Corso di Tecnologia dei Materiali ed Elementi di...
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Corso di Tecnologia dei Materiali ed Elementi di Chimica
Docente: Dr. Giorgio Pia
Per ch'io mi volsi, e vidimi davantee sotto i piedi un lago che per gelo avea di vetro e non d'acqua sembiante.
Dante, La Divina Commedia, Inferno XXXII
Il vetro
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Il principale impiego dei vetri nell’ambito dell’edilizia storicaconsiste nella realizzazione delle lastre per finestre, daconsiderarsi una difficile conquista tecnica.
La loro funzione è quella di permettere il passaggio dellaluce naturale e quindi l’illuminazione degli ambienti interni,impedendo nel contempo l’ingresso degli agenti meteoriciquali l’acqua ed il vento; per questo ruolo il vetro è unmateriale pressoché ideale, se consideriamo che tra le suecaratteristiche vi sono anche la durabilità e la facilità dipulizia.
Tra gli impieghi complementari di questo materiale nonpossono non citarsi quelli di grande valenza artistica qualile tessere per mosaici.
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Basilica di san Vitale, Ravenna (epoca Bizantina).
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Duomo di Monreale (epoca Bizantina).
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Cattedrale di Strasburgo.
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Cattedrale di Notre-Dame, Parigi.
4La colorazione di questi vetri poteva essere intrinseca, dimassa, oppure su un vetro sostanzialmente incolore siapplicava su una delle due facce una polvere colorata, a suavolta vetrosa, che si faceva aderire a seguito di trattamentoin forni a circa 600°C.
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Basilica di Saint-Denis.
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Basilica di Saint-Denis.
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Basilica di Canterbury.
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Basilica di Canterbury.
5 Secondo una leggenda la scoperta della tecnica per lafabbricazione del vetro è legata a un episodio casuale. Unanave di commercianti di salnitro naufragò presso le spondedella Fenicia. Volendo cucinare sulla sabbia, i naufraghiusarono pezzi di salnitro al posto delle pietre per delimitareil focolare. A contatto con il fuoco, il salnitro mischiato allasabbia si trasformò in un liquido nuovo e trasparente che inbreve si solidificò. Era il vetro.
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Pur potendo far risalire la preparazione dei primi vetri(barrette, perline e contenitori realizzati applicando ilmateriale reso “pastoso” dal riscaldamento su nucleisagomati in terra) ad alcuni millenni a.C.(ritrovamenti di in area mesopotamica ed egizia), lacapacità di produrlo in lastre atte alla chiusura dellefinestre è molto più recente.
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Attualmente la documentazione archeologica indicauna regolare ma quantitativamente limitataproduzione e quindi applicazione del vetro perfinestre, nell’area Mediterranea, verso la fine del Isecolo a.C. Nella stessa epoca, forse non a caso, èdocumentata la tecnica della “soffiatura” checonsente una lavorazione decisamente più veloce edun prodotto di migliore qualità anche nell’ottenimentodi contenitori (vasi e bicchieri); questo sviluppo nasceprobabilmente in area siro-palestinese, ma coinvolgerapidamente anche Roma.
8 A Pompei, distrutta dall’eruzione del Vesuvio del 79d.C., sono state rinvenute lastre per finestra condimensioni che arrivano a 70x100 cm, e spessori dicirca 1 cm, di colore prevalentemente verde (tipicodella presenza di ferro come impurezza delle materieprime). Alcune lastre presentano una facciasmerigliata. Lastre della Britannia romana hannospessori di pochi millimetri e colori blu-verdastri.
Ma bisogna arrivare verso la metà del 1400 pervedere, in Europa, l’impiego sistematico di lastre allefinestre degli edifici principali delle città. La Figuramostra una miniatura del 1450 nella quale la presenzadi vetri alla finestra è esplicitamente esibita.
Il vetro
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Vetri alle finestre, nella metà del XV secolo.
9È però nel ‘600 che si assiste, in particolare in Franciaed in Inghilterra, inizialmente con l’impiego dimaestranze veneziane (la città lagunare era da secoliun riconosciuto centro produttivo di oggetti in vetro eancora oggi la piccola isola di Murano è unimportante punto di riferimento per la produzione divetri artistici) ad un netto miglioramento dellacapacità di produrre lastre di buona dimensione e diqualità costante; il mercato che stimolò la tecnica erasoprattutto quello dei grandi specchi e delle carrozze.
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10 L’apoteosi dell’edificio storico con grandi lastre di vetrotrasparente, e struttura portante in colonnine di ghisa, fu ilCrystal Palace costruito a Londra nel 1851 in occasione dellaGreat Exibition. La costruzione venne smontata e riposizionatanel 1854 e restò un’attrazione fino al 1936 quando vennedistrutto da un incendio.
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Palazzo di Cristallo, 1850-1851.
Il vetro
Palazzo di Cristallo, 1850-1851.
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Palazzo di Cristallo, 1850-1851.
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Milano, Galleria Vittorio Emanuele II, 1865-1878.
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Milano, Galleria Vittorio Emanuele II, 1865-1878.
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Milano, Galleria Vittorio Emanuele II, 1865-1878.
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11 Il vetro è un “solido” molto diverso da tutti quelli sinoad ora considerati in questa trattazione, caratterizzatida una successione sostanzialmente regolare di atomisu una grande scala dimensionale.
Sia i materiali “mineralici” (naturali o artificiali chesiano, ed i cui atomi sono connessi da legamidirezionali e che quindi risultano intrinsecamentefragili come rocce, gesso, calci, cementi e loro derivati)che i metalli (i cui legami sono non direzionali, ciò cheli rende intrinsecamente plastici in quanto deformabilisenza rottura almeno per un certo grado), sonocaratterizzati da reticoli cristallini ben definiti e tipiciper ciascun materiale.
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12 Gli atomi costituenti i vetri sono invece combinati instrutture che hanno un ordine solamente alle brevidistanze (a corto raggio) ma che diventanorapidamente disordinati già per lunghezze di 1 nm(10-6 mm).
In effetti la microstruttura del vetro è analoga aquella di un liquido ed infatti attraverso la fase liquidasi passa per formare i vetri con la fusione dellematerie prime. La grande viscosità di questi sistemipari quantitativamente a 1022 volte quella dell’acqua,impedisce, durante la solidificazione, la normaleriorganizzazione degli atomi incapaci di riformaresistemi cristallini. Si può dire che il vetro è un liquidoche ha una forma definita su scala macroscopica soloperché ha una grandissima viscosità.
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Quarzo cristallino
Silice fusa
Vetro calcio-sodico
13 La composizione chimica del vetro “da finestra” si èmantenuta, nel tempo, sostanzialmente invariata. Ladisponibilità delle materie prime non è mai stata unabarriera tecnologica.
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Il componente base è la silice, SiO2, largamente reperibile sugran parte della superficie terrestre data la sua stabilitàchimica e meccanica sotto forma ad esempio di sabbiaquarzosa.
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La silice svolge proprio il ruolo di “vetrificante” (formatoredel vetro).
Indispensabili componenti per poter contare su un prodottofacilmente lavorabile alle temperature accessibili agli antichi,intorno ai 1000°C, è la presenza di alcali quali Na2O e K2O (ifondenti), disponibili sotto forma di carbonati nelle ceneri deivegetali.
14 Il sodio derivava in prevalenza dalle piante che crescono inprossimità del mare, mentre il potassio da quelle piùmarcatamente continentali; un’analisi delle ceneri dellaSalsola Kali L. che cresce sulle coste del Mediterraneo hadato: Na2O=17%, K2O=9%, SiO2=7%, CaO=16%, CO2=33%.
Un terzo componente importante di questi vetri è il CaO,derivante dalla calcite, CaCO3, dei comunissimi calcari, (oche si può trovare quale impurezza nelle altre materieprime) che svolge il ruolo di stabilizzante chimico.
Proprio per la presenza come componenti indispensabili(insieme alla silice) della calce (CaO) e della soda (Na2O)oggi il comune vetro per finestre viene definito anche vetrocalce-soda.
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15La relazione tra la temperatura e la viscosità del vetro è digrande importanza tecnologica. La viscosità è una misuradella capacità di un corpo, non solo liquido ma anche gas osolido, di scorrere, fluire, deformarsi quando è soggetto aforze (o tensioni, con riferimento alla superficie di carico). LaFigura riporta una tipica curva viscosità vs. temperatura diun vetro calce-soda.
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“punto di lavorazione”, (per il vetro calce-soda intornoai 1000 °C), il vetro è “solido” ma ancora deformabileda consentire una agevole formatura;
“punto di rammollimento” (a circa 700 °C), al quale ilmateriale pur avendo acquisito una maggioreconsistenza si deforma ancora sotto il proprio peso;
“punto di ricottura”, (a 600 °C), al quale il vetro puòrilasciare/attenuare lo stato di stress microstrutturalederivante dalla “solidificazione”;
“punto di tensione”,(a circa 500 °C), oltre il quale sipuò raffreddare velocemente senza che ciò comportilo sviluppo di tensioni che portino a rotture.
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Ai fini della lavorazione la presenza nella composizione di PbO abbassasignificativamente la temperatura di rammollimento, come può vedersi dai datiriassunti nella Tabella.
PbO, % SiO2, % Punto di rammollimento, °C Indice di rifrazione
21 63 625 1.54
58 35 580 1.97
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Con queste indicazioni è possibile capire e tratteggiare le varie tecniche di lavorazione impiegabili per la realizzazione delle lastre.
Si hanno:
Laminazione con rullo di una colata; si operava con getti fino a 10 kg, il tempo di rullaggio era inferiore a un minuto, il raffreddamento richiedeva oltre una settimana; era richiesta infine la molatura delle superfici e la politura finale con feltri;
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Soffiatura di una bolla successivamente spianata e rifilata; lasciava nella parte centrale un inconfondibile rigonfiamento (occhio di bue); rispetto alla laminazione col rullo consentiva in genere una migliore qualità della superficie e di risparmiare le fasi di molatura e politura;
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Soffiatura di un cilindro e successiva apertura longitudinale e distensione; adattata alla soffiatura meccanica, per grandi superfici verso la fine dell’800;
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Moderna tecnica di laminazione;Il “float glass” su bagno di stagno fuso, a partire dal 1959.
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Le caratteristiche più importanti del vetro nell’edilizia storica ed in largaparte anche contemporanea sono quelle ottiche: la trasparenza alla lucenaturale ed il colore. Nelle prestazioni per le applicazioni attuali sonoinvece sempre più importanti anche quelle energetiche e della sicurezza(vetri temprati, retinati e multi-strato).
La funzione tradizionale della lastra di vetro è quella di consentirel’illuminazione naturale degli ambienti interni degli edifici (tenendopresente anche quanto sia recente l’illuminazione elettrica ed il suo costoenergetico) pur garantendo una efficace barriera agli agenti meteorici(acqua, vento). Come noto, la luce visibile (all’occhio umano) è un insiemedi radiazioni elettromagnetiche (spettro) di lunghezze d’onda compreso tracirca 0.40 e 0.76 μm. Ristretti intervalli di lunghezza d’onda tra questi limitisono percepiti come “colore”, come riassunto nella Figura.
Il vetro
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Un materiale è trasparente alla luce se tra i suoi componenti non esistonorecettori in grado di assorbirla attraverso la conversione in fenomeni qualila transizione elettronica tra livelli energetici differenti, le rotazioni o levibrazioni dei legami tra gli atomi.
E questa situazione si verifica nel vetro trasparente, praticamente puro, nelquale gli atomi costituenti, ad esempio Ossigeno, sono in grado di assorbirela radiazione solo per lunghezze d’onda inferiore al violetto (ultravioletto)mentre il legame Si – O assorbe energia vibrazionale solo oltre il rosso(infrarosso). Riguardo a quest’ultimo punto si osserva che “l’effetto serra”delle superfici vetrate è legato proprio al fatto che mentre la radiazionevisibile può penetrare, quella infrarossa emessa dagli oggetti presentiall’interno dell’ambiente chiuso, è bloccata per assorbimento dalla materiacostituente il vetro.
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Il vetro, come tutta la materia, può assumere un “colore” percepibile all’occhioumano quando alcuni dei suoi componenti, in questo caso presenti come impurezzee/o intenzionalmente aggiunti allo scopo, assorbe le componenti dello spettro diradiazione elettromagnetica ad esclusione della specifica banda (di colore). LaTabella riporta alcuni ioni ed elementi cromofori tipicamente impiegati/presenti suivetri.
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Le percentuali degli elementi coloranti nella composizione dei vetri sono ingenere limitate a poche unità percentuali, talvolta a meno dell’1%. Glieffetti coloranti dipendono in parte anche dalla natura di base del vetro(sodica, potassica, piombica).
I colori delle tessere di mosaico e delle figure delle vetrate sonoeccezionalmente vari a causa della presenza di più elementi cromofori,delle caratteristiche non sempre costanti dell’atmosfera (ossidante vs.riducente) dei forni, del riciclo di vetro “vecchio”, della presenza di bolle edaltre eterogeneità.
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La brillantezza del vetro è un attributo dei vetri “al piombo”, peraltro utilizzati quasiesclusivamente nelle stoviglierie e nell’oggettistica ornamentale piuttosto che per lelastre. Come noto, l’indice di rifrazione è il rapporto tra le velocità della lucenell’aria (nel vuoto) e nel solido trasparente ed è la caratteristica fisica associataalla percezione della brillantezza del vetro. Si osserva infine che i vetri più brillantisono definiti correntemente “cristalli”, termine che è un evidente controsenso dalpunto di vista fisico.
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Il vetro è un materiale duro, difficilmente scalfibile, ma è anche un materiale fragilee quindi in esso le scalfiture hanno un effetto marcato di concentrazione degli sforzie quindi sulla rottura.
Nella scala decimale empirica di Mohs la durezza del vetro comune ha un valorecoincidente con quella del quarzo, cioè circa 7 (il diamante ha 10, la calcite 3).
Il carattere tipicamente fragile del vetro lo porta a sviluppare rotture condeformazioni trascurabili e per livelli di sforzo che dipendono non tanto dalle suecaratteristiche meccaniche intrinseche, che sono elevatissime, quanto da microdifetti (lesioni, graffi) e dall’umidità ambientale (la molecola polare dell’acquaagisce fortemente sugli apici delle lesioni.
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La Figura mostra gli effetti di intaglio di una rigatura sulla superficie del vetro.
Per una lastra di moderna produzione si può stimare una resistenza a trazione di80÷100 N/mm2 ed un modulo elastico di 70 kN/mm2.
Rete di microlesioni sviluppate da una riga di abrasione.
Il Vetro
Principali tipi di vetro
Il loro coefficiente di dilatazione termica è piuttosto alto e per questo motivo non possono essere soggetti a sbalzi termici rilevanti. Il gradiente di temperatura tra superficie esterna ed interna genera delle tensioni che portano ad una repentina rottura.
Il Vetro
Principali tipi di vetro
Per usi domestici e di laboratorio si utilizzano i vetri al borosilicato. Con l’aggiunta di anidride borica si hanno dei vetri in grado di resistere all’attacco chimico e ad elevati sbalzi termici.
Il Vetro
Principali tipi di vetro
Il Vetro
Caratteristiche meccaniche
Tipi di VetroE
(GPa)σc
(MPa)σt
(MPa)Durezza Vickers
(100 g)
Tenacità a frattura
(MPa m0.5)
sodico-calcici 66 1000 80-100 540-580 0.75
al borosilicato 60 1000 80-100 550-660 0.77
silice 73 100-120 700-750 0.79
Il Vetro
Proprietà ottiche
Abbiamo visto anche dei vetri colorati ottenuti mediante l’utilizzo di ioni metallici o di sostanze, che dopo la ricottura, risultano disperse colloidalmente.
Il Vetro
Proprietà termiche
L’intercapedine può contenere aria asciutta oppure, nel caso si ricerchi un isolamento migliorato, essa potrà contenere dell’Argon.
Il Vetro
Proprietà termiche
In questi casi ovviamente si ha anche una riduzione della luminosità negli ambienti.
Il Vetro
Proprietà acustiche
Il Vetro
Vetri di sicurezza
Il Vetro
Vetri temprati – tempra termica
Una volta temprati i vetri non possono essere più lavorati.
Il Vetro
Vetri temprati – tempra chimica
Una volta temprati i vetri non possono essere più lavorati.
Il Vetro
Paragoni tra tempra chimica e termica
Il Vetro
Vetri stratificati
Materiali dell’Edilizia Storica
I MATERIALI NATURALI
IL LEGNO
IL LEGNO
DOCUMENTAZIONE STORICA
Ricostruzione di una capanna in materiali vegetali (Antico Egitto).
DOCUMENTAZIONE STORICA
Materiali vegetali attualmente utilizzati in edilizia (Medio Oriente).
IL LEGNO
DOCUMENTAZIONE STORICA
Tomba del complesso Zoser (Antico Egitto, III millennio a.C.);i fregi scolpiti sulla pietra richiama le costruzioni in materiali vegetali.
IL LEGNO
DOCUMENTAZIONE STORICA
Rappresentazioni della lavorazione del legno nell’antica Roma.
IL LEGNO
DOCUMENTAZIONE STORICA
Rappresentazioni della lavorazione del legno nel XV secolo.
IL LEGNO
CARATTERISTICHE GENERALI
Sollecitazioni
IL LEGNO
CARATTERISTICHE GENERALI
Sezione di un trasversale di un albero. (a) corteccia esterna, (b) corteccia interna, (c) cambio, (d) alburno, (e) durame, (f) midollo, (g) raggi midollari.
IL LEGNO
CARATTERISTICHE GENERALI
Sezione trasversale con evidenti anelli annuali di crescita.
IL LEGNO
CARATTERISTICHE GENERALI
Strutture componenti del legno.
IL LEGNO
CARATTERISTICHE GENERALI
Gli alberi vengono suddivisi in due grandi famiglie:
legno dolce e legno duro.
Una prima distinzione la si può fare semplicemente guardando il seme, infatti seesso è esposto allora l’albero è di legno dolce, viceversa se il seme è coperto il legnosarà duro.
Solitamente sono di legno dolce le piante sempreverdi, mentre sono di legno durogli alberi decidui.
I primi sono teneri, mentre i secondi sono duri, anche se non mancano le eccezioni.
Fanno parte della prima categoria: l’abete, l’abete rosso, il pino e il cedro; mentredella seconda: l’olmo, l’acero, la betulla e il ciliegio.
IL LEGNO
CARATTERISTICHE GENERALI
Allo stato fresco il legno può avere un contenuto d’acqua anche fino al 50% in peso.
Le caratteristiche meccaniche sono fortemente dipendenti dal contenuto di umidità presente nei pori.
Una componente di notevole importanza è anche il ritiro determinato dalla stagionatura o dalle variazioni di umidità al contorno. Il cambiamento dimensionale avviene in forma diversa secondo l’asse del taglio:
in direzione longitudinale può raggiungere il 15%, in direzione perpendicolare è molto più ridotta, circa 0.1%.
IL LEGNO
CARATTERISTICHE GENERALI
Microstruttura del legno dolce (sinistra) e duro (destra).
IL LEGNO
CARATTERISTICHE GENERALI
IL LEGNO
Ritiro e distorsione di sezioni di un tronco.
