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TECHNOLOGY OF BUILDING MATERIALS AND APPLIED CHEMISTRY
MARIO MILAZZO
Academic year2023/24
CourseARCHITECTURE AND BUILDING ENGINEERING
Code1133I
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
TECNOLOGIA DEI MATERIALI DA COSTRUZIONE E CHIMICA APPLICATAING-IND/22LEZIONI72
MARIO MILAZZO unimap
LUCA PANARIELLO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Lo studente che completa con profitto il corso sarà capace di dimostrare una solida conoscenza relativa alla Chimica Applicata e Scienza ed Ingegneria dei Materiali.

Nel corso, lo studente acquisirà nozioni relative:

  • ai fondamenti della chimica generale, inorganica, e cenni di organica;
  • alla struttura e alle proprietà meccaniche di materiali metallici, polimerici, ceramici, compositi;
  • i principali meccanismi di degradazione, tra cui frattura, fatica, e corrosione;
  • le principali tecniche per caratterizzare meccanicamente un materiale.
Knowledge

Each student will be able to get a solid knowledge on Applied Chemistry and Materials Science.

In particular, he/she will get knowledge on:

  • the basics of chemistry (inorganic, organic);
  • the structure and mechnical properties of metallic, polymeric, ceramic, and composite materials;
  • the main degradation mechanisms including fracture, fatigue, and corrosion;
  • the main techniques to mechanically characterize a material.
Modalità di verifica delle conoscenze

La conoscenza degli argomenti del corso verrà esaminata con una prova orale, preceduta da un test a risposta multipla che ne condiziona l'accesso. Durante l'esame lo studente verrà valutato in base alla capacità di connettere ed argomentare le nozioni relative al corso con spirito critico e proprietà di linguaggio.

Assessment criteria of knowledge

The final assessment of the topics of the course will be held with an oral exam preceded by a written multiple-choice test. At the oral exam, the student will be evaluated on his/her capability of discussing notions, critical thinking, and on the proper use of the technical language.

Capacità

Lo studente sarà in grado di

  • identificare e selezionare i materiali più idonei per specifiche applicazioni strutturali;
  • analizzare, interpretare, e discutere i risultati ottenuti dalle principali prove di caratterizzazione meccanica.
Skills

The student will be able to:

  • identify and select the best materials for a specific structural application;
  • analyze, interpret, and discuss the results from the main mechanical tests.
Modalità di verifica delle capacità

Le competenze dello studente verranno valutate durante la prova orale dove il candidato avrà la possibilità di dimostrare le proprie capacità nel fornire indicazioni per il mix design di materiali per costruzione, e per l'analisi di grafici o dataset con spirito critico.

Assessment criteria of skills

The competences of the student will be evaluated within the oral exam, during which he/she will have the possibility to demonstrate his/her skills and critical thinking on the mix design for structural materials and on the analysis of plots and datasets.

Comportamenti

Lo studente avrà le basi per una prima valutazione sulla scelta dei materiali necessari per applicazioni ingegneristiche che si fondino sul raggiungimento di specifiche performance (es., peso, resistenza, rigidezza, resilienza) e prevengano determinati fenomeni di degradazione.

Behaviors

The student will have the proper background for a first assessment on the evaluation of the best materials for engineering applications with specific requirements (e.g., weight, resistance, stiffness, toughness), and on the actions to prevent the degradation of such materials.

Modalità di verifica dei comportamenti

Durante la prova orale, verrà chiesto allo studente di effettuare delle valutazioni di massima circa l'utilizzo di materiali in vista di applicazioni caratterizzate da specifiche performance.

Assessment criteria of behaviors

Within the oral exam, the student will have to justify the selection of specific materials in view of specific applications and required performances.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Si consiglia la conoscenza delle seguenti materie:

  • Analisi Matematica
  • Fisica Generale ed in particolare gli argomenti di Meccanica
Prerequisites

It is warmly suggested an appropriate knowledge on:

  • Calculus
  • General Physics (in particular Mechanics)
Indicazioni metodologiche

Il corso verrà erogato in lingua italiana e in presenza con spiegazioni che saranno principalmente fornite con l'ausilio della lavagna e, qualora necessario, con slide.

I docenti suggeriscono la frequenza e partecipazione attiva alle lezioni.

Teaching methods

The course will be held in Italian, using the blackboard or, if needed, slides.

The lecturers warmly suggest an active participation to the lessons.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Introduzione: Tipologie e caratteristiche dei materiali per l'edilizia e l'architettura: materiali strutturali e materiali funzionali.

Chimica generale: la tavola periodica, legami intramolecolari (ionico, covalente, e metallico) e intermolecolari (van der walls london e idrogeno). Strutture molecolari e relazioni struttura-proprietà. Concetti di acido e base, solubilità, principale reattività degli ossidi inorganici, nomenclatura, reazioni di ossidoriduzione. Diagrammi di stato di una sostanza pura, soluzioni e pH. Accenni di termodinamica e cinetica chimica. 

Le prove meccaniche: trazione/compressione, flessione, durezza, resilienza.

La struttura della materia: reticoli cristallini, difetti.

Materiali metallici: Ghise ed acciai, produzione, diagramma ferro-carbonio e meccanismi di solidificazione, trattamenti termici, saldabilità, caratteristiche fisiche-meccaniche, prestazioni, normativa. Acciai da costruzione e acciai speciali. Diagrammi di fase eutettici, diagrammi di fase complessi. Leghe non ferrose (leghe di alluminio, rame, zinco, stagno, magnesio).

Materiali ceramici: materiali argillosi, laterizi e terrecotte, produzione, additivi, proprietà fisiche meccaniche, applicazione in edilizia. Vetro, produzione vetro soffiato, filato e vetro piano, additivi (fondenti, modificatori), vetri speciali (borosilicati, vetri al piombo, vetri antiproiettile), applicazioni in edilizia. Tecnologia, caratteristiche, prestazioni e normativa.

Materie plastiche: chimica delle plastiche, termoplastici, termoindurenti, elastomeri, principali caratteristiche fisico-meccaniche e loro impiego nel settore delle costruzioni. Materiali a basso impatto ambientale.

Materiali legnosi: struttura e composizione, applicazione in campo edilizio, caratteristiche fisico-meccaniche, problematiche dovute al ritiro e alla presenza di umidità.

I materiali compositi: Definizione e cenni della meccanica dei materiali rinforzati. Esempi di applicazioni. Il caso del cemento armato.

Leganti per l’edilizia: gesso, calci, cementi, calcestruzzo. Tipi di cemento, componenti, formulazione e proprietà (tempo di presa, lavorabilità). Mix design calcestruzzo (dimensione inerti, dosaggio acqua secondo classe di esposizione e proprietà meccaniche desiderate). 

La degradazione dei materiali: Fenomeno della frattura. Cenni sulla meccanica della frattura. Cedimento a fatica e metodi per limitarne i danni. Fenomeno del creep. Fenomeni di corrosione. Reazioni chimiche fondamentali. Aspetti termodinamici. Introduzione alla cinetica di corrosione. Fenomeni di ossidazione a caldo. Sovratensioni e polarizzazione. Rimedi contro la corrosione.

Syllabus

Introduction: Main characteristics of building and structural materials.  

Chemistry:

  • Periodic table
  • Intramolecular (ionic, covalent, and metallic) and intermolecular (van der walls london and hydrogen) bonds
  • Molecular structures and structure-property relationships
  • Acid and base, solutions and pH.
  • Solubility
  • Main reactivity of inorganic oxides
  • Nomenclature
  • Redox reactions
  • Phase diagram of a pure substance
  • Introduction to thermochemistry and chemical kinetics.

Mechanical tests

  • Tensile test. Definition of the engineering and true stress and strains. Hardening and necking phenomena. Young's Modulus and Poisson Ratio. Stored energy. Hollomon and Considère criteria.
  • Introduction to the bending and torque tests.
  • Hardness tests: Brinnell, Vickers, Rockwell.
  • Impact test with Charpy pendulum. Toughness.

Crystalline structure and the solid state

  • Definition of the cubic and hexagonal lattices. Monocristals and polycristals. Miller indices. Points, directions, and planes in lattices.
  • Defects in crystalline lattices. Point, linear, planar, and volumetric defects. Dislocation and Burger vector. Motion and energy of dislocations. Frank-Read effect.
  • Diffusion in the solid state. First and second Fick laws. Applications and definition of the diffusion coefficient.
  • Strengthening at the solid state. Hardening: definitions and technological processes. Refinement of the grain.

State diagrams and metallic alloys

  • Definitions, phase, and phase law. Hume-Rothery laws. Lever rule. Basic transformation and eutectic transformation.
  • Solidification. Products of the process. Technological processes.
  • Alloys. Iron-Carbon phase diagram. Steel and cast iron.
  • Bain (or TTT) diagrams. Perlitic, austenitic, bainitic, and martensitic transformations. Effects on the curves when using other chemical elements.
  • CCT curves and Jominy test. Hardening and tempering alloys.
  • Introduction on the production of steel and legislation. 
  • Main classes of alloys (tempered, spring, inox, austenitic steel).
  • Light alloys and the ageing phenomenon.
  • Materials for high-temperature applications.

Polymers

  • Introduction to polymeric materials. Main definitions. Numeral and ponderal weight. Polymerization techniques (addition and condensation).
  • Thermoplastic, thermosetting, and elastomeric materials. Entropic spring. Natural polymers
  • Viscoelasticity in polymers. Definitions and industrial applications.

Ceramics

  • Structure and properties. Ionic-covalent bond. Introduction to the fabrication approaches.
  • Glasses. Characteristics and technological applications. Viscosity. Annealing and reinforcements.

Composites

  • Definitions and introduction to the mechanics of reinforced materials. Applications in engineering.

Wood

  • Structure and composition.
  • Applications.
  • Mechanical characterization.
  • Issues related to shrinking and humidity.

Construction binder

  • aerial (gypsum, quicklime) and hydraulic binders (cements, concrete).
  • Types of cement/concrete, components, formulation and properties (setting time, workability).
  • Concrete mix design (aggregate size, water dosage, exposure class, consistency class and desired mechanical properties).

Degradation phenomena

  • Introduction to fracture mechanics.
  • Mechanical fatigue and potential countermeasures.
  • Creep phenomena.
  • Corrosion phenomena. Basic chemical reactions and thermodynamics. Introduction to the kinetics of corrosion.
  • Oxidation at high temperatures. Overpotentials and polarizations. Countermeasures.
Bibliografia e materiale didattico

Testi di riferimento:

  • L. Bertolini, Materiali da Costruzione Vol. 1 e 2, Città Studi Edizioni
  • W. F. Smith, Scienza e Tecnologia dei Materiali
  • McGraw-Hill. W.D. Callister and D.G. Rethwisch, Scienza e ingegneria dei materiali, Edises
  • McGraw-Hill. V. Alunno Rossetti, Il calcestruzzo Materiali e Tecnologia

Tuttavia i docenti suggeriscono di prendere appunti durante la lezione.

Bibliography

Recommended references include:

  • L. Bertolini, Materiali da Costruzione Vol. 1 e 2, Città Studi Edizioni
  • W. F. Smith, Scienza e Tecnologia dei Materiali
  • McGraw-Hill. W.D. Callister and D.G. Rethwisch, Scienza e ingegneria dei materiali, Edises
  • McGraw-Hill. V. Alunno Rossetti, Il calcestruzzo Materiali e Tecnologia

The lecturers warmly suggest to take notes.

 

Indicazioni per non frequentanti

Studenti non frequentanti verranno valutati usando le stesse modalità descritte per i frequentanti.

Non-attending students info

Non-attending students will be evaluated by using the same modalities described for the attending students.

 

Modalità d'esame

L'esame finale consiste in una prova orale della durata variabile fra i 30 ed i 40 minuti, preceduto da una prova preselettiva a risposta multipla. Durante la prova orale, lo studente dovrà essere in grado di dimostrare, con spirito critico e proprietà di linguaggio, una conoscenza almeno sufficiente degli argomenti trattati nel corso. Verranno inoltre sottoposti semplici problemi pratici dove verranno valutate le capacità di analisi ed interpretazione di dati in vista di specifiche applicazioni ingegneristiche.

Assessment methods

The final exam consists of an oral test that lasts between 30 and 40 minutes, preceded by a multiple-choice test. During the exam, the student has to demonstrate, with critical awareness and property of language, sufficient knowledge of the topics discussed throughout the course. Simple practical problems will be given to the student to assess his ability to analyze and interpret data from experimental tests in view of specific engineering applications.

The exam will not be considered sufficient if the student will not demonstrate a basic knowledge of the topics of the course using the correct property of language.

Updated: 31/07/2023 11:36