Materiali ceramici per roma

Materiali ceramiciMateriali ceramici

Fabio Fratini

[email protected]

Ceramica dal greco Keramos = terra bruciata

Prodotti ceramici

Oggetti cristallini o parzialmente cristallini ottenuti dalla cottura di argille impastate con acqua più eventuali additivi

“materie prime inorganiche foggiate a freddo e consolidate a caldo”

I prodotti vetrosi

“materie prime inorganiche foggiate a caldo e consolidate a freddo”

Classificazione dei prodotti Classificazione dei prodotti ceramiciceramici

rivestite e non

L’ argilla, materia prima dei L’ argilla, materia prima dei materiali ceramici tradizionalimateriali ceramici tradizionali

L’argillaL’argilla

E’ una roccia sedimentaria definita come roccia pelitica

Sono le rocce sedimentarie più diffuse sulla crosta terrestre

Genesi: principalmente alterazione chimico-fisica dei feldspati che perdono Na, K, Ca, Mg e si arricchiscono in Al e Si.

Dal punto di vista genetico si riconoscono le seguenti due tipologie:

- argille di depositi primari, (argille residuali) direttamente sulla roccia madre;

- argille di depositi secondari (argille sedimentarie.s.s.)

Composizione Composizione dell’argilladell’argillaMinerali principali: fillosilicati del tipo dei "minerali

argillosi"

Minerali secondari:

- altri fillosilicati (muscovite, biotite)

- quarzo (SiO2)

- feldspati K,Na,Ca (Al,SiO2)3

- carbonati (calcite-CaCO3, dolomite-CaMg(CO3)2)

- ossidi e idrossidi (goethite, ematite, gibbsite)

- solfati (gesso-CaSO4)

- solfuri (pirite-FeS)

- sostanze organiche, ecc

Tipi di Tipi di “argille“argille””

Argille grasse - contengono molti minerali argillosi

- trattengono una grande quantità di acqua e la perdono lentamante per evaporazione

- ritiro elevato durante l’essiccazione - molto plastiche

Argille magre – contengono molta frazione sabbiosa - trattengono poca acqua e la perdono

velocemente - basso ritiro - poco plastiche

Argille caolinitiche – contengono principalmente caolinite - colore bianco o giallastro - impiegate nella produzione della porcellana

I minerali argillosiI minerali argillosiFanno parte del gruppo dei Fillosilicati ed hanno un habitus laminare

Principali minerali argillosi

illite (K,H2O)Al2(Si3Al)O10 (OH)2

clorite (Mg,Fe,Al)12(Si,Al)8 O20 (OH)16

caolinite Al2Si2O5 (OH)4

smectite (1/2Ca,Na)0,5-1(Mg,Fe,Al)4-6(Si,Al)8O10 (OH)20 nH2O

vermiculite Mg0,5-1(Mg,Fe)4-6(Si,Al)8O20 (OH)4 7-8H2O

clorite-vermiculiteillite-smectite

Comportamento dei differenti minerali Comportamento dei differenti minerali argillosi nei confronti dell’acquaargillosi nei confronti dell’acqua

illite

clorite

caolinite

clorite-vermiculite

illite-smectite

smectite

vermiculite

granulometria relativemente grossolana non rigonfianti

granulometria fine, mediamente rigonfianti

favoriscono la plasticità grananulometria fine, molto rigonfianti

favoriscono la plasticità

Funzione dei diversi minerali Funzione dei diversi minerali

muscovite

biotite

quarzo

feldspati

carbonati

funzione smagrante

riduzione del ritiro

aumento porosità del cotto

scheletro

minerali argillosi+ calcite

matrice

chamotte

calcite

pirosseni

ecc.

scheletro aggiunto con diverse funzioni

Comportamento di alcuni minerali in Comportamento di alcuni minerali in cotturacottura

feldspati

Carbonati

solfati (gesso)

pirite

Ossidi di ferro (Fe2O3-FeO)

fondente

si dissociano nei rispettivi ossidi; se > 8% può esserci disgregazione manufatto a causa della loro idratazionesi dissocia in solfato, dannoso

forma solfati

la loro presenza determina il colore

La plasticità La plasticità dell’argilladell’argilla- è una delle caratteristiche dei materiali argillosi;

- si manifesta quando l’argilla assorbe l’acqua;

- si spiega grazie all’ azione lubrificante e legante dell’acqua che crea una pellicola liquida attorno a ciascun minerale argilloso;

- per ogni tipo di argilla esiste un ben definito “intervallo ” di % d’acqua per cui esiste un comportamento plastico

La porosità nell’argilla La porosità nell’argilla essiccataessiccata

argilla grassa: soprattutto fessure da ritiro

argilla magra: porosità intergranulare e da ritiro

Cenni storici sull’impiego dei laterizi in Cenni storici sull’impiego dei laterizi in architettura architettura

~ - in Grecia e nella civiltà etrusca l’uso dei laterizi cotti è limitato alle strutture di copertura e alle pareti decorative;

-in epoca romana il termine “opus latericium” indica le costruzioni in mattoni essiccati al sole (lateres crudi) che caratterizzano l’edilizia fino al I sec aC.; successivamente il mattone cotto (testae o lateres cocti) viene usato in tutto lo spessore del muro o come rivestimento dell’opera cementizia.

- ora si intende con opera quadrata i laterizi e con opera tonda il vasellame

Processo di produzione dei lateriziProcesso di produzione dei laterizi

Estrazione delle materie prime dalla

cava

Stagionatura

Preparazione dell’impasto

Formatura

Essiccamento Cottura

G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le tipologie” vol.III, Faenza ed.

16

Processo di produzioneProcesso di produzioneFormatura

Formatura a mano in pasta molle (metodo tradizionale): Metodo simile a quello antico. Il materiale deve essere abbondantemente inumidito (25-30% umidità) ed avere bassa plasticità. Si introduce in uno stampo in legno e si comprime a più riprese per riempire completamente lo stampo e per far uscire l’aria presente nelle cavità.

Formatura per stampatura a macchina in pasta molle

Laterizi con aspetto simile a quelli fatti a mano

L’impasto può essere addizionato con granuli di rocce altofondenti, tufo, pomice, argille di diversa composizione, granuli di argilla cotta di diverso colore

17


• Laterizi a sezione costante

• Coppi

L’umidità della pasta tra 15-20%


Formatura per estrusione

Si adatta a materiali umidi con plasticità sufficiente a permetter il loro passaggio attraverso un diaframma forato (filiera). La forza necessaria è impartita da un’elica rotante.

18


Le tegole piane del tipo olandese, romano, portoghese, marsigliese, pezzi speciali per copertura, coppi, le vasche ed i vasi da fiori

L’umidità della pasta tra 15-20%


Formatura per pressatura a umido

Per prodotti di forma variabile nelle tre dimensioni

19



Formatura per pressatura a secco

Per prodotti di forma variabile nelle tre dimensioni

L’umidità massima al 3-5%. Si usa per

mattoni pieni. Si ottengono manufatti di

misura precisa per minimo ritiro in

essiccazione

20



Formatura per foggiatura alla ruota a tornio

Metodo tradizionale per “vasellame”

Per oggetti di grandi dimensioni difficilmente ottenibili per pressatura. Lo stampo poroso, assorbendo per capillarità la maggior parte del liquido, determina la consistenza della pasta.

Formatura per colaggio

21

Processo di produzioneProcesso di produzioneEssiccazione

E’ un’ operazione molto delicata perché occorre fare in modo che l’evaporazione dell’acqua si compia uniformemente in tutto il pezzo e non solo negli strati superficiali: ciò determinerebbe una deformazione dei pezzi in cottura

Le particelle di argilla perdono la pellicola di acqua che le circonda ed il manufatto si ritira fino a che tutte le particelle giungono a contatto reciproco.

Successivamente viene persa l’acqua di porosità senza ulteriore ritiro

Temp: 100-120 °C

- Le argille più plastiche hanno ritiro maggiore, minore porosità e problemi di fratturazione

Processo di produzioneProcesso di produzioneCottura

E’ l’operazione che induce le definitive trasformazioni chimico fisiche con il definitivo indurimento

Il riscaldamento ed il successivo raffreddamento devono procedere gradualmente

Si deve evitare un’ eccessiva fusione dell’impasto (Temp 900-1000 °C)

Fornace Hoffman-fornace continua a fuoco mobile

Fornace a camera: intermittente con fornace sottostante

Fornace a tunnel- fornace continua a fuoco fisso

Processo di produzioneProcesso di produzioneCottura

Fasi di cottura:

-preriscaldo: completa perdita dell’acqua di imbibizione

- 400-750 °C: perdita dell’acqua di cristallizzazione dei minerali argillosi e formazione di ossidi liberi (silice, allumina, MgO)

-750-900 °C: decomposizione di CaCO3, il quarzo e i feldsapti fondono parzialmente favoriti da ox metallici e alcalini.

Se il chimismo è adatto, si formano silicati di Ca e Al (gehlenite,diopside)

-900-1000 °C: aumenta la fase fusa che riempie i vuoti della struttura, inizia a formarsi mullite (3Al2O3 2SiO2)

-1100-1200 °C: ulteriore fusione

Resistenza meccanica del prodotto cotto

Dipende da:

-% minerali argillosi;

-finezza e suddivisione dei granuli;

-è inversamente proporzionale alla quantità di acqua;

-composizione chimica adatta alla formazione di fasi fuse (Na2O, K2O, MgO) e a favorire le trasformazioni chimiche e ricristallizzazioni;

-regolarità di essiccazione: per lo sviluppo di forze di coesione equilibrate senza sollecitazioni di tensione residue con conseguenti fessurazioni;

-grado di essiccazione: troppa umidità residua in fase di cottura determina tensioni interne con possibile formazione di scagliature;

-giusta esposizione alla massima temperatura di cottura;

-regolare raffreddamento

Difetti di cottura dei lateriziDifetti di cottura dei laterizi

Ferrioli: mattoni bruciati o stracotti, di colore verde scuro e con porzioni vetrificate nere

Il colore chiaro non sempre è indice di cattiva cottura !

Albasi: mattoni poco cotti di colore giallo chiaro perché il calore non è stato sufficiente a trasformare i composti del Fe in Fe2O3

Cuore nero: non completa ossidazione

Dipende da:

-granulometrie molto fini e quindi bassa porosità;

-velocità di riscaldamento elevata fra 600-800 °C che causa la formazione in superficie di una crosta impermeabile

L’aggiunta di smagranti riesce spesso ad eliminare il cuore nero

Altri difetti dei lateriziAltri difetti dei laterizi

Calcinelli: granuli biancastri di CaCO3 derivanti da idratazione e

successiva carbonatazione di CaO prodotto dalla dissociazione

di frammenti carbonatici in fase di cottura. Se tali frammenti

sono grossi e > 8-10 % si può avere la disgregazione del

prodotto

Torre Vanga - Trento

Si può evitare la disgregazione, immergendo in acqua i mattoni subito dopo la cottura. L’idrossido di Ca che si forma va in soluzione senza che si sviluppino tensioni

Scagliature: provocate da pressioni dovute allo sviluppo di gas.

Sono favorite da:

- bassa porosità

- alta velocità di riscaldamento,

- sviluppo di notevoli quantità di gas per la presenza di carbonati o sostanze organiche finemente diffuse

Colore delle terrecotteColore delle terrecotte

Colore rosso : è dovuto principalmente all’ossidazione dei composti del Ferro Il grado di rosso dalla quantità di Fe2O3:Fe2O3 < 3% da bruno rossastro a rosa biancoFe2O3 3-4% da bruno a rosso violaceoFe2O3 > 4% rosso cupo.

Colore crema o bianco: con elevate quantità di calcio, allumina e moderata di Ferro

Colore blu o nero : è dovuto alla presenza provvisoria di FeO, cioè quando durante la cottura si provocano atmosfere povere di Ossigeno e ricche di Carbonio (atm. riducente). Si ottiene anche con l’aggiunta di MnO2.

Alterazione

Fattori interni:- tipo ed entità della porosità;- presenza di fasi vetrose composte da silicati di Na e K- presenza di sali solubili (dall’ argilla di partenza, dalla cottura)- presenza di calcinelli

Fattori esterni:- azione solvente dell’acqua pura su fasi vetrose alcaline;- azione solvente dell’acqua acida (NOx, CO2, SO2) su tutte le fasi vetrose del manufatto;- azione di idratazione del CaO (aumento di volume);- azione del gelo;- presenza di sali solubili provenienti dall’esterno (dalla muratura, dalla terra di seppellimento)

Campanile Duomo di Campanile Duomo di PietrasantaPietrasanta

INGOBBIORivestimento opaco, poroso, di varia colorazioneLa sua composizione può essere argillosa o silicea

- ha la funzione di nascondere il colore dell'impasto,

- per renderlo impermeabile è necessaria l'applicazione di una vetrina o smalto

- è applicato quando l'oggetto è allo stato di durezza cuoio, può essere lucidato

Sottile strato di materiale che ricopre l'impasto. Può essere:- di natura vetrosa (VETRINA, SMALTO);- con caratteristiche simili agli impasti ceramici (INGOBBIO, PATINA).

RivestimentiRivestimenti

VETRINA

Rivestimento completamente vetroso, trasparente, incolore o colorato.

Può essere applicato direttamente sull'impasto, su ingobbio o su smalto

Composto da una miscela di sostanze (feldspati, silice, ox di Pb, acido borico) che vengono dapprima fuse in crogioli. Il prodotto ottenuto si macina finemente e quindi se ne fa una densa sospensione in acqua.

PATINA CERAMICA

Rivestimento opaco, più o meno lucido, sottile La materia prima è rappresentata dalla frazione più fine di argille illitiche, separata per sedimentazione.

SMALTO

Rivestimento vetroso opaco

La sua opacità è causata da una fitta sospensione di particelle aventi indice di rifrazione diverso da quello della massa vetrosa in cui sono disperse. Se lo smalto presenta cristalli ben visibili a occhio nudo si definisce cristallizzato.

Composizione simile alle vetrine con aggiunta di opacizzanti (ossidi di stagno, zirconio, arsenico, antimonio, titanio)

L'applicazione del rivestimento può avvenire:

- sull'oggetto ancora crudo, - parzialmente essiccato, - durante la cottura (salatura), - sul cotto

Il materiale di rivestimento può essere applicato :

- per spolveramento, - allo stato secco, - allo stato di sospensione acquosa per aspersione, immersione, pennellatura o spruzzatura.

Talvolta vengono applicate sulla superficie solo delle sostanze fondenti che reagiscono in cottura con l'impasto, portando alla formazione di un rivestimento vetroso.

Modalità di applicazione dei rivestimentiModalità di applicazione dei rivestimenti

Applicazione di colori

Si può dipingere la pasta cotta non verniciata e quindi si

copre con una vetrina e si ricuoce oppure si dipinge il

materiale già smaltato (o verniciato) e ricotto e si cuoce

una terza volta

Problemi nell’applicazione di Problemi nell’applicazione di rivestimentirivestimenti

Cavillatura: problema che si verifica quando il coeff. di dilatazione del rivestimento è > di quello della pasta. In raffreddamento il rivestimento si ritira di più e si strappa.

La composizione del rivestimento determina il suo comportamento alla dilatazione. E’ importante che questo sia più vicino possibile a quello della pasta ceramica

Scheggiatura: coefficiente di dilatazione del rivestimento < di quello della pasta. In raffreddamento il rivestimento si ritira di meno e si scheggia.

Argilla e feldspati diminuiscono il coeff. di dilat. della pasta,

Quarzo e calcare lo innalzano

SnO2 diminuisce il coeff. di dilatazione e aumenta elasticità, brillantezza, resistenza agli agenti chimici

TiO2, fondente, aumenta la resistenza chimica e all’abrasione

TerrecotteCorpo ceramico colorato e poroso (rivestite o non rivestite)Classe meno evoluta e più antica: laterizi, vasi;Grezza: materiale archeologico;Impasto non raffinato;Temperatura cottura: 900°-1000° C, archeologica 600°-700°C;

Bucchero impasto raffinato a colore nero (atm. riducente povera di O2 e con sostanze carboniose). La combustione lenta della legna crea CO che trasforma l’ossido ferrico rosso presente nell’argilla in ossido ferroso nero.

rivestite e non

Terrecotte invetriate

Vetrine di colore verde o bruno (ossidi Cu o Mn), la cottura avviene sopra il biscotto precotto, in atm. ossidante e a T= 850°C;Uso: stoviglie da fuoco;Impasto: argilla povera in calcio con rivestimento in silicato di Pb;Svantaggi: vetrina al Pb aggredita da sostanze acide del cibo, libera sali di piombo nocivi;

Terrecotte ingobbiate

Ceramica Graffita: ceramica graffiata su ingobbio appena essiccato.

Ceramica ingobbiata veneziana

Terracotta invetriata monocroma veneziana

Figuline

Ceramiche antiche con un rivestimento terroso applicato in sottile spessore definito patina e/o vernice, assimilabile ad un ingobbio; sono spesso decorate a figure nere come la TERRA SIGILLATA ARETINA.

Faenze silicee

Tipica produzione egiziana.Il supporto ceramico : costituito dal 95% di silice e privo di elementi che lo rendono plastico al crudo, quindi per formarlo si faceva uso di sostanze organiche o silicato di Na.Rivestimento : con smalto turchese

Frammenti di scodelle d'impasto, dalla località Cilento (Ischia), Neolitico Medio, 3500 a.C.

Piatto, Faenza XVI sec.

Smalto: vetro reso opaco dalla presenza di opacizzanti (SnO2, TiO2). E’ fissato con cottura ulteriore successiva a quella del biscotto, contemporaneamente vengono fissate le decorazioni e la vetrina.Spessore: maggiore di altre ceramiche perché il biscotto ha meno resistenza, Temp. cottura bassa perché costituito da argille carbonatiche.

Maioliche policrome smaltate veneziane

Faenze

Terrecotte rivestite che si differenziano dalle terrecotte perché prodotte con argille più pure. Le faenze smaltate si chiamano maioliche

rivestite e non

GresL’impermeabilità li differenzia da faenze e terraglie, l’opacità e il colore dalle porcellaneImpasto: dato dalla miscela di più materie prime altofondenti; con la cottura (1200°C) si ottiene un prodotto non poroso usato per pavimenti, fognature ecc.Sono tutti invetriati o smaltati

TerraglieIn Inghilterra dal XVIII sec.

Terraglie forti: impasto di caolino, feldspati (15%), quarzo (30-50%), calcare(< 20%).La prima cottura è tra 1250-1280 °C.Sanitari da bagno, acquai, piastrelle.

Terraglie tenere: impasto di caolino o argilla povera in Fe, quarzo (30%), calcare (20%).La prima cottura è a 950-1050 °C)Vasi per pile, corpi filtranti ceramici

rivestite e non

PorcellaneCeramiche dure a pasta bianca vetrificata, resistente agli acidi, elevata resistenza agli sbalzi termici, altissima resistenza meccanica (res. compressione 400-1200 MPa), ottimo isolante termico ed elettrico

Porcellana dura: caolino (50%), quarzo (25%), feldspati (25%). Cotta prima a 800 e poi a 1400 °C. Fra le due cotture si applica la vetrina

Porcellana tenera: la seconda cottura è fatta a 1300 °C. prodotta con caolino, quarzo e come fondente:- calcare (Porcellana di Sèvres)- fosfato di Ca (porcellana inglese)- magnesite (porcellana tecnica)- nefelina o fritta (porcellana americana)

Prodotta in Cina 1000 anni fa, in Europa nel XVIII sec., nel 1575 a Firenze porcellana tenera, in Francia a Sevrès XVIII-XIX sec.

Studio archeometrico delle ceramiche archeologiche

-ricostruzione della tecnologia di lavorazione,

-individuazione dell’area di provenienza, cioè l’area di produzione del manufatto,

- definizione dello stato di conservazione.

Scopo dello studio è:

Si tratta di definire una serie di parametri che caratterizzano il ciclo tecnologico di un manufatto ceramico, e in particolare:

-la natura dell’impasto, più specificatamente la sua microstruttura e la sua composizione mineralogica e chimica;

-le condizioni di cottura, definite soprattutto dal tipo di atmosfera nell’ambiente di cottura e dalla temperatura massima raggiunta dal trattamento termico;

- il tipo di rivestimento eventualmente presente.

Tecnologia di lavorazioneTecnologia di lavorazione

Si indaga con l’osservazione in sezione sottile al microscopio ottico in luce trasmessa.

Natura dell’ Natura dell’ impastoimpasto

Composizione dello scheletro

ceramica da cucina -Pantellerian Ware: impasto contenente grossi granuli di pirosseno (fino a qualche mm)

granuli di dimensioniper lo più inferiori a circa 250 μm

Distribuzione dimensionale e forma dei Distribuzione dimensionale e forma dei granuligranuliLa distribuzione granulometrica:

-seriale: tutte le classi granulometriche sono ugualmente rappresentate (scheletro naturale)

-iatale: assenza di classi granulometriche intermedie (scheletro aggiunto)

I granuli angolosi di solito sono aggiunti

granuli arrotondati di calcite micritica già presente nell’impasto

grossi granuli spigolosi di calcite aggiunta

effetti di isorientamento delle lamelle micacee (sinistra) e dei vacuoli (destra) prodotti dalle operazioni di foggiatura

Distribuzione dimensionale e forma dei Distribuzione dimensionale e forma dei granuligranuli

La massa di fondo è l’elemento strutturale fondamentale ed è costituito dall’insieme dei minerali argillosi, non distinguibili al microscopio, trasformati dalla cottura.

Lo scheletro è l’insieme dei granuli distinguibili dalla massa di fondo,

I vacuoli sono le cavità rimaste vuote in seguito a difetti di lavorazione, dovute per lo più a bolle d’aria intrappolate nell’impasto durante la lavorazione allo stato plastico

Rapporto massa di Rapporto massa di fondo/scheletro/vacuolifondo/scheletro/vacuoli

Omogeneità della massa di Omogeneità della massa di fondofondoLa presenza di aggregati, di dimensioni variabili da

circa 0,1 a 1 mm, che prendono il nome di “aggregati di rocce argillose”(ARFs) , oppure ”bonherz” (aggregati rossi ricchi di ferro), indica che l’argilla non ha subìto un efficace trattamento preliminare, in grado di distruggere i grumi, prima di procedere alla fase di foggiatura dei manufatti

frammenti di rocceargillose (ARFs)

Presenza di zone di diverso colore :

nella maggior parte dei casi i colori delle varie zone sfumano l’uno nell’altro e sono attribuibili principalmente ad effetti diversificati della cottura. Anche in tal caso le sfumature di colore denunciano uno scarso pretrattamento di omogeneizzazione del materiale.

Il trattamento termico dell’impasto ceramico tende a distruggere i i minerali argillosi. Si forma quindi materiale amorfo avente le stesse proprietà ottiche in tutte le direzioni, contrariamente al materiale cristallino:

- il materiale poco cotto è molto cristallino e quindi anisotropo (A);

- all’aumentare della temp. di cottura i minerali argillosi si vetrificano e la massa di fondo diviene sempre più isotropa (I).

Grado di isotropia della massa di Grado di isotropia della massa di fondofondo

impasto ben cotto con massa di fondo ad elevato grado di isotropia

impasto poco cotto con massa di fondo anisotropa

Le condizioni di cottura possono essere definite da due parametri principali:- l’atmosfera di cotturatemperatura massima raggiunta durante il trattamento termico

Condizioni di Condizioni di cotturacottura

L’atmosfera di cottura è caratterizzata dalla sua capacità di ossidazione degli elementi che presentano diversi gradi di valenza, in particolare il ferro perché questo elemento è sempre presente in quantità significative negli impasti ceramici antichi.

La possibilità di continuo apporto di aria nella fornace determina la completa ossidazione del ferro, con la formazione di ossido ferrico (Fe2O3 - ematite) di colore rosso.

Un insufficiente ricambio di ossigeno determina invece la formazione di ossido ferroso (FeO - wustite) e ossido ferroso-ferrico (Fe3O4 - magnetite) di colore grigio.

-“termometro mineralogico”: la composizione mineralogica degli impasti (XRD) evidenzia i composti formatisi durante la cottura. Conoscendo la temp. di formazione di queste fasi cristalline, si può dedurre la temperatura massima raggiunta. Questo sistema è particolarmente valido per gli impasti ceramici preparati con materie prime argillose ricche di carbonati perché le reazioni fra i minerali argillosi vetrificati e i carbonati sono quelle che determinano la formazione del maggior numero di nuovi composti

Temperatura massima di cotturaTemperatura massima di cottura

- Microscopia ottica: si valuta il grado di anisotropia/isotropia della matrice

- Microscopia elettronica: si valuta il grado di vetrificazione- Dilatometria: si misura la dilatazione termica del materiale ceramico in funzione della temperatura e si individua la soglia di temperatura oltre la quale le variazioni dimensionali del campione sono dovute non soltanto alla normale dilatazione termica di tutti i corpi solidi, ma anche ad un’avvenuta modificazione di composizione delle fasi presenti nel materiale

- Identificazione della temperatura sopra la quale si ha una variazione dello spettro di diffrazione X

Reazioni in cottura: RICOSTRUTTIVEReazioni in cottura: RICOSTRUTTIVE

Tra 700 – 1050°CTra 700 – 1050°C

CaO + SiO2 CaSiO3 (wollastonite)

2CaO + Al2O3 + SiO2Ca2Al2SiO7 (gehlenite)

CaO + MgO + 2SiO2CaMgSi2O6 (diopside)

CaO + Al2O3 + 2SiO2CaAl2Si2O8 (anortite)

-

+

Temperatura

All’inizio la prima SiO2 disponibile è quella dei minerali argillosi, poi con l’aumentare della temperatura, la SiO2 è quella del quarzo- la gehlenite si trasforma in anortite

- il diopside si forma per reazione con Mg proveniente dalla distruzione di smectite, vermiculite, dolomite

Reazioni in cottura: RICOSTRUTTIVEReazioni in cottura: RICOSTRUTTIVE

tra 700 – 1050°Ctra 700 – 1050°C

Termometri per la Termometri per la porcellana di Capodimonteporcellana di Capodimonte

Presenza di fasi di alta Temp della silice: cristobalite, tridimite

Questa porcellana è particolare: è realizzata con ~ 80 % di sabbia quarzosa e come fondente natron (Na2CO3)

All’aumentare della temperatura di cottura, cresce la quantità di quarzo che si trasforma in cristobalite, e il rapporto Cristobalite/Quarzo (Cr/Qz) può essere preso come un indicatore relativo di temperatura di cottura:

> Cr/Qz → > Temp. cottura

La tridimite cristallizza durante il raffreddamento dalla fase fusa. Pertanto, essa sarà tanto maggiore quanto più alta è stata la quantità di fuso, poi diventata fase vetrosa, e quindi quanto più alta è stata la temperatura di cottura.

Con la temperatura cresce anche la quantità di fase fusa, che poi diventa vetro.

Al2Si2O5(OH )4

Caolinite600°C Al2O3 x 2SiO2 + H2O

Metacaolino

2(Al2O3 x 2SiO2)Metacaolino

950°C 2Al2O3 x3SiO2 + SiO2

Silice amorfa

3(2Al2O3 x3SiO2) ~ 1100°C

2(3Al2O3 x2SiO2)+5SiO2

Mullite Cristobalite

La determinazione della composizione chimica consente di

dedurre il tipo di materie prime impiegate nella preparazione

dell’impasto ceramico.

La composizione chimica, definita dalla quantità degli ossidi

maggiori (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O) e alcuni

minori (TiO2, MnO, P2O5), si determina con la tecnica della

fluorescenza di raggi-X (XRF) (tecnica distruttiva)

Composizione chimica Composizione chimica dell’impastodell’impasto

Lo scopo delle indagini è individuarne:

- presenza;- tipo;- spessore;- microstruttura;- interfaccia con l’impasto;- determinarne la composizione chimica

Si utilizza:

- microscopia ottica in sezione sottile ;- microscopia elettronica (SEM EDS) talora integrata o sostituita con la spettrometria di emissione al plasma (ICP)

RivestimentiRivestimenti

Si può distinguere facilmente il tipo di rivestimento (ingobbio, vernice, vetrina, smalto) sulla base di opacità e trasparenza .

E’ anche possibile vedere se i diversi tipi di rivestimento sono applicati contemporaneamente, in quanto sono tecnologicamente significativi diversi accoppiamenti:

ingobbio/vetrina , ingobbio/smalto, smalto/vetrina, ingobbio/smalto/vetrina.

Osservazioni in sezione sottileOsservazioni in sezione sottile

ceramica graffita

vetrina

ingobbio

smalto

maiolica

Si possono mettere in evidenza diversi caratteri microstrutturali,:- bolle- cristalli indisciolti;- cristalli di neoformazione;- disomogeneità di composizione. Tutti questi caratteri possono essere messi in relazione alla tecnologia di lavorazione.

La presenza di cristalli indisciolti di quarzo, ad es. può significare l’uso di una eccessiva quantità di tale componente oppure una scarsa macinazione della materia prima che lo contiene

Lo sviluppo dell’interfaccia di reazione fra rivestimento ed impasto è in relazione alla tecnologia di lavorazione: - una notevole ampiezza di questa zona di raccordo fra impasto e smalto nella maiolica, ad esempio, può indicare l’impiego della tecnica di lavorazione in monocottura .Lo smalto, cioè, sarebbe stato applicato sul manufatto foggiato ed essiccato, dopodiché si esegue l’unica cottura che contemporaneamente consolida l’impasto ceramico e fa maturare il rivestimento.

Nel caso opposto, lo smalto sarebbe stato applicato sul manufatto foggiato, essiccato e cotto, dopodiché si realizza una seconda cottura destinata a far maturare lo smalto

significativo accrescimento di una zona di interfaccia fra lo strato di smalto e il biscotto in un reperto di maiolica.

interfaccia di reazione

Composizione chimica del Composizione chimica del rivestimentorivestimentoServe per risalire alle materie prime utilizzate per la costituzione della miscela di partenza. Tenuto conto del ridotto spessore dei rivestimenti, (da qualche decina di micron per le vernici a qualche centinaio di micron per gli smalti), la composizione chimica può essere determinata mediante SEM EDS/WDS

L’analisi SEM-EDS ha però molte limitazioni nella precisione di determinazione degli elementi a basso numero atomico (Si, Al, Mg, Na), che sono moltoimportanti nei sistemi ceramici.

Quando è possibile, quindi, si preferisce utilizzare la spettrometria di emissione al plasma (ICP-AES) perché è molto sensibile e molto precisa. Però è necessario disporre di un campione di smalto distaccato dal suo supporto, per poterlo poi portare in soluzione oppure ICP-AES dotato di laser ablation

vetrina di una graffita

vernice di una ceramica a vernice nera

Il concetto fondamentale su cui si basa questo tipo di indagini è lacompatibilità di composizione degli impasti dei reperti studiati con le materie prime locali, oppure con reperti già analizzati di cui sia archeologicamente accertata la provenienza

ProvenienzaProvenienza

La presenza di caratteristici cristalli di enigmatite (o cossirite) negli impasti ceramici di Pantellerian Ware ne consente l’immediata attribuzione alla produzione dell’isola.

In impasti grossolani può quindi essere sufficiente uno studio in sezione sottile ma a volte per identificare la provenienza di alcuni minerali vulcanici può essere necessario effettuare una loro analisi chimica mediante microsonda WDS

Provenienza nel caso degli impasti finiProvenienza nel caso degli impasti fini

XRF portatile a dispersione di energia (EDS): poco sensibile per gli elementi a basso numero atomico

Negli impasti cosiddetti “fini” i granuli di dimensioni riconoscibili in sezione sottile sono molto scarsi, spesso inferiori al 5%. Ne consegue che la grande maggioranza dell’impasto ha una composizione non discriminabile al microscopio ottico. Si effettua quindi un analisi chimica

SEM EDS: è necessario fare una sezione, poco sensibile per gli elementi a basso numero atomico

Microsonda WDS: è necessario fare una sezione, sensibile anche per gli elementi a basso numero atomico e per numerosi elementi in tracceXRF a dispersione di lunghezza d’onda (WDS): su polvere, distruttivo, sensibile anche per gli elementi a basso numero atomico e per numerosi elementi in tracce

La tecnica più adatta per la determinazione degli elementi in tracce, tuttavia, è l’attivazione neutronica (NAA)

Variazioni mineralogiche che si possono Variazioni mineralogiche che si possono sviluppare nei materiali cotti in condizioni di sviluppare nei materiali cotti in condizioni di seppellimentoseppellimento

- precipitazione di calcite secondaria da soluzioni acquose circolanti

-decomposizione di gehlenite in calcite

-reidratazione dei minerali argillosi non completamente distrutti (in materiali poco cotti)

- formazione di analcime dal degrado delle matrici vetrose ricche in Na

Gehlenite + nH2O + nCO2 Wairakite + CaCO3

CaAl2(SiO3) 2H2OCa2Al2(SiO7)

I rivestimenti maggiormente soggetti ad alterazione, al contatto con le soluzioni circolanti nel terreno, sono gli smalti e le vetrine. Ciò dipende dal fatto che il vetro è assai meno stabile rispetto agli altri materiali che costituiscono i rivestimenti non cristallini, cioè ingobbio e vernice.

Alterazioni dei rivestimenti

LisciviazioneLa più comune forma di alterazione dei rivestimenti vetrosi è la dissoluzione e l’allontanamento selettivo dei suoi elementi costituentiSolfurazioneProcesso di alterazione che riguarda i rivestimenti a piombo, siano smalti o vetrine, quando si trovano sepolti in un ambiente ricco di zolfo, generalmente prodotto dai cosiddetti solfo-batteri. Trasportato dall’acqua, probabilmente come acido solfidrico in soluzione, lo zolfo reagisce selettivamente con il piombo del rivestimento e dà origine a solfuro di piombo (galena) ed ha colore nero. Di conseguenza, il rivestimento appare nero ed ogni eventuale decorazione presente sulla superficie diventa invisibile

Frammenti di maiolica con lo strato di rivestimento annerito a causa del fenomeno della solfurazione

Analisi: a) petrografica: minerali tipici eruzione Avellino (nefelina-scapolite);b) microanalisi chimica: Si/alcali totali serie alcalino potassica;c) microanalisi dei clinopirosseni diopside a sialite del Vesuviod) microanalisi chimica delle pomici utilizzate come smagrante

SITO ARCHEOLOGICO COPPA NEVIGATA SITO ARCHEOLOGICO COPPA NEVIGATA (FOGGIA) Età del Bronzo(FOGGIA) Età del Bronzo

Tipologia: ceramica fine, vasellame, da cucina; Scheletro: quarzo, feldspati, frammenti vulcanici, chamotte, calcite spatica, calcite micritica; Problema: frammenti vulcanici di che provenienza? Ceramica locale o importata? Vulcani: 3000/4000 anni fa:- eruzione di Santorini (età minoica)- eruzione del Vesuvio che ha portato alla deposizione delle “pomici di Avellino” (1900 a.C.)

Conclusione: la produzione è locale dato che sono stati utilizzati i depositi piroclastici del Vesuvio relativi all’eruzione delle “Pomici di Avellino”

Istogrammi della composizione chimica (Al2O3, CaO, FeO) delle pomici di Avellino (grigie e bianche) e delle pomici utilizzate come smagrante

Studio dei focolari tramite suscettività Studio dei focolari tramite suscettività magnetica e termoluminescenza magnetica e termoluminescenza Lévêque F., Brodard A. et al. XVIIIe Colloque D’Archeometrie di GMPCA, 11-15 aprile 2011, Liegi (Belgio)

Nelle grotte preistoriche, la posizione dei focolari e la determinazione della loro funzione sono molto importanti per la comprensione dell’occupazione umana

focolari:

carboni, ceneri, materiali rubificati

La misura della suscettività magnetica permette di localizzare le zone riscaldate

Il riscaldamento provoca la formazione di magnetite, minerale di elevata suscettività magnetica, a partire da ox di Fe di media suscett. magnetica

maggiore temp.

maggiore sucettività magnetica

L’accoppiamento di termoluminescenza e suscettività magnetica effettuando un confronto su campioni non riscaldati, permette di risalire alle temp. raggiunte nei focolari

Documents

Materiali ceramici per roma