto importante, di tipo strutturale, che devo avere il laterizio è la parte vetrosa, ovvero del silico-alluminato che, nella fase di raffreddamento , non riesce a cristallizzare ma assume una forma amorfa, cosiddetta vetrosa. Riassumendo, la struttura di un materiale argilloso, dev’essere formata da:

a-     cristalli di un composto che si forma fra silice e alluminio, durante la fase di cottura;

b-     parte vetrosa, durante la fase di raffreddamento;

c-     un certo numero di pori che esistono fra grano e grano;

Questi piccolissimi spazi che si creano fra sfera e sfera, vengono riempiti in parte dal vetro e in parte restano vuoti, e da ciò deriva il diverso grado di porosità fra i materiali. Possiamo dunque definire la porosità come una qualità che serve per assicurare una maggior coibentazione del materiale.

1)      Esame materie prime e loro preparazione:

a)     Analisi chimiche e mineralogiche per analisi. Archiviarne la qualità e usarle correttamente.

b)     Caratteristiche fisiche quali fluidità, plasticità.

c)     Preparazione per atmosferizzazione.

d)     Purificazione per levigazione (ceramica fine).

1)     Frantumazione e macinazione.

2)     Vagliatura.

3)     Dosaggio e miscelazione (a secco e a umido)

4)     Essiccazione barbottine.

L’esame consiste in un’analisi mineralogica degli elementi, utile in fase di scelta di utilizzazione del banco argilloso, vale a dire se è un’argilla mista allora è utilizzata per la produzione del laterizio, invece se è un’argilla di tipo caolinitico è destinata alla produzione di materiali di porcellana per i sanitari. Serve anche una preparazione, condotta in fase di estrazione, ponendo il materiale estratto sotto tettoie e ibernato. La purificazione in genere non è fatta per i laterizi, ma solo quando dalle analisi sono presenti dei sali solubili, responsabili di efflorescenze e di macchie biancastre sui laterizi, eliminabili ponendo il materiale argilloso entro l’acqua, in modo tale da sciogliere i sali. Per concludere abbiamo l’essiccazione che viene fatta entro forni in tufo in cui è regolata la tensione di vapore dell’acqua, in modo tale da impedire l’eliminazione immediata dell’acqua in superficie con successivo restringimento dei conci che formano l’oggetto. L’essiccazione può essere fatta anche in forni a camera, ovvero in stadi successivi, oppure con i forni a tunnel.

FASE DI COTTURA

Dopo questa prima parte, che può durare dalle 24 alle 48 ore, c’è la fase di cottura, che può essere fatta in forni a camere o in forni a tunnel con tempi abbastanza lunghi a causa del progressivo riscaldamento, prima, raffreddamento, dopo. Quali sono le trasformazioni in fase di cottura? L’argilla si trasforma in un composto duro e resistente, che si chiama mulite. Le temperature di cottura variano a seconda del materiale ceramico che si produce.

NORMATIVA

Definiamo, prodotti laterizi, i prodotti ceramici a pasta porosa sottoposti a monocottura, non rivestiti. Le materie prime sono le argille, non molto pure ma contenenti piccole quantità di gesso, solfati solubili (efflorescenze) e carbonato di calcio in moduli. Le paste per la preparazione di questi prodotti, sono al 20% di acqua, lavorate o per estrusione (laterizi forati) o per pressatura ( mattoni pieni), paste meno plastiche.

Caratteristiche richieste:

q      Resistenza alla gelività (dipende dalla porosità);

q      Permeabilità (tegole);

q      Resistenza a compressione (per i laterizi) 160Kg/cm²;

q      Resistenza a flessione (per i tavelloni);

Le resistenze meccaniche offerte dai laterizi, dipendono dal tipo di cottura a cui è stato sottoposto il materiale:

-        Cottura buona: mezzanello forti (rosso-opaco);

-        Cottura insufficiente: albasi (friabili) (rosa-giallo);

-        Cottura prolungata: ferrigni (vetrificato);