Scienza e ingegneria dei materiali Esercizi per il secondo esonero

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Scienza e ingegneria dei materiali  Esercizi per il secondo esonero

Antonio Licciulli

Corso di scienza e ingegneria dei materiali

Leganti

❑Dare la definizione di leganti aerei e idraulici nell’edilizia quindi

descrivere il meccanismo di presa e indurimento del cemento portland

❑

❑Il meccanismo di presa e

indurimento della malta di calce

❑

❑ Dare la definizione di legante aereo. Descrivere il processo di presa e indurimento della malta di calce

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Il calcestruzzo

❑ Il calcestruzzo, dare la definizione e discutere del ruolo del rapporto acqua/cemento sulla preparazione e le proprietà dei manufatti.

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Il cemento portland

❑ Silicato tricalcico e silicato

bicalcico (C3S e C2S). Come si ottengono e quali sono le reazioni di idratazione che

consentono l’azione legante del

cemento portland.

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Il cemento e gli additivi

❑Il legante idraulico per eccellenza, ovvero il cemento portland.

Descriverne la composizione il ruolo degli additivi quali gesso, ceneri volanti, pozzolana, loppa etc.

❑Cenni alla suddivisione dei cementi secondo UNI EN 197-1

❑(Tipo 1 2 3 4 5)

Ettringite nel cemento

❑Descrivere la reazione di presa

e indurimento del cemento portland. Spiegare la differenza tra ettringite primaria e

ettringite secondaria.

❑ Gli effetti positivi della prima

nella presa del cemento e quelli

avversi della seconda nella

durabilità.

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Ettringite nel cemento

❑Descrivere la reazione di presa

e indurimento del cemento portland. Spiegare la differenza tra ettringite primaria e

ettringite secondaria.

❑ Gli effetti positivi della prima

nella presa del cemento e quelli avversi della seconda nella durabilità.

Composizione del calcestruzzo

Un calcestruzzo deve avere un dosaggio minimo di cemento di 280Kg/m³. E' prescritto un rapporto H₂O/cemento a/

c= 0,6 calcolare la quantità in peso di inerte da aggiungere note le densità dei due componenti:

❑densità cemento = 3100Kg/m³

❑densità inerte = 2700Kg/m³

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Ricetta per calcestruzzo

Devono essere prodotti 10m³ di calcestruzzo con un rapporto (in peso)

cemento:sabbia:pietrisco= 1:1,8:2,8.

Per ogni sacco di cemento da 50Kg occorrono 25 litri d’acqua.

Trascurando l’acqua assorbita dall’inerte calcolare le dosi necessarie esprimendo:

-Cemento in sacchi -Acqua in litri

-Sabbia e pietrisco in Kg

❑densità cemento = 3100Kg/m³

❑ densità inerte = 2700Kg/m³

Malta di calce

❑ Calcolare le quantità in peso per preparare un metro cubo di malta di calce con le proporzioni un volume: calce idrata (CaOH) 1, inerte 2, acqua 0,7.

Le densità dei due componenti:

❑densità calce idrata = 2240Kg/m³

❑densità inerte = 2400Kg/m³_.

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La presa del gesso

❑Descrivere la reazione di presa del gesso. Spiegare perché il gesso non può essere impiegato in esterno o in ambienti umidi.

Proprietà meccaniche

❑Calcolare la resistenza a

compressione (in Pa) di un muro in calcestruzzo sapendo che nei test di laboratorio i cubetti da 10cm di lato si sono rotti a compressione ad un carico di 60 tonnellate

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Proprietà meccaniche

❑Calcolare la resistenza a

compressione (in Pa) di un muro in calcestruzzo sapendo che nei test di laboratorio i cubetti da 10cm di lato si sono rotti a compressione ad un carico di 60 tonnellate

Gli ingredienti del vetro

❑In un vetro sodico calcico dire quali delle seguenti affermazioni è vera:

a) il SiO₂ è stabilizzante, il NaO abbassa la Tg

b) il SiO₂ è vetrificante, il CaO riduce la solubilità in acqua c) il SiO₂ è vetrificante, il NaO

fondente, il CaO stabilizzate d) il NaO è vetrificante, il SiO₂ fondente, il CaO aumenta la refrattarietà

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Vetri si vetri no 

❑Dare la definizione di

materiali vetrosi secondo la ASTM. Secondo questa definizione i materiali polimerici amorfi possono essere considerati vetri?

Similmente i metalli non ricristallizzati dopo la fusione ricadono nella famiglia dei vetri?

Il vetro cristallo

❑Il vetro cristallo (vetro al piombo

30% in peso) si ottiene dalla fusione di Na

₂

CO

₃

, Pb

₃

O

₄

, CaCO

₃

,e SiO

₂

. La composizione desiderata in peso è: di 8% Na

₂

O, 2% Ca0 30% PbO e 60%

SiO

₂

.

❑

Calcolare le dosi in peso necessarie

alla produzione di 1 tonnellata di

vetro. (pesi atomici: Pb 207,2 Si

28,08, Ca 40,07, Na 22,989, O 15,99,

C 12,01)

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Proprietà reologiche dei vetri

❑Dallo stato fuso alla temperatura di transizione vetrosa: spiegare

l’importanza di conoscere la viscosità dei vetri durante la loro produzione.

Proprietà reologiche dei vetri 

❑ Viscosità e lavorabilità del vetro:

il lessico (definizione e significato) dei punti di riferimento al variare della temperatura nei processi di produzione e lavorazione.

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Il vetro sodalime

❑ Indicare la composizione del vetro sodico calcico e specificare l’influenza dei diversi ossidi sulle proprietà e sulla lavorazione del vetro

❑

Tecnologia vetraria

❑ Il vetro borosilicato si

ottiene dalla fusione di

Na

₂

CO

₃

, AlOOH, B

₂

O

₃

e SiO

₂

. La composizione desiderata è: di 4% Na

₂

O, 13% B

₂

0

₃

3%

Al

₂

O

₃

e 80% SiO

₂

.

❑

Calcolare le dosi in peso

necessarie alla produzione di

1 tonnellata di vetro.

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Ancora vetro

❑Il vetro sodalime (silico sodico calcico) si ottiene dalla fusione di Na₂CO₃, AlOOH, Ca₂CO,e SiO₂. La composizione desiderata in peso è: di 13% Na₂O, 10% Ca0 3% Al₂O₃ e 73% SiO₂.

❑Calcolare le dosi in peso necessarie alla produzione di 1 tonnellata di vetro.

Ricetta per il vetro

Il vetro comune (sodalime) si ottiene dalla fusione di Na

₂

CO

₃

, CaCO

₃

e SiO

₂

. La composizione desiderata è: di 15% Na

₂

O, 10% CaO e 75% SiO

₂

.

I carbonati si decompongono liberando CO

₂

gassosa.

Calcolare le dosi in peso delle materie

prime necessarie alla produzione di 1

tonnellata di vetro.

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Il gorilla glass

❑Il vetro degli smartphones è un vetro allumino silicato temprato chimicamente commercializzato da Corning sotto il nome Gorilla Glass. Il vetro corning si ottiene dalla fusione di MgO, Na₂CO₃, AlOOH, K₂CO₃ e SiO₂. La composizione desiderata è: di 12,7% Na₂O, 3,6% K₂O, 3,7% MgO 17,2% Al₂O₃ e 62,8% SiO₂. Calcolare le dosi in peso necessarie alla produzione di 1 Kg di gorilla.

❑Peso atomici Al 26,98 Mg 24,31 O15,99, K 39,10, Si 28,09, Na 22,99, C 12,01

La sinterizzazione dei materiali ceramici

❑ Discutere la sinterizzazione dei materiali ceramici. Focalizzare la discussione alla sinterizzazione con fase viscosa

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Formazione della tialite

❑La Tialite (Al₂TiO₅) è un materiale ceramico molto resistente alle temperature e agli shock termici.

Per la sua sintesi si ricorre alla reazione ad alta temperatura di bohemite (AlOOH) e titania (TiO₂).

Calcolare le quantità in peso di ciascuno dei due componenti occorrenti per la sintesi di un chilogrammo di tialite.

❑Peso atomici Al 26,98 Ti 47,88 O15,99

Resistenza agli shock termici

❑ Quando un materiale ceramico viene scaldato non omogeneamente la parte calda è sottoposta a stress in compressione e quella fredda a trazione

❑ Data la maggiore resistenza in compressione, le fratture avvengono sulla superficie in fase di raffreddamento

❑ Lo stress che si registra sulla superficie di corpi regolari quali cilindri, sfere cave e piene durante il raffreddamento è pari a:

❑ σ_th = EαΔT/(1-ν)

❑Alla rottura ΔT_max= R

❑ σMOR = EαR/(1-ν)

❑ Da cui discende la differenza massima di temperatura per la

T

₁

T

₂

σ

th

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Calcolo della densità di un green di Al2O3

❑ Stimare la densità di un green di allumina densamente

impacchettato formato da particelle sferiche di 25micron.

Cosa accadrebbe con un diametro di 10micron? Cosa accadrebbe con l'aggiunta del 20%volume di

particelle più piccole adatte ad occupare gli interstizi?

❑Svolgimento 

Si calcola la calcola la frazione di volume occupato in una cella unitaria a facce cubiche (massima densità di impacchettamento):

4 X 1,33pr³/16 x 21/2r3 = 0.7405 Si moltiplica la frazione per la

densità dell'allumina 3,96g/cm³ d = 0.7405 x 3,95 = 2,93g/cm³ aggiungendo la frazione degli

interstizi di particelle più fini  d = (0,20 x 3,96 + 2,93)g/cm³= 3,72g/cm³

Stress termico sui rivestimenti

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Shock termico

❑ Calcolare la resistenza agli shock termici (ΔΤ_max=R) del Si₃N₄sapendo:

- la resistenza meccanica 450Mpa -Il modulo di Young 290GPa

- Il coefficiente di espansione termica 2,92*10^-6 K^-1 -Coefficiente di Poisson 0,25

R = σ_MOR(1-ν)/Eα -

Stress termico su smalti ceramici

❑ Indicare se una fritta ceramica da applicare su un biscotto debba avere coefficiente di espansione termica maggiore o minore di quello del biscotto stesso.

❑In quale caso si ha un aumento della resistenza a trazione e flessione? 

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Espansione termica

❑ Calcolare la densità dell'allumina a 1000°C. Si assuma nel range

20-1000°C un coefficiente di espansione termica α pari a 8*10^-6K^-1.

❑ d _allumina = 3,96g/cm³

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Pentole invetriate

❑Una pentola metallica è stata ricoperta da uno smalto vetroso sottile. Calcolare la massima temperatura alla quale può essere portata la pentola senza che lo smalto si fessuri. Si supponga che la pentola alla temperatura iniziale: T₀=20°C sia priva di tensioni.

Sono dati:

❑coefficiente di dilatazione termica del vetro

❑a_V=8x10^-6 °C^-1

❑coefficiente di dilatazione termica del metallo a_M=15x10^-6 °C^-1

❑sforzo di rottura del vetro s_V=60MPa

❑modulo di Young del vetro E=40GPa

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Lo scambiatore di calore

❑Un tubo di rame di uno scambiatore di calore è stato verniciato da uno smalto vetroso e fragile. Calcolare la massima temperatura alla quale può essere portata la condotta senza che la vernice si fessuri.

Si supponga che la condotta alla

temperatura iniziale: T₀=50°C sia priva di tensioni.

❑Sono dati:

coefficiente di dilatazione termica del vetro a_V=9x10^-6 °C^-1

coefficiente di dilatazione termica del metallo a_M=17x10^-6 °C^-1

sforzo di rottura dello smalto s_V=50MPa modulo di Young dello smalto E=50GPa

Monomero mer e polimero

❑ Dal monomero al polimero. Dare la definizione di reazione di

polimerizzazione e descrivere uno dei meccanismi di polimerizzazione descritti a lezione

❑

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Tg nei polimeri

❑Discutere l’evoluzione delle proprietà dei polimeri termoplastici facendo riferimento in particolare alla temperatura di transizione vetrosa

Polimeri

❑ Proprietà e applicazioni dei polimeri amorfi sopra e sotto la temperatura di transizione vetrosa.

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Polimeri, rigidità, resistenza e temperatura

❑Discutere la resistenza meccanica di un polimero semicristallino in funzione della temperatura correlandola con le variazioni di rigidità riportate di seguito.

I polimeri

❑Abbinare le classi dei materiali polimerici alle affermazioni riportate sotto

❑a) Termoplastici

❑b) Termoindurenti

❑c) Elastomeri

❑

❑(___) amorfi, rigidi, non possono essere riformati

❑ (___) cristallini o amorfi, rigidi al di sotto di una temperatura

❑ (___)presentano comportamento elastico in un ampio range di deformazioni possono essere riformati attraverso riscaldamento.

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Grado di polimerizzazione e peso molecolare

❑ Calcolare il peso molecolare di una molecola di PVC con un grado di polimerizzazione di 1000

❑ MW_Cl = 35,45

❑ MW_C = 12

❑ MW_H= 1

Polimerizzazione del polietilene

La polimerizzazione del polietilene per poliaddizione è iniziata dalla dissociazione del perossido di idrogeno:

H₂O₂ ➔ 2OH•

Calcolare la quantità in peso percentuale da aggiungere all’etilene per ottenere un grado di polimerizzazione di 750.

Si supponga che tutti i gruppi si trasformino in gruppi terminali delle molecole

OH HO

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Peso molecolare e grado di polimerizzazione e

❑ Calcolare il grado di polimerizzazione di una molecola di PVC con peso molecolare di 40.000g/mol

❑ MW_Cl = 35,45

❑ MW_C = 12

❑ MW_H= 1

Polimerizzazione del prolipropilene

❑La polimerizzazione del polipropilene per poliaddizione è iniziata dalla dissociazione del perossido di benzoile:

[C₆H₅C(O)]₂O₂ → 2C₆H₅CO₂•

❑ Calcolare la quantità in peso percentuale da aggiungere all’etilene per ottenere un grado di polimerizzazione di 800.

❑ Si supponga che tutti i gruppi si trasformino in gruppi terminali delle molecole

❑

(22)

Lunghezza estesa di una molecola di polietilene

❑ Un campione di polietilene ha un grado di polimerizzazione pari a 750.

Calcolare la lunghezza estesa di una molecola media sapendo che la

lunghezza di un singolo legame C-C è 0,154nm, l’angolo di legame C-C-C è 109,5°

Rigidità e resistenza dei polimeri

❑ Descrivere la variazione della rigidità e della resistenza dei polimeri semicristallini in funzione della temperatura

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Gomma siliconica

❑Calcolare il grado di polimerizzazione e la lunghezza estesa di una gomma siliconica avente peso

molecolare 25.000g/mol. Ricordiamo che la lunghezza di un singolo legame Si-O è 0,163nm, l’angolo di legame Si-O-Si è 130°. (pesi atomici: Si 28,08, O 15,99, C 12,01)

Composito a fibre lunghe

❑ Un composito rinforzato con fibre di carbonio continue ed allineate ha il 50% in volume di fibre (modulo 400GPa e

resistenza 5GPa) ed il 50%di resina poliestere (modulo 3,4GPa, resistenza 40MPa).

❑ Calcolare il modulo di elasticità e la resistenza a massima nella direzione longitudinale (fasi in parallelo)

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Composito 1D

❑Calcolare il modulo di Young longitudinale (fasi in parallelo) di un poliestere rinforzato con il 40% di fibre di carbonio.

❑Calcolare il carico tensile massimo applicabile su una barra di tale composito

❑Dati:

Ef = 300GPa Em = 6,9GPa

Resistenza a trazione fibra di carbonio 3500MPa

Resistenza del poliestere 50MPa

Materiali compositi In un composito uno

dimensionale a fibre lunghe a matrice duttile il carico è applicato in serie e parallelo alle fibre dire cosa è vero:

a) in serie modulo alto e alta resistenza

b) in parallelo alto modulo e alta resistenza

c) in serie bassa resistenza alta duttilità

d) in parallelo basso modulo alta resistenza

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A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi

Modulo di Young longitudinale

❑Applicando la condizione di isostrain:

ε_cl = ε_m = ε_f =Δl/l

Il carico applicato P_c si ripartisce tra fibra e matrice P_c = P_f + P_m

Ossia indicando le sezioni trasverse, del composito A_c,delle fibre A_f e della matrice A_m

σ_clA_c = σ_fA_f + σ_mA_m= (E_fA_f+E_mA_m)ε_cl

σcl = E_clεcl = (E_fA_f/A_c + E_mA_m/A_c) ε_cl = (E_fV_f +E_mV_m)ε_cl

❑Quindi:

E_cl = E_fV_f +E_mV_m σ _cl = σ _fV_f + σ _mV_m

Modulo di un polimero fibrorinforzato

❑ Calcolare il modulo di Young longitudinale (fasi in parallelo) di un poliestere rinforzato con il 50% di fibre di carbonio

❑Dati:

E_f = 72,4GPa E_m= 6,9GPa

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Composito PMC 1D

❑Un composito a matrice poliuretanica rinforzato con fibre di carbonio continue ed allineate ha il 55% in volume di fibre (densità 1,85g/cm³, modulo 300GPa e resistenza 2,5GPa) ed il 45%di resina poliuretanica (densità 1,08g/cm³, modulo 1,5GPa, resistenza 40MPa).

❑Calcolare la densità, quindi il modulo di elasticità, la resistenza a trazione nella direzione longitudinale (fasi in

parallelo) e nella direzione trasversale (fasi in serie).