13   Maggio   2013

Piastrelle con superfici a scivolosità controllata

Ricerca svolta nell’ambito del Progetto InProCer (Obiettivo Realizzativo 2)

Scivolosità e tessitura superficiale: un nuovo approccio. Applicazioni alle piastrelle di ceramica.

a cura di Barbara Mazzanti e Patrizia Generali - Centro Ceramico Bologna
 

InProCer – Laboratorio per l’Innovazione di Prodotto e Processo Ceramico
Regione Emilia Romagna – Bando “Dai distretti produttivi ai distretti tecnologici”


Il problema della sicurezza di una pavimentazione coinvolge diversi attori: progettisti, produttori di materiali da rivestimento, produttori di materiali per il trattamento e la manutenzione dei pavimenti, operatori del settore sicurezza.

Per chi deve progettare una pavimentazione con determinati livelli di sicurezza per gli utilizzatori, è di fondamentale importanza conoscere il contributo alla scivolosità fornito dai materiali da rivestimento; tali materiali dovranno essere scelti tenendo in considerazione l’ambiente di destinazione, il rischio associato alle particolari condizioni di utilizzo e le leggi/normative applicabili.

Fra i materiali per pavimentazione, l’attenzione viene qui focalizzata sulle piastrelle di ceramica: un materiale di largo impiego anche nell’applicazione in ambientazioni in cui le citate esigenze di sicurezza sono particolarmente avvertite e perseguite.
La resistenza allo scivolamento, proprio per la sua ricaduta sulla sicurezza degli utilizzatori, è una delle caratteristiche previste dalle norme armonizzate, ai fini della marcatura CE dei prodotti da costruzione, nel caso specifico le piastrelle di ceramica.
La misura del coefficiente di attrito, e di altre grandezze ad esso riconducibili, è attualmente considerata il principale strumento per la misura/valutazione della scivolosità delle pavimentazioni, e diversi studi sulla meccanica della deambulazione hanno permesso di individuare i fattori che influenzano l’attrito offerto da una superficie e di definire i valori limite di coefficienti di attrito che una superficie, in determinate condizioni, deve possedere per non indurre scivolamento da parte degli utilizzatori.

Il problema della misura/valutazione della scivolosità è stato affrontato, purtroppo, nei diversi paesi europei ed extra europei, in modo del tutto indipendente e disomogeneo, ottenendo come risultato metodi di prova anche molto differenti tra loro e non direttamente confrontabili.
Inoltre, va rilevato che tutti i metodi di prova attualmente disponibili rappresentano una verifica/validazione a posteriori di una determinata superficie. Poche e prevalentemente qualitative sono le informazioni di cui il produttore dispone per progettare una superficie ceramica con predefinite caratteristiche di attrito.
Un nuovo approccio per affrontare la ricerca e lo sviluppo di una superficie con caratteristiche antislip parte dallo studio della tessitura superficiale del prodotto.

Attualmente,  per rispondere alle molteplici richieste prestazionali e, allo stesso tempo, alle sempre nuove esigenze estetiche del mercato, il prodotto “piastrella di ceramica” offre un’infinità di gamme di caratteristiche tessiturali della superficie, difficilmente raggruppabili e classificabili con una nomenclatura condivisa.  A fronte della complessità di analisi di tali superfici, è emersa la necessità di introdurre delle categorie di raggruppamento delle superfici stesse che fossero in grado di separare le caratteristiche macroscopiche da quelle microscopiche al fine di poterle analizzare separatamente. E’ stata quindi creata una classificazione dei prodotti in “famiglie di tessitura superficiale”, dove ciascuna famiglia viene definita dall’associazione di una caratteristica “macro” (intendendo l’effetto superficiale ottenibile dal tampone utilizzato: il “Fondo”) e una caratteristica ”micro” (realizzata tramite un’applicazione - in genere, smaltatura o sabbiatura - sul fondo preparato: la “Finitura superficiale”).

Lo studio atto a descrivere la tessitura superficiale dei prodotti ha richiesto un metodo per la quantificazione delle caratteristiche morfologiche della superficie delle piastrelle di ceramica, funzionale all’aspetto che si intende mettere in evidenza, ossia l’ipotetico comportamento del prodotto in termini di resistenza allo scivolamento.

Tale possibilità viene offerta dalla disponibilità di strumenti di misura della tessitura delle superfici come il profilometro ottico; questo strumento di ultima generazione della categoria “non a contatto” ha permesso il passaggio dall’acquisizione e analisi del singolo profilo all’acquisizione e analisi di un’area della superficie, rendendo quindi disponibili un numero di informazioni notevolmente maggiore e, tuttavia, più “sintetico” rispetto a quanto era possibile avere in precedenza, e una rappresentazione delle superfici in 3 dimensioni che ha aperto nuovi modi di ispezionarle e analizzarle. In Figura 1 e Figura 2 vengono riportati esempi di immagini 3D di aree acquisite su campioni di piastrelle di ceramica con differenti finiture.

Tra i vari metodi di prova di scivolosità, uno dei più noti è il metodo della rampa a piedi calzati descritto dalla norma DIN 51130; sono quindi state scelte, nell’ambito di questa trattazione preliminare, le classi di scivolosità R (dal gruppo di valutazione R9 - scarsa resistenza allo scivolamento  - al gruppo R13 - elevata resistenza allo scivolamento) introdotte dalla suddetta norma per studiare le correlazioni esistenti tra morfologia superficiale e resistenza allo scivolamento del materiale testato.

Tuttavia, da un primo confronto tra caratteristiche tessiturali e comportamento antiscivolo, emerge ancora un quadro tutt’altro che univoco: si nota infatti che a singole classi di tessitura superficiale possono corrispondere valori significativamente diversi della classe di scivolosità R introdotte dalla DIN 51130; viceversa, a una classe di scivolosità R appartengono prodotti con caratteristiche non solo di finitura, ma anche di fondo diverse. Ad esempio, un elevato valore di resistenza allo scivolamento (R11 e oltre) si può ottenere con piastrelle molto strutturate o profilate rugose, oppure con piastrelle con supporto liscio, ma con finitura molto rugosa o granigliata; allo stesso tempo, alla classe R9 possono appartenere piastrelle con superficie liscia al tatto e omogenee per tessitura su tutta l’area, ma anche piastrelle simil-pietra naturale, che presentano per loro natura irregolarità strutturali.

Tuttavia, la quantificazione delle caratteristiche morfologiche delle superfici e l’identificazione di parametri significativi in grado di descrivere  e distinguere tra loro le diverse famiglie tessiturali ha permesso di verificare l’esistenza di una correlazione tra tessitura superficiale del prodotto e suo comportamento in termini di resistenza allo scivolamento, valutata secondo quanto previsto dai principali metodi standardizzati attualmente in vigore.

L’analisi della correlazione tessitura-scivolosità è stata affrontata distintamente prendendo in considerazione un gruppo di parametri significativi per ciascuna macro-classe, “Fondo strutturato” e “Fondo liscio”.

Per il primo gruppo di campioni sono stati scelti due parametri:
- Rz : somma dell'altezza del picco più alto del profilo e della profondità della valle più profonda del profilo all’interno della lunghezza di base; questa grandezza fornisce un’indicazione  dell’entità dell’altezza della struttura del fondo delle piastrelle
- Pk : profondità del nucleo di rugosità; è il parametro che esprime l’articolazione più fine della tessitura superficiale che va a costituire il “cuore” della rugosità superficiale.

Per la classe composta da campioni con fondo liscio, la sostanziale omogeneità della superficie del campione, e l’osservazione della superficie stessa a un più elevato dettaglio hanno permesso di analizzare, oltre all’ampiezza (Rz), caratteristiche del profilo quali:
- frequenza dei picchi, con il parametro Rsm: ampiezza media degli elementi del profilo all’interno della lunghezza di base;
- pendenza dei picchi, con il parametro Rdq: scostamento medio quadratico della pendenza del profilo);
- forma e spigolosità del profilo, con i parametri Rsk: asimmetria del profilo, e Rku: kurtosi del profilo.

L’analisi e il confronto tra questi parametri di tessitura superficiale e l’appartenenza del campione alle classi di scivolosità R definite secondo la DIN 51130 hanno condotto a formulare un modello di classificazione che permette di passare dai risultati delle misure di tessitura superficiale alle caratteristiche di scivolosità del prodotto.

Tali modelli possono costituire un valido supporto per:
- valutare i contributi alla scivolosità forniti dai materiali utilizzati per rivestire le pavimentazioni ,
- prevedere le prestazioni delle superfici, rispetto alla scivolosità, in particolari ambienti di destinazione, in fase contrattuale,
- progettare superfici in funzione della destinazione d’uso,
- in fase di controllo del processo, garantire  il mantenimento dei requisiti dei diversi lotti di prodotto ,
- verificare nel tempo le prestazioni delle pavimentazioni in esercizio.

Riferimenti

- ISO 3274:1996 “Geometrical Product Specifications (GPS) -- Surface texture: Profile method -- Nominal characteristics of contact (stylus) instruments”
- EN ISO 4287:2009    GPS – Surface Texture: Profile Method – Terms, definitions and surface texture parameters
- UNI EN 623-4 2004: “Advanced Technical Ceramics - Monolithic Ceramics - General And Textural Properties  - Part 4: Determination Of Surface Roughness”
- W.R Chang, S. Matz, R. Gronqvist, M. Hirvonen “Linear regression model of floor surface parameter on friction between neolite and quarry tiles”, Applied Ergonomics (2010)
-  “Development of Slip Resistant Standard Surfaces for a Safer Environment- SlipSTD” European Collective Research Project, VI PQ
- “Understanding and preventing falls”, R. Haslam, D. Stubbs, CRC Taylor&Francis
- DIN 51130 (06/2004): “Testing of floor coverings - Determination of the anti-slip property - Workrooms and fields of activities with slip danger, walking method - Ramp test”. Determinazione dell’angolo totale di accettazione (valore medio)
- DIN 51097 (92): “Testing of floor coverings; determination of the anti-slip properties; wet-loaded barefoot areas; walking method; ramp test”. Determinazione dell’angolo medio di scivolamento;
- Prova secondo BCRA (D.M. 236/89): determinazione del coefficiente di attrito medio (μ) in condizioni: cuoio su asciutto -  gomma su bagnato;
- ASTM C 1028-2007 E): “Standard Test Method for Determining the Static Coefficient of Friction of Ceramic Tile and Other Like Surfaces by the Horizontal Dynamometer Pull-Meter Method”. Determinazione del coefficiente di attrito medio (μ) in condizioni: neolite su asciutto -  neolite su bagnato;
- BS 7976-2:2002: “Pendulum Testers - Part 1: Specification”. PTV in condizioni di asciutto e bagnato.