I materiali ceramici tradizionali
Corso di Laurea in Ingegneria Edile
(A.A. 2020‐21)Corso di “Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata”
(Prof. Fabio Iucolano)
Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università Federico II di Napoli
I materiali ceramici
Definizione
Materiali inorganici non metallici, costituiti da elementi metallici e non metallici legati tra loro da legami ionici e/o covalenti.
Materiali Ceramici Tradizionali (MCT)
Materiali Ceramici
Avanzati (MCA) Vetri Leganti
Materie prime naturali
(argilla, silice, feldspati)
Materie prime di sintesi
Refrattari
I materiali ceramici tradizionali (MCT)
I materiali ceramici tradizionali 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)
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 29.000 e 25.000 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’Estremo Oriente, in particolare 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.
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 600‐900 d.C. in Cina, solo agli inizi del 1700 si produsse in Sassonia la prima porcellana Europea (Venezia, Limonges, Parigi, Capodimonte).
La storia della ceramica
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 Oggetti per tavola o cucina
Oggetti ornamentali
Stoviglieria
Ceramica artistica Industria Materiali per elettronica e chimica
Costruzioni di forni
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
Le proprietà dei M.C.T. dipendono dalla loro struttura atomica, caratterizzata da forti legami direzionali e dall’assenza di elettroni liberi.
Proprietà tipiche dei MCT
‐ 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
Leganti (cemento)
Materie prime (argilla e calcare)
cottura
macinazione
impasto con acqua
messa in opera (formatura)
indurimento
Materiali Ceramici Tradizionali
Materie prime (argilla) formatura
(impasto acqua argilla) essiccazione
cottura copertura
2a cottura
decorazione 3a cottura
operazioni facoltative, in toto o in parte, con ordine variabile
Cicli di produzione: leganti vs MCT
La produzione dei MCT
Preparazione dell’impasto
con acqua Formatura
Essiccamento (prodotto crudo)
Cottura
Rivestimento
(vetrinatura o smaltatura) ed eventuale decorazione
Cottura Monocottura
smaltata
Materie prime
Ceramici non smaltati (es. Laterizi)
Bicottura smaltata Rivestimento
(vetrinatura o smaltatura) ed eventuale decorazione
Cottura
Funzione Plastificante
Materie prime
Funzione Strutturale
Complementari Argilla
(Refrattarietà, plasticità)
Smagranti
(Silice, chamotte)
Feldspati, Carbonati
Rivestimenti (Vetri, smalti)
Colori (Ossidi metallici)
Funzione Fondente
Produzione dei MCT
Argilla
Materia prima fondamentale per la preparazione dei materiali ceramici tradizionali (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. E’
costituita principalmente da alluminosilicati idrati, appartenenti alla classe dei fillosilicati.
xAl2O3 ∙ ySiO2∙ zH2O
Cava di argilla
Cava di caolino
Argilla
Caolinite
Microstruttura di un caolino
ossigeno ossidrile silicio alluminio
Foglietto tetraedrico (T)
S T R A T
O Foglietto ottaedrico (O)
La struttura delle argille
Strati a due foglietti Strati a tre foglietti
H
2O
La struttura delle argille
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.
La plasticità
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 7‐10% (stato secco)
• massa plastica che prende e conserva la forma impartita per manipolazione o lavorazione meccanica se la % di acqua sale al 10‐30% (stato plastico)
• sospensione acquosa (barbottina) se il contenuto di acqua è superiore al 30%.
Sistema acqua ‐ argilla
N.B.: i valori percentuali di acqua sono indicativi e dipendono dal tipo di argilla.
Acqua legata Acqua libera
Cristallo lamellare
Sistema acqua ‐ argilla
Acqua d’impasto: < 10%
Stato secco: i cristalli sono costretti a condividere totalmente l’acqua legata e non hanno mobilità reciproca.
Il comportamento reologico dipende dal rapporto acqua d’impasto/argilla
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
Acqua d’impasto: >30‐40%
Stato fluido (barbottina): i cristalli non condividono gli strati di acqua legata e sono reciprocamente indipendenti.
Sistema acqua ‐ argilla
Cristallo lamellare Acqua
legata Acqua
libera
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 durante la fase di cottura.
Smagranti
La sabbia è una roccia sedimentaria incoerente che può avere origini diverse.
Quella usata come smagrante è di costituzione silicea (SiO2) e contiene elevati tenori di quarzo, la forma di silice stabile a temperatura ambiente.
La sabbia silicea
La sabbia silicea
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.
Tale espansione va in parte a bilanciare il forte ritiro che subisce il manufatto in cottura a causa della disidratazione dell’argilla (~14%).
%
°C
Espansione
%
573°C
Fondenti
%
I fondenti sono materiali, in genere di origine naturale (quindi minerali e rocce) che hanno la funzione di ridurre la T alla quale in un manufatto in cottura inizia a formarsi un fluido viscoso.
Hanno temperature di fusione più basse dei costituenti base dei manufatti ceramici (silice e allumina), ma hanno la proprietà di ridurre ulteriormente la temperatura di fusione, se presenti in miscela con essi.
I principali fondenti per ceramici convenzionali sono
i carbonati ed i feldspati .
Fondenti
%
I feldspati sono alluminosilicati di potassio (ortoclasio), sodio (albite) o calcio (anortite) e fanno parte delle rocce eruttive. Appartengono alla classe dei tectosilicati, e sono i minerali più diffusi sulla crosta terrestre, costituendone circa il 60%.
Sono adatti ad alte temperature di cottura (1100‐1500°C), e danno luogo a prodotti a struttura compatta.
Fase Formula Tf (°C)
Quarzo SiO2 ~1550
Corindone Al2O3 2054
Albite NaAlSi3O8 1118
Anortite Ca AlSi2O8 1550
Ortoclasio KAlSi3O8 1150
I carbonati si utilizzano per prodotti porosi, cotti a bassa temperatura:
CaCO
3→ CaO + CO
2 T = 900°CMaterie prime complementari
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.
Nella tecnologia ceramica i termini vetrina (o vernice) e smalto vengono spesso usati indifferentemente.
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 metodo di formatura viene scelto in base alle caratteristiche del materiale, alle dimensioni, alla forma del prodotto, al volume produttivo e soprattutto dipende dal contenuto d’acqua dell’impasto.
Formatura
‐ Pressatura (a)
5‐7% acqua
Piastrelle, stoviglie
‐ Estrusione (b)
15‐20% acqua Piastrelle, laterizi
‐ Colaggio (c)
35‐40% acqua Sanitari
Formatura
Formatura per colaggio
Essiccamento
Lo scopo dell’essiccamento è duplice:
(1) Deve evitare che l’evaporazione dell’acqua d’impasto si verifichi nel forno di cottura, limitando così la contrazione volumetrica.
(2) Deve rendere l’oggetto crudo sufficientemente manipolabile per le successive operazioni di vetrinatura, decorazione, trasporto, ecc..
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).
La velocità di evaporazione di acqua dall’oggetto deve essere paragonabile a quella di diffusione dell’acqua nel manufatto.
Cottura
‐ 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= 1250‐
1450 °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 e si 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)
La cottura è l’operazione atta a provocare una modificazione fondamentale delle proprietà del prodotto crudo, e fornire un manufatto dotato di resistenza meccanica e chimica oltre che di bell’aspetto.
Trasformazioni durante la cottura
(a) Ceramico poroso (b) Ceramico compatto
Forni
I forni per la cottura di materiali ceramici possono essere a tunnel o intermittenti.
‐ Quelli più diffusi sono quelli a tunnel dove il materiale da cuocere attraversa il forno su carrelli o rulli.
‐ L’aria di combustione entra controcorrente e si preriscalda a spese del materiale cotto, mentre i prodotti di combustione vengono mandati al camino percorrendo l’altra metà del tunnel e quindi cedendo calore al materiale in ingresso.
‐ Con questo tipo di forni si ottiene un riscaldamento progressivo e una cottura omogenea del prodotto.
Forni a tunnel
Forni a tunnel
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.
12
5.5 12
25
Mattone
pieno UNI Mattone
semipieno UNI
Mattone semipieno doppio UNI
12 25
Mattoni forati
Tavella Tavellone
Coppo
Elemento per solai
Embrice Laterizi per falde di copertura
Laterizi: tipologie
Piastrelle
Ne esistono di innumerevoli forme, dimensioni, colori e caratteristiche.
Possono essere divise in piastrelle per la pavimentazione (particolarmente resistenti all'usura, agli urti, al tempo e al calpestio), e piastrelle per il rivestimento (meno resistenti, ma caratterizzate da un particolare pregio estetico).
Le piastrelle per gli ambienti esterni sono caratterizzate da una buona resistenza agli agenti atmosferici, in maniera particolare al gelo, mentre le piastrelle per interni, devono garantire un'alta resistenza all'usura e calpestio, come anche alle sostanze acide.
Infine, in base alla finitura (smaltatura, levigatura o lappatura), più o meno precisa, e in base ai difetti caratteristici di ogni singola piastrella, si determina la classificazione di prima, seconda e terza scelta.
Cotto
Faenze e maioliche Terraglie
Grés rosso
Grés fine porcellanato Clinker
porosità
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
A: formatura per estrusione B: formatura per pressatura
Piastrelle di ceramica
‐ UNI EN 14411:2016 ‐
Tipo Rivest. Assorb.
d’acqua
Peso (kg/m2)
Spessore (mm)
Uso prevalente Classificazione EN
Maiolica sì 12-25 10-12 5-7 Rivestimenti
interni
BIII
Cottoforte sì 7-15 14-16 9-11 Pavimenti
interni
BIIb, BIII Monocot-
tura chiara
sì 0-7 18-20 8-10 Pavim. interni
ed esterni
BIa, BIb, BIIa Monocot-
tura rossa
sì 0-10 16-23 8-10 Pavim. interni
ed esterni
BIa, BIb, BIIa, BIIb, BIII
Terraglia bianca
sì 10-20 10-12 5-7 Rivestimenti
interni
BIIb, BIII Clinker sì/no 0-7 20-25 20-30 Pavim. interni
ed esterni
AI, AIIa, AIIb
Cotto no 3-15 20-25 25-30 Pavim. interni
ed esterni
AIIa, AIIb, AIII Grés
rosso
sì 0-4 18-20 8-10 Pavim. interni
ed esterni
BIa, BIb, BIIa Grés por-
cellanato
sì/no 0-0.5 18-22 8-10 Pavim. interni ed esterni
BIa
