PROPRIETA’ DELLE ROCCE Al pari di ogni altro materiale, le rocce devono essere sottoposte ad attente analisi, prima del loro impiego in edilizia. Occorre tener presente che la loro origine naturale determina molto spesso una struttura caratterizzata da stratificazioni, piccole cavità e fessure. Occorre considerare che il metodo di accertamento delle proprietà deve avvenire secondo norme definite dall’ UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) cioè norme tecniche di riferimento per ottenere risultati confrontabili. Le Principali PROPRIETA’ sono: FISICHE: DENSITA’ ‐ POROSITA’ ‐ PUNTO DI FUSIONE MECCANICHE: ELASTICITA’ – RESISTENZA MECCANICA (compressione e trazione, durezza ecc.) TERMICHE: ESPANSIONE T., CAPACITA’ T., CONDUCIBILITA’ TERMICA CHIMICO – BIOLOGICHE: INERZIA CHIMICA, RESISTENZA ALLA CORROSIONE, COMPATIBILITA’ BIOLOGICA PERSISTENZA E VARIABILITA’ DELLE CARATTERISTICHE NEL TEMPO ED IN ESERCIZIO ‐ MECCANISMI DI ROTTURA ‐ EROSIONE MECCANICA ‐ EFFETTO CHIMICI reazioni gas/solido liquido/solido solido/solido ‐ SHOCK TERMICI Alcune di queste proprietà saranno meglio analizzate nel corso di tecnologia e di costruzioni nei prossimi anni. Ora ci limitiamo a conoscere in via generale le caratteristiche da valutare per gli usi in edilizia sono classificabile nel seguente modo: PROPRIETA FISICHE: 1)Massa volumica reale 2)Massa volumica apparente 3)Porosità totale e aperta 4)Assorbimento d’acqua e pressione atmosferica 5)Coefficiente di assorbimento d’acqua per capillarità 6)Coefficiente di dilatazione termica 7)Resistenza al gelo 8)Resistenza alla cristallizzazione dei Sali 9)Microdurezza di Knoop PROPRIETA MECCANICHE: 1)Resistenza a compressione 2) Resistenza a trazione 2)Resistenza a flessione sotto carico concentrato 3)Resistenza a flessione a momento costante 4)Modulo di elasticità 5)Resistenza all’urto 6)Resistenza all’usura 7)Carico di rottura in corrispondenza dei fori di fissaggio (resistenza a taglio) 8)Resistenza allo scivolamento LAVORABILITA’: 1. Aderenza alle malte 2. Durevolezza 3. Durezza e segabilità 4. Scolpibilitàe tenacità 5. Spaccabilità 6. Lucidabilità PROPRIETA FISICHE MASSA VOLUMICA APPARENTE (peso di volume) La massa volumica apparente è data dal rapporto (g/cm³ o Kg/m³) tra una massa allo stato secco e il volume apparente di un campione di roccia. Essa viene misurata su provini di forma regolare (cubi, cilindri…) aventi un volume di almeno 25 cm³(UNI EN 1936) MASSA VOLUMICA REALE La massa volumica reale è il rapporto (g/cm³ o Kg/m³) tra la massa e il volume di un campione di roccia essiccato e ridotto in polvere, cioè privato di vuoti e porosità (UNI EN 1936), PESO SPECIFICO g : è il rapporto tra il peso ed il volume di un suo frammento; essendo influenzato dalla gravità e poco indicata per i confronti in situazioni diverse. DENSITA’ è quindi il rapporto tra MVA/PS =d che descrive il grado di compattezza con limite = 1 per rocce perfettamente compatte. POROSITA APERTA E TOTALE La porosità aperta e il rapporto percentuale tra il volume dei pori aperti, cioè in collegamento con l’esterno e il volume apparente di un provino: quando in tale rapporto si considera volume complessivo dei pori aperti e dei pori chiusi prende il nome di porosità totale. Dalla misura della porosità totale si ricava il coefficiente di imbibizione, ossia il rapporto % tra
massa a secco e massa dopo l’immersione secondo i tempi prescritti nella normativa, che indica quanto
un materiale all’apparenza compatto, immerso in acqua, ne assorbe fino ad eventuale saturazione.
La p. influenza le proprietà meccaniche e la capacità di assorbire liquidi e gas, con conseguenze importanti. E’ molto importante avere indicazioni sulla compattezza e durevolezza in condizioni normali e, in
particolare, in caso di contatto prolungato con acque meteoriche e terreni umidi.
La COMPATTEZZA è inversamente proporzionale alla porosità. ASSORBIMENTO D’ACQUA A PRESSIONE ATMOSFERICA L’assorbimento di acqua a pressione atmosferica è il rapporto percentuale tra la massa d’acqua assorbita in seguito a completa immersione di provini e la massa a secco del medesimo provino misurate a pressione atmosferica. I provini devono avere la forma di cubi, cilindri o prismi con un volume di almeno 60 cm³(UNI EN 13755) COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO CAPILLARE Si misura la quantità d’acqua assorbita per unità di superficie in funzione del tempo Il coefficiente di assorbimento di acqua per capillarità g/cm²x s1/2 è il rapporto tra la massa d’acqua assorbita in (g) e l’area della faccia immersa nell’acqua in cm², in funzione della radice quadrata del tempo di immersione ( in s) La roccia di assume una certa quantità di acqua per forza di capillarità o per parziale contatto
con l’acqua stessa (rocce poggianti su substrato umido – falda freatica, acqua di rimbalzo per
il passaggio frequente di veicoli, ecc.). L’ascesa dell’acqua si arresta dove l’evaporazione
annulla l’apporto di nuovo liquido, in un’area nella quale è tipica la cristallizzazione di sali
contenuti dell’acqua. Questi sali (carbonati, solfati, nitrati) danno luogo ad efflorescenze,
croste e patine bianche o di altro colore che compromettono seriamente l’aspetto estetico dei
materiali, nonché la loro durevolezza.
Caratteristica di cui tener conto per materiali impiegati in rivestimenti esterni, zoccolature
(degradazione e “sgranamento” del materiale) e per l’effetto sui materiali metallici
eventualmente abbinati (arrugginimento), sulle travi in legno vicine (che marciscono) e sulla
degradazione di malte e intonaci (che si sfaldano).
Grosso problema specialmente a latitudini temperate e fredde, con scarsa evaporazione. (la
nostra)
Può anche essere valutato l’assorbimento di liquidi di varia natura, come liquidi contenuti in
adesivi impiegati per la posa in opera, inchiostro, olii e grassi, bevande, limone, detergenti,
ecc..
IGROSCOPICITÀ – attitudine di una roccia ad assumere umidità dall’atmosfera. Connessa in modo particolare alla presenza o meno di componenti argillosi (tendenza al rigonfiamento). Il fenomeno è anche in relazione al tipo di trattamento a cui è stata sottoposta la roccia: trattamenti che limitano l’igroscopicità sono la lucidatura e la fiammatura (trattamento della superficie ad alta temperatura, 2500°C), ma l’effetto si limita solo alla faccia della lastra trattata, ma non al resto della lastra.
PERMEABILITÀ ALL’ACQUA (o penetrabilità) – attitudine a lasciarsi attraversare dall’acqua sotto pressione. Teoricamente nessuna roccia presenta una impermeabilità assoluta, ma rocce molto compatte (a bassissima porosità) sono pochissimo permeabili. Inoltre rocce porose, ma con pori non intercomunicanti, come le pomici, hanno pure una permeabilità bassa. La microfratturazione è un altro fattore di permeabilità nelle rocce compatte ed è tipico di varie rocce vulcaniche che hanno subito raffreddamento rapido con conseguente contrazione e fessurazione interna. L’attacco d’acqua sotto pressione può essere importante da valutare per alcune applicazioni, quali opere di copertura, rivestimento di prospetti sottoposti a dilavamento, in opere fluviali, marine e in bacini artificiali ed opere di arredo urbano con presenza continua di acqua (es., basi di fontane). PROPRIETA’ TERMICHE PUNTO DI FUSIONE Il punto di fusione è una proprietà fondamentale per alcuni impieghi di materiali naturali e sintetici, in particolare nel campo dei refrattari (cioè capaci di resistere per lunghi periodi alle alte temperature (538 c° =1.0000°F) senza reagire chimicamente con gli altri materiali). In generale il comportamento di fusione o sublimazione dipende molto dalla forza del legame atomico Nei sistemi complessi come le rocce, la definizione di punto di fusione è ancora più aleatoria e in
generale riguarda l’inizio della fusione, poiché la fusione di una roccia si svolge su un ampio intervallo
di temperature. Dal punto di vista tecnico, l’intervallo di temperatura compreso tra la comparsa dei
primi effetti di fusione (manifestati sotto forma di legami vetrosi nela massa raffreddata) e l’estensione
del fenomeno fino alla perdita della forma originaria della sostanza riscaldata, è detto campo di
vetrificazione di quella sostanza.
COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA LINEARE È una caratteristica particolarmente importante per i materiali utilizzati per rivestimenti di facciate, che sono soggetti ad elevate escursioni termiche. I valori del coefficiente di dilatazione termica lineare, espresse in 10⁻⁶⁄ °C sono in genere molto bassi ma variano da roccia a roccia occorre dunque molta cautela nell’abbinamento tra materiali lapidei diversi quando si opera in presenza di elevate escursioni termiche. CAPACITA’ TERMICA c è l’energia richiesta per aumentare la temperatura di un materiale, oppure, in modo più specifico, la quantità di calore richiesta per aumentare di 1°C la temperatura di una sostanza. Nel sistema metrico la capacità termica è misurata come cal/°C o cal/g °C. CONDUCIBILITA’ TERMICA k definisce la capacità di un materiale di propagare il calore ovvero il flusso di calore entro un materiale. E’ espressa come unità di cal/sec cm2 °C cm, ovvero quantità di calore che passa attraverso una sezione (cm2) e per una distanza (cm) nel tempo (sec). Le unità SI sono W/m K o W/cm °C. da essa dipende la maggiore o minore dispersione del calore. RESISTENZA AL GELO La prova di resistenza al gelo viene realizzata sottoponendo i provini a cicli alterni di gelo e disgelo costituiti da un periodo di 6 ore di gelo in aria seguiti da un periodo di 6 ore di disgelo in acqua ripetuti fino a quando i provini vengono scartati oppure fino a un massimo di 240 cicli. MECCANICHE RESISTENZA A COMPRESSIONE La resistenza alla compressione rappresenta la resistenza alla frantumazione di un materiale sottoposto a carico per schiacciamento. La sua valutazione è di grande interesse per i materiali che vengono impiegati con funzioni strutturali e che devono quindi poter sopportare carichi notevoli. E’ espressa dal carico unitario, in Mpa, necessario per provocare la rottura dei provini cubici con spigolo di 70 mm o di 50 mm, oppure cilindrici con diametro e altezza uguali a 70 mm o 50 mm. La prova viene eseguita applicando un carico F gradualmente crescente fino a rottura in direzione perpendicolare ai piani di anisotropia dei campioni. La resistenza a rottura per compressione viene espressa mediante la formula: Rс= dove A è l’area (in mm ²) della fascia dei provini. E TRAZIONE i materiali lapidei, in qualità di materiali tendenzialmente fragili, mostrano valori di resistenza alla compressione molto superiori (da 4 a 10 volte) rispetto a quelli della resistenza a trazione CARICO DI ROTTURA IN CORRISPONDENZA DEI FORI DI FISSAGGIO Questa prova, che è molto importante per le lastre di rivestimento, consiste nell’applicare un carico gradualmente crescente fino a rottura, perpendicolarmente a un perno inserito in un provino di forma parallelepipedaa base quadrata di apposite dimensioni, che simula le condizioni di ancoraggio della lastra. Il risultato della prova è rappresentato dai seguenti valori misurati sul provino : •Distanza d₁ dal foro alla faccia della lastra, nel punto in cui si è verificata la frattura; •Distanza massima bаdal centro del foro al bordo della frattura; •Carico rottura F espresso in N RESISTENZA A FLESSIONE È la resistenza opposta dai materiali alle sollecitazioni che tendono a piegarli. SOTTO CARICO CONCENTRATO La resistenza a flessione sotto carico concentrato viene determinata su provini di forma parallelepipeda, aventi spessore compreso tra 25 mm e 100 mm, lunghezza pari a 6 volte lo spessore e larghezza compresa tra 50 mm. La prova viene eseguita poggiando ciascun provino su due coltelli a spigolo arrotondato, situati ad una distanza pari a 5 volte lo spessore e applicando un carico F gradualmente crescente, mediante un terzo coltello disposto in mezzeria fino a produrre la rottura del provino. RESISTENZA A FLESSIONE DA MOMENTO COSTANTE La resistenza a flessione sotto momento costante viene determinata su provini analoghi a quelli per la prova con carico concentrato, ma applicando il carico F gradualmente crescente fino a rottura con due coltelli disposti in corrispondenza di ⅓ della distanza tra i coltelli di appoggio. Anche in questo caso la prova viene usualmente condotta agendo con i due carichi in direzione perpendicolare ai piani di anisotropia dei provini, ma su richiesta, può essere fatta con i carichi agenti in direzione parallela ai provini MODULO DI ELASTICITA Il modulo di elasticità rappresenta l’entità delle formazioni subìte dal materiale in prova in relazione a determinate sollecitazioni di compressione. La valutazione viene condotta sottoponendo a sforzo normale di compressione dei provini di forma parallelepipeda di 5 x 5 x 20 cm oppure cilindrica, e misurando l’accorciamento che essi subiscono. Il rapporto tra carico specifico ed allungamento unitario, nei limiti in cui essi sono proporzionali, è
definito modulo di Young, E, o modulo di elasticità e viene utilizzato per i controlli di stabilità e di
sicurezza statica su elementi sottoposti a sollecitazione meccanica
RESISTENZA ALL’URTO (TENACITA’) La prova all’urto consiste nel determinare l’altezza h (in m) dalla quale deve cadere una sfera di ghisa del peso P di 10 N per spezzare una lastra con dimensioni 20 x 20 x 3 cm, appoggiata su un letto di sabbia di 10 cm di spessore. La resistenza all’urto viene espressa in base al lavoro di rottura all’urto L, misurato in joule (J), applicando la formula: L = P x h SCOLPIBILITA’ E TENACIA Si tratta di due proprietà tra loro correlate. La scolpibilità è l’attitudine del materiale a lasciarsi conformare con i comuni attrezzi della tecnica scultoria, mentre la tenacità rappresenta la resistenza alla rottura per urto ed è quindi l’opposto della fragilità. DUREZZA E RESISTENZA ALL’USURA La durezza di un materiale rappresenta la resistenza alla deformazione permanente della sua superficie. La durezza è un dato tecnologico molto importante. Presenta due aspetti interessanti: la facilità di misura e la possibilità di correlarla con la resistenza meccanica del materiale. La durezza dei cristalli è una proprietà abbastanza ben definibile, anche se esistono varie metodologie per determinarla, e quindi varie “durezze”. La resistenza alla scalfittura è un tipo di durezza e si valuta empiricamente graffiando i cristalli con materiali più duri e confrontando la scalfittura o misurando la polvere ottenuta (es., scala di Mohs, ma ormai superata da tests più moderni) Principali metodi di misura: • Brinell (BHN) ‐ larghezza impronta di sfera d’acciao ( ∅ = 10 mm) con carico di 500‐3000 kg • Rockwell (R) – profondità impronta di corpo penetrante molto piccolo (cono diamante o sferetta d’acciaio come penetratore e carico tra 60 e 150 kg). • Vickers (VHN) – dimensione impronta di piramide di diamante • Knoop (HK) – numero di durezza corrispondente a dimensione di impronte eseguite al microscopio da piramide di diamante caraicata in modo variabile (microdurezza). la normativa europea e quella italiana prevedono l’utilizzo di un test quantitativo, effettuato tramite la misura della microdurezza Knoop. MICRODUREZZA KNOOP La prova micro durezza knoop consiste nell’esecuzione di una serie di impronte, in numero di 20 ( o 40 per i materiali di grana disuniforme), allineate a intervalli regolari di 1 mm e realizzate con un penetratore a punta diamantata premuto con un certo carico sulla superficie lucidata del provino. Per ciascuna impronta viene misurata con un microscopio graduato la lunghezza della diagonale e calcolato con un’apposita formula il valore della microdurezza. RESISTENZA ALL’USURA (ATTRITO) La resistenza all’usura rappresenta l’attitudine delle rocce a resistere alle azioni di attrito meccanico che tendono ad asportare particelle minutissime dalla superficie del materiale. Questa caratteristica, in genere proporzionale alla durezza superficiale, è particolarmente importante per i prodotti destinati alle pavimentazioni. Il risultato è espresso dal coefficiente relativo di abrasione, cioè dal rapporto tra la perdita di spessore del granito di S. Fedelino e quella del materiale in prova. SEGABILITA’ E’ importante valutare la durezza delle rocce in modo indiretto, attraverso risultati forniti da prove legate alla lavorazione, come la segabilità che fornisce anche indicazioni in merito alle condizioni di lavorabilità. Agli effetti della segabilità si distinguono:
ƒ rocce durissime (gabbri, basalti, graniti)
ƒ rocce dure (serpentini, calcari compatti, marmi)
ƒ rocce semidure (calcari teneri, marne)
ƒ rocce tenere (tufi, gessi, calcari poco litificati)
La prova di microdurezza Knoop ha cominciato ad introdurre parametri per la valutazione
non più empirica, ma quantitativa della segabilità delle rocce, anche se permane un approccio
pratico. Questa proprietà riveste un’enorme importanza ai fini della determinazione dei costi
per la realizzazione dei manufatti.
SPACCABILITA’ è l’attitudine di una roccia a lasciarsi divedere secondo le superfici piane in seguito all’azione di utensili a percussione. È una proprietà molto interessante, che caratterizza parecchie rocce dette pietre da spacco. LUCIDABILITA’ È la possibilità di rendere la superficie lucida e brillante, tramite operazioni di sfregamento. Sono agevolmente lucidabili le rocce compatte e omogenee dure e semidure come marmi, mentre sono lucidabili con maggior difficoltà graniti e porfidi DUREVOLEZZA La durevolezza misura la capacità di una roccia di resistere nel tempo, senza subire sensibili alterazioni e degradi per effetto degli agenti atmosferici oppure per cause di natura chimica e organica. L’azione chimica si manifesta a causa della presenza di vapore d’acqua e biossido di carbonio, che trasformano alcuni componenti stabili delle rocce in sostanze solubili, mentre quelle di natura organica avviene a opera di organismi, come i licheni, che mantengono umida la superficie e si insinuano in eventuali fessurazioni presenti nella roccia. RESISTENZA ALLO SCIVOLAMENTO MEDIANTE APPARECCHIATURA A PENDOLO Si tratta di una prova prevista dalla norma UNI EN 14231, utilizzata nel caso di materiali lapidei destinati alle pavimentazioni per i quali è necessario valutare la scivolosità. Viene eseguita per mezzo di un’apparecchiatura costituita da un pendolo con l’estremità munita di un pattino di gomma normalizzata , che , durante l’oscillazione, va a slittare sulla superficie del provino e risale dalla parte opposta raggiungendo un’altezza variabile in relazione all’attrito incontrato ADERENZE ALLE MALTE Il fenomeno dell’aderenza alle malte è di natura meccanica e chimica. Esso manifesta attraverso la penetrazione della malta all’interno delle porosità superficiali della roccia e attraverso reazioni chimiche tra costituenti delle malte e quelli delle rocce, che generano un’intima connessione e una sorta di saldatura tra le parti a contatto; è bounaregola bagnare la superficie del materiale prima della posa della malta.