degrado dei materiali

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Corso: “Tecnico di cantiere esperto nel monitoraggio e nella diagnosi delle superfici lapidee”
Lezione: “Le tecniche d'intervento sui materiali lapidei: riparazione”
Prof. Arch. Antonio Bosco
PERCHÉ LE PIETRE SI DEGRADANO
La degradazione dei materiali lapidei è dovuta all’interazione con l’ambiente che li circonda
Ogni materiale lapideo reagisce in modo diverso con l’ambiente, in funzione di:
- composizione chimica e mineralogica
- caratteristiche fisiche e strutturali
Tale reazione è regolata da:
- condizioni microclimatiche
(temperatura, umidità dell’aria, ventilazione, piovosità)
- grado di esposizione
- tipo di lavorazione dei manufatti lapidei
Muratura a sacco in pietra arenaria
Il veicolo principale di degradazione dei materiali lapidei è rappresentato, in ogni caso, dall’acqua
che può agire direttamente o indirettamente
La presenza di inquinanti ambientali specialmente quelli aerei rappresenta un fattore di
incremento e accelerazione dei fenomeni di degrado
Microfotografia - pietra arenaria
Riferimenti bibliografici
S. Franceschi et al., Il progetto di restauro - protocolli operativi, Alinea, Firenze 2003.
P. Gasparoli, Le superfici esterne degli edifici, Alinea, Firenze 2002.
A. Bellini, Tecniche della conservazione, Franco Angeli, Milano 1994.
A, Riccio, Chimica e restauro, Marsilio, Venezia 1984
AA. VV., La pietra - interventi conservazione restauro, Congedo Editore, Galatina , 1983.
S. E. M. - porosità pietra arenaria
PROCESSI DI DEGRADO
I processi di degrado possono essere divisi, per semplicità, in tre gruppi:
- chimici
- fisici
- biologici
In realtà la natura dei processi è più complessa in quanto gli attacchi di natura chimica, fisica e
biologica si sovrappongono ed agiscono contemporaneamente
La causa principale di innesco di tali processi è, come si è detto, l’accesso d’acqua che può avere
origini diverse e presentarsi come:
- acqua meteorica (pioggia battente, acqua di ruscellamento)
- umidità di condensa (condensazione superficiale e interstiziale)
- umidità di risalita (acque di scorrimento, falda freatica)
- perdite da impianto idrico
DEGRADO – AZIONE DELL’ACQUA
Processi di degrado innescati dall’acqua:
fisici – dissoluzione, idratazione, idrolisi dei materiali costitutivi, azione meccanica: gelo, cristallizzazione dei sali
chimici – acidi e sali disciolti generano soluzioni corrosive
(azioni sul legante carbonatico innescate da: anidride carbonica, anidride solforosa, acido solforico, ossidi di azoto)
biologici – attecchimento di licheni e piante infestanti
 Tutti i materiali lapidei hanno superfici con carattere idrofilo
(i carbonati, i silicati, gli ossidi, contengono atomi di ossigeno, carichi negativamente, che attraggono le molecole d’acqua formando
legami idrogeno)
 I materiali lapidei sono inoltre rigidi e fragili per cui sono sensibili alle sollecitazioni meccaniche esterne e interne
(carichi, vibrazioni, gelo, cristallizzazione dei sali, dilatazioni termiche)
Processo di degradazione di natura chimica
Processo di degradazione di natura chimico - fisica
Processo di degradazione di natura biologica
Sezione sottile di marmo bianco. Lo strato superficiale pur
essendo composto da calcite pura, come il marmo sottostante,
si differenzia per la diversa morfologia dei cristalli (più grandi)
e per la presenza diffusa di cristalli di gesso
Bozza in Pietraforte, Palazzo Medici – Riccardi, Firenze
Polverizzazione- erosione
Patina biologica (licheni) su una scultura in marmo
DEGRADO – POROSITA’
Le caratteristiche strutturali delle pietre da costruzione influenzano in modo determinante il loro
comportamento nei confronti dell’acqua, soprattutto la quantità e il tipo di porosità
Dalla porosità dipende l’entità dell’assorbimento d’acqua e il suo movimento all’interno del
materiale, sia allo stato liquido che di vapore
La distribuzione dimensionale dei pori all’interno dei materiali è di grande importanza ai fini della
permeabilità all’acqua e quindi della loro durabilità
I pori piccoli (al di sotto del micron) facilitano l’assorbimento d’acqua per suzione e quindi
anche la risalita di umidità dal suolo, rendono il materiale meno resistente al gelo e rallentano
l’evaporazione
a – pori aperti
b – pori chiusi
c – pori interconnessi
I pori si possono classificare come:
- micropori : diametro inferiore a 0,002 mm
- mesopori : diametro compreso tra 0,002 e 0,05 mm
- macropori : diametro superiore a 0,05 mm
Istogramma della distribuzione dimensionale dei pori in
un conglomerato arenaceo (Convento di S. Francesco a
Gioi Cilento).
Circa il 50% dei pori ha dimensioni inferiori al micron.
In questo caso la permeabilità all’acqua è comunque
bassa poiché il valore della porosità totale non favorisce
fenomeni di suzione
Porosimetria al mercurio – istogramma distribuzione
dimensionale dei pori
Micrografia al microscopio elettronico (SEM) - 800 x
Dalla micrografia SEM si evince l’ottima connessione
matrice - cristallo
DEGRADO – LAVORAZIONE
Un materiale lavorato (decorazioni o sculture) è più debole poiché è caratterizzato da:
 una maggiore superficie specifica
 una minore resistenza meccanica
Risulta, per tale ragione, più facilmente aggredibile sia chimicamente che fisicamente.
2
1
1.
Crosta nera su cornice decorata (Basilica
barocca di Santa Croce a Lecce)
2.
Crosta nera su materiale lapideo di natura
carbonatica in corrispondenza delle parti
protette dal ruscellamento
3.
Caratterizzazione di crosta nera su marmo
bianco mediante microscopia ottica in luce
riflessa
Lo strato sottostante di materiale decoeso pulverulento,
solfato di calcio (gesso), tende ad essere asportato dalle
acque di dilavamento
3
DEGRADO – PROCESSI CHIMICI : BICARBONATAZIONE
Le pietre a cemento calcareo (calcare, dolomie, marmi), le malte e gli intonaci sono attaccate da acque contenenti
anidride carbonica che trasformano i carbonati insolubili in bicarbonati solubili secondo la reazione
CaCO2 + CO2 + H2O → Ca2 + 2HCO3
 Il processo è generalmente lento ma lascia la superficie del materiale corrosa e debole nei confronti di altri
processi
 Si può verificare una ricristallizzazione del carbonato di calcio con formazione di una crosta dura e compatta con
caratteristiche strutturali diverse dal materiale sottostante, suscettibile di un successivo distacco a seguito di
sollecitazioni meccaniche
DEGRADO – PROCESSI CHIMICI : SOLFATAZIONE
Le pietre a cemento calcareo (calcare, dolomie, marmi), le malte e gli intonaci sono attaccate da
acque contenenti anidride solforosa che trasformano i carbonati in solfato di calcio (gesso)
secondo la reazione
CaCO3 + H2SO2 + H2O → CaSO4.2H2O + CO2
 Se il materiale è poroso l’attacco avviene in profondità portando in breve tempo alla disgregazione
tutto il manufatto
 Se il materiale è compatto viene interessata solo la superficie con conseguente dissoluzione per
dilavamento, altrimenti, in assenza di dilavamento si forma una crosta contenente gesso.
 In caso di crosta l’attacco procede in profondità disgregando il tessuto cristallino: in superficie la
crosta si ispessisce mentre al di sotto i cristalli di gesso causano danno per effetto meccanico,
provocando, in seguito, il distacco della crosta sovrastante, lasciando scoperto un materiale
pulverulento facilmente aggredibile sia chimicamente che fisicamente
PERDITA DI MATERIA
Distacco o Mancanza - Definizione (Normal 1/88 II° edizione)
Distacco: Soluzione di continuità fra strati superficiali del materiale, sia tra loro che rispetto al
substrato; prelude, in genere, la caduta degli strati stessi. Il termine si usa in particolare per gli
intonaci e per i mosaici.
Nel caso di materiali lapidei naturali, le parti distaccate assumono forme specifiche in funzione
delle caratteristiche strutturali e tessiturali e si preferiscono allora voci quali crosta, scagliatura,
esfoliazione.
Mancanza: Caduta o perdita di parti. Il termine si usa quando tale forma di degradazione non è
descrivibile con altre voci del lessico.
Cause
I fattori che maggiormente influenzano questo fenomeno sono:
- le perdite degli impianti di smaltimento e delle acque;
- la presenza di formazioni saline (intonaci eseguiti su edifici decorticati da diverso tempo);
- la presenza di fenomeni di umidità ascendente;
- le soluzioni di continuità conseguenti alla presenza di fessurazioni o di lesioni strutturali;
- le soluzioni di continuità in prossimità dell'innesto di elementi metallici;
- gli errori di posa in opera e l'utilizzo di sabbie o malte poco idonee.
PERDITA DI MATERIA
Alveolizzazione - Definizione (Normal 1/88 II° edizione)
VARIAZIONE DI GRANA
Degradazione che si manifesta con la formazione di cavità di forma e dimensione variabili. Gli
alveoli sono spesso interconnessi ed hanno distribuzione non uniforme. Nel caso particolare in
cui il fenomeno si sviluppa essenzialmente in profondità con andamento a diverticoli si può
usare il termine "alveolizzazione a cariatura"
Morfologia
L'alveolizzazione è caratterizzata dalla presenza di cavità (alveoli), anche molto profonde,
distribuite con andamento irregolare sulla superficie del materiale lapideo.
Questo fenomeno è spesso spinto fino alla disgregazione e dalla polverizzazione dell'elemento
lapideo. Generalmente questa forma di degrado si manifesta in materiali molto porosi, in
presenza di un elevato contenuto di sali solubili in zone climatiche dove sono frequenti
fenomeni di rapida evaporazione delle superfici lapidee esposte alle intemperie.
L'alterazione ha inizio generalmente attorno alle pareti dei pori, dove maggiore è
l’evaporazione ed attorno a parti di discontinuità strutturale del materiale lapideo.
Cause
L'alveolizzazione è un fenomeno conseguente all'azione disgregatrice esercitata dalla
pressione di cristallizzazione dei sali all'interno dei pori del materiale lapideo. Le soluzioni
saline, formatesi in seguito ad assorbimento di acqua, tendono, in seguito all'evaporazione del
solvente, a cristallizzarsi con conseguente aumento di volume; i pori del materiale lapideo
subiscono pressioni superiori alle capacità di resistenza del materiale e si sfaldano.
Quando l'evaporazione è rapida (forti correnti d'aria), la soluzioni saline possono cristallizzarsi
ad una certa profondità provocando anche il distacco e la conseguente disgregazione di ampie
porzioni del materiale.
Questa specifica alterazione si manifesta in concomitanza dei seguenti fattori:
- presenza di materiali porosi
- elevato contenuto di sali solubili, provenienti dal terreno o trasportati come aerosol sulla
superficie lapidea;
- rapida evaporazione della parete per effetto di forti turbolenze dell'aria
PERDITA DI MATERIA
Erosione - Definizione (Normal 1/88 II° edizione)
VARIAZIONE DI GRANA
Asportazione di materiale dalla superficie dovuta a processi di natura diversa.
Quando sono note le cause di degrado, possono essere utilizzati anche termini come: erosione
per abrasione, erosione per corrasione (cause meccaniche), erosione per corrosione (cause
chimiche e biologiche), erosione per usura (cause antropiche).
Morfologia
Varia ma sempre associabile a perdite di materiale e/o di consistenza della superficie esposta;
il fenomeno provoca spesso la perdita della componente figurativa dell'opera.
Una particolare forma di erosione degli intonaci assume, in Ortygia, forme e grafie sempre
diverse.
Cause
Per stabilire le cause e per catalogare l'origine del degrado (abrasione, corrasione, corrosione,
usura) occorre un'indagine strumentale.
AUMENTO DI MATERIA
Patina biologica - Definizione (Normal 1/88 II° edizione)
MODIFICA CROMATICA
Strato sottile, morbido ed omogeneo, aderente alla superficie e di evidente natura biologica, di
colore variabile, per lo più verde. La patina biologica è costituita prevalentemente da
microrganismi cui possono aderire polvere, terriccio, ecc.
Morfologia
Gli effetti del biodeterioramento consistono nel cambiamento, a volte irreversibile, sia
d'aspetto estetico dell'opera sia dello stato fisico chimico. La variazione estetica si può
manifestare in conseguenza della semplice sovrapposizione del biodeteriogeno, o con
l'arricciamento, il sollevamento o la polverizzazione del colore, o anche con la disgregazione e il
distacco del supporto di intonaco. La presenza sui materiali dei microrganismi è normale; in
proporzioni limitate questo fenomeno non è dannoso; diventa tale quando le condizioni esterne
sono favorevoli all'attecchimento ed al loro sviluppo. Si arriva al "biodeterioramento" quando i
microrganismi iniziano il loro ciclo vitale (la germinazione) e tramite l'espansione delle ife o
dell'apparato radicale danno origine a dei processi fisico chimici che degradano i materiali.
Lichene foglioso
Cause
Tra le condizioni che favoriscono il biodeterioramento si possono citare:
- il tasso di umidità superiore alla norma;
- il regime termo-igrometrico ambientale;
- le formazioni di sali minerali presenti nei materiali;
- le natura di alcune sostanze organiche applicate sui materiali, all'origine o in fase di restauro
L'attacco biologico avviene in quattro fasi fondamentali:
- la contaminazione superficiale, effetto dell'inquinamento biologico;
- la proliferazione, favorita dalle condizioni ambientali;
- lo sviluppo in profondità, determinato dalla struttura chimica e fisica del substrato;
- la colonizzazione, fase determinante per il degrado del materiale.
Alcuni fattori possono favorire l'attacco biologico. I principali sono: la presenza di acqua; la
combinazione di aria, luce, specifici valori di temperatura, pH del substrato e dell'atmosfera; le
caratteristiche morfologiche del substrato (presenza di asperità, di scabrosità, di rientranze ù
nelle quali viene a mancare il dilavamento delle acque meteoriche); la specie biologica che
confluisce sulla superficie.
AUMENTO DI MATERIA
Crosta - Definizione (Normal 1/88 II° edizione)
MODIFICA CROMATICA
Strato superficiale di alterazione del materiale lapideo o dei prodotti utilizzati per eventuali
trattamenti. Di spessore variabile, è dura, fragile, distinguibile dalle parti sottostanti per le
caratteristiche morfologiche e, spesso, per il colore. Può distaccarsi anche spontaneamente dal
substrato che, in genere, si presenta degradato e/o polverulento.
Morfologia
Depositi di colore scuro, aderenti al supporto, che ricoprono il substrato in modo omogeneo,
possono assumere anche la consistenza di incrostazioni di forma irregolare, compatte ed
ancorate al substrato. Si trovano come depositi di piccolo spessore sulle superfici verticali non
sottoposte al dilavamento dell'acqua, ed in forma di spesse incrostazioni nelle zone protette
dalla pioggia (sottosquadri, cornici, mensole, ecc.). Per effetto della diversa dilatazione termica
della crosta rispetto a quella del substrato lapideo, questi depositi possono fessurarsi e
distaccarsi mettendo a nudo una superficie lapidea disgregata e deteriorata. Sulle superfici
disgregate inizia un ulteriore fenomeno di formazione di una nuova crosta che ripete
peggiorandolo il processo di alterazione.
Cause
Analisi delle croste effettuate al SEM, hanno evidenziato la composizione di tali incrostazioni:
esse sono costituite principalmente da gesso (CaSO4.2H2O) e da particellato a cui si deve la
colorazione scura del deposito. Il gesso si forma per alterazione del carbonato di calcio,
principale costituente delle pietre calcaree e delle malte, in seguito alla reazione con acido
solforico, formatosi nell'atmosfera in presenza di anidride solforosa (SO2):
CaCO3 + H2SO4 + H2O → CaSO4 . 2H2O + CO2
La presenza di anidride solforosa, aumentata percentualmente in modo elevato nell'atmosfera,
è stata messa in relazione alla produzione e combustione di alcuni carburanti sia solidi che
liquidi che contengono sostanze solforate. Tali sostanze emesse nell'atmosfera, in
combinazione con acqua e con alcuni catalizzatori, possono subire fenomeni di ossidazione
producendo acido solforico o solforoso, che può depositarsi sul materiale durante le
precipitazioni o per condensazione reagendo con esso.
AUMENTO DI MATERIA
Efflorescenza - Definizione (Normal 1/88 II° edizione)
MODIFICA CROMATICA
Formazione di sostanze, in genere di colore biancastro e di aspetto cristallino, polverulento o
filamentoso, sulla superficie del manufatto.
La cristallizzazione può avvenire anche all'interno del materiale provocando, spesso, il distacco
delle parti più superficiali: il fenomeno, in questi casi, prende il nome di cripto efflorescenza o
di
sub-efflorescenza.
Morfologia
Diversi composti salini si possono trovare presenti, sotto forma di soluzioni acquose all'interno
delle murature. La loro deposizione sulle superfici dipende sia dal grado di solubilità propria di
ogni composto, che dalla maggiore o minore quantità d'acqua necessaria per solubilizzarli.
Inoltre, le variazioni della temperatura, l'evaporazione del solvente e l'abbassamento
dell'umidità relativa nell'atmosfera circostante, sono fattori che possono produrre l'aumento
della concentrazione della soluzione e la conseguente cristallizzazione delle specie saline.
Se qualitativamente il fenomeno è analogo per ogni sostanza salina, diversi sono invece i valori
di temperatura, di umidità relativa e di concentrazione che determinano la solubilità propria di
ogni sostanza.
Il meccanismo di degrado è conseguente alla pressione di cristallizzazione dei sali; alcuni
hanno la caratteristica di aumentare notevolmente il loro volume nel corso del passaggio alla
fase solida in seguito all'evaporazione del solvente; le pressioni provocate all'interno dei pori
sono tali da superare la capacità di resistenza del materiale. Il risultato è la continua erosione
degli strati superficiali.
Cause
I sali possono provenire:
- dal terreno (soprattutto i Nitrati ed i Cloruri)
- dalla deposizione degli aerosol presenti nell'atmosfera (Cloruri e Solfati)
- dallo stesso materiale utilizzato per la costruzione (i solfati di metalli alcalini possono essere
presenti nei mattoni; i solfati di Calcio e Magnesio possono essere presenti nei calcari, ecc.);
- dai materiali impiegati per il restauro (gesso, ettringite e thaumasite, che si originano per
reazione del cemento Portland, con i composti dello zolfo).
AUMENTO DI MATERIA
PERDITA DI MATERIA
VARIAZIONE DI GRANA
Pitting
pietra calcarea
Esfoliazione
pietra arenaria
DEFORMAZIONE
INTERRUZIONE DI CONTINUITA’
Intonaco

degrado dei materiali

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