Le proprietà fisiche e meccaniche delle pietre naturali.

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Le rocce lavorate e poste successivamente in opera subiscono numerose sollecitazioni da parte di agenti perturbanti presenti nell’ambiente. Tali fenomeni possono essere di tipo fisico (dilatazione, insolazione, cicli di gelo-disgelo, salsedine), di tipo meccanico (carichi permanenti, carichi accidentali, attriti, usura, collisione), di tipo chimico e fisico-chimico (azione dell’acqua, ossidazione, corrosione causata da inquinamento atmosferico, piogge acide) e di tipo biologico (muschi, licheni).

Queste azioni, combinate o meno tra loro, possono arrecare danni permanenti alla superficie, oppure ancor più grave alla struttura, del materiale lapideo, compromettendone l’integrità e la funzione per la quale il manufatto è stato creato.

Vengono riportate, di seguito, le proprietà fisico-meccaniche di maggior interesse per la qualificazione delle pietre naturali.

Massa volumica apparente: è il rapporto tra la massa del materiale ed il volume apparente, cioè il volume delimitato dalla superficie esterna in provini aventi una forma geometrica standard. Tale rapporto viene espresso in kg/m3.

La massa volumica apparente è un indicatore molto importante per definire la compattezza di un elemento lapideo e risulta fondamentale anche per il calcolo dei carichi dei manufatti (soprattutto nelle strutture portanti).

Il calcolo della massa volumica apparente si determina su due provini cubici aventi misura di 7,1 centimetri di lato e rappresenta il rapporto tra il peso del provino essiccato ad una temperatura di 110° C (Figura 1), fino al raggiungimento del peso costante, ed il suo volume. Si considera, come risultato finale, il valore medio delle due misurazioni.

Coefficiente di imbibizione: per imbibizione si intende quel fenomeno fisico per cui tutti i materiali, compresi quelli all’apparenza maggiormente compatti, immersi in un liquido, ne assumono in quantità variabile, raggiungendo talvolta lo stato di saturazione.

Il coefficiente di imbibizione, per i materiali lapidei, è la quantità massima di acqua deionizzata assorbita a temperatura e pressione ambiente. Tale misurazione fornisce indicazioni importanti sul grado di compattezza e sulla durevolezza in condizioni ambientali normali e in caso di contatto prolungato con acque meteoriche o umidità del terreno (risalita capillare) di un materiale lapideo.

L’introduzione di acqua negli interstizi delle rocce è uno dei meccanismi maggiormente responsabili del degrado dei materiali, poiché nell’acqua vi sono anche delle sostanze disciolte (come i sali minerali) che ne accelerano il processo.

La prova di imbibizione viene effettuata su cinque provini del peso di almeno 200 grammi ciascuno; il coefficiente risulta dall’aumento percentuale del peso di un campione dopo una prolungata immersione in acqua. Come risultato finale si effettua una media dei cinque provini. Il coefficiente di imbibizione, avendo, per alcune tipologie di materiale valore molto basso, viene espresso in ‰. (Figura 2).

Carico di rottura a compressione semplice: la resistenza a compressione di un materiale lapideo rappresenta il carico unitario necessario al fine di causare la rottura di provini di materiale.

La prova al carico di rottura a compressione semplice è una delle prove maggiormente utilizzate in ambito nazionale ed internazionale, poiché fornisce un’indicazione precisa del carico permanente massimo supportato da un manufatto lapideo.

La struttura della roccia è uno dei fattori che influenzano maggiormente la resistenza a compressione; essa dipende dalla tipologia di coesione della roccia stessa, in particolar modo risultano maggiormente coese le rocce aventi grana fine e/o finissima poiché la coesione si sviluppa al contatto tra le superfici esterne dei cristalli.

I materiali stratificati come molti marmi cristallini (sandstones) hanno generalmente una direzione preferenziale lungo la quale presentano maggior fragilità e dove è maggiormente auspicabile la rottura del provino.

La resistenza a compressione di questi ultimi materiali assume dei valori variabili e molto differenziati tra loro: risulta essere massima nella direzione normale al verso, minima nella direzione ad esso parallela. Questo fatto risulta molto importante poiché, spesso in manufatti ornamentali utilizzati per l’edilizia, il taglio viene effettuato secondo le linee di maggior fragilità che spesso non coincidono con le direzioni che offrono il miglior valore di resistenza a compressione.

La prova di resistenza a compressione semplice consiste nel sottoporre un provino di materiale lapideo ad un carico che aumenta progressivamente di 2 MPa generato da una pressa idraulica che possiede un blocco automatico nel momento della rottura del provino. (Figura 3)

Il test viene effettuato su quattro provini di forma cubica aventi dimensioni di 7,1 cm di lato ciascuno (o su provini di forma cilindrica con diametro compreso tra i 4 e gli 8 cm e un rapporto di altezza/diametro pari a 2) allo stato asciutto (asciugati a circa 30° C fino ad ottenere un peso costante).

La pressa idraulica agisce normalmente in direzione perpendicolare ai piani di divisibilità preferenziale della roccia.

Carico di rottura a compressione semplice dopo cicli di gelività: si definiscono rocce gelive quelle che offrono scarsa resistenza al gelo, in particolar modo a cicli di gelo-disgelo, vale a dire all’alternarsi di periodi con temperature ambientali sotto zero e periodi con temperatura sopra lo zero.

L’acqua presente nei pori delle rocce gelando nei periodi invernali causa rottura del materiale. (Figura 4)

La prova effettuata per verificare gli esiti di questo fenomeno risulta essere particolarmente importante per scegliere adeguatamente la tipologia di roccia da utilizzare per rivestimenti esterni in grado di sopportare temperature e situazioni climatiche ostiche.

Il test consiste nel determinare la resistenza a compressione semplice secondo procedure analoghe a quelle descritte nel paragrafo precedente, su provini sottoposti a variazioni cicliche di temperatura da un minimo di -10°C ad un massimo di + 35° C.

Durante ogni ciclo di “gelività”, il provino viene immerso in acqua per circa tre ore ad una temperatura di 35° C, e successivamente posto in una cella frigorifera ad una temperatura di -10° C.

La roccia supera il test e viene considerata non geliva se, dopo tale trattamento termico, mostra una riduzione del carico di rottura a compressione inferiore al 25% rispetto al valore analogo misurato su provini non trattati. Il valore che ne determina il risultato viene assunto dalla media di quattro campioni ed è espresso in MPa.

Carico di rottura a flessione: le sollecitazioni a flessione provocano sforzi di taglio in corrispondenza dei vincoli delle lastre, tali da raggiungere talvolta il carico di rottura.

Il vento è uno degli agenti più pericolosi poiché ha carattere affaticante, per tale ragione questo fenomeno è uno dei problemi cardine durante la posa in opera di rivestimenti lapidei (soprattutto quelli di spessore ridotto) per esterno.

Deve essere prestata quindi particolare attenzione durante la realizzazione di edifici con elevata altezza o in edifici realizzati in zone con una forte ventosità.

Sollecitazioni a flessione sono presenti anche nella realizzazione di scale in manufatti con funzione di copertura, in pavimenti ed in elementi architettonici quali mensole, balconi o architravi.

Il test del carico di rottura a flessione viene effettuato su cinque provini aventi dimensioni di 12x3x2, appoggiate a due coltelli con spigolo arrotondato, caricate in mezzeria da un altro coltello anch’esso avente lo spigolo arrotondato. (Figura 5)

Solitamente la prova viene effettuata con il carico che agisce in direzione perpendicolare ai piani di divisione preferenziale della roccia; il risultato, espresso in MPa, risulta dalla media dei cinque valori ottenuti.

Modulo di elasticità normale: è il rapporto tra il valore della compressione, espressa in MPa, esercitata sul materiale lapideo durante il test, e la diminuzione progressiva della lunghezza che il corpo subisce.

Questa prova consente di verificare la stabilità e la sicurezza statica di elementi sottoposti a sollecitazione di tipo meccanico.

Il modulo definisce il grado di elasticità di un materiale e viene calcolato, nella maggior parte dei casi, per quei prodotti utilizzati per rivestimenti o per strutture portanti.

La prova viene effettuata su due provini parallelepipedi a base quadrata aventi dimensioni standard di 20x5x5 centimetri, oppure su provini cilindrici con un diametro di almeno 5 centimetri e un rapporto tra l’altezza e il diametro pari a 3.

Sui provini agisce uno sforzo normale di compressione, solitamente lungo il loro asse longitudinale, successivamente si misurano delle serie (almeno dieci valori) di carico corrispondenti alle deformazioni longitudinali subite, allo scopo di determinate così la curva degli sforzi-deformazioni del materiale. (Figura 6)

Il modulo elastico, espresso in MPa o in GPa, risulta quindi come rapporto tra la variazione di tensione longitudinale e la deformazione unitaria nella direzione longitudinale prodotta dalla variazione di tensione.

Anche in questo caso, come nelle prove descritte nei paragrafi precedenti, si esegue il test con il carico agente in direzione perpendicolare rispetto ai piani di divisibilità preferenziale del materiale.

Resistenza all’urto: questa proprietà fisica definisce la tenacità o la fragilità di un materiale, cioè la capacità di resistere a rottura dopo che la superficie del materiale è stata sottoposta ad un urto con un corpo contundente.

È utile conoscere il grado di resistenza agli urti soprattutto per impieghi di materiale lapideo in pavimenti industriali, in gradinate esterne, in basamenti, e in generale in tutte quelle circostanze in cui possa presentarsi l’eventualità di subire colpi bruschi ed istantanei, ad esempio caduta di oggetti pesanti da quote elevate.

La prova viene eseguita su quattro lastre di dimensioni standard 20x20x3 centimetri, che vengono appoggiate su uno strato di sabbia di circa 10 centimetri di spessore.

Il risultato viene espresso dall’altezza minima di caduta, espressa in centimetri, di una sfera di acciaio del peso di un chilogrammo che, colpendo il centro della superficie della lastra, la spezzi. (Figura 7)

Coefficiente di dilatazione lineare termica: vi sono due tipi di dilatabilità termica riscontrabili nelle rocce: la dilatabilità lineare caratterizzata da variazioni di lunghezza del materiale e la dilatabilità di volume caratterizzata da variazioni del volume stesso.

Il coefficiente di dilatabilità lineare espone le variazioni di lunghezza possibili degli elementi lapidei, una volta posti in opera, per effetto di aumenti di temperatura.

I valori relativi ai coefficienti di dilatazione termica del materiale lapideo sono da ritenersi normali quando vi è la possibilità di dilatarsi, pericolosi sono invece gli impedimenti alla dilatazione termica che possono creare tensioni interne al materiale stesso che spesso causano flessioni ed incurvamenti dei manufatti.

Per le applicazioni esterne (pavimentazioni o rivestimenti) deve essere sempre previsto un giunto di dilatazione, la cui larghezza è proporzionale alla dimensione delle lastre.

Il test viene effettuato su due provini, aventi forma cilindrica con un diametro di 3 centimetri e una lunghezza di 20 centimetri, che vengono collocati in un apposito strumento, dilatometro in vetro di silice (Figura 8), e sottoposti a consistenti sbalzi termici tra gli 0° C e i 60° C.

Le variazioni di lunghezza dei provini vengono misurate mediante comparatore millesimale. Il risultato, espresso in 10-6 /°C, risulta dalla media dei valori dei due provini.

Usura causata da attrito radente: questa proprietà permette di valutare il comportamento di un materiale lapideo collocato in zone soggette a sfregamento, calpestio o transito di persone, veicoli o animali.

L’usura causata da attrito radente, con il passare del tempo, determina dei cambiamenti sulla superficie originale del materiale, un esempio è dato dalle conche presenti sugli scalini in pietra di edifici secolari.

La prova viene determinata per mezzo di un tribometro (Amsler) su due provini di dimensioni standard pari a 7,1x7, 1x2,5 centimetri premuti contro un carico di 0,03 MPa contro una pista rotante ricoperta da uno strato abrasivo costituito prevalentemente da graniglia di carborundum con una granulometria inferiore a 0,15 millimetri ed unta con olio minerale. (Figura 9) Contemporaneamente la medesima prova viene effettuata su un materiale noto (granito di San Fedelino), a cui si riferiscono i valori della roccia che si vuole esaminare. (Figura 10)

Il risultato è un confronto tra le altezze degli strati abrasi nel materiale di riferimento e nel materiale oggetto di prova. Quindi le rocce che risultano più resistenti del granito di San Fedelino hanno un coefficiente maggiore di 1, mentre quelle meno resistenti hanno un coefficiente inferiore ad 1.

Microdurezza Knoop: la prova Knoop registra la micro durezza di un materiale lapideo mediante un penetratore di diamante. (Figura 11)

Poiché la prova interessa porzioni di materiale con dimensioni sub-millimetriche, il valore ottenuto riguardante la durezza non può essere espresso al termine di una sola prova ne’ tanto meno dalla media dei risultati di più test; questo poiché il materiale risulta essere non omogeno ad una scala così piccola e la durezza di una roccia è una proprietà diversa per ogni porzione di materiale.

Pertanto vengono eseguite diverse prove sul medesimo provino e i risultati ottenuti vengono successivamente rappresentati su una curva di frequenza cumulativa.

Solitamente la prova viene effettuata su 20 impronte o 40, a seconda della tipologia di materiale costituente il provino, distanti un millimetro l’una dall’altra e ottenute mediante un penetratore di diamante premuto con un determinato e prestabilito carico sulla superficie.

I valori ottenuti compongono un grafico il cui andamento corrisponde a quello del diagramma cumulativo di frequenza dei valori di micro durezza della roccia. (Figura 12)