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Studio reologico di materiali da costruzione

L'industria delle costruzioni si trova di fronte a una vasta gamma di progetti pubblici e industriali in cui vengono utilizzati diversi tipi di materiali, da naturali a sintetici. Si tratta prevalentemente di compositi, come mattoni, cemento e calcestruzzo, e materiali modificati, come tessuti, schiume, vetro, metalli, plastica e ceramiche. Tutti questi materiali contribuiscono alla stabilità, alla funzionalità, alle proprietà isolanti, al controllo dell'umidità e alla resistenza al fuoco a lungo termine di un edificio. 

Comportamento reologico di materiali da costruzione

Le misure reologiche possono essere applicate a questi materiali per controllare la qualità, migliorare il comportamento di lavorazione e ottimizzare il comportamento a lungo termine dei prodotti finali.  

Materiali da costruzione solitamente misurati

Impasti ceramici

I materiali ceramici si presentano con svariate consistenze per diverse applicazioni. Gli impasti ceramici sono costituiti da molti componenti. Uno di questi componenti è l'argilla come il caolino, che è un silicato di potassio della caolinite minerale. Il caolino è anche chiamato argilla cinese per motivi storici ed è diventato famoso in tutto il mondo, ad esempio sotto forma di tazze da tè. Deriva dalla decomposizione e dalla trasformazione delle rocce di silicato. Il caolino puro è bianco come la neve; se miscelato con quarzo o feldspato diventa di colore grigio-giallo (caolino grezzo, sabbia caolino). Il caolino creato dalla meteorizzazione di granito e feldspato può essere trovato in molte località in tutto il mondo.

Nel settore dell'edilizia i materiali ceramici sono comunemente usati per piastrelle (per pavimenti, controsoffitti e caminetti), mattoni, isolanti e articoli sanitari. Qualunque sia la forma finale, all'inizio della catena di lavorazione la ceramica viene lavorata e trasportata sotto forma di un impasto.

Test reologici sugli impasti ceramici

Le caratteristiche di processo e di trasporto degli impasti semiliquidi sono fortemente dipendenti dalle loro proprietà reologiche. Conoscere i parametri reologici (come limite di scorrimento e viscosità) è quindi essenziale, in particolare quando si trasporta una grande quantità di impasto semiliquido. Con un reometro rotazionale, è possibile calcolare le curve del flusso e della viscosità e calcolare anche il limite di scorrimento. In reologia il limite di forza che deve essere superato per superare la rete di forze della struttura interna è descritto con il limite di scorrimento, ad es. durante il pompaggio dell'impasto. La misurazione del limite di scorrimento e della funzione di viscosità fornisce informazioni importanti per una migliore comprensione del comportamento del flusso degli impasti semiliquidi nei tubi. Aiuta anche a risolvere i problemi con gli impasti difficili da pompare. Le proprietà reologiche degli impasti ceramici possono essere influenzate variandone la composizione, ad es. la concentrazione volumetrica (quantità di acqua), gli additivi (solidi, polimeri, liquidi), la dimensione delle particelle, e dalle condizioni di processo come la temperatura di pompaggio o la velocità del flusso.

Questo test richiede un reometro.

Pavimenti compositi

Prima che il pavimento (parquet, laminato, piastrelle, vinile, ecc.) possa essere rifinito, è necessario posare come base un massetto o un pavimento composito. Esso serve come materiale di riempimento e di separazione tra il cemento e il pavimento e funge da strato di ripartizione del carico. Sotto il massetto possono anche essere installate apparecchiature di riscaldamento o materiale isolante acustico o termico.

Un pavimento composito è uno speciale tipo di pavimento che viene posato direttamente sul cemento ed è quindi completamente legato a esso. Questa composizione è idonea a sopportare tutti i tipi di forze dovute a deformazione, stress termico e carico del traffico, ma non fornisce isolamento acustico o termico. Pertanto, questi tipi di pavimenti si trovano principalmente in cantine, locali di deposito e come base per strade private, dove sono prevedibili carichi dinamici elevati. 

Test reologici su pavimenti compositi

Al fine di evitare danni dovuti ai carichi elevati che possono essere applicati, si devono studiare le proprietà di deformazione del pavimento composito. Essendo un materiale a flusso libero, anche il comportamento all'indurimento dopo l'applicazione è molto importante per la gestione del pavimento. Con un reometro, ad esempio, è possibile misurare il comportamento del flusso di un materiale in un determinato periodo di tempo al fine di determinare il tempo di indurimento della miscela. La quantità e il tipo di ritardante di presa utilizzato influiscono sul tempo di indurimento. Misurando campioni di pavimenti compositi a flusso libero con l'aggiunta di diverse proporzioni di ritardante, è possibile identificare il rapporto dei componenti adatto per ottimizzare il comportamento dipendente dal tempo.

Questo test richiede unreometro con un sistema di misura a sfera.

Vetro

Questo materiale trasparente allo stato solido può essere trovato sotto forma di materiale da imballaggio (barattoli, bottiglie, flaconi) ed è utilizzato anche nell'edilizia (finestre, facciate, isolamento), nell'industria del mobile (specchi, tavoli, scaffali) e nell'industria automobilistica (parabrezza, luci posteriori) - per citare solo alcuni dei campi di applicazione. Nonostante il vetro si comporti come un solido a temperatura ambiente, può essere modellato solo allo stato fuso. Allo stato liquido può essere versato, soffiato, pressato e modellato in una varietà di forme.

Le proprietà del vetro dipendono ampiamente dalla sua composizione. Generalmente il vetro di base è costituito da biossido di silicio, ma le proprietà possono essere modificate aggiungendo altri componenti come i metalli. La lana di vetro, ad esempio, è un tipo speciale di vetro che viene utilizzato come materiale di isolamento in virtù della sua bassa conduttività termica (tra le altre proprietà). Nonostante il vetro abbia spesso una temperatura di fusione di circa 500 °C, i vetri speciali possono anche avere un punto di fusione superiore o pari a 1000 °C circa. A temperature superiori a questo punto di fusione, il vetro può essere lavorato come materiale fuso. 

Test reologici sul vetro

Le misure reologiche del vetro allo stato fuso e soprattutto la caratterizzazione del comportamento dipendente dalla temperatura vengono eseguite, ad esempio, per ottimizzare il processo di produzione ad alto dispendio energetico. Sono possibili inoltre test torsionali con barre solide di vetro a temperatura ambiente.

Inoltre, i materiali di vetro di nuova generazione devono essere testati in esperimenti di laboratorio su piccola scala prima di passare alla produzione di massa. Una modifica alla composizione chimica del vetro o l'impiego di una nuova tecnica di trattamento influiranno sulle proprietà fisiche del vetro. Conoscere i valori di viscosità e il punto di rammollimento e di fusione è fondamentale in questi casi. Tali misure vengono effettuate presso aziende manifatturiere ma anche in università e altri istituti di ricerca, poiché l'applicazione e la modifica di vetri speciali rientra ancora nel campo della ricerca di base. Per i vetri speciali allo stato fuso, è di grande interesse non solo il comportamento dipendente dalla temperatura, ma anche il comportamento dipendente dal taglio. 

Nella pratica, le misure del vetro allo stato fuso richiedono molto tempo perché ci vuole un po' prima che il campione raggiunga la temperatura richiesta. Con un reometroforno forno o con un sistema di reometro ad alta temperatura è possibile eseguire test rotazionali e oscillatori automatizzati con un programma software che, ad esempio, preimposta e controlla una temperatura di misura predefinita in un intervallo di temperatura fino a 1600 °C.

Questo test richiede un sistema combinato reometroforno unitamente a una testa reometro.

Intonaco

L'intonaco è un materiale da costruzione utilizzato frequentemente. È una polvere secca, come cemento e malta, che può essere lavorata se miscelata con acqua e successivamente si indurisce in condizioni di asciutto. A differenza della malta e del cemento, l'intonaco rimane piuttosto morbido dopo la posa e può essere facilmente manipolato con strumenti metallici o persino carta vetrata. Queste caratteristiche lo rendono una finitura più che un materiale portante. Le sue applicazioni sono, ad esempio, la levigazione di superfici interne o esterne come pareti, soffitti e la rinzaffatura esterna di edifici.

Esistono diversi tipi di intonaco, come intonaci a base di calce, intonaci cementizi o intonaci a base di resina. Questi ultimi differiscono dagli intonaci strettamente minerali per l'aggiunta di leganti organici.

Test reologici sul gesso

Le informazioni sul comportamento reologico sono essenziali per la produzione (proprietà di lavorazione), lo sviluppo (influenza degli additivi sulle proprietà) e per il controllo qualità. Questo comportamento può essere descritto in termini di viscosità e caratteristiche di flusso quali la rigenerazione strutturale successiva dopo il taglio. 

La viscosità dell'intonaco può, ad esempio, essere determinata con un reometro rotazionale in combinazione con un sistema di misurazione a sfera sviluppato per prove su dispersioni semisolide contenenti particelle con diametro fino a 5 mm. Durante la misura una sfera si muove su un percorso circolare attraverso il campione. Solo durante la prima rotazione, la sfera taglia materiale non tagliato al quale non sono state ancora rimosse le particelle. Pertanto, è necessario un reometro in grado di controllare una curva di flusso  per diversi decadi della velocità di rotazione in una sola rotazione. Conoscere il comportamento di flusso e la viscosità dell'intonaco in condizioni diverse, come velocità di flusso e temperatura, consente di trarre conclusioni sulla lavorabilità.

Questo test richiede unreometro con un sistema di misura a sfera.