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Materiali argillosi
Percorsi Abilitanti Speciali
Classe A016
Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico
pro
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Roma, 28 febbraio 2014
02
Materia prima
2 SiO2 Al2O3 2H2O + Fe2O3 H2O
In effetti però gli impasti di argille utilizzati sono molto eterogenei e sono predisposti a tollerare
la presenza di materiali di tipo diverso.
La principale virtù dell’argilla è quella di essere un materiale facilmente plasmabile e
modellabile: si tratta dei sedimenti a grana più fine presenti sulla superficie terrestre (<2μ).
La proprietà essenziale è la plasticità ovvero la capacità di acquistare, mediante l’aggiunta di
acqua, una lavorabilità tale che l’impasto possa assumere la forma, le dimensioni e le
caratteristiche prestazionali desiderate in maniera stabile (anche a seguito di contatto con
l’acqua).
Entro determinati limiti si tratta di una proprietà reversibile. L’argilla è in grado di assorbire
fino al 70% del proprio peso.
L’argilla è una roccia sedimentaria composta essenzialmente da silicato idrato di alluminio
(detto caolino) e da ossido di ferro (che conferisce al prodotto, dopo la cottura, il caratteristico
colore rosso).
Argilla.
ANDIL Associazione Nazionale degli Industriali dei Laterizi.
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Materiali ceramici
Ceramiche
Pasta porosa
Pasta compatta
Terracotta
Laterizi
Maioliche
Gres
Porcellane
800°
2000°
Refrattari
vetrina
1000°-1250°
1350°
Clinker
1200°-1300°
800°-1150°
I prodotti a pasta porosa, ovvero permeabili, sono facilmente scalfibili e soggetti ad una
maggiore usura. I prodotti a pasta compatta, ovvero impermeabili, hanno notevole resistenza
alla scalfittura e quindi all’usura. La compattezza della pasta dipende dalla composizione
dell’argilla e dalla temperatura di cottura.
Bertolini, L. Materiali da costruzione, Città Studi Edizioni, Novara 2006.
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Cenni storici
Il laterizio è un materiale da costruzione
artificiale, vario per forma e dimensione,
ottenuto dalla cottura di argilla
opportunamente preparata, modellata,
essiccata e cotta.
Le prime testimonianze dell’utilizzo del
laterizio in un insediamento urbano risalgono
all’VIII millennio a.C. e si riferiscono alla città
di Gerico, in Giordania: tuttavia si trattava di
elementi di argilla cotti al sole.
È con l’architettura romana che si giunge ad
una canonizzazione definitiva della tecnica
costruttiva in laterizio: il mattone era
prevalentemente utilizzato per realizzare
murature tripartite (dette opus testaceum)
costituite da due paramenti in laterizio
necessarie a contenere il nucleo centrale della
muratura realizzato in conglomerato
cementizio.
Muro con elementi in laterizio, Gerico (PS).
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Cenni storici
Alla cottura dei mattoni si arrivò,
probabilmente, intorno al I sec. a.C., grazie
all’abilità delle maestranze romane che ne
definirono i metodi.
I laterizi destinati alla cottura erano
fabbricati con argilla impastata con acqua e
spesso con sabbia, paglia o pozzolana fine in
modesta quantità.
L’impasto compresso a mano in una forma
parallelepipeda di legno, veniva fatto
essiccare all’aria, infine, venivano cotti nelle
fornaci alla temperatura di circa 800 °C.
Mercati Traianei, II sec. d.C., Roma (I).
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Processo produttivo del laterizio
In generale, la produzione di laterizi comporta le seguenti fasi:
1. Estrazione dell’argilla
L’estrazione di argilla si ottiene meccanicamente in cave a cielo aperto, in giacimenti
superficiali o poco profondi.
2. Preparazione
La fase di preparazione consiste in una serie di operazioni attraverso le quali si ottiene un
impasto omogeneo. Si divide in quattro fasi: stagionatura (esposizione della materia prima agli
agenti atmosferici per almeno 15 giorni), cernita (scelta della materia prima previa eliminazione
di eventuali sostanze estranee), macinazione (frantumazione del materiale fino a renderlo della
grandezza necessaria) e impasto (formazione della pasta acqua argilla).
Alcune delle fasi iniziali di estrazione e preparazione dell’impasto di argilla.
Fabbri, B. ; Dondi, M. La produzione di laterizio in Italia, Faenza editrice, Faenza 1995.
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Argille magre e grasse
L’argilla, a seconda della composizione, può essere classificata in:
1. argilla grassa, se prevale la parte attiva e quindi le particelle finissime;
2. argilla magra, se prevale la parte inerte costituita da minerali allo stato cristallino.
Se l’argilla è troppo magra l’impasto risulta difficilmente lavorabile e, soprattutto, non resiste
alle alte temperature; viceversa, l’argilla troppo grassa subisce in fase di cottura un ritiro
eccessivo e quindi la formazione di tensioni interne e screpolature superficiali.
Nell’antichità i prodotti smagranti utilizzanti,
prodotti necessari a evitare che si compromettessero
la morfologia, le dimensioni e la resistenza
meccanica dell’elemento, erano la paglia (che ha una
buona resistenza a trazione) e lo sterco di vacca;
attualmente i più diffusi sono la sabbia di quarzo, le
polveri di roccia calcarea, le polveri e le sabbie di
pietra naturali e il vetro in polvere.
Prototipo in pasta di argilla troppo grassa: già in fase
di essiccazione l’elemento ha manifestato un forte
ritiro con conseguenti lesioni e screpolature.
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Laterizio alleggerito in pasta
Un possibile additivo dell’argilla è quello necessario alla formazione
di piccole cavità uniformemente distribuite.
Il laterizio alleggerito in pasta o alveolato o porizzato è
un’innovazione degli anni sessanta-settanta dello scorso secolo: si
tratta di una novità, favorita dalla crisi energetica di quegli stessi
anni, che permette di ottenere degli alveoli, fra loro non
comunicanti, diffusi uniformemente nella massa di argilla.
La dimensione dei grani, che in fase di cottura vengono combusti
lasciando vuota la sede occupata, non deve essere superiore a 2,5
mm.
La densità del laterizio è mediamente di 1.600,0-1.800,0 kg/m3: con
l’alleggerimento tale valore scende a 450,0-800,0 kg/m3 (UNI
8942/1).
Gli additivi maggiormente utilizzati per la creazione di tali pori sono segatura, perlite,
polistirolo espanso, fango di cartiera e fibre di carta oltre agli scarti di carbone.
Alcune materie prime alleggerenti:
1. segatura di legno;
2. sansa di olive esausta;
3. microsfere di polistirolo espanso.
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Laterizio alleggerito in pasta
Il laterizio alleggerito in pasta è facilmente riconoscibile anche ad occhio nudo.
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Perlite
Struttura dei granuli evidenziata mediante immagini raccolte
con microscopio a scansione elettronica (SEM).
La perlite è una roccia vulcanica effusiva di colore variabile tra il grigio e il rosa, classificabile
dal punto di vista chimico-fisico come vetro siliceo.
Diversamente dalle altre rocce vetrose, la perlite ha la capacità di espandere il proprio volume
fino a 20 volte rispetto a quello originale quando viene portata ad elevate temperature,
prossime al suo punto di rammollimento: tale possibilità è dovuta alla presenza di acqua rimasta
confinata nella porosità chiusa della roccia per effetto del repentino raffreddamento in fase di
fuoriuscita del magma.
Quando viene sottoposta a temperature comprese tra gli 850 e i 1.000° C, la roccia si espande
per la vaporizzazione dell’acqua: in questo processo irreversibile si generano internamente ai
granuli delle bolle che conferiscono alla roccia espansa eccezionale leggerezza e ottimo
comportamento termico.
La struttura dei granuli è caratterizzata dalla presenza di
porosità aperte (canali) e chiuse (celle e cavità isolate):
viene impiegato per alleggerire il laterizio e il calcestruzzo.
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Processo produttivo del laterizio
3. Modellatura
La modellatura può avvenire con blocchiere (per
ottenere prodotti per stampaggio) o con filiere (per
ottenere prodotti per estrusione).
La produzione con filiere (nata nei Paesi Bassi
all’inizio dell’ottocento), essendo continua, è più
economica di quella con blocchiera: si ricorre a
quest’ultima solamente nei casi di impossibilità di
produzione per estrusione (ad esempio piastrelle o
manti di copertura).
4. Essiccamento
L’essiccamento si ottiene per via naturale o
artificiale mediante il passaggio di aria calda e
secca tra gli elementi. Tale fase, che spesso
avviene recuperando l’aria dal forno, è necessaria
per evitare che la cottura di materiale umido
produca ritiri e fessurazioni.
In passato l’essiccamento avveniva all’aria aperta
mentre oggi vengono utilizzati essiccatoi statici (a
camera), continui (a tunnel) o rapidi (a rulli).
Estrusione con filiera.
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Processo produttivo del laterizio
5. Cottura
Durante la cottura l’argilla perde la sua plasticità. La cottura avviene in forni Hoffman (a fuoco
mobile e materiale fisso, a pianta circolare o ellittica) o in forni a tunnel (a fuoco fisso e
materiale mobile disposto su carrelli). La cottura avviene a temperature comprese tra 900° e
1050°C e serve ad eliminare completamente l’acqua e, quindi, a stabilizzare definitivamente
l’elemento.
6. Stoccaggio o reggiatura
Una volta controllati, imballati e confezionati in pacchi montati su pallet, i prodotti, prima della
spedizione, vengono temporaneamente depositati in piazzali.
Cottura e confezionamento di elementi in laterizio.
Facincani, E. I laterizi, Faenza editrice, Faenza 2001.
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Forno Hoffmann
L’invenzione del Forno Hoffmann è dovuta a Hoffmann e Licht (1858): con il forno a fiamma
continua la produzione di elementi in laterizio conobbe una straordinaria evoluzione. Il forno è
formato da due gallerie, con volta curva in materiale refrattario; durante il funzionamento, le
gallerie sono chiuse da portoni e collegate da una apertura su ciascuna delle testate, in modo da
permettere il passaggio dei gas da una galleria all’altra. Il forno è diviso idealmente in quattro
zone la cui funzione è dettata dalla posizione dei bruciatori: zona di carico/scarico del prodotto
secco/cotto, zona di preriscaldo, zona di cottura vera e propria, zona di raffreddamento.
Il sistema di funzionamento è caratterizzato da una zona di combustione formata da bruciatori a
gas, olio o carbone che si muove mentre il materiale resta fermo. Questo tipo di forno, vista
l’impossibilità di automatizzare le operazioni di carico e scarico, è stato sostituito dal più
moderno ed efficiente forno a tunnel.
Galleria di un forno Hoffmann. Pianta.
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Fase di cottura
Carro forno con materiale cotto. Carro forno con materiale secco.
Nella fase di cottura si possono distinguere le seguenti fasi:
1. fino a 120°C si ha una perdita di acqua dell’impasto e quindi una reversibilità plastica;
2. tra 120° e 700°C si ha una perdita di acqua di combinazione e si rimane nel campo della
reversibilità plastica;
3. oltre i 600°C il ritiro aumenta notevolmente per l’avvicinamento dei granuli disidratati;
4. tra i 700° e i 1200°C si ha la solidificazione (i manufatti possono assorbire acqua in grande
quantità senza avere un’alterazione di stato) e si entra nel campo dell’irreversibilità plastica;
5. superati i 1200°C si ha la vetrificazione e fonditura dell’impasto.
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Colore del mattone
Il colore dei materiali ceramici dipende da:
1. la composizione dell’argilla (percentuali di ferro e manganese differente determinano un
colore che varia dal giallo ocra al rosso bruno);
2. il tempo di cottura;
3. la temperatura di cottura;
4. la percentuale di ossigeno presente nell’impasto.
All’uscita dal forno i laterizi possono essere suddivisi, a seconda del grado di cottura, in tre
categorie:
1. albasi, elementi poco cotti, di colore giallo, eccessiva porosità e scarsa resistenza meccanica;
2. mezzani o forti, elementi ben cotti, di colore rosso mattone, giustamente porosi;
3. ferrioli, elementi troppo cotti, di colore scuro, pesanti, parzialmente vetrificati, non porosi e
quindi con scarsa aderenza alle malte.
Laterizi con differenti soluzioni cromatiche.
“Oserei affermare che in fatto di
praticità costruttiva nessun materiale
è più conveniente del mattone: non
crudo beninteso, ma cotto; purché si
ponga la massima cura nel cuocerlo e
nel dargli la forma”.
Alberti, L. B.
De re aedificatoria, Genova 1452
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Processo produttivo del laterizio
Estrazione
Preparazione
Modellatura
Essiccamento
Cottura
Stoccaggio
Stagionatura
Cernita
Impasto
Macinazione
Estrusione
Stampaggio
Diagramma delle varie fasi di produzione del laterizio.
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Riqualificazione delle cave
AA.VV. La riqualificazione ambientale delle cave d’argilla, Laterservice editore, Roma 2005.
Cava in fase di estrazione e riqualificata.
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Trasporto
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Il ricorso a fonti di approvvigionamento distanti dalle fornaci può
comportare un forte impatto ambientale dovuto al trasporto di
materie prime. Fortunatamente la maggioranza delle Regioni non
denota problemi nel reperimento di argille in quanto le cave sono
per lo più (il 65% del totale) a meno di 10,0 km dagli stabilimenti.
Paolella, A. Architettura sostenibile e laterizio, Edizioni ambiente, Roma 2009.
Trasporto manuale e
meccanico.
Percentuale di cave situate ad una distanza dagli stabilimenti inferiore a 10 km.
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Demolizione
Hotel Post, Dobel (D): smontaggio della copertura e del rivestimento di facciata.
43% Pietra arenaria
8% Legno non trattato
6% Altro
2% Legno
3% Tegole in laterizio
37% Frazione mineraria
1% Metalli
Percentuali di materiali omogenei raccolti.
Demolizione con esplosivo.
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Impianti di trattamenti inerti
Materiale in
entrata
Controllo
merceologico
Pesatura
Stoccaggio
temporaneo
Materiale non
idoneo
Controllo
merceologico Terra naturale (4%
ca.)
Materiali ferrosi
(0,1% ca.) Deferrizzazione
Frazione leggera
(0,2%)
Selezione di
materiali inerti
Diagramma di funzionamento.
Impianto di Navacchio (PI).
Frantumazione
Alimentazione
Impianti R.O.S.E.
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Riuso e riciclaggio del laterizio
Alcuni esempi di lastre in laterizio e resina.
Scarti di laterizio per la produzione di campi da tennis.
Inerti naturali e riciclati.
AA.VV. Secondo rapporto ambientale dell’industria italiana dei laterizi, Laterservice editore, Roma 2005.
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Riuso e riciclaggio
Pannelli di rivestimento per interni.
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Grobelny, A. e Carlier P. L., Residenze Taviel, Saint Omer (F) 1997
Baratta, A. “Le ali della libertà: esperienza francese di demolizione selettiva di un penitenziario”, Materiali edili, Milano, n. 66
(ottobre-novembre 2005), pp. 66-71.
Pianta piano terra.
Prospettiva.
Fronte principale.
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Grobelny, A. e Carlier P. L., Residenze Taviel, Saint Omer (F) 1997
Recupero e lavorazione degli elementi in laterizio.
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Feiden Clegg Architects, Uffici, Garston (UK) 1997-98
Edificio per uffici realizzato con mattoni recuperati.
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Comportamento in uso: caratteristiche meccaniche
Il laterizio, così come i prodotti ceramici in genere, ha un’ottima resistenza a compressione ma
una scarsa resistenza a trazione e a flessione.
Un elemento pieno in laterizio (mattone) raggiunge un carico di rottura a compressione di 250-
350 kg/cm2 (25-35 N/mm2).
Un’importante proprietà dei materiali ceramici è la fragilità, ovvero il comportamento all’urto:
tale valore è direttamente proporzionato alla temperatura di cottura.
Un materiale fragile pur avendo una buona resistenza a compressione e/o trazione, deve essere
utilizzato per scopi strutturali con grande attenzione perché non ha una fase plastica: in un
materiale fragile la rottura si verifica con una separazione netta di strati adiacenti mentre in un
materiale che ha una fase plastica prima della rottura si verifica uno scorrimento tra strati
adiacenti che comporta una strozzatura del materiale.
Prova di compressione assiale su muratura.
Fabbri, B. ; Dondi, M. Caratteristiche e difetti del laterizio, Faenza editrice, Faenza 1995.
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Comportamento in uso: caratteristiche tecnologiche
Comunemente, per efflorescenze (dal latino efflorescĕre, cominciare a fiorire) si intendono quei
depositi biancastri che si manifestano sulle murature dovute ai Sali solubili che migrano in
superficie quando l’acqua nella quale sono contenuti si dissolve evaporando.
La condizione necessaria alla formazione delle efflorescenze è la presenza contemporanea di
Sali solubili, acqua e aria.
Dopo aver sciolto i Sali portandoli in soluzione, quando l’acqua evapora e il muro si asciuga la
soluzione salina si concentra in superficie, poiché la stessa acqua evaporando li porta verso
l’esterno, diventando deposito. Si tratta di una manifestazione che altera l’aspetto delle
murature faccia a vista, dal momento che il deposito avviene in superficie: molto più di rado
provoca delle scagliature del materiale che possono confondersi con quelle provocate dal gelo.
Il fenomeno deve essere comunque controllato anche nei casi di murature intonacate poiché la
cristallizzazione dei Sali in superficie, comportando una espansione, può essere causa di
distacco dell’intonaco stesso.
Fenomeni di efflorescenze su un paramento murario
in laterizio faccia a vista.
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Comportamento in uso: caratteristiche tecnologiche
I Sali che determinano le efflorescenze possono essere contenuti in eccesso nel materiale
(eccesso di solfati alcalini nell’argilla) o derivare dalla reazione dei solfati dell’argilla con gli
alcali del cemento. Nella muratura in laterizio le efflorescenze possono essere causate dalla
presenza della malta applicata tra i diversi corsi di elementi. Generalmente il fenomeno
dell’efflorescenza scompare quando i Sali contenuti nel materiale si esauriscono. I Sali che
danno luogo alle comuni efflorescenze biancastre sono i solfati di sodio e potassio (solfati
alcalini), il solfato di calcio, il solfato di magnesio, il carbonato di calcio e i cloruri di sodio e
potassio.
Fenomeni di efflorescenze e di umidità.
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Comportamento in uso: caratteristiche tecnologiche
Il salnitro (nome popolare del nitrato di
potassio), diffuso soprattutto negli edifici rurali,
viene spesso erroneamente abbinato
all’efflorescenza.
Si tratta di una combinazione di nitrato di
potassio, calcio e magnesio che si trova nel
terreno e che può migrare nelle murature non
correttamente impermeabilizzate favorito dalla
continuità esistente tra i vari strati.
Il diffuso nitrato di calcio cristallizza in
condizioni ambientali normali ed è fortemente
igroscopico, per cui provoca sulla muratura una
fascia umida mentre la parte sottostante appare
asciutta e non degradata.
A differenza delle efflorescenze, il salnitro non
sparisce quando i Sali scompaiono.
Gli effetti visibili del salnitro.
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Comportamento in uso
Jan Vermeer
La stradina, Delft (NL) 1659-1661.
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Comportamento in uso: caratteristiche tecnologiche
Il degrado per gelività si determina in relazione alla struttura microporosa del materiale.
L’acqua penetra inizialmente nei pori più grandi, dove gela a pressione atmosferica e a 0°C;
l’aumento di volume dovuto alla formazione di ghiaccio non produce, in questo caso, tensioni
tali da provocare rotture tuttavia determina la spinta dell’acqua liquida verso i pori più piccoli o
capillari (10-4÷10-6 m di diametro) dove gela a temperature tanto più basse quanto maggiore è la
pressione interstiziale. Nel processo di gelo e disgelo si determina, in corrispondenza dei
micropori, un affaticamento del materiale che ne provoca la rottura. Per questo i materiali con
elevata percentuale di pori di piccolo diametro sono meno resistenti al gelo di quelli con elevata
percentuale di pori di grande diametro.
Lo scartellamento è il tipico deterioramento da gelività.
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Comportamento in uso: caratteristiche tecnologiche
Un materiale può essere considerato durevole quando
la sua “vita in servizio efficiente” (performance) è
equiparabile al tempo richiesto dall'ecosistema per
riassorbire i vari impatti sull’ambiente a esso correlati.
In genere i materiali ceramici, se impiegati con gli
opportuni accorgimenti, hanno durata secolare.
Durata (in anni) di alcuni elementi edilizi.
0 20 40 60 80 100
Rivestimenti
Murature in laterizio
Impianti
Serramenti
de Klerk, M. Eigen Haard,
Amsterdam (NL) 1913-20.
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