Introduzione ai materiali compositi

Autore testo: Lorenzo Soro, Valentina Susini

Per compositi s'intende una categoria di materiali ottenuti artificialmente per miscelazione mirata di materiali diversi che rimangono a livello chimico e strutturale distinguibili tra loro: il fine di tale miscelazione è l'ottenimento di un materiale-struttura dalle prestazioni superiori a quelle dei singoli componenti grazie alle reciproche interazioni. 
In generale in un composito è distinguibile una fase continua (matrice), in cui è immersa una fase discontinua (rinforzo): la matrice, solitamente più tenace, costituisce il legante ed il mezzo di trasmissione degli sforzi tra le particelle del rinforzo, in generale più resistente.
La fase discontinua si presenta sottoforma di particelle sferoidali, aciculari, fibrose discontinue o continue orientate, tessuti bidimensionali o tridimensionali a diversa maglia. La tipologia del rinforzo determina caratteristiche meccaniche d'isotropia o anisotropia marcata, diversamente sfruttabili secondo le esigenze.
Questo tipo di materiali sono spesso utilizzati per rivestimenti esterni, laddove si richiedono doti di resistenza meccanica e agli agenti atmosferici e corrosivi.
Le principali caratteristiche ottenibili con un'oculata scelta dei materiali compositi sono:
notevole resistenza meccanica specifica
peso ridotto, che conferisce agli elementi per rivestimento in composito, facilità di posa in opera e di manutenzione
ottima resistenza al gelo, alle escursioni termiche e al calore
compattezza e omogeneità.
 
PRESTAZIONI E REQUISITI
Materiali polimerici
Nell'ambito dei materiali compositi, i polimeri svolgono funzioni estremamente diversificate, assumendo la veste sia di matrice, utilizzato quindi come legante organico, sia di rinforzo nello stato fibroso. I polimeri utilizzati per quest'ultimo scopo possono essere a loro volta naturali o artificiali ed essere in alcuni casi sfruttati in combinazione come rinforzo dei materiali fibrosi creando rinforzi ibridi. Fra le fibre naturali organiche troviamo:
 
Le fibre di cellulosa
Questo tipo di fibre, sono spesso usate per la loro capacità di resistere anche i luoghi particolarmente soggetti all'azione degli agenti esterni, essendo molto dense e dure. Le fibre di cellulosa, utilizzabili anche come rinforzo di matrici inorganiche per la loro capacità di ancorarsi l'una all'altra,  sono meno resistenti rispetto ad altri tipi di fibra organica, ma essendo più leggere, possono essere utilizzate in quantità maggiori rispetto alle altre (fino al 15 ' 20 %). Purtroppo, però le fibre di questo tipo, rendono il composito, un materiale combustibile, essendo particolarmente infiammabili, inoltre la capacità di assorbire l'acqua riduce la resistenza al gelo. È dimostrato comunque che i fibrocementi autoclavati a 140-150 °C, rinforzati con fibre di cellulosa, presentano miglioramenti in fatto di resistenza a flessione e modulo di elasticità, risultando però ridotta la resistenza all'urto. 
Per quanto riguarda. invece, le fibre organiche artificiali troviamo:
fibre Aramidiche;
fibre di Polipropilene (PP);
fibre di Polietilene (PE);
fibre di Polivinilalcool (PVA);
fibre di Poliacrilonitrile  (PAN).
Come matrice il materiale polimerico, presenta anch'esso notevoli vantaggi, soprattutto in abbinamento con fibre inorganiche artificiali come le fibre di vetro.
La caratteristica più qualificante di tali rivestimenti  è la capacità d'isolamento termico, che varia sensibilmente secondo il prodotto utilizzato passando da valori limitati per le lastre a valori superiori per i pannelli multistrato sandwich.
L'unione di materiali polimerici e fibre di vetro, permette di ottenere prodotti in cui le principali doti dei materiali plastici, come la leggerezza e la resistenza alla corrosione, sono unite a più elevate prestazioni di resistenza meccanica. Dal  tipo di polimero utilizzato come matrice dipendono oltre che le capacità meccaniche anche quelle termiche e chimiche. Infatti le materie plastiche, anche se come già accennato sono in genere resistenti alla corrosione, hanno poca resistenza agli acidi ossidanti concentrati e al calore che può ridurre sensibilmente le caratteristiche meccaniche per rammollimento nel caso di matrici termoplastiche.
 
Conglomerati e ricomposti
I prodotti in conglomerato cementizio possono essere usati sia per rivestimenti di superfici di piccole dimensioni in formati ridotti, con posa in opera ad umido, o in formati e spessori maggiori per edifici di grandi dimensioni anche per realizzare pareti ventilate. In alcuni casi il conglomerato cementizio può essere adottato nella realizzazione di pannelli di tamponamento prefabbricati autoportanti. Essi si presentano estremamente compatti e impermeabili oltre che resistenti meccanicamente.
Nei ricomposti a base di resine invece un processo di compressione sotto vuoto, permette di ottenere un prodotto molto omogeneo e poco poroso, dalle caratteristiche superiori a quelle del conglomerato cementizio.
Questo tipo di prodotti, sono generalmente molto leggeri e resistenti meccanicamente, e quindi, realizzabili in spessori estremamente ridotti rispetto a dimensioni di formato piuttosto grandi.
 
Materiali fibrosi ' Calcestruzzi fibrorinforzati (Fibrocementi)
L'unione in miscela di cemento inerti di granulometria fine e fibre (insieme ad una serie di elementi additivanti e riempitivi) permette di ottenere prodotti con migliori caratteristiche di durabilità, tenacità, resistenza a flessione, come nei pannelli di SRFC (rinforzati con fibre d'acciaio) e anche a trazione e compressione (vedi tabella), agli shock termici, agli urti come nei pannelli in GRFC (rinforzati con fibre di vetro).
Inoltre, i calcestruzzi fibrorinforzati, sono particolarmente apprezzati per le doti di leggerezza, plasmabilità, impermeabilità e resistenza agli agenti atmosferici e chimici. In alcuni casi specie nei pannelli in GRFC sono notevoli anche le capacità di resistere al fuoco in quanto, essendo costituiti da materiali inorganici, sono praticamente ininfiammabili (classe 0).
 
Classificazione e tipologie
Sono moltissimi i compositi esistenti e le tecnologie utilizzate per produrre diverse tipologie di elementi per rivestimento esterno.
Una prima classificazione può essere fatta principalmente in funzione dei materiali compositi utilizzati:
materiali a base polimerica con vari tipi di rinforzo;
materiali conglomerati  e ricomposti;
materiali  con rinforzo fibroso, in particolare fibrocementi.
Per ogni tipo di materiale composito sono indicati i manufatti più diffusi con indicazioni finali sulle tecniche di montaggio più comuni.
 
I polimeri rientrano tra i materiali utilizzati nei rivestimenti esterni solo da pochi anni.
Nei compositi adatti a tali applicazioni le matrici polimeriche più diffuse sono in resine epossidiche e poliesteri, polivinilcloruri (PVC) e policarbonati; i rinforzi più comunemente usati sono le fibre di vetro che permettono di migliorare le caratteristiche a trazione (modulo elastico e resistenza a trazione triplicati in alcuni casi).
I compositi in materiali polimerici per rivestimenti esterni sono commercializzati sottoforma di lastre, doghe e pannelli sandwich o alveolari.
 
I materiali conglomerati e ricomposti sono materiali ottenuti  dalla miscelazione di:
inerti, come ghiaie, sabbie alluvionali, pietrischi, polveri estratti da cave o da letti di fiumi oppure ottenuti artificialmente per frantumazione degli scarti derivanti dalla lavorazione di materiali lapidei o altro,
un legante, tipo cemento (conglomerati cementizi) o resina sintetica (ricomposti a base di resine),
coloranti e additivi particolari.
I materiali così realizzati possono essere armati internamente per migliorarne le caratteristiche di resistenza meccanica e/o garantire l'unione tra i pezzi in caso di rottura. Ulteriori processi di finitura superficiale possono consistere in lavorazioni particolari come la: bocciardatura, martellinatura, lucidatura, sabbiatura, ecc.
 
I materiali fibrosi tipo fibrocemento sono materiali compositi a matrice cementizia rinforzati con fibre di vario genere dalle naturali come la cellulosa, alle sintetiche, come le fibre in materiali polimerici, le fibre di carbonio, di vetro, di metallo, ecc.
Tra questi prodotti una classificazione può essere fatta in funzione della tipologia di elementi per rivestimento: lastre, pannelli semplici e composti.
Le lastre possono essere costituite dai due materiali base, cemento e fibre, e da altri materiali che entrano in miscela per facilitare le lavorazioni di finitura superficiale per ottenere, per esempio, superfici lisce  o ruvide.
I pannelli semplici vengono di solito realizzati in cemento rinforzato con:
fibre metalliche (acciaio) come i pannelli SRFC (Steel Fiber Reinforced Concrete);
fibre di vetro come i pannelli GRFC (Glass Fiber Reinforced Concrete).
fibre polimeriche come: il polipropilene, il polietilene, le fibre aramidiche ecc.
La produzione di elementi in materiali fibrorinforzati è estremamente varia sia per forme  che per colorazioni e destinata a rivestimenti in edifici sia non residenziali, pubblici e industriali, sia residenziali.
Le tipologie di prodotto variano dai pannelli semplici monostrato con telaio metallico, ai pannelli sandwich in cui, per esempio, gli strati esterni sono  costituiti da una pelle di GRFC e quello interno di materiale isolante.
 
POSA IN OPERA
Le tecniche di posa in opera sono diverse e variano principalmente in funzione del tipo di prodotti e materiali compositi utilizzati per realizzarlo.
 
I materiali polimerici
I pannelli in materiali polimerici sono solitamente montati a secco sulla struttura portante, con fissaggi puntuali oppure tramite l'interposizione di profilati, di solito in metallo o legno. In generale le tecniche di posa in opera di questo tipo di prodotti sono in rapporto biunivoco con la forma e le prestazioni del pannello, infatti, il pannello può essere progettato e realizzato in funzione del tipo di montaggio o di fissaggio, variando in quest'ultimo caso la conformazione di solito dei bordi; oppure la forma della superficie, piana o corrugata, stabilisce la resistenza del pannello in funzione della quale si scelgono tipo e numeri dei dispositivi di fissaggio.
I fissaggi possono essere:
a vista tramite l'ausilio di viti poste in appositi fori praticati ai lati dei pannelli che in questo caso sono sovrapposti per garantire la tenuta all'acqua;
nascosti da profili metallici sovrapposti ai bordi dei pannelli e fissati a listelli di legno che bloccano in tal modo i pannelli stessi.
 
Conglomerati e ricomposti a base di resine
Le tecniche di posa in opera per i conglomerati e ricomposti a base di resine sono molto simili a quelle dei materiali lapidei: si utilizzano in particolar modo tecniche a secco.
Le lastre possono essere fissate per mezzo di :
staffe di acciaio fissate direttamente sulla parete di supporto oppure su un'orditura secondaria costituita da un telaio di acciaio o semplicemente da profili verticali. 
spinotti, con funzione oltre che di sostegno anche di trattenimento, inseriti in appositi fori o scanalature praticati in precedenza per mezzo di tasselli ad espansione geometrica applicati direttamente in stabilimento sul retro delle lastre a base di resine.
 
I fibrocementi
I fibrocementi sono posti in opera secondo sistemi che dipendono dal tipo di manufatto utilizzato (lastre o pannelli) e dei formati (da piccoli a grandi).
Le lastre in fibrocemento di piccole e medie dimensioni vengono di solito fissate ad un'orditura di listelli verticali in legno o su un'orditura a telaio, mediante viti. Per i formati di grandi dimensioni il montaggio è effettuato ad esempio su profilati verticali ad omega di acciaio mediante viti autofilettanti o rivetti.
I pannelli, come ad esempio quelli in GRFC  prefabbricati, presentano una conformazione che prevede la predisposizione per l'ancoraggio alla struttura portante. Per esempio alcuni manufatti presentano un'ossatura metallica di base che, oltre a fornire il supporto rigido per il pannello, permette anche di fissare il pannello stesso allo strato portante. Un sistema di ancoraggio tipico è quello costituito da staffe metalliche e un sistema di bullonatura usati soprattutto per i pannelli in cemento armato prefabbricato. Ogni progetto richiede uno studio del più appropriato sistema d'ancoraggio.
 
Bibliografia:
E. Gregorini, I rivestimenti esterni- materiali e sistemi, Maggioli Editore, Rimini, 1996.
Manuale di progettazione edilizia, tipologie e criteri dimensionali vol. 1, Ulrico Hoepli editore, Milano, 1995.
A Galbiati, L. Granzini, C. Macchia, I calcestruzzi fibrorinforzati, produzione e applicazione, Maggioli Editore, Rimini 1996.

Caratteristiche generali dei materiali compositi

Caratteristiche generali dei materiali compositi

Caratteristiche generali dei materiali compositi

Caratteristiche generali dei materiali compositi

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