Materiali ceramici per roma
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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.
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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
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Processo di produzioneProcesso di produzioneFormatura
• Laterizi a sezione costante
• Coppi
L’umidità della pasta tra 15-20%
G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le tipologie” vol.III, Faenza ed.
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.
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Processo di produzioneProcesso di produzioneFormatura
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%
G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le tipologie” vol.III, Faenza ed.
Formatura per pressatura a umido
Per prodotti di forma variabile nelle tre dimensioni
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Processo di produzioneProcesso di produzioneFormatura
G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le tipologie” vol.III, Faenza ed.
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
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Processo di produzioneProcesso di produzioneFormatura
G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le tipologie” vol.III, Faenza ed.
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
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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 cottura- temperatura 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