Granito Rovente: Viaggio nel Cuore della Roccia che si Spezza col Calore

Avete mai pensato a cosa succede a una roccia, come il solido e apparentemente indistruttibile granito, quando viene scaldata a temperature davvero elevate? Non parlo del calduccio estivo, ma di centinaia di gradi Celsius, come quelli che si incontrano nelle profondità della Terra, ad esempio nello sviluppo dell’energia geotermica o in progetti minerari profondi. È un mondo affascinante e, devo dire, pieno di sorprese! Recentemente, ho avuto la possibilità di esplorare proprio questo: come il calore cambia le “regole del gioco” quando si tratta di come il granito si frattura, in particolare in quella che chiamiamo “frattura di Modo I”, che è fondamentalmente una frattura che si apre per trazione.

Il Granito Sotto Lente: Come Lo Abbiamo Studiato

Per capire cosa succede, abbiamo preso dei campioni di granito, proveniente da Pingyi nella provincia di Shandong in Cina – un materiale con caratteristiche ben precise a temperatura ambiente (densità 2.71 g/cm³, resistenza a compressione 160 MPa, modulo elastico 35 GPa, giusto per darvi un’idea). Li abbiamo preparati con cura, creando un piccolo intaglio artificiale, una sorta di “invito” per la frattura.

Poi, è arrivato il momento clou: il trattamento termico. Abbiamo usato una muffola, un forno speciale, per scaldare i campioni lentamente (1°C al minuto, per evitare shock termici) fino a diverse temperature target: 100°C, 200°C, fino a ben 900°C! Ogni campione è rimasto alla sua temperatura per 3 ore, per essere sicuri che il calore penetrasse uniformemente, e poi li abbiamo lasciati raffreddare naturalmente. Già solo a guardarli, si notava il cambiamento: il granito passava dal suo grigio-bianco originale a un colore rossastro, segno dell’ossidazione dovuta al calore.

Una volta raffreddati, abbiamo sottoposto i nostri campioni a un test chiamato “flessione a tre punti” (TPB). Immaginate di appoggiare una barretta su due supporti e spingere al centro: ecco, quello è il principio. Mentre applicavamo il carico, però, non ci siamo limitati a guardare quando si rompeva. Abbiamo usato una tecnologia fichissima chiamata Correlazione di Immagini Digitali (DIC). In pratica, abbiamo spruzzato sulla superficie del campione un motivo casuale di puntini bianchi e neri e poi abbiamo filmato l’area vicino all’intaglio con due telecamere ad alta precisione durante il test. Il software DIC analizza come questi puntini si muovono, permettendoci di misurare con estrema accuratezza gli spostamenti e le deformazioni sulla superficie, millesimo di millimetro per millesimo di millimetro!

In particolare, ci siamo concentrati sul misurare il “Crack Tip Opening Displacement” (CTOD), cioè quanto si apre la punta della crepa iniziale sotto carico, e abbiamo anche analizzato la forma tridimensionale della frattura finale usando un profilometro, uno strumento che mappa la superficie con altissima risoluzione.

Resistenza Inaspettata: La Tenacità alla Frattura

La prima sorpresa? Scaldando il granito fino a 100°C, la sua “tenacità alla frattura” (FT) – la sua resistenza intrinseca a lasciarsi spaccare – in realtà aumenta! Abbiamo misurato un incremento del 19% rispetto al campione a temperatura ambiente (da 1.21 a 1.44 MPa·m¹/²). Sembra controintuitivo, vero? Una possibile spiegazione è che il calore iniziale induce micro-crepe piccolissime che “smussano” la punta dell’intaglio principale (effetto “blunting”), rendendo più difficile l’inizio della frattura vera e propria. Anche l’evaporazione dell’acqua intrappolata nei minerali potrebbe giocare un ruolo.

Ma poi, superata questa soglia dei 100°C, inizia la discesa. Man mano che la temperatura sale (200°C, 300°C, e così via fino a 900°C), la tenacità alla frattura diminuisce drasticamente. A 900°C, il valore è crollato a soli 0.13 MPa·m¹/², quasi dieci volte meno che a 100°C! Questo perché le temperature più alte creano molte più micro-crepe termiche, indebolendo la struttura interna della roccia. È come se la roccia diventasse progressivamente più “fragile” in termini di resistenza massima, anche se, come vedremo, il suo comportamento generale cambia.

L’Occhio Digitale sulla Crepa: Cosa Ci Dice il CTOD

Qui entra in gioco la potenza del DIC. Osservando i campi di spostamento e deformazione, abbiamo potuto “vedere” cosa succede proprio sulla punta della crepa prima che la roccia ceda del tutto. All’inizio del caricamento, la deformazione è elastica, come tirare un elastico. Poi, man mano che il carico aumenta, si forma una zona di deformazione non lineare davanti alla punta della crepa: la chiamiamo Fracture Process Zone (FPZ). È una zona dove si stanno formando e unendo micro-crepe, preparando la strada alla frattura principale. Questa zona si espande fino a raggiungere il carico massimo. A quel punto, crack! La frattura si propaga in modo instabile e il campione si rompe.

E il CTOD, l’apertura della punta della crepa? Abbiamo misurato il suo valore critico (CTODc), cioè l’apertura raggiunta proprio al momento del carico massimo. E qui la cosa si fa interessante: questo valore (CTODc) schizza alle stelle con l’aumentare della temperatura di trattamento, specialmente sopra i 500°C. A 900°C, il CTODc era quasi 12 volte maggiore rispetto a quello a temperatura ambiente (124.4 µm contro 9.8 µm)! Questo indica che, anche se la resistenza massima diminuisce, la roccia riesce a deformarsi molto di più prima di rompersi completamente quando è stata scaldata a temperature elevate. È come se diventasse più “stiracchiabile”, più duttile.

Il Percorso Tortuoso della Frattura: Morfologia e Micro-crepe

Dopo la rottura, abbiamo esaminato da vicino le superfici di frattura con il profilometro, ricostruendone la forma 3D. A temperature “basse” (fino a 500°C), la frattura principale tende a essere abbastanza lineare, seguendo la direzione dell’intaglio iniziale, anche se con una certa irregolarità dovuta alla struttura stessa del granito.

Ma sopra i 600°C, la storia cambia. Le numerose micro-crepe indotte dal calore influenzano pesantemente il percorso della frattura principale. Questa non segue più una linea retta, ma tende a collegare le micro-crepe preesistenti, creando un percorso molto più ramificato, tortuoso e irregolare. La rugosità della superficie di frattura aumenta notevolmente.

Abbiamo anche misurato lunghezza e larghezza della crepa principale. La lunghezza tende ad aumentare linearmente con la temperatura di trattamento. La larghezza, invece, mostra una crescita “bilineare”: cresce con un certo ritmo fino a circa 400°C, e poi la crescita accelera. Tutto questo è coerente con l’idea che il danneggiamento termico preesistente (le micro-crepe) giochi un ruolo sempre più importante nel determinare come la roccia si spacca.

Dal Fragile al Duttile: La Grande Trasformazione del Granito

Questo ci porta a un concetto chiave: la transizione fragile-duttile. I materiali fragili si rompono di netto, quasi senza preavviso (pensate al vetro). I materiali duttili, invece, si deformano plasticamente prima di rompersi (pensate a un metallo che si piega). La roccia, a temperatura ambiente, è tipicamente fragile. Ma cosa succede con il calore?

Mettendo insieme tutti i pezzi – l’andamento della tenacità alla frattura (con quel calo drastico tra 500°C e 600°C), le curve carico-spostamento e carico-CTOD (che mostrano una fase non lineare sempre più ampia e persino un “plateau” di snervamento a temperature alte), e l’aumento enorme del CTODc – abbiamo potuto individuare questo “cambio di personalità” del granito. La nostra conclusione è che la transizione da un comportamento prevalentemente fragile a uno più duttile avviene nell’intervallo di temperatura tra 500°C e 600°C per il granito che abbiamo studiato, dopo il trattamento termico e il raffreddamento.

Abbiamo anche analizzato la deformazione “irreversibile” rimasta dopo la rottura, confrontando la larghezza finale della crepa con il CTODc. Anche questo parametro suggerisce un aumento della duttilità, con cambiamenti significativi che iniziano intorno ai 400°C e diventano marcati sopra i 500°C.

Perché Tutto Questo è Importante? Applicazioni Pratiche

Capire come il granito (e le rocce in generale) si comporta a temperature elevate non è solo una curiosità scientifica. Ha implicazioni enormi per l’ingegneria. Pensiamo all’energia geotermica da rocce calde secche (HDR): per estrarre calore, dobbiamo creare una rete di fratture nella roccia calda in profondità, dove far circolare un fluido. Sapere come queste fratture si formano e si propagano a seconda della temperatura è fondamentale per progettare sistemi efficienti e sicuri.

I nostri risultati suggeriscono che a temperature più alte (sopra i 500-600°C), le fratture potrebbero essere più complesse, più ramificate, il che potrebbe essere un vantaggio per aumentare la superficie di scambio termico. Inoltre, un comportamento più duttile potrebbe significare una rottura meno “esplosiva” e più controllabile, riducendo i rischi di eventi microsismici indesiderati.

Considerazioni simili valgono per lo scavo di tunnel profondi o per l’attività mineraria in ambienti ad alta temperatura. Prevedere la stabilità della roccia e il suo modo di fratturarsi è essenziale per la sicurezza e l’efficienza delle operazioni.

In sintesi, il nostro viaggio nel cuore caldo del granito ci ha mostrato che la temperatura non solo indebolisce la roccia in termini di resistenza massima (sopra i 100°C), ma ne cambia profondamente il modo di rompersi, rendendola più duttile e portando a fratture più complesse a temperature molto elevate. Un’affascinante danza tra calore e meccanica che continua a svelare i segreti nascosti nelle profondità del nostro pianeta.

Ecco i punti salienti che abbiamo scoperto:

• La tenacità alla frattura del granito prima aumenta (fino a 100°C) e poi diminuisce con la temperatura.
• L’apertura critica della punta della crepa (CTODc) aumenta significativamente con la temperatura, indicando maggiore duttilità.
• Sopra i 600°C, le micro-crepe termiche rendono il percorso della frattura principale più ramificato e irregolare.
• La lunghezza della crepa aumenta linearmente con la temperatura, la larghezza cresce in modo bilineare (con un cambio di passo a 400°C).
• La transizione da comportamento fragile a duttile per il granito trattato termicamente si colloca tra 500°C e 600°C.

Questi dati sperimentali e le analisi forniscono nuove preziose informazioni per chiunque lavori con le rocce in condizioni di alta temperatura, aprendo la strada a previsioni più accurate e progetti ingegneristici più sicuri ed efficienti.

Fonte: Springer