Raw materials and ceramics characterization with analysis of transformations during firing

The aim of this work is the characterization of raw earths and ceramic materials. The techniques used for the analysis are X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), thermogravimetric analysis (TG-DTG) and geotechnical analysis. The analysed samples have been collected in the archaeological excavation of Montelabate (Perugia), conducted by the University of Cambridge, where six Roman kilns have been discovered. The site was an important centre of pottery production, so the collection there of many samples of raw clayey materials permits to study their characteristics, the firing transformations and the production cycle. The fired products analysed are amphorae sherds and fragments of mudbricks which were part of the structures of the kilns. Also, experimental firings of the raw earths have been carried out in laboratory under controlled conditions and the samples have been characterized by XRD and FTIR. This makes possible to study the modifications of the raw materials under known firing conditions and to compare them with fired samples collected at the excavation. Therefore, in this dissertation, a large amount of XRD data has been quantitatively analysed applying the Rietveld refinement method and, with the use of an internal standard, it has been possible to quantify the amorphous fraction. Moreover, in order to determine precisely clay minerals contained in raw material, the XRD analysis of oriented and glycolate samples has been carried out. Then, especially thanks to the results of the quantitative analysis of the diffractograms of both archaeological sherds and experimental ceramics, it has been possible to estimate that the temperature reached in the kilns was in between 750°C and 950°C.

Lo scopo di questa tesi è la caratterizzazione di terre crude e materiali ceramici. Le tecniche usate per le analisi sono diffrazione a raggi X (XRD), fluorescenza a raggi X (XRF), spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR), analisi di termogravimetriche (TG-DTG) e analisi geotecniche. I campioni analizzati sono stati raccolti presso lo scavo archeologico di Montelabate (Perugia), effettuato dall’Università di Cambridge, dove sono state scoperte sei fornaci romane. Il sito era un importante centro di produzione di ceramica, per questo motivo l’analisi delle terre crude campionate durante lo scavo consente di studiare le loro caratteristiche e trasformazioni in cottura, oltre al ciclo produttivo. I materiali ceramici analizzati sono frammenti di anfore e di mattoni crudi che erano parte della struttura delle fornaci. Inoltre, alcune cotture sperimentali sono state eseguite in laboratorio in condizioni controllate e i campioni sono stati caratterizzati con analisi XRD e FTIR. In questo modo è stato possibile non solo studiare le trasformazioni del materiale crudo in cottura controllata ma anche confrontarli con i ceramici raccolti durante lo scavo. In questo lavoro di tesi, un ampio numero di dati ottenuti dalle analisi XRD è stato analizzato quantitativamente tramite il metodo di affinamento Rietveld e, utilizzando uno standard interno, è stato pertanto possibile quantificare la frazione di amorfo contenuta nei campioni analizzati. Inoltre, l’analisi XRD di campioni orientati e glicolati ha consentito di determinare con precisione i minerali argillosi contenuti nelle terre crude. Infine, grazie sia risultati delle analisi quantitative XRD sia dei frammenti antichi che dei cotti ottenuti in laboratorio, è stato possibile stimare che la temperatura raggiunta nelle fornaci era compresa tra 750°C e 950°C.