I materiali da costruzione sono tutti i materiali, naturali e artificiali, normalmente impiegati nel lavoro per realizzare costruzioni edilizie e opere d'ingegneria civile (strade, ponti, canali, dighe, gallerie).

Esistono vari tipi di materiali da costruzione, sia naturali sia artificiali, a cui se ne aggiungono sempre di nuovi. Il numero di questi materiali, in passato era relativamente limitato, ma continuamente aumentano, mentre allo stesso tempo si è avuta una differenziazione dei sistemi impiegati per la loro produzione.

L'elevato numero di materiali da costruzione dipende dal fatto che ognuno di essi presenta delle particolari proprietà, che lo fanno preferire agli altri a seconda degli scopi per i quali deve essere utilizzato.

Storia

Storicamente, i primi materiali utilizzati per la costruzione sono stati pelli animali (nella costruzione di tende), fango, argilla grezza, paglia (nella costruzione di capanne), e rocce di varia natura. Molti di questi materiali vengono ancora oggi utilizzati in alcune parti del mondo da popolazioni nomadi o aborigene, mentre sono stati quasi completamente rimpiazzati dagli altri materiali nel contesto tecnologico dei paesi industrializzati.

Il muro a secco è una delle più antiche tecniche di costruzione: esso è realizzato da blocchi di pietra opportunamente disposti in modo da autosostenersi, senza rendere necessario l'uso di leganti. Esempi di antiche costruzioni realizzate in pietra sono i nuraghe della Sardegna (risalenti al II millennio a.C. ), le piramidi a gradini dell'America Latina, e le costruzioni degli antichi greci e romani.

Il granito era già utilizzato nel 2600 a.C. dagli antichi egizi, che se ne servirono per costruire il rivestimento superficiale della piramide rossa, mentre la piramide di Micerino è costruita con blocchi di granito e calcare.

Presso i nativi americani delle Grandi Pianure era comune l'utilizzo di pelli o corteccia di betulla per la fabbricazione dei "tipi" (in inglese teepee), tende di forma conica che avevano il vantaggio di potere essere trasportate.

In Mongolia una parte della popolazione vive ancora nelle iurte, abitazioni costituite da una struttura portante in legno e una copertura fatta di tappeti di feltro (una stoffa in pelo animale). Questo tipo di abitazioni è richiamato nelle tensostrutture, applicate su vasta scala nella seconda metà del Novecento. Per la costruzione delle tensostrutture vengono in genere impiegate travature costituite da fibra di vetro rivestita in politetrafluoroetilene e tele in poliestere e polivinilcloruro.

In ambito edilizio è stato ed ha trovato utilizzo come materiale da costruzione anche l'amianto (nella forma commerciale dell'Eternit), usato per la coibentazione di edifici e mezzi di trasporto, fino a quando, negli anni ottanta, ne è stata accertata la cancerogenicità.

Struttura e proprietà dei materiali

A ciascun materiale è richiesto di possedere determinate proprietà e di conservarle nel tempo. Le proprietà meccaniche riflettono il comportamento del materiale sollecitato all'applicazione di un sistema di forze; quelle fisiche misurano il comportamento sotto l'azione della temperatura, dei campi elettrici o magnetici, della luce, del fuoco; le proprietà chimiche caratterizzano la capacità di conservare le proprie caratteristiche nell'ambiente in cui il materiale opera.

+ Confronto di alcune proprietà dei materiali Proprietà Materiali metallici Ceramici Materie plasticheDensità (g/cm³) 2 - 16 2 - 17 1 - 2Punto di fusione da basso ad alto alto (fino a 4000 °C) bassoDurezza media alta bassaLavorabilità buona scarsa buonaResistenza a trazione (MPa) fino a 2500 fino a 400 fino a 120Resistenza a compressione (MPa) fino a 2500 fino a 2500 fino a 350Conducibilità termica media medio-bassa bassa Proprietà elettriche conduttori isolanti isolantiResistenza chimica medio-bassa eccellente in genere buona

Struttura dei materiali Un qualsiasi aggregato di atomi costituisce la materia, che può presentarsi in diversi stati. Le due situazioni estreme sono rappresentate dai fluidi (gas e liquidi) e dai solidi. Parlando di materiali da costruzione, si fa sempre riferimento a materiali solidi. I solidi possono essere di tipo cristallino, cioè caratterizzati da una struttura ordinata a livello atomico e molecolare (come nel caso dei metalli o di molti materiali ceramici), amorfo, nel caso in cui assumano una struttura disordinata simile a quella dei liquidi (come nei vetri, dove un raffreddamento "congela" la struttura amorfa del liquido) o semicristallino (come molti materiali polimerici).

La scelta del materiale La costruzione di un oggetto, di un utensile e di addirittura un edificio, quindi la sua forma, le sue proprietà meccaniche e strutturali, il suo peso e le sue proprietà termiche, sono condizionati dai materiali con i quali questi vengono realizzati. La scelta di un materiale rispetto ad un altro non è mai casuale, poiché i materiali (anche all'interno della stessa famiglia), presentano proprietà molto diverse fra loro, che condizionano sensibilmente la produzione di un manufatto, o di un'infrastruttura.

In passato la maggior parte dei materiali usati per l'edilizia era presente in natura (legno, argilla o sabbia) e veniva utilizzata senza particolari lavorazioni aggiuntive. Con il passare del tempo, a questi materiali se ne sono aggiunti altri, artificiali (come il calcestruzzo, vetro, materie plastiche, e i metalli), che vengono realizzati a partire da materie prime presenti in natura, che per l'utilizzo industriale vengono sottoposte a diversi processi di lavorazione e trattamento delle superfici. Anche i materiali naturali, che una volta venivano impiegati allo stato grezzo, ora vengono sottoposti a diversi processi di lavorazione; ad esempio il legno subisce diversi trattamenti di superficie (come la sabbiatura), mentre l'argilla viene cotta al forno (diventando terracotta).

Oggi, la scelta del materiale da adottare per una particolare applicazione dipende dalle sue caratteristiche (tra cui: proprietà meccaniche, proprietà fisiche, proprietà chimiche, proprietà ottiche e traspirabilità), ma anche dalla sua disponibilità nel luogo di utilizzo, dall'impatto ambientale del materiale stesso, dal suo effetto estetico e, soprattutto, dal suo prezzo.

Tra i vari fattori di risparmio che possono influenzare la scelta dei materiali alcuni sono direttamente legati al materiale stesso, come il costo di produzione unitario o la reperibilità in loco, ma altri dipendono dalle tecnologie utilizzate in cantiere e/o al ciclo di vita previsto per l'edificio (es. modularità dei componenti nel caso di prefabbricazione, facilità di utilizzo da parte di manodopera non specializzata nel caso dell'autocostruzione, possibilità di un riutilizzo dopo la demolizione dell'edificio....).

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche di un materiale da costruzione sono quelle che riflettono il comportamento del materiale stesso in seguito all'applicazione di un sistema di forze...

Tipologie di materiali

Pietre naturali (o materiali lapidei o rocce) Marmo Travertino Alabastro Marna Arenaria Ardesia Granito Gneiss Porfido Basalto Stucco Ghiaia Pietrisco Sabbia

Materiali artificiali Laterizi (mattoni e tegole) Ceramiche Vetro Leganti Gesso Calce Intonaco Cemento Lignei Metallici Polimerici (materie plastiche)

A questi materiali, che sono i più utilizzati nel campo dell'edilizia, si aggiungono una molteplicità di altri materiali, quali ad esempio i compositi e il ghiaccio.

Legno

Il legno è il materiale organico più diffuso e il suo utilizzo risale all'antichità (basti pensare alle capanne del Paleolitico o alle palafitte del Neolitico).

Esistono diversi tipi di legni, che si differenziano, oltre che per la specie arboricola da cui sono prodotti, dal tipo di crescita che ha avuto l'albero.

Il legno strutturale è un materiale da costruzione piuttosto versatile e facilmente lavorabile, che viene impiegato in ambito edilizio per la costruzione di diverse strutture; in particolare può essere utilizzato sia per la realizzazione di telai portanti sia come rivestimento.

A partire dal fusto possono essere ricavati elementi a sezione rettangolare con diversi rapporti di larghezza/altezza. Il collegamento dei vari elementi avviene a mezzo di colle, con viti o con collegamenti realizzati in acciaio da carpenteria.

Il vantaggio delle strutture in legno lo si riscontra particolarmente nelle strutture lamellari, costituite cioè da una serie di assi di legno sottili saldamente collegate tra loro. Una struttura in legno lamellare presenta notevoli valori di resistenza agli sforzi e può benissimo essere utilizzata per la realizzazione di opere come travi portanti per solai o travature di tetti in legno.

Il principale svantaggio del legno è la sua facilità ad incendiarsi. Oggi comunque esistono numerosi trattamenti che possono rendere abbastanza ignifugo un elemento in legno in modo da permettere una maggiore resistenza al fuoco.

Paglia

In molti paesi (soprattutto tropicali) la paglia è il materiale di copertura più diffuso per i tetti delle case, nonché una caratteristica importante del paesaggio locale. La diffusione in Europa è maggiore nel nord del continente e, in particolare, nelle isole britanniche. Qui questo tipo di copertura, che nel medioevo era abbondantemente diffuso, sta venendo nuovamente valorizzato.

Leganti

I leganti sono materiali costituiti da polveri finissime che, se impastate con acqua, dànno origine a una massa plastica che, una volta indurita, raggiunge una elevata resistenza meccanica. I leganti, quando impastati con acqua, diventano malte e calcestruzzi.

Gesso

Il gesso utilizzato in edilizia è un legante aereo costituito da solfato di calcio semidrato , da anidrite o da una miscela dei due composti. È un materiale leggero e resistente al fuoco, isolante termico e acustico. Viene prodotto a partire dalla pietra di gesso, un materiale molto tenero che contiene (per un valore solitamente inferiore al 10%) impurezze di silicati, alluminati, quarzo e ossido di ferro). Il gesso non può operare all'aperto o a contatto con ambienti umidi (in quanto non sufficientemente insolubile). Inoltre, il gesso umido è aggressivo nei confronti dei materiali metallici che non resistono in condizioni di umidità. Infine, il gesso non può essere utilizzato a contatto con atmosfere contenenti ammoniaca.

Calce aerea

Con il termine calce si intendono sia l'ossido di calcio (CaO) ottenuto per cottura ad alta temperatura di rocce calcaree (calce viva) sia il suo idrato (Ca(OH)2, detto anche calce spenta). La calce è utilizzata impastata con sabbia e acqua, diventando così malta, per il collegamento di pietre e mattoni o per la realizzazione di intonaci.

Calce idraulica

La calce idraulica è stata largamente usata in passato, ma oggi viene prodotta in quantità modeste e solo in alcuni paesi. Questo legante viene spesso considerato come il precursore del moderno cemento Portland. A differenza della calce aerea, quella idraulica può far presa e resistere anche in acqua e in ambienti umidi. Si possono distinguere tre tipi di calce idraulica: calci idrauliche vere e proprie, ottenute per cottura di calcari argillosi o di miscele di calcari e argille; calci idrauliche attualmente in commercio che sono costituite da cemento Portland opportunamente diluito; calci idrauliche ottenute per aggiunta alla calce aerea di materiali pozzolanici.

Cementi

La norma europea EN 197 definisce cemento: "un materiale inorganico finemente macinato che, mescolato con acqua, forma una pasta che rapprende e indurisce a seguito di reazioni e processi di idratazione e che una volta indurita mantiene la sua resistenza e stabilità anche sott'acqua".