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IAMANTE
D
LE RACCOLTE DI
APPLICAZIONI
& TECNOLOGIA
WWW.GMASSDIAMANTE.COM
I
n occasione dell'Anno Internazionale del Pianeta Terra e della XVIII
Settimana della Cultura Scientifica, presso il Dipartimento di Scienze
della Terra al Campus universitario dell’Ateneo di Parma, il 6 Maggio
2008 si è tenuto un Convegno per l’inaugurazione della Mostra “Carrara, il
Marmo nella Storia”, rimasta aperta sino a fine Maggio.
La mostra, realizzata dal Politecnico Federale di Zurigo, dove è stata esposta nella primavera del 2006, in collaborazione con l'Università di Parma,
l'Università di Pisa e con l'Internazionale Marmi e Macchine di Carrara, ha
inteso celebrare questa roccia che, formatasi nelle Alpi Apuane milioni di
anni fa, ha conquistato il mondo come prezioso materiale da costruzione e
per la realizzazione di opere d'arte.
I temi trattati nei 22 pannelli esposti hanno riguardato l'origine geologica
della roccia, lo sfruttamento storico delle cave e l'attuale distretto estrattivo, come pure hanno spaziato dall’applicazione del marmo nell'arte, nell'architettura e nell'industria fino alla sua storia più recente che risale al
tempo degli Etruschi. Inoltre, sono stati esposti campioni dei diversi tipi di
marmo di Carrara, attualmente estratti dalle cave. È stato un evento unico
che ha visto il contributo di vari esperti in questo campo.
La raccolta evidenzia alcune memorie presentate nel corso del Convegno,
ampliate dagli Autori per un aggiornamento più approfondito e pubblicate
sulle edizioni di Diamante Applicazioni & Tecnolgia n° 53, 54, 55.
Indice
Introduzione alla geologia e ai marmi delle Alpi Apuane
Pag.1
Introduction to Apuan Alps geology and marbles
di/by Giancarlo Molli, Università di Pisa
Il distretto estrattivo delle Alpi Apuane
Pag.6
The extractive district of the Apuan Alps
di/by Gianfranco Di Battistini, Università di Parma
I minerali dei marmi delle Alpi Apuane - Parte I
Pag.12
Minerals of the marbles of the Apuan Alps - Part I
di/by Paolo Orlandi, Università di Pisa
I minerali dei marmi delle Alpi Apuane - Parte II
Pag.18
Minerals of the marbles of the Apuan Alps - Part II
di/by Paolo Orlandi, Università di Pisa
Il marmo in architettura verso un uso consapevole - Parte I
Pag.23
Marble in architecture towards its reliable use - Part I
di/by Gianni Royer-Carfagni, Università di Parma
Il marmo in architettura verso un uso consapevole - Parte II
Marble in architecture towards its reliable use - Part II
di/by Gianni Royer-Carfagni, Università di Parma
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Pag.35
Relazione presentata al convegno:
“Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma
Introduzione alla Geologia
e ai Marmi delle Alpi Apuane
GIANCARLO MOLLI - UNIVERSITÀ DI PISA
DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA
L
e Alpi Apuane sono conosciute in tutto il mondo
per i marmi che in questa regione vengono
estratti da più di duemila anni. La presenza di
marmi, in particolare dei famosi marmi bianchi di
Carrara è il risultato di una peculiare storia geologica
che contraddistingue le Alpi Apuane dai rilievi limitrofi
Dell'Appennino. Dal punto di vista geologico le Alpi
Apuane rappresentano una finestra tettonica in cui
sono esposte le unità geometricamente più basse
dell’Appennino Settentrionale.
Questa catena, parte del sistema orogenico Alpino, è il
risultato della deformazione terziaria del margine continentale italo-adriatico, su cui sono sovrascorsi frammenti (le Unità Liguri) di un dominio oceanico che ha
separato durante il Mesozoico la Paleoeuropa
dall’Africa. Le rocce osservabili nelle Alpi Apuane sono
testimoni della storia geologica di un settore di superfi-
cie terrestre conosciuto nella letteratura geologica
come dominio Toscano.
Circa 240-250 milioni di anni fa il paesaggio generale
della regione sarebbe apparso molto diverso dall'attuale. Una catena montuosa realizzata durante un precedente ciclo orogenico, quello Ercinico, era stata ormai
quasi completamente smantellata, l'ambiente che
mostrava condizioni climatiche semi-aride era di tipo
continentale e solo localmente marino con sviluppo di
ridotte piattaforme carbonatiche.
Depositi di questo tipo ed età sono osservabili nelle
Alpi Apuane (Formazione di Vinca e Verrucano s.l.
comprendente i marmi Ladinici del M.Brugiana)
sovrapposti a rocce più antiche filladi, scisti porfirici e
porfiroidi già deformati durante la precedente storia
ercinica (basamento pre-Mesozoico) (Fig.2).
Successivamente in seguito a processi estensionali a
Introduction to
Apuan Alps
Geology and
Marbles
GIANCARLO MOLLI - UNIVERSITY OF PISA
DEPARTMENT OF EARTH SCIENCES
T
he Apuan Alps are known in the whole world for
marbles which in this region are extracted since
more than two thousand years. Marble presence,
Fig.1 Panoramica del bacino marmifero di Carrara
General wiew of tha Carrara marble basin
in particular of the celebrated Carrara white marbles is the
result of a peculiar geological history which marks the Apuan Alps from the limitrophe reliefs of the Apennines.
From the geological point of view, the Apuan Alps represent a tectonic window where the geometrical lowest units of
the northern Appennines are exposed. This chain part of the Alpine orogenic system is the result of the
tertiary deformation of the continental Italian-Adriatic margin on which fragments have been over written (Liguria
Units) of an oceanic domain which separated Paleo-Europe from Africa during Mesozoic.
The rocks which can be observed in the Apuan Alps are witnesses of the geologic history of a sector of earthly surface known as Tuscan domain in the geologic literature. About 240-250 Ma ago the region general landscape would
have appeared very different from the present, an older mountain chain realized during a previous orogenic cycle,
the Hercynian one, was almost completely dismantled by that time, the environment which showed semi-dry climate
conditions was of continental type and only sea locally with development of reduced carbonatic platforms.
Deposits of this type and age can be observed in the Apuan Alps (Vinca and Verrucano s.l. Formation comprising
scala regionale le condizioni si sono modificate infatti
l'ambiente continentale é stato sostituito da un
ambiente di mare basso e le condizioni climatiche tropicali calde, comparabili con quelle attualmente presenti in Florida, Golfo Persico e Mar Rosso, permisero
l'instaurarsi di una piattaforma carbonatica molto estesa e testimoniata nelle Apuane dai depositi triassici
delle Dolomie conosciute localmente come Grezzoni.
L'ambiente era tutt'altro che perfettamente omogeneo,
l'attività tettonica realizzava locali depressioni testimoniate da sedimenti di mare più profondo mentre alti
morfologici potevano arrivare anche all'emersione e a
essere sottoposti a smantellamento con produzione di
materiali detritici. Esempi di
questa articolazione ed evoluzione della piattaforma
carbonatica sono osservabili
confrontando i sedimenti di
tetto dei Grezzoni nell'area
centrale e orientale delle
Apuane (Brecce di
Serravezza) con quelli coevi
di mare più profondo della
zona occidentale (marmo
nero di Colonnata).
Il perdurare di condizioni di
mare basso con temperature sub-tropicali permise l'istaurarsi di una nuova piattaforma carbonatica giurassica (200-180 Ma) da cui
sono derivati la gran parte
dei marmi apuani. In questa piattaforma erano distinguibili sub-ambienti con caratteristiche deposizionali
differenti - barriere coralline, piane costiere interessate
da correnti di marea, depressioni più profonde in cui si
accumulavano detriti provenienti da aree più rilevate che in ultimo sono responsabili di una parte della
variabilità osservabile all'interno dei marmi Apuani.
Dalla fine del Lias (180 Ma fa) il dominio Toscano e la
piattaforma carbonatica allora realizzata cominciò ad
approfondirsi progressivamente in seguito a processi
estensionali a scala regionale precursori dell'apertura di
una area oceanica posta ad occidente del dominio
Toscano - la Tetide Ligure - per cui iniziarono a depositarsi sedimenti di mare
sempre più profondo; i
“Calcari selciferi”, Diaspri
(metaradiolariti) e “Scisti
sericitici” testimoniano
appunto questa evoluzione
del margine continentale.
Le condizioni paleotettoniche di margine passivo sono
rimaste più o meno stabili
fino a circa 30 milioni di
anni fa quando, in seguito
alla chiusura dell'oceano
Ligure il margine fu coinvolto nella collisione continentale con la placca europea
rappresentata dal blocco
Sardo-Corso.
Durante la collisione conti-
M.Brugiana Ladinian
carbonatic platform (200-180
marbles) superimposed to
Ma) from which a great part
phyllites, porphyroids and
of Apuan marbles were
porphyritic schists more
derived.
ancient rocks already
In this platform sub-environdeformed during the previments were distinguishable
Fig.2 Sequenza stratigrafica generale delle Alpi Apuane
General stratigraphic sequence of the Apuan Alps unit
ous Hercynian history
with different deposit charac(pre-Mesozoic basement)
teristics - coral barriers,
(Fig.2).
coastal planes interested by tide stream, deeper depresSubsequently owing to extensional processes at a
sions where detritus piled up coming from higher areas regional scale conditions have been modified, the contiwhich are responsible of a part of observable variability
nental environment has been substituted by a low sea
at the end inside the Apuan marbles.
conditions, warm tropical climatic conditions comparable
From the end of Lias (180 Ma ago) the Tuscan domain
with those present in Florida, Persian Gulf, Red Sea at
and the carbonatic platform realized at that time started
the present time allowed to establish of a very wide carprogressively to become deeper owing to extensional
bonatic platform and testified in the Apuan Alps by the
processes at a regional scale precursory of opening of
triassic deposits of Dolomite locally known as Grezzoni.
an oceanic area placed at the West of the Tuscan
The environment was anything but perfectly homogedomain - Ligurian Thetis - due to which started to deposit
neous, the tectonic activity realized local depressions
always deeper sea sediments, the "lime-stones containtestified by more deep sea sediments while high moring flint-stone", Jasper (meta-radiolarites) and “Sericitic
phological ones could arrive also at emersion and to be
Schists” testify precisely this evolution of the continental
subjected to dismantling with the production of detrital
edge. Palaeotectonic conditions of passive margin
materials. Examples of this articulation and evolution of
remained more or less stable up to about 30 Ma years
the carbonatic platform are observable comparing roof
ago when, owing to closing of Ligurian ocean, the marsediments of Grezzoni in the central and eastern area of
gin was involved in the continental collision with the
Apuan Alps (Serravezza Breccia) with those coeval of
European plaque represented by Sardinian-Corsican
more deep sea of the western zone (Colonnata black
block. During the continent/continent collision the Tuscan
marble). The lasting low sea conditions with sub-tropical
margin was subdivided into different tectonic units,
temperatures allowed the establishing of a new Jurassic
deformed at different crustal levels i.e. in different physi-
nente/continente il margine Toscano è stato suddiviso
in diverse unità tettoniche, deformate a differenti livelli
crostali cioé in differenti condizioni fisiche di temperatura e pressione. Nella regione delle Alpi Apuane, sono
tradizionalmente distinte, tre unità tettoniche principali, dall'alto verso il basso:
a) la Falda Toscana caratterizzata da una successione
sedimentaria comprendente termini dal Trias superiore
all’Oligocene-Miocene inferiore. Questa unità è caratterizzata da un’evoluzione deformativa sviluppata in condizioni metamorfiche di grado molto basso
(T ≤ 250/280 °C). Si tratta cioé di una porzione del
margine toscano rimasta a livelli strutturali relativamente superficiali durante tutta la storia deformativa;
b) l'Unità di Massa comprendente litotipi Paleozoici e
Triassici che affiorano al margine sud-occidentale del
massiccio a partire da Bedizzano fino a sud di
Pietrasanta;
c) “Autoctono Apuano Auct” o meglio unità della
Apuane che caratterizza la gran parte del nucleo metamorfico. Questa unità è costituita da un basamento
paleozoico (metasedimenti e metavulcaniti) e da una
sequenza metasedimentaria Permo - triassica/oligocenica;
Le condizioni metamorfiche di picco (cioè massime)
registrate dalle unità di Massa e delle Apuane sono stimate attorno a 350-450 °C per pressioni tra 6-8 Kb
(equivalenti a profondità tra 18-30 km).
Sulla base delle caratteristiche deformative nelle unità
metamorfiche delle Alpi Apuane sono riconosciuti strutture attribuibili a due eventi tettonici principali:
❒ l'evento tangenziale o D1, collegabile alla collisione
continentale. Durante questo evento, in cui si realizza
la messa in posto delle unità tettoniche, le rocce osservabili nelle Alpi Apuane, sono state portate in profondità all'interno della crosta, fortemente deformate e trasformate in rocce metamorfiche;
❒ l'evento tardivo o D2, a cui sono associate strutture
che deformano quelle realizzate precedentemente ed
accompagnano la progressiva esumazione cioé la risalita delle unità metamorfiche verso la superficie;
Sulla base di datazioni radiometriche (metodi K/Ar,
Ar/Ar e tracce di fissione) alla storia deformativa D1 è
attribuibile un età compresa tra 27 e 20 Ma.
Mentre il passaggio delle unità metamorfiche al di
sotto della temperatura di circa 120 °C (circa 3-4 Km
di profondità) è stimato tra i 4 e 2 Ma.
Il complesso cammino dei volumi di rocce all'interno
della crosta è registrato nelle strutture di deformazione
e nelle associate mineralizzazioni ora osservabili nelle
Alpi Apuane. Tra le strutture deformative più spettacolari le pieghe, presenti dalla scala metrica alla scala
pluri-chilometrica, sono responsabili della distribuzione
spaziale dei livelli di marmi nel territorio (Fig.3).
Fig.3 Sezione trasversale generale delle Alpi Apuane; in azzurro i marmi
General cross section across the Apuan Alps: in light blue marbles
cal temperature and pressure conditions.
In the Apuan Alps region three main tectonic units are
traditionally distinguished, from the top to the bottom:
a) the Tuscan nappe characterized by a sedimentary
succession comprising borders from the superior Trias to
the inferior Oligocene-Miocene. This unit is characterized
by a deformative evolution developed in metamorphic
conditions of a very low degree (T ≤ 250/280 °C).
It is namely a portion of the Tuscan margin remained at
structural levels relatively superficial during all the deformative history;
b) the Massa Unit comprising Palaeozoic and Triassic
lithotypes which appear on the surface at the SouthWestern margin of the massif starting from Bedizzano up
to the South of Pietrasanta;
c) the "Apuan Autochthon" or better the Apuan unit which
characterizes the most of the metamorphic nucleus.
This unit is constituted by a Palaeozoic (metasediments
and metavulcanites) basement and by a Permo-Triassic
to Oligocene metasedimentary sequence.
The pick (i.e. maximum) metamorphic conditions recorded by the units of Massa and Apuan Alps are valuated
about 350-450°C for pressions between 6-8 Kb (equivalent to depths between 18-30 km).
On the base of deformation characteristics in the metamorphic units of the Apuan Alps structures are recognized attributable to two main tectonic events:
❒ the tangential event or D1, linkable to the continental
collision. During this event, in which the setting of the
tectonic units is realized, the rocks observable in the
Apuan Alps, have been carried deeply into the crust,
strongly deformed and transformed into metamorphic
rocks;
❒ the late event or D2, to which structures are connected
which deform those realized previously and accompany
the progressive unearthing i.e. the going up again of the
metamorphic units towards the surface.
On the base of radiometric dating (K/Ar, Ar/Ar methods
and fission traces) to the deformative history D1 an age
comprised between 27 e 20 Ma can be given. While the
passage of the metamorphic units under about 120 °C
temperature (about 3-4 km depth) is valuated between 4
e 2 Ma.
The complex way of rock volumes inside the crust is
recorded in the deformation structures and in the associated mineralizations now observable in the Apuan Alps.
Among the most spectacular deformative structures the
folds, present from metric scale to plurikilometric scale,
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
03
I marmi delle Alpi Apuane
In termini generali, sulla base delle caratteristiche
mesoscopiche nelle Alpi Apuane possono essere distinti
tre tipi principali di marmi:
1) marmi massicci e/o bandati prevalentemente
bianchi con o senza “vene” grigio chiare e/o scure,
lenti o “spots” in questo gruppo rientrano per esempio
le varietà merceologiche degli statuari, dei bianchi s.l.,
dei venati;
2) brecce monogeniche o poligeniche, “in situ”, matrice-supportate o clasto-supportate (es. arabescati);
3) marmi grigi (es. bardigli e nuvolati).
A questi tre tipi principali di marmi possono essere collegate le più di quindici differenti varietà merceologiche
commerciali estratte nelle Alpi Apuane.
Studi pubblicati (vedi bibliografia) associano le differenze principali nell’aspetto mesoscopico di base alla
loro posizione ed ambiente deposizionale all’interno
della piattaforma carbonatica retica e soprattutto liassica. A questa differenziazione e variabilità originaria del
“protolite” (cioè della roccia originaria) si sovrappone,
a produrre una variabilità mesoscopica, la storia deformativa che può produrre stati di strain finito locale
variabile da zona a zona e che possono portare in litotipi non omogenei (per es. le brecce) ad una
importante variabilità di ornamentazione
testimoniata ad esempio dal tipo e dalla
forma di allungamento dei clasti nelle brecce
marmoree che si collega appunto alla forma
ed al tipo di ellissoide della deformazione o
strain finito.
A questa variabilità mesoscopica si sovrappone un terzo tipo di variabilità rappresentata dal carattere microstrutturale dei marmi
che è funzione di due fattori principali:
1) caratteristiche composizionali del litotipo:
es. contenuto di fillosilicati e/o altre fasi
mineralogiche diverse dalla calcite, minerale
costituente fondamentale (presente in quantitativi maggiori del 90%);
2) relazione tra processi deformativi e termici a scala regionale e storia deformativa/ter-
are responsible of the spatial distribution of
the marble levels in the territory (Fig.3).
Apuan Alps marbles
In general terms, on the base of mesoscopic
characteristics in the Apuan Alps can be distinguished into three main marble types:
1) massive and/or striped marbles mainly
white with or without clear grey and/or dark
"veins", lens or "spots", in this group are classified e.g. the market varieties of statuary, of
white s.l., of with veined;
2) monogenic or poligenic breccia, “in situ”,
matrix-supported or clasto-supported (e.g.
decorated with arabesques);
3) grey marbles (e.g. bardiglio and cloudy);
More than fifteen market and commercial
varieties can be linked to these three main
marble types quarried in the Apuan Alps.
Published studies (see bibliography) associate the main differences in the basic mesoscopic aspect to their position and depositional environment inside the carbonatic Rhetian
and moreover Liassic platform.
To this originary differentiation and variability
of “protolith” (i.e. originary rock) is superimposed to produce a mesoscopic variability,
Fig.4 Tipi base di microstrutture dei marmi di Carrara in sezione ultrafine con luce polarizzata
Main microstructural types of Carrara marbles in ultrathin section.
Cross polarized light
mica locale.
Sintetizzando il risultato di ricerche ancora in corso
all’interno dei marmi apuani è possibile distinguere tre
tipi base di microstrutture illustrate in Fig.4.
Il primo tipo o “tipo A”: si caratterizza per una microstruttura granoblastica poligonale (“foam” o “a schiuma”), una granulometria media variabile tra circa 150
e 350 µm, una forma dei cristalli quasi isometrica ed
una orientazione cristallografica preferenziale (LPO)
debole. Un secondo tipo microstrutturale o “Tipo B”:
comprende marmi che evidenziano tracce più o meno
importanti di rielaborazioni dinamiche del microfabric
tipo A. Questi marmi si caratterizzano per la presenza
di limiti granulari non rettilinei, ricristallizzazioni dinamiche di calcite a grana più fine della calcite originaria
e orientazioni cristallografiche (LPO) più forti.
Un terzo tipo microstrutturale o “Tipo C” caratterizza
alcune varietà di marmi più o meno puri (es. varietà
merceologiche tipo Calacatta e Zebrino) e localmente
marmi grigi tipo bardiglio e nuvolato.
La caratteristica microstrutturale distintiva è rappresentata da una evidente orientazione di forma (SPO)
orientata ad angoli variabili, in genere bassi da 0 a
10-30° rispetto alla foliazione principale.
Ognuno dei tipi microstrutturali di base presenta una
certa variabilità es. nella granulometria, nel tipo di
limiti intergranulari e nel tipo di orientazione cristallografica preferenziale fattori che si combinano a dare
proprietà fisico-meccaniche e differenti gradi di propensione ai fenomeni di alterazione.
Bibliografia
the deformative history which can produce finished local
strain states variable from zone to zone and which can
generate unhomogeneous lithotypes (i.e. breccia) to an
important variability of ornamentation testified e.g. by the
type and by the elongation form of the clastic in marble
breccia (which connects precisely to the form and to the
ellipsoid type of deformation or finite strain).
To this mesoscopic variability is superimposed a third
type of variability represented by the marble micro-structural character which is function of two main factors:
1) lithotype compositional characteristics: i.e. fillosilicate
and/or other mineralogical phases different by calcite,
fundamental mineral component (present in quantities
higher than 90%);
2) relation between deformation and thermal processes
at a regional scale and deformation/thermal local history.
Synthetizing the result of researches till now in progress
inside Apuan marbles three basic micro-structure types
can be distinguished illustrated in Fig.4.
The first type or “A type”: it is characterized by a polygonal micro-structure grain-blastic (“foam”), a medium grain
size variable between about 150 and 350 µm, a near
isometric crystal shape and a weak preferential crystallographic orientation (LPO).
A second micro-structural type or “B type”: it comprises
marbles which show less or more important traces of
dynamical reprocesses of the micro-fabric A type.
These marbles characterize for the presence of granular
not linear borders, calcite more fine than the originary
calcite and stronger crystallographic orientations
dynamical re-crystallizations (LPO).
A third micro-structural type or “C type” characterizes
some less or more pure marble varieties (e.g. Calacatta
and Zebrino commercial varieties) and locally grey
marble bardiglio and cloudy type.
The distinctive micro-structural characteristic is
represented by an evident shape orientation (SPO)
oriented at variable angles, generally low from 0 to
10-30° as regards the principal branching.
Each of the basic micro-structural types presents a
certain variability e.g. in grain size, intergrain border
types and preferential crystallographic orientation,
factors which combine to give physical-mechanical
properties and different degrees of propensity to
alteration phenomena.
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DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
05
Relazione presentata al convegno:
“Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma
Il Distretto
Estrattivo delle
Alpi Apuane
GIANFRANCO DI BATTISTINI - UNIVERSITÀ DI PARMA
DOCENTE DI PETROGRAFIA APPLICATA
DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA
I
l Distretto estrattivo delle Alpi apuane, ubicato
nella Toscana nord-occidentale, raggruppa l’insieme dei bacini marmiferi compresi entro e al
margine della dorsale delle Alpi apuane.
L’intero Distretto ricade amministrativamente nelle
province di Massa Carrara e Lucca ed è un punto di
riferimento dell’attività estrattiva nel mondo.
Si sviluppa su un’area vasta allungata in direzione
SE-NO per oltre 30 km ed in direzione W-E per una
larghezza di circa 12 km. Complessivamente però
gli affioramenti di marmi, interessanti da un punto
di vista merceologico, raggiungono solo una estensione di 70-80 km2 (Fig.1). Il Distretto delle Alpi
apuane comprende quattro comprensori estrattivi:
Comprensorio della Lunigiana (Apuane settentrionali, L), Comprensorio di Carrara e Massa (Apuane
occidentali, C e M), Comprensorio della Versilia
(Apuane meridionali, V), Comprensorio della
Garfagnana (Apuane orientali, G).
All’interno di ciascun comprensorio possono essere
distinti bacini marmiferi ovvero aree in cui si
riscontra la maggior concentrazione di cave in funzione delle zone d’affioramento degli orizzonti marmiferi produttivi. Nel Comprensorio della Lunigiana
possiamo ricordare i Bacini di Monte Sagro e Equi
Terme-Casola. Nel Comprensorio di Carrara sono
presenti quattro bacini marmiferi: Bacino di
Colonnata, Bacino di Fantiscritti-Miseglia, Bacino di
Torano, Bacino di Pescina Boccanaglia.
Un bacino di minor estensione è quello di Massa,
annoverato generalmente insieme a quello di
Carrara, dove l’attività estrattiva attualmente viene
effettuata in una decina di cave.
Nel comprensorio della Versilia l’attività estrattiva
ricade nei comuni di Seravezza e Stazzema
entrambi in provincia di Lucca. In particolare si
ricorda il bacino di M. Altissimo con due cave
importanti quella di Cervaiole (a SE dell’Altissimo)
e Cava La Buca a Est.
Il Comprensorio della Garfagnana è ubicato nella
parte nord orientale delle Alpi apuane, nei pressi
degli abitati di Gramolazzo, Minucciano ed
Ugliancaldo. Comprende i bacini marmiferi di
Arnetola, Acqua bianca, Orto di Donna, Boana e
Vagli. La produzione di marmo nell’intero Distretto,
riferita al 2004, è circa 1.200.000 tonnellate annue
di cui 900.000 tonnellate nel solo comprensorio di
Carrara che risulta essere quello a maggior produttività (Tabella 1).
L’attività estrattiva nel comprensorio
di Carrara nel tempo
L’attività estrattiva del marmo apuano nel
Comprensorio di Carrara viene fatta risalire all’epoca
Fig.1 Il Distretto estrattivo delle Alpi Apuane
The extractive district of the Apuane Alps
romana e precisamente dopo la fondazione della colonia
romana di Luni avvenuta nel 177 a.C., anche se studi
recenti a carattere mineralogico - petrografico condotti
su manufatti funerari attestano un impiego del marmo
apuano in età pre-romana. Questa attività è attestata,
oltre che da cave romane ubicate nel fondovalle del
bacino di Colonnata, di Miseglia e di Torano, da ritrovamenti archeologici quali le “tagliate romane”.
Nella parte posteriore del blocco da abbattere, saldata al
resto del giacimento, veniva praticata una trincea, la
tagliata, profonda quanto l’altezza del blocco che si voleva estrarre e con una larghezza tale da consentire agli
scalpellini di effettuare lo scavo con mazzetta e scalpello
o con piccone (Fig.2).
L’escavazione avveniva con metodi e utensili molto
semplici e con gran dispendio di tempo ed energie
per ottenere risultati modesti: era essenzialmente
un lavoro manuale. Vengono di seguito schematicamente riportate le fasi di lavorazione succedutesi
nel tempo.
Comprensori
Quarry areas
Tonnellate
Tons (t)
%
Carrara
915,000
75
Massa
Lunigiana
90,000
89,000
7
7
Garfagnana
Versilia
83,000
51,000
7
4
Totale
Total
1,228,000
100
Tab.1 Fonte: Meccheri et al. (2007)
After Meccheri et al. (2007)
The Extractive District of the
Apuane Alps
BY
T
GIANFRANCO DI BATTISTINI - UNIVERSITY OF PARMA - PROFESSOR OF APPLIED PETROGRAPHY
DEPARTMENT OF EARTH SCIENCES
he extractive district of the Apuane Alps, which is
located in the north western Tuscany, includes all
the marble quarry areas of the Apuane Alps and
surroundings. The whole district is located in the Massa
Carrara and Lucca provinces and represents one of the
most important extractive district in the world. It covers a
large area extending for more than 30 km and for about 12
km SE-NW and in W-E respectively.
However, the marble outcrops, useful for marketing, only
cover 70-80 km2 (Fig.1).
The extractive district of the Apuane Alps includes four
quarry areas:
Lunigiana area (Northern Apuane, L);
Carrara and Massa area (Apuane, C and M);
Versilia area (Southern Apuane, V);
Garfagnana area (Eastern Apuane, G).
Each area may be divided in quarry basins of minor rank,
where the number of quarries depends on the extension of
the marble-bearing horizons. In the Lunigiana area, the
most important basins are Monte Sagro and Equi
Terme-Casola.
Four marble basins are located in the Carrara area:
- Colonnata
- Fantiscritti-Miseglia
- Torano
- Pescina Boccanaglia.
The less extended basin is the Massa basin. It belongs to
the Carrara and Massa area and only includes about ten
quarries.
In the Versilia area, the extractive activity is located in the
Seravezza and Stazzema territories (Lucca province).
In particular, the Mt. Altissimo basin, which includes two
important quarries (Cervaiole at SE and Cava La Buca at
E), is noteworthy. The Garfagnana district is located in the
north eastern part of Apuane Alps, close to the villages of
Gramolazzo, Minucciano and Ugliancaldo.
It includes the Arnetola, Acqua Bianca, Orto di Donna,
Boana and Vagli basins. During 2004, the marble
production in the whole district was about 1,200,000 t.
900,000 t in the Carrara area, which is the most productive
area (Table 1).
Extractive activity in the Carrara area
during the time
In the Carrara area, a relevant activity of marble extraction
is dated back to the Roman age, after the foundation in
177 B.C. of the Roman colony of Luni.
Recent mineralogical-petrographic studies carried out on
funerary artefacts attest the use of Apuane marble during
pre-Roman age.
In addition to the identification of Roman quarries in the
lower valley of the Colonnata, Miseglia and Torano basins,
the extractive activity is attested by archeological
discoveries such as the “tagliate romane”.
On the back side of a block, still connected to the main
rock, a deep cut was done, the so called "tagliata".
The cut was as deep as the height of the block to be
extracted and very narrow but sufficiently large to allows
hammer and chisel or pick excavation by a man (Fig.2).
Excavation was essentially a manual work, which was
done using simple tools; it needed a large loss of time and
energy to obtain, in any case, modest results.
The evolution of the working methods for the extraction are
schematically reported below.
Fig.2 Museo del marmo di Fantiscritti: ricostruzione di una “tagliata romana”
Reconstruction of the Roman “tagliata”. Museum of the marble at Fantiscritti
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
07
Lavorazione manuale: in età romana e almeno fino
al 1800.
Esplosivo: verso la fine del 1700 iniziarono le prime
escavazioni per mezzo dell’esplosivo che diventarono sistematiche nel 1831 con l’introduzione della
miccia a lenta. Gli effetti prodotti dalle esplosioni
furono devastanti: il marmo si frantumava sino a
risultare di scarso valore commerciale. Questa tecnica accelerò le operazioni di scavo ma provocò un
aumento considerevole dei detriti di scarto.
I blocchi di maggior dimensione venivano riquadrati
ancora a mano sul piazzale di cava.
Lavorazione manuale + taglio con perforazione
pneumatica.
Filo elicoidale: la vera rivoluzione nella tecnica
estrattiva si ebbe con il filo elicoidale introdotto a
Carrara nel 1895; con questo procedimento si potevano effettuare tagli di grandi dimensioni con il
minimo spreco di materiale utile.
Filo diamantato: fu introdotto nel 1978-79 ed ancora oggi è in uso sia per il taglio primario che per la
riquadratura dei blocchi in cava.
Tagliatrice a catena diamantata: viene utilizzata
principalmente per il taglio primario del marmo
(Fig.3).
Tipologia delle cave
L’attività estrattiva si è sviluppata nel tempo in cave
di diversa tipologia:
1- Cave a cielo aperto;
2- Cave in galleria;
3- Cave in sottotecchia.
1) Le cave a cielo aperto comportano l’escavazione
mono una tipica forma ad anfiteatro in cui la coltivazione avviene su più gradini partendo dall’alto
verso il basso. Tra le cave di versante merita di
essere ricordata la cava Polvaccio, ubicata nel bacino di Torano, ancora oggi famosa per essere stata
scelta da Michelangelo per l’approvvigionamento dei
marmi da utilizzare per molte delle sue opere.
È qui che nel 1497 venne per la prima volta a scegliere i marmi per la Pietà; sempre secondo gli studiosi fu ancora in questa cava nel 1505 per un
lungo periodo di tempo in quanto necessitava di un
grande quantitativo di materiale per la realizzazione
del sepolcro del papa Giulio II (Fig.5).
❒ Cave a fossa o pozzo: appaiono come degli imbuti
a sviluppo verticale e si realizzano quando sono
stati raggiunti i limiti della concessione.
La coltivazione procede ribassando sempre più la
quota del piazzale di cava.
2) Cave in galleria: abbastanza diffuse, diventano
delle vere e proprie gallerie che si diramano all’interno della montagna; si creano enormi camere il
cui soffitto viene sorretto da pilastri di marmo che
vengono abbandonati.
3) Cave in sottotecchia: abbastanza diffuse, possono essere l’inizio di una galleria e mantengono questo nome finché la profondità dello scavo è tale da
permettere alla luce naturale di filtrare ed illuminare
il cantiere di lavoro.
Ravaneti
L’attività estrattiva nel comprensorio di Carrara ha
prodotto nel corso degli anni un quantitativo imponente di scarti di lavorazione che, riversati
lungo i versanti della montagna adiacenti
alle aree di cava, costituiscono delle vere e
proprie discariche chiamate “ravaneti”
(Fig.6).
Si è stimato che in una cava di marmo la
resa in materiale commerciabile è il 35%
Fig.3 Bacino di Torano: taglio basale di una bancata di marmo
mediante tagliatrice a catena diamantata
Torano basin: basal cutting of a marble bed by diamond
chain cutting machine
a giorno del materiale e possono essere distinte
in:
❒ Cave culminali: sono abbastanza rare e sono
ubicate sulle cime delle montagne di cui viene
asportato proprio il crinale (Fig.4).
❒ Cave di versante: sono le più diffuse, sono ubicate sui fianchi della montagna e generalmente assu-
Fig.4 Bacino marmifero di Colonnata: cava culminale o di vetta
Colonnata marble basin: summit type quarry
del materiale scavato e quindi per una produzione
annua di 1.000.000 di tonnellate di marmo si accu-
Manual working: during the Roman age, at least
up to 1800 AD.
Explosive: the beginning of excavation by using
explosive is dated back to the end of 1700; this
method became systematic starting from 1831.
The effect produced by explosions was impressive: marble was broken down with consequent
lowering of its marketing value.
This technique accelerated excavation but
generated a considerable increase of waste
matter. The largest blocks were squared by hand
on the quarry yard.
Manual working and pneumatic drilling.
Fig.5 Bacino marmifero di Torano: cava di versante (Polvaccio)
Torano marble basin: slope quarry
(Polvaccio, the Michelangelo’s quarry)
Fig.6 Ravaneti nel bacino marmifero di Colonnata
"Ravaneti" (Waste deposits) in the Colonnata marble basin
Helicoidal wire: the true revolution in the extractive
technique took place at Carrara in 1895 with the introduction of the helicoidal wire. Large blocks may be produced
by this process with small loss of useful material.
Diamond wire: it was introduced in 1978-79. It is still used
for both main cut and block squaring in the quarry.
Diamond chain cutting machine: it is used mainly for
marble main cutting (Fig.3).
Type of marble quarries
Extractive activity was developed during the times in
quarries of different types:
1) Open quarry;
2) Underground quarry;
3) “Sottotecchia” (vertical wall of rock) quarry.
1) The open quarries involve excavation of material at
open air; they can be divided as follows:
❒ Summit type quarry: it is rather rare and located on
the top of mountains from which the summit and/or
the ridge are removed (Fig.4).
❒ Slope type quarry: it is the most common.
This type of quarry is located on mountain sides;
generally it assume a typical amphitheatre shape; the
exploitation starts from the top and proceeds toward
the bottom. Among the slope type quarries, the
Polvaccio quarry, which is located in Torano
basin, is noteworthy. It is famous because
selected by Michelangelo for some important works. Michelangelo visited the area
the first time in 1497 with the aim of choosing marbles for the Pietà.
According to many scholars, he visited
again this quarry in 1505 and stayed there
for a long time because he needed a large
quantity of marbles to realize the tomb of
the Pope Julius II (Fig.5).
❒ Ditch/shaft type quarry: funnel-shaped excavations
developed vertically and until the limit of the
concession. The cultivation proceeds progressively by
lowering the quarry yard height.
2) Underground quarry: rather common, it develops into
true tunnels which branch inside the mountain; huge
rooms are created with ceiling supported by marble pillars.
3) "Sottotecchia" quarry: rather common, it is a quarry
intermediate between the surface and underground quarry.
“Ravaneti” (Waste deposits)
The extractive activity in the Carrara area produced a huge
quantity of working waste deposits, which when poured
along mountain sides near the quarry areas, are called
“ravaneti” (Fig.6). An approximate estimation suggests that
in a marble quarry the marketable material is 35 % of the
total excavated material; therefore, during the year, about
2,000,000 t of working waste are added to the “ravaneti”
for a marble block production of 1,000,000 t. Each active
quarry has its own "ravaneto"; up to 630 active, inactive
and dismantled "ravaneti" have been mapped; they are
part of Apuane Alps landscape since a long time.
It is noteworthy that the less stable recent “ravaneti”
represent
a main source of hydrogeological problems;
Figura 6- Ravaneti nel bacino marmifero di Colonnata.
actually,
they
give
origin
to importantColonnata
landslide
events
Figure 6- “Ravaneti” can
(Waste
deposits)
in marble-yielding
basin.
with mass transports of detrital material.
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
09
mulano 2.000.000 di tonnellate di scarti di lavorazione che vanno ad incrementare i detriti dei ravaneti. Ogni cava attiva ha il proprio ravaneto; in
tutto il distretto sono stati cartografati ben 630
ravaneti tra quelli attivi, inattivi e dismessi da molti
anni; fanno parte ormai da tempo del paesaggio
delle Alpi apuane. Va sottolineato che quelli recenti,
perché più instabili, rappresentano una delle principali fonti di dissesto idrogeologico in quanto possono provocare importanti eventi franosi rappresentati
da trasporti in massa di materiale detritico.
Petrografia e chimismo
I marmi apuani sono rocce calcaree ricristallizzate
per azione metamorfica ed aventi una composizione
chimica e mineralogica omogenea. Analisi chimiche
effettuate su campioni di marmi bianchi apuani
appartenenti al comprensorio estrattivo di Carrara
hanno evidenziato un elevato contenuto di carbonato di calcio (CaCO3) oscillante tra il 95% ed il 99%
(Tabella 2). I marmi apuani possono quindi essere
ritenuti un materiale naturale isotropo di composizione monomineralica (calcite); da un punto di vista
microstrutturale risultano caratterizzati da una
struttura granoblastica poligonale associata ad un
processo di ricristallizzazione statica o xenoblastica
associata a processi di ricristallizzazione dinamica.
In considerazione della composizione chimica l’ingente quantitativo di materiale di scarto costituente
i ravaneti è risultato una georisorsa primaria per la
produzione di carbonato di calcio. A Carrara sono
presenti industrie che lavorano i prodotti di scarto
del marmo per produrre carbonato di calcio (sotto
forma di polveri a granulometria 0-2 mm e granulati
2-20 mm) molto richiesto sul mercato in ragione di
una vasta gamma di utilizzi.
generalmente non compromette la qualità del prodotto.
❖ Terza qualità: materiale scadente sia per le ridotte dimensioni dei blocchi estraibili che per difetti
legati alla grana, al colore ed alle venature.
I difetti strutturali sono quelli legati alla struttura
del giacimento e cioè al suo grado di fratturazione.
Si suole distinguere 3 tipi di difetti da fratture:
◆ peli: fessure con disgiunzione netta, aperte ed
evidenti;
◆ peli furbi: fessure della lunghezza di pochi millimetri rilevabili solo quando si bagna il materiale;
◆ peli ciechi: pelo occulto rilevabile soltanto ad
avvenuta segagione del blocco.
Questa terminologia era corrente già nel
Cinquecento; sappiamo che Michelangelo pretendeva dai fornitori che i marmi fossero “senza peli, vivi
e non cotti, bianchi netti e belli” e che provenissero
dal Polvaccio. Tra gli altri difetti si annoverano
“taroli” cavità millimetriche (fino a 5 mm), irregolarmente distribuite e “tarme” fino a 15 mm, occasionalmente reperite nei blocchi di marmo e calcare.
Materiali lapidei ornamentali
I materiali lapidei ornamentali (Norma UNI 8458)
comprendono tre categorie commerciali: graniti,
marmi e pietre. Il termine commerciale di marmo
raggruppa tre tipi di rocce:
■ Rocce metamorfiche carbonatiche
■ Rocce sedimentarie
■ Rocce metamorfiche ultrafemiche.
Questa semplificazione è resa possibile in quanto
tutte risultano essere rocce naturali, compatte e
lucidabili, usate nella decorazione ed in edilizia,
principalmente consistenti di minerali con una
durezza compresa tra 3 e 4 della scala di Mohs,
Tab.2 Analisi chimiche di marmi bianchi prelevati nel bacino di M.Sagro (Zucchi et al., in stampa)
Chemical analyses of white marbles from Mt.Sagro basin (Zucchi et al., in press)
Produzione blocchi
Obiettivo primario della produzione di una cava
sono i blocchi, per i quali assumono importanza il
volume e la forma. La condizione ottimale viene
conseguita con blocchi a forma di parallelepipedo
regolare e di cubatura attorno ai 6-8 m3.
Va considerata anche la qualità del materiale prodotto sia per quanto riguarda i blocchi che i semilavorati. A tal proposito si distinguono tre gradi di
qualità:
❖ Prima qualità: assenza di difetti cromatico-dimensionali-tessiturali.
❖ Seconda qualità: comparsa di qualche difetto che
quali la calcite, la dolomite o il serpentino.
I marmi possono essere estratti, lavorati e impiegati
con le stesse tecniche. Il controllo della qualità del
materiale lapideo si rivela sempre più necessario
data la globalità del mercato che non permette più
di fare ricorso solo all’esperienza.
Per questo le rocce ornamentali commercializzate in
Italia sono di solito accompagnate da una scheda di
qualificazione tecnica contenente tutti gli elementi
per una caratterizzazione fisica e meccanica esauriente. Inoltre i prodotti lapidei, per poter circolare
liberamente nell’ambito dell’UE, dovranno essere
provvisti del marchio CE. Il marchio CE viene apposto a cura e sotto la responsabilità del produttore e
serve come garanzia per gli acquirenti.
Petrography and chemistry
Ornamental stone
The Apuane marbles are carbonate rocks (limestone and
minor dolostone) which re-crystallised under metamorphic
conditions. Chemical analyses carried out on white
marbles belonging to Carrara extractive area give
95-99 wt % CaCO3 (Table 2).
Therefore the Apuane marbles can be considered as a
homogeneous natural material consisting of calcite.
Marbles have granoblastic structure, related to static
re-crystallization, or xenoblastic structure, related to
dynamic re-crystallization processes.
Because of its quite pure (CaCO3 component) composition, the huge waste material of the "ravaneti" constitutes a
very important geo-resource.
At Carrara there are several industries which work marble
waste for calcium carbonate production (powder, 0-2 mm
in size; granulated material 2-20, mm in size).
Because of its frequent use, this material is widely
requested for marketing.
The ornamental stones (UNI 8458) comprise three
different trade categories: granites, marbles and stones.
The commercial definition of marble includes three
different stone types:
■ Carbonate metamorphic rocks
■ Sedimentary rocks
■ Ultramafic metamorphic rocks.
All these materials are used in decoration and building,
and consist of minerals, such as calcite, dolomite or
serpentine with hardness 3-4 of the Mohs scale.
All the commercial marbles may be extracted and worked
by the same techniques.
The quality control of the stone material is more and more
necessary because of the global marketing, which does
not allow to only rely on the experience.
For these reasons, the technical features of the ornamental rocks are attested by appropriate documents, which
report exhaustive physical and mechanical data.
Moreover the stones which circulate in the EU, must report
the CE kite-mark. The CE mark is used as a quality
guarantee for the buyers.
Block production
A quarry produces blocks, for which volume, shape
and stone quality assume great importance.
The best production consists of regular blocks
(parallelepipedon shape) of about 6-8 m3.
Three different degree of quality may be defined:
❖ First quality: chromatic and textural defects are not
present.
❖ Second quality: some minor defects appear; they,
however, do not compromise the product quality.
❖ Third quality: blocks of small size with grain, colour
and vein defects.
The structural defects are related to
fractures.
Three different types of defects
related to fracturing are recognised:
◆ “peli” (“hairs”): open and evident
small cracks;
◆ “peli furbi”: cracks few millimetres
in lenght, which may be recognised
when material is wet;
◆ “peli ciechi”: cracks which may be
recognised only after block sawing.
This terminology was already used
in the sixteenth century.
We know the Michelangelo’s
request to his marble suppliers: the
marbles must be "without “peli”,
“vivi” (i.e. without incipient grain
disgregation) and not “cotti” (i.e. with
incipient grain disgregation), white
and beautiful" and coming from the
Polvaccio quarry.
Further defects, consisting of
Fig.7 Taroli, cavità millimetriche (a sinistra) e tarme cavità a morfologia ellittica fino a 15 mm
irregularly scattered millimetric
di lunghezza (a destra), sulla superficie del marmo del David (foto M. Giamello)
cavities which occasionally occur in
"Taroli" (left) and “tarme” with elliptical shape (right) on the David
surface (photograph by M. Giamello)
marble and limestone blocks, are
"taroli" (up to 5 mm) and "tarme"
(“moths”) (up to 15 mm).
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
11
Relazione presentata al Convegno:
“Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma
I Minerali dei
Marmi delle
Alpi Apuane
PAOLO ORLANDI - UNIVERSITÀ DI PISA
DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA
P
er oltre duemila anni le cave di marmo presenti
alle spalle della città di Carrara hanno fornito un
marmo bianco di eccezionale qualità per gli
scultori ed una quantità di affascinanti minerali per i
collezionisti. Più recentemente la ricerca, con il
ritrovamento di interessanti campioni di minerali, si è
estesa a tutto l’affioramento di marmi del complesso
metamorfico apuano ed, in particolare, agli
affioramenti marmiferi presenti alle spalle della città di
Massa e della Versilia.
I minerali presenti nei marmi sono quasi del tutto
invisibili a coloro che non li vogliono vedere; ovvero a
coloro che non vi pongono particolare attenzione.
Infatti, i minerali che si trovano, per così dire, nascosti
all’interno di cavità e fratture del marmo costituiscono
dei difetti per il marmo stesso; per questo motivo essi
vengono accuratamente evitati sia in cava dai cavatori
al momento della coltivazione, sia dai commercianti e
ovviamente dagli utilizzatori.
Al contrario i collezionisti di minerali sono molto attenti
a ricercare con assiduità questi difetti della massa marmorea, difetti che, invece, celano al loro interno tesori
naturalistici unici e, come tali, apprezzati da collezionisti
e studiosi di tutto il mondo.
Questi tesori sono costituiti, talvolta, da splendenti
pluricentimetrici diafani cristalli di quarzo ialino, di rara
bellezza e purezza, altre volte da ricercatissimi cristalli
di rare specie mineralogiche, dalle forme e colori più
Albite, cristallo tabulare vitreo incolore (ialino); 3 mm, cava La Facciata, Carrara
Albite, tabular uncoloured vitreous crystal (hyaline); 3 mm, La Facciata quarry
varie che, purtroppo, sono apprezzabili soltanto con
l’ausilio di un buon microscopio a causa delle loro generali piccole dimensioni.
Giovanni D’Achiardi, uno dei pionieri della ricerca mineralogica, nel 1905 così scriveva su questo argomento:
“I marmi delle Alpi Apuane contengono molti minerali,
sia disseminati all’interno della loro massa calcarea che
ospitati all’interno di cavità”.
Nello stesso anno Arturo Giampaoli scriveva: “Le cavità
ritenute presenti nei marmi bianchi della lente superiore
raggiungono il loro più grande sviluppo nei marmi bianchi della lente inferiore, dove i minerali accessori sono
distribuiti in modo sparso”.
Da queste parole si può capire la ragione del
fascino dei minerali delle cavità dei marmi delle
Alpi Apuane: la loro matrice, candida come
neve, l’estrema limitatezza dei minerali che,
per questa ragione, sviluppano quasi esclusivamente cristalli isolati, spesso colorati, piuttosto
che aggregati confusi di cristalli.
Numerose specie mineralogiche, ed in particolare il quarzo e la calcite, hanno attratto da
secoli l’attenzione dei naturalisti che, periodicamente, hanno pubblicato i risultati delle loro
osservazioni e scoperte; le tappe principali di
questo percorso di conoscenza sono state le
seguenti:
1597 – Agostino Del Riccio segnala per primo la
presenza di cristalli di quarzo.
1820 – Ettore Repetti descrive sette specie
minerali (la maggior parte delle quali incluse
nella massa marmorea piuttosto che all’interno
Dolomite, aggregato selliforme di cristalli romboedrici madreperlacei; 1,5 cm; cave
delle cavità).
Gioia, Carrara / Dolomite, aggregate of rhombohedral pearly luster crystals;
1,5 cm; Gioia quarries, Carrara
1872 – Antonio D’Achiardi descrive sette mine-
Minerals of the Marbles
of the Apuan Alps
BY
PAOLO ORLANDI - UNIVERSITY OF PISA - DEPARTMENT OF EARTH SCIENCES
F
or more than two thousand years marble quarries
located behind the town of Carrara gave a white
marble of exceptional quality for sculptors and a
quantity of amazing minerals for collectors.
More recently search and discover of interesting samples of
minerals extended to all the marble outcrops of the Apuan
metamorphic complex and particularly marble
outcrops located behind the town of Massa and Versilia.
Mineral contained inside marbles are almost all not visible to
whom that do not like to see them; or to whom that
do not devote particular attention to them.
In fact minerals are, it could be said, concealed
inside marble cavities and fractures which
constitute defects for the same marble, which are
accurately avoided both in quarry by the
quarrymen, for this reason, at the moment of
extraction and by sale men and obviously by users.
On the contrary mineral collectors are very
careful and look for these defects of marble mass
assiduously, defects which on the contrary conceal
inside them unique naturalistic treasures in nature
appreciated by collectors and scientists of the
In the same years Arturo Giampaoli wrote: “The cavities
considered located inside white marbles of the superior lens
reach their most large development in the white marbles of
the inferior lens where additional minerals are distributed in a
loose way”. From these words it is possible to understand the
reason of the fascination of minerals of Apuan Alps marble
cavities: their matrix, white like snow, the extreme scarcity of
minerals which, for this reason develop almost exclusively
insulated crystals, often coloured, more than confused crystal
aggregates.
Fluorite; cristallo cubico zonato di colore violaceo; 1 cm; cave
Madielle, Massa / Fluorite; cubic violaceous colour crystal;
1 cm; Madielle quarries, Massa
Fluorite, cristallo cubico incolore; 2 cm; cave Gioia, Carrara
Fluorite, uncoloured cubic crystal; 2 cm; Gioia quarry, Carrara
whole world. Sometimes these treasures are made by bright
multi-centimetric crystals of hyaline quartz of rare beauty and
purity, other times by highly searched crystals of rare
mineralogical species with the most various shapes and
colours which unfortunately are appreciable only with the aid
of a good microscope due to their general small dimensions.
Giovanni D’Achiardi, one of the pioneers of the mineralogical
research on this topic, wrote in 1905 as follows: “Apuan Alps
marbles include many minerals both disseminated inside their
calcareous mass and sheltered inside cavities”.
Several mineralogical species, and particularly
quartz and calcite, attracted the attention of
naturalists from centuries, who published the
results of their observations and discoveries
periodically; the principal stages of this knowl edge
way were the followings:
1597 - Agostino Del Riccio pointed out the
presence of quartz crystals.
1820 - Ettore Repetti described seven mineral
species (the most of which included inside
marble mass more than inside cavities).
1872 - Antonio D’Achiardi described seven minerals of the
cavities and different others of marble mass.
1911 - Giovanni D’Achiardi gave a complete description of 16
minerals inside cavities and others of marble mass, in his
many memories.
2005 - Paolo Orlandi, after and more than 30 year study and
tens of specific publications, describes more than 120
different minerals discovered inside cavities of which three
discovered for the first time in nature.
These three new mineralogical species have been named:
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
13
rali delle cavità e diversi altri della massa del
marmo.
1911 – Giovanni D’Achiardi, nelle sue plurime
memorie, dà una descrizione completa di 16
minerali nelle cavità ed altri della massa del
marmo.
2005 – Paolo Orlandi, in seguito ad oltre 30
anni di studio e decine di pubblicazioni specifiche, descrive oltre 120 minerali diversi rinvenuti all’interno delle cavità, di cui tre scoperti per
la prima volta in natura.
Queste tre nuove specie mineralogiche sono
state chiamate: carraraite, in riferimento alla
principale località di rinvenimento, zincalstibite,
in conseguenza della sua composizione chimica
e zaccagnaite in onore di Domenico Zaccagna,
vecchio geologo che per primo studiò la geologia di questa regione.
Studi di geologia strutturale, datazioni radiometriche, studi petrografici, termometrici e chimici
Gesso, cristalli prismatico-tabulari, vitrei incolori; 3 cm; cave Gioia, Carrara
Gypsum, prismatic-tabular uncoloured vitreous crystals; 3 cm; Gioia quarries, Carrara
hanno stabilito che il processo che ha determinato l’apertura delle cavità all’interno della
cristallizzavano all’interno delle cavità, in condizioni
massa marmorea è iniziato circa 20 milioni di anni fa,
ambientali sempre diverse. Questo processo di cristallizquando il marmo si trovava nelle profondità della crosta
zazione è stato lunghissimo e si è protratto fino ai giorno
terrestre, sormontato da una coltre di altre rocce dello
nostri, con la cristallizzazione di minerali di alterazione di
spessore di circa 15-18 chilometri. In quella situazione la
fasi mineralogiche preesistenti.
massa del marmo si trovava ad una temperatura di circa
Dato che i grandi cristalli di minerali sono rari e facil400°C e sottoposta ad una pressione di circa 5-6 Kbar.
mente osservabili direttamente all’interno delle cavità,
Iniziava allora un processo di tettonica distensiva che
esse sono l’indizio principale per la loro ricerca.
avrebbe portato al sollevamento dei marmi ed ad una
Le cavità non sono rare, ve ne sono di diverse forme e
progressiva diminuzione delle condizioni di pressione e
dimensioni: quelle più frequenti sono di forma
tubolare, di sezione irregolare, con diametro
medio di 10 centimetri, lunghe anche decine di
metri, caratterizzate da allargamenti e restringimenti come una…filza di salsicce.
Queste sono le fessure più promettenti per la
Gesso, cristallo prismatico vitreo incolore (ialino); 4 cm; cave
Gioia, Carrara / Gypsum, prismatic vitreous uncoloured crystal
(hyaline); 4 cm; Gioia quarry, Carrara
temperatura. L’apertura delle cavità avrebbe
richiamato all’interno delle cavità stesse fluidi
idrotermali che permeavano la massa del
marmo. Con un progressivo e lentissimo sollevamento, la temperatura dei fluidi diminuiva
costantemente e numerose specie mineralogiche
Pirite, cristallo ottaedrico di colore giallo e lucentezza metallica; 5 mm;
cava Val Bona, Carrara / Pyrite, octahedral yellow crystal with metal brilliance;
5 mm; Val Bona quarry, Carrara
carraraite, in reference to the main location of discover,
as said, can reach 5-6 cm sometimes in the directions of
zincalstibite, in consequence of its chemical composition and
the larger development. Other common minerals are fluozaccagnaite in honour of Domenico Zaccagna, old geologist
rite, rutile, pyrite and few others which can be discovered.
who studies firstly the geology of this region.
The majority of the crystals of the more than hundred
Studies of structural geology, radiometric datings, petrographpresent mineralogical species can be discovered, except
ic and thermometric and also chemical studies, allowed us to
exceptional samples, in crystals of dimensions slightly
establish that the process, which led to cavities opening
larger than millimetric.
inside marble mass, started about 20 million years ago
While the most common minerals and which give origin to
when marble was located inside the depth of earth crust
the largest crystals are generally uncoloured and vitreous,
surmounted by a covering of other rocks of about 15-18 km
the rarest mineralogical species are often characterized by
thickness. In that situation marble mass was at about 400°C
bright colours and by spectacular geometrical
temperature and pressurized at about 5-6 kbar pressure.
crystalline shapes. But also the most common minerals
A relaxing tectonic process started at that time which would
have their fascination: e.g. quartz can be discovered in
have led to marble raising and to a progressive reduction of
Figura 5- Bacino
marmiferocrystals
di Torano: of
cava
versante (Polvaccio)
uncoloured
and vitreous
a di
"crystalline"
limpidity,
pressure and temperature conditions. Cavity opening would
Figure
5Marble-yielding
Torano
basin:
side
quarry
of hexagonal prismatic cell; it was the mineral(Polvaccio).
which
have attracted hydrothermal fluids inside the same cavities
which permeated marble mass. With the progressive and very attracted firstly the attention of researchers and the
quarrymen themselves, for the remarkable dimensions of
slow raising fluid temperature decreased constantly and
crystals but moreover for the aesthetics of the individuals
several mineralogical species crystallized inside cavities in
implanted on the snow-white marble matrix.
always different environmental conditions.
This crystallization process was very long and lasted until our
Albite and adularia are the two feldspars present inside
days with the crystalcavities; the first one
lization of minerals of
gives origin to tabular
alteration of preuncoloured and vitreous
existent mineralogical
crystals, the second one
phases. Due to the
to squat prismatic
scarcity of large mineral
uncoloured and vitreous
crystals easily observor milky crystals.
able directly inside
The two mineralogical
cavities, cavities are the
species originate to
main indication for
aesthetic epitactic
mineral search.
associations very very
Cavities are not rare,
looked for.
there are cavities of
Calcite is the main
different shapes and
constituting mineral of
dimensions: the most
the same marble, small
frequent ones are of
calcite crystals cover all
tabular shape, of
the cavities; inside these
irregular section, 10 cm
cavities sometimes
average diameter, also
tens of meters long,
larger calcite crystals
Quarzo, cristallo ialino 3 cm; cave Gioia, Carrara
characterized by
develop sometimes
Quartz, hyaline crystal; 3 cm; Gioia quarries, Carrara
enlargements and
characterized by
narrowings as...a string
scalenohedric habit other times rombohedric.
of sausages.
Generally gypsum originates prismatic elongated
These are the most promising cracks for mineral search;
uncoloured crystals of vitreous luster, very soft, while
there are others corresponding to spathic calcite masses and
flourite, generally uncoloured, but also violaceous or pink
others planar, very squashed, crack shaped.
can be found as usually cubic crystals. Dolomite is the last
Quarrymen avoid all these cavities types with great attention
species, among those more common, which is found as
which constitute severe defects for marble blocks.
crystals and aggregates of crystals of dimensions also
Fortunately for collectors and scientists of these minerals it is
multi-centrimetric of little remarkable, generally white
practically impossible that quarrymen could avoid to pull down
colour with light ivory nuances or greenish and pearly
defective marble masses, during digging works.
luster. The other two mentioned minerals, which can be
These blocks will useless for marketing and cutting of large
found also in crystals of multi-centrimetric dimensions, are
slabs and therefore they will be thrown away and left in the
huge depositories (ravaneti) which each quarry has and which rutile and pyrite which show different colours and luster
from the before described ones. Rutile presents in prismatcharacterize the landscape of this part of Apuan Alps.
Effectively minerals of this position are not very common
and notwithstanding the great attention which collectors
devote in search of these minerals, it is not rare that also
the most meticulous searcher did not find even one proper
sample to put in his collection after a whole searching day.
The most common mineralogical species are quartz,
gypsum, of course calcite, dolomite and feldspars, which,
ic crystals, also very elongated and thin, of bright red
colour, other times brown, while pyrite is of a typical yellow
colour and bright metallic luster; the most common aspect
of the crystals of this last mineralogical species is the
cubic habit and the pentagondodecahedric one.
Figura 6- Ravaneti nel bacino marmifero di Colonnata.
Figure 6- “Ravaneti” (Waste deposits) in marble-yielding Colonnata basin.
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
15
ricerca di minerali; ve ne sono altre in corrispondenza di
masse di calcite spatica ed altre planari, molto schiacciate, a forma di fessura.
incolori di una limpidezza “cristallina”, di abito prismatico
esagonale. Per le notevoli dimensioni dei cristalli ma,
sopratutto, per l’esteticità degli individui impiantati sulla
nivea matrice marmorea, il quarzo certamente
ha attirato per primo l’attenzione dei ricercatori
e degli stessi cavatori.
Albite e adularia sono i due feldspati presenti
all’interno delle cavità, il primo dà origine a
cristalli tabulari vitrei incolori, il secondo a
Quarzo, cristallo ialino; 1 cm; cave Gioia, Carrara
Quartz, hyaline crystal; 1 cm; Gioia quarries, Carrara
I cavatori evitano con molta attenzione tutti
questi tipi di cavità che costituiscono gravi
difetti per i blocchi di marmo.
Fortunatamente per i collezionisti e gli studiosi
di questi minerali è praticamente impossibile che
i cavatori possano evitare di abbattere, durante i lavori
di scavo, masse di marmo difettosi.
Questi blocchi saranno inutilizzabili per il commercio ed il
taglio di grandi lastre; pertanto, verranno gettati ed
abbandonati negli imponenti ravaneti che ogni cava
possiede e che caratterizzano il paesaggio di questa
parte delle Alpi Apuane.
In effetti i minerali di questa giacitura non sono molto
comuni e, nonostante la grande attenzione che i
collezionisti pongono nella loro ricerca, non è raro che
anche il ricercatore più meticoloso non trovi neppure un
campione decente da mettere nella propria collezione
dopo un’intera giornata di ricerca.
Le specie mineralogiche più comuni, che possono talora
raggiungere i 5-6 centimetri nella direzione di sviluppo
maggiore, sono il quarzo, il gesso, naturalmente la calcite, la dolomite ed i feldspati. Altri minerali comuni che si
possono rinvenire in cristalli centimetrici sono la fluorite,
il rutilo, la pirite e pochi altri.
La maggioranza dei cristalli delle oltre cento specie mineralogiche presenti si rinviene, salvo campioni eccezionali,
in cristalli di dimensioni poco più che millimetriche.
Mentre i minerali più comuni, che danno origine ai
cristalli più grandi, sono generalmente incolori e vitrei, le
specie mineralogiche più rare sono spesso caratterizzate
da colori sgargianti e da spettacolari forme cristalline
geometriche. Anche i minerali più comuni hanno il loro
fascino: il quarzo ad esempio si rinviene in cristalli vitrei
Rutilo, intreccio di cristalli aciculari; 2 mm, Ponti di Vara, Carrara
Rutile, interlacement of needle-shaped crystals; 2 mm, Ponti di Vara, Carrara
tozzi, prismatici cristalli vitrei incolori o lattescenti.
Le due specie mineralogiche danno origine ad estetiche
associazioni epitattiche molto ricercate.
La calcite è il minerale costituente mineralogico principale del marmo stesso, minuti cristalli di calcite tappezzano
tutte le cavità; all’interno di queste talora si sviluppano
cristalli di calcite più grandi caratterizzati, talora, da
abito scalenoedrico, altre volte romboedrico.
Il gesso generalmente dà origine a cristalli prismatici
allungati incolori e di lucentezza vitrea, molto teneri,
mentre la fluorite, generalmente incolore, ma anche
violacea o rosa, si rinviene in cristalli di solito cubici.
La dolomite è l’ultima specie, tra quelle più comuni, che
si rinviene in cristalli ed in aggregati di cristalli di dimensioni anche pluricentimetriche, di colore poco appariscente, generalmente bianco con lievi sfumature avorio o
verdastro e lucentezza madreperlacea.
Gli altri due minerali citati, che si rinvengono anche in
cristalli di dimensioni pluricentimetriche, sono il rutilo e
la pirite; presentano colori e lucentezze diverse da quelli
precedentemente descritti.
Il rutilo si presenta in cristalli prismatici, anche molto
allungati e sottili, di colore rosso vivo, altre volte bruno,
mentre la pirite è di un colore tipico giallo e di una
lucentezza viva metallica; l’aspetto più comune dei
cristalli di quest’ultima specie mineralogica è l’abito
cubico e quello pentagonododecaedrici.
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Relazione presentata al Convegno:
“Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma
I Minerali dei
Marmi delle Alpi
Apuane - Parte II
PAOLO ORLANDI - UNIVERSITÀ DI PISA
DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA
minerali più rari, che di solito si rinvengono in
cristalli di dimensioni molto minute, hanno tuttavia
un loro fascino, sia per gli studiosi che per gli
amatori dilettanti, prima di tutto per la loro intrinseca
rarità ed inoltre per l’esteticità morfologica determinata
da colori sgargianti che contrastano sul candore della
massa marmorea che li ospita e per le forme cristalline
geometriche spettacolari, caratteristiche queste apprezzabili meglio con l’aiuto di un buon microscopio binoculare che consenta di ottenere almeno 20 - 40 ingrandimenti. I minerali che più di altri caratterizzano le cavità
dei marmi delle Alpi Apuane appartengono alla classe
dei solfuri e tra questi quattro sono le specie mineralogiche che più di altre sono tipiche di questa giacitura:
sfalerite, wurtzite, sulvanite e colusite.
Sfalerite e wurtzite sono due fasi mineralogiche polimorfe di composizione chimica ZnS.
La sfalerite cristallizza nel sistema cubico ed infatti il
tetraedro è la forma e nello stesso tempo l’abito più
comune con il quale questo minerale si presenta all’interno delle cavità dei marmi. Sono stati rinvenuti cristalli di sfalerite anche centimetrici.
Le caratteristiche principali dei cristalli di sfalerite sono
la perfezione e la semplicità morfologica dei cristalli, la
loro nitidezza e trasparenza nonché i caldi colori che
variano dal giallo al rosso al bruno attraverso mille sfumature. I cristalli con abito semplice tetraedrico sono
particolarmente diffusi nelle cavità dei marmi del bacino
Sfalerite in epitassia con colusite, 2 mm; cava La facciata, Carrara
Sfalerite in epitaxia with colusite, 2 mm; La Facciata quarry, Carrara
Azzurrite cristalli tabulari (1,5 mm); cave Gioia, Carrara
Azzurrite tabular crystals (1,5 mm); Gioia quarries, Carrara
di Torano mentre quelli di colore rosso sono più comuni
nelle cave della zona di Fantiscritti e presentano abiti
mal definiti e facce curve.
I cristalli, quasi sempre geminati secondo la legge dello
spinello, sono costituiti dall’associazione tra due o più
individui cristallini quasi sempre in abito tetraedrico;
comunissime le associazioni epitattiche con altre specie
mineralogiche tra le quali la wurtzite, la sulvanite, la
colusite e l’enargite. In queste associazioni epitatiche le
diverse specie mineralogiche associate mettono a comune uno o più elementi di simmetria loro propri costruendo edifici geometrici bizzarri e fantastici nonché iper
reali ed obbedienti a precise leggi cristallografiche e geochimiche.
L’altra fase del solfuro di zinco presente nelle
cavità del marmo è la wurtzite, che si presenta
generalmente in cristalli piramidali o/e prismatici esagonali obbedendo così alle leggi di simmetria che vedono questa specie mineralogica
cristallizzare nel sistema esagonale.
Il colore varia da rosso cupo a bruno; le dimensioni variano da sub-millimetriche a quasi centimetriche; comuni le associazioni parallele di
cristalli piramidali. Sui cristalli di wurtzite si rinvengono in epitassia cristalli si enargite, calcopirite e greenokite. Tutte le specie mineralogiche concresciute in epitassia sia sulla sfalerite
che sulla wurtzite sono di cristallizzazione
posteriore alle due specie che li ospitano.
Sulvanite e colusite sono due solfuri o per
meglio dire due solfosali contenenti vanadio;
entrambi sono rari in natura mentre qui nelle
Alpi Apuane sono relativamente diffusi in particolare nella cava Val Pulita posta a cavallo tra i
Minerals of the Marbles
of the Apuan Alps - Part II
BY
PAOLO ORLANDI - UNIVERSITY OF PISA - DEPARTMENT OF EARTH SCIENCES
T
he most rare minerals, which usually can be found
as very small size crystals, have nevertheless a
fascination, both for scientists and amateurs, first of
all for their rarity and moreover for the morphologic beauty
determined by the bright colours which are in contrast with
the whiteness of the marble where they are settled, and for
the spectacular geometrical crystalline forms, appraisable
with the aid of a good binocular microscope in order to
obtain at least 20 - 40 magnifications.
Minerals characterizing Apuan Alps marble
cavities belong mainly to the class of the
sulphides. Among these, the mineralogical
species which more than others are typical of
this occurrence are four: sphalerite, wurtzite,
sulvanite and colusite.
Sphalerite and wurtzite are two polymorphous
phases of ZnS.
Sphalerite crystallizes into the cubic system and
in fact tetrahedral is the form and, at the same
time, the more common habit the mineral shows
itself inside marble cavities.
Centimetric crystals of this sulphide have also
Crystals, almost always geminated, according to the spinel
law, are made by the association of two or more crystalline
individuals, mainly in tetrahedral habit; epitactic associations, usually with wurtzite, sulvanite, colusite and enargite
are very common.
The different mineralogical associated species share one
or more of their own symmetry elements in these epitactic
associations, creating odd, strange and fancy and hyper
real buildings accomplishing to precise crystallographic
and geochemical laws.
Dravite 2 mm; Brugiana, Massa
Dravite 2 mm; Brugiana, Massa
Tetraedrite 3 mm; cave Gioia, Carrara
Tetrahedrite 3 mm; Gioia quarries, Carrara
been discovered. The perfection and simplicity of the
crystal morphology, clarity and transparency and warm
colours, varying from yellow to red to brown through
thousands of nuances, are the main characteristics of
sphalerite crystals. Crystals with simple tetrahedral habit
are particularly widespread in marble cavities of the Torano
basin, while the red colour ones are more common in the
quarries of the Fantiscritti zone and show not well defined
habits and curved faces.
Wurtzite is the other phase of zinc sulphide
existing inside marble cavities and usually it is
found as pyramidal and/or prismatic hexagonal
crystals accomplishing to symmetry laws that
make this mineralogical species to crystallize in
the hexagonal system.
Its colour varies from dark red to brown;
its dimensions vary from sub-millimetric to
centimetric size; parallel associations of
pyramidal crystals are common.
Enargite, chalcopyrite and greenockite can be
discovered in epitaxia on wurtzite crystals.
All the mineralogical species grown together in epitaxia
both on sphalerite and wurtzite are of later crystallization
than the two hosting species.
Sulvanite and colusite are two sulphosalts containing
vanadium; both are rare in nature while they are rather
diffused here in the Apuan Alps particularly in the Val Pulita
quarry, located between Fantiscritti and Torano marble
basins in the Carrara marble productive district; from this
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
19
bacini marmiferi di Fantiscritti e quello di
Torano nel distretto marmifero di Carrara; da
qui sono pervenuti i migliori campioni al mondo
delle due specie nonché quelli di wurtzite.
Tra gli altri solfuri la pirite è certamente il
minerale più comune ed uno dei primi a cristallizzare all'interno delle cavità; lo si rinviene in
quasi tutte le cave, soprattutto in cristalli pentagonododecaedrici fino ad un centimetro di
diametro, rari i cristalli ottaedrici, rarissimi
quelli con abito cubico che invece sono comuni
inclusi all’interno della massa marmorea.
Rari alcuni cristalli "ottaedrici" risultanti dall'impacchettamento di tanti minuscoli cristalli cubopentagonododecaedrici.
Tra i solfosali di rame predominano i termini di
arsenico. L'enargite è il minerale più comune,
più raro il suo dimorfo luzonite, ancora più rara
la famatinite. Relativamente rara anche la
tetraedrite; rarissima la kësterite, solfosale di
rame e stagno. Mentre i solfosali di rame presenti in questa giacitura sono essenzialmente di
arsenico quelli di piombo sono prevalentemente di antimonio e sono molto più frequenti nel bacino di Seravezza
piuttosto che in quello di Carrara.
Boulangerite, zinkenite, robinsonite e guettardite sono i
più comuni solfosali aciculari e macroscopicamente indistinguibili tra loro; rara la semseyite, rarissima la
baumhauerite; mentre della serie jordanite-geocronite
sono presenti quasi esclusivamente i termini ricchi in
arsenico.
Minerale incognito in corso di studio; La Facciata, Carrara
Unknown mineral, study in progress; La Facciata, Carrara
segnalano sporadici ritrovamenti di cristalli di realgar.
Uniche per armonia di forme le epitassie di colusite su
sfalerite; di wurtzite ed enargite su sfalerite e quelle di
adularia su albite.
Rari sono gli esempi di cristalli con sviluppo disuguale
di facce identiche per simmetria come taluni cristalli
cubottaedrici tabulari di galena; didatticamente esemplari alcuni geminati a ginocchio di rutilo, ed altri di bournonite, enargite, sfalerite, galena, pirite, calcite ed albite.
L’unico elemento nativo è lo zolfo che si rinviene comunemente anche in cristalli centimetrici
con il caratteristico abito bipiramidale.
In questa giacitura, accanto ai numerosi solfuri,
si osservano localmente numerosi minerali
colorati di alterazione che danno origine talvolta
Stronzianite 2 mm; Fantiscritti, Carrara
Stronzianite 2 mm; Fantiscritti, Carrara
Tra i solfosali di piombo e rame sono presenti
entrambi i termini della serie della bournoniteseligmannite, mentre sono stati osservati solo
due solfosali di bismuto, la cosalite e l’aikinite,
entrambi nelle cave di Val Bona.
Rarissimi i solfuri di arsenico; l’orpimento, relativamente comune nelle cave del distretto versiliese è qui quasi del tutto assente mentre si
Volbortite e malachite pseudomorfe di sulvanite, 2mm; Val Bona, Carrara
Pseudomorphlogical volbortite and malachite of sulvanite, 2 mm; Val Bona, Carrara
location came the best samples in the world of the two
commonly also in centimetric crystals with its typical
species and those of wurtzite.
bipyramidal habit. Fluorite and anatase, for their typicity of
Pyrite certainly is one of the most common mineral in the
crystalline habit, can be reminded among the several
marble cavities and it is one of the first phases to crystalexisting species for the clearness and variability of crystal
lize in the vugs; it can be found in almost all the quarries.
colours. More than for their beauty and museological
In the cavities, pyrite habit is usually pentagonododecavalue, these minerals offer unreachable examples for the
hedric, with crystals up to one centimeter in diameter,
teaching of mineralogy and solid state crystallography, as
while it is rarer in octahedric crystals and extremely rare in
well as they are very useful material for the study of
cubic habit. On the contrary, pyrite crystals embedded in
unknown or very rare phases and for the understanding of
the marble are very often cubic.
the genetic processes that led to their formation.
Some octahedral crystals are rare, resulting from the
In this framework, the small crystal size of the minerals
packaging of many small cubic-pentagonal-dodecahedral
found in the vugs of Apuan marble, instead of being an
crystals. Arsenical terms are the most common among
obstacle to the study of their geometrical and crystalloFigura characteristics,
5- Bacino marmifero is
di Torano:
cavaelement
di versantewhich
(Polvaccio)
copper sulphosalts. Enargite is the most common
chemical
the main
allows
Figure
5Marble-yielding
Torano
basin:
side
quarry
(Polvaccio).
mineral while its dimorphous, luzonite, is more rare.
to achieve these results; infact, a general rule in the
Famatinite, the Sb-analogue of luzonite, is much more
mineralogical world, is that the larger sized crystals are
rare. Tetrahedrite is rather rare too but but it has been
generally “bad shaped” while smaller ones show better the
found in beautiful crystals; këstertite, a copper and tin
ideality of crystallography by means of the “perfection” of
sulphosalts, is very rare.
their shapes, making intuitive some abstract concepts of
While copper sulphosalts existing in this occurrence are
crystallography such as crystalline lattice, coordination
mainly arsenic-rich
polyhedrons, and
terms, the lead ones
evidence the associaare mainly made
tion of symmetry
antimoniferous and
elements peculiar to
are much more
each mineral.
frequent in Seravezza
So the epitactic relationbasin than in the
ship of colusite over
Carrara one.
sphalerite, wurtzite and
Boulangerite, zinkenenargite over sphalerite
ite, robinsonite,
and the epitaxias of
guettardite and
adularia over albite
moëloite are the most
crystals, are unique for
common sulphosalts
shape harmony.
of acicular shape and
Crystal examples with
macroscopically undisunequal development of
tinguishable among
identical faces are rare,
them; semseyite is
as in the case of some
rare, baumhauerite is
galena cube-octahedral
very rare.
tabular crystals, or some
Fluorite, 2mm; Fantiscritti, Carrara
They are also present
rutile knee-twins, and so
Fluorite, 2mm; Fantiscritti, Carrara
terms of the jordaniteon. The perfect geomegeocronite series; usually at Seravezza have been
try of smaller size crystals is the result of an ordering
found As-rich terms (jordanite). Both terms of the bournon- process of the matter aggregated into a homogeneous,
ite-seligmannite series exist among lead and copper
periodic and three-dimensional structure starting from a
sulphosalts, while only two bismuth sulphosalts, cosalite
nourishing hydrothermal fluid, in a very slow growing
and aikinite, have been observed both in Val Bona
process, inside the depths of the crust of the Earth.
quarries. Arsenic sulphides are very rare; orpiment, rather
common in the quarries of Seravezza zone, is here almost Acknowledgements
totally absent while rare findings of realgar crystals are
For editorial reasons the names of the several collectors of
reported. Several alteration product of the sulphide assem- minerals, who lent their samples for the photographic
blages can be locally observed, sometimes in typical
images are not shown expressly under each photographs.
pseudomorphosis. Sphalerite is commonly alterated into
We want to thanks all those who contributed to the
hydrozincite, hemimorphite, smithsonite, adamite, or
development of the mineralogical researches on this
aurichalcite; galena into cerussite; copper sulphides give
country always in a fundamental way with their research
origin to malachite and azurite; vanadium sulphides
and passion.
originate volborthite and descloizite while arsenic ones are In particular, hoping not to forget someone, we want to
alterated into tyrolite, cornubite, mimetite, lavendulano,
remind our friends: Granai Franco, Del Taglia Armando,
chalcophyllite, parnauite, and many others; these alteration Simonini Angelo, Del Chiaro Lorenzo, Deri Giuliano, Salini
products can be found in fractures interested by the circuAndrea,
Cassettari
Bigaranidi Emilio,
Dalia Andrea.
Figura
6- Ravaneti Amedeo,
nel bacino marmifero
Colonnata.
lation of late hydrothermal fluids and/or surface waters.
Figure 6- “Ravaneti” (Waste deposits) in marble-yielding Colonnata basin.
Sulfur is the only native element which can be found,
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
21
a tipiche pseudomorfosi. In livelli di marmo fratturati,
interessati da circolazioni più o meno profonde di fluidi
idrotermali tardivi e di acque superficiali, la sfalerite è
condotto alla loro formazione. In questo contesto le
minute dimensioni dei cristalli delle specie mineralogiche
rinvenute all’interno delle cavità dei marmi apuani, invece di essere state un ostacolo all’evidenza delle
caratteristiche geometriche, cristallografiche e
strutturali delle fasi mineralogiche rappresentate, sono state invece l’elemento principale che
ha consentito il raggiungimento di questo risultato. È infatti una regola generale nella natura
Celestina, 2 mm; cava Fantiscritti, Carrara
Celestina, 2 mm; Fantiscritti quarry, Carrara
comunemente trasformata in idrozincite,
hemimorfite, smithsonite, adamite o auricalcite;
la galena in cerussite; i solfuri di rame in malachite e azzurrite; quelli di vanadio in volbortite
e descloizite; quelli di arsenico in tyrolite,
cornubite, mimetite, lavendulano, calcofillite, parnauite e
molti altri. Tra le altre numerose specie presenti ricordiamo per la limpidezza e per la variabilità di colori dei cristalli la fluorite e, per la tipicità dell’abito cristallino,
l’anatasio. Al di là dell’esteticità, del valore museologico
Wurtzite, 1,5 mm; Carrara
Wurtzite, 1,5 mm; Carrara
mineralogica che i cristalli di dimensioni più grandi siano
generalmente “mal formati” a differenza di quelli di
dimensioni più minute che illustrano meglio, attraverso la
“perfezione” dei loro abiti, l’idealità dello stato cristallino,
rendono intuitivi alcuni concetti astratti della
cristallografia quali i reticoli cristallini, i poliedri
di coordinazione ed evidenti le associazioni di
elementi di simmetria propri in ciascun cristallo.
La perfetta geometria dei cristalli più minuti
sono il risultato di un processo di ordinamento
della materia aggregatasi in una struttura
ordinata omogenea e periodica a partire da un
fluido idrotermale nutriente, in un processo di
crescita lentissimo, all’interno delle profondità
delle crosta terrestre.
Ringraziamenti
Enargite 1,5 mm; Carrara
Enargite 1,5 mm; Carrara
e collezionistico, questi minerali hanno offerto esempi
ineguagliabili per la didattica della mineralogia e della
cristallografia dello stato solido, nonché sono stati materiale utilissimo per lo studio di fasi sconosciute o rare e
per la comprensione dei processi genetici che hanno
Per ragioni editoriali i nomi dei numerosi
collezionisti di minerali che hanno prestato i
loro campioni per le immagini fotografiche non
sono riportati espressamente sotto ogni singola
fotografia. Vogliamo qui ringraziare tutti loro
che con la loro ricerca e la loro passione hanno
contribuito sempre in maniera fondamentale
allo sviluppo delle ricerche mineralogiche su
questo territorio. In particolare, nella speranza
di non dimenticarne qualcuno, vogliamo qui ricordare gli
amici: Granai Franco, Del Taglia Armando, Simonini
Angelo, Del Chiaro Lorenzo, Deri Giuliano, Salini Andrea,
Cassettari Amedeo, Bigarani Emilio, Dalia Andrea.
Relazione presentata al Convegno:
“Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma
Il Marmo in Architettura
Verso un Uso Consapevole
GIANNI ROYER-CARFAGNI
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, DELL’AMBIENTE, DEL TERRITORIO E ARCHITETTURA
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA
P
artendo dallo studio del singolare fenomeno di
imbarcamento della facciata in marmo della Casa
della Finlandia di Alvar Aalto, a Helsinki, si prende in esame il fenomeno di degrado del marmo conseguente alla decoesione granulare dei granuli costituenti
di calcite. Si mostra che variazioni termiche di appena
pochi gradi, anche se uniformemente distribuiti nel
campione, sono in grado di produrre, a livello microscopico, la decoesione granulare la quale, a livello
macroscopico, si manifesta come degrado della resistenza meccanica, dilatazione permanente del materiale, aumento della porosità aperta. L’attitudine al degrado delle varie quantità di marmo di Carrara vengono
posti in correlazione con la forma dei grani di calcite,
la cui disposizione a livello micro strutturale può variare fra i casi limite di tessiture omoblastiche e xenobla-
stiche. Prendendo in esame parametri geometrici
comunemente usati nella computer vision, si
propongono indici di forma che permettano di passare
da una classificazione qualitativa della tessitura ad una
descrizione quantitativa, e si mostra come tali parametri possono essere posti in buona correlazione con
l’attitudine al degrado. In particolare, marmi a tessitura xenoblastica risultano in generale più resistenti delle
varietà omoblastiche. Da questo studio si ricava una
spiegazione della decoesione granulare e dell’imbarcamento della facciata della Casa della Finlandia, presa
come esempio paradigmatico e, più in generale,
modalità per determinare l’idoneità di un dato marmo
per poter essere consapevolmente usato all’esterno,
nonché contromisure pratiche per prevenire il degrado
dei rivestimenti di marmo.
Marble in
Architecture
Towards Its
Reliable Use
GIANNI ROYER-CARFAGNI
DEPARTMENT OF CIVIL ENVIRONMENTAL ENGINEERING
AND ARCHITECTURE, UNIVERSITY OF PARMA
tarting from the study of the peculiar warping of the
panels forming the façade of Alvar Aalto’s Finland
Hall in Helsinki, the phenomenon of marble degradation due to granular decohesion of the constituent calcite
grains is considered. We show that just a few degrees temperature increase, even when uniformly distributed inside
the specimen, can produce, at the microscopic level, the granular decohesion which, at the macroscopic level, is
revealed by a decay in the mechanical strength, a permanent dilatation and an increase of the open porosity.
The attitude towards degradation of the various qualities of Carrara marbles is correlated with the shape of the
calcite granes, whose microstructural arrangement can vary between the two borderline cases of homoblastic and
xenoblastic textures. Taking into account geometric parameters commonly used in computer vision, shape coefficients are proposed which allow to pass from a qualitative to a quantitave description of the mosaic texture, and
such parameters are shown to be correlated with the attitude towards degradation. In particular, xenoblastic marbles
are more resistant than the homoblastic qualities. From this study an explanation of the granular decoesion and the
warping phenomena of Finland Hall façade, taken as a paradigmatic example, are obtained. More in general,
methods to determine the suitability of a given marble for its reliable use outdoors and practical countermeasure to
prevent the degradation of marble claddings are proposed.
S
1. Introduzione
Una possibile definizione di Architettura è quella che la
considera la disciplina avente come scopo la progettazione dello spazio: in architettura, il marmo deve pertanto essere inteso come elemento che definisce e
delimita lo spazio, con proprietà funzionali, strutturali
ed estetiche. I manufatti in marmo che si trovano in un
edificio sono molteplici, e vanno dai pavimenti e rivestimenti, alle decorazioni, alle strutture come colonne e
capitelli. Negli edifici moderni la funzione strutturale si
è persa, ma il marmo continua ad essere molto usato
nella costruzione dell’involucro, ovvero nelle facciate,
nei parapetti e nei rivestimenti esterni. Purtroppo,
soprattutto quando usato all’esterno, il marmo può
presentare nel tempo notevoli inconvenienti.
Diversi sono stati gli insuccessi dei quali due casi paradigmatici sono sicuramente stati l’AMOCO Building di
Chicago e la Casa della Finlandia di Alvar Aalto a
Helsinki. Il primo è un alto edificio inizialmente completamente rivestito in marmo di Carrara dal quale,
senza apparente preavviso, alcuni pannelli si staccarono cadendo da più di 300 metri di altezza.
Per questo motivo, e tenuto conto del possibile pericolo, il rivestimento è stato poi completamente sostituito
con granito bianco. La caratteristica principale del
palazzo di Helsinki, a dire il vero uno dei simboli della
Finlandia, è che questo è completamente rivestita di
marmo bianco. Tuttavia, nel corso degli anni, i pannelli
di rivestimento hanno mostrato un singolare fenomeno
di incurvamento. I pannelli sono stati sostituiti nel
1999 con altri di marmo bianco di Carrara per rispettare la concezione originale dell’edificio di Alvar Aalto,
1. Introduction
One of the possible definitions of Architecture is that it is
the discipline whose purpose is the design of space.
“Marble in Architecture” means that marble is conceived
of as the element that defines and delimits space, with
functional, structural and aesthetic characteristics.
There are many articles made of marble that can be
found in buildings or other architectural works, ranging
from floors, wall facings, ornaments, structures like
columns and capitals. In the modern building the
structural role is lost, but marble is still being used
extensively in the construction of the envelope, that is in
façades, balustrades and external facings.
Unfortunately, when in contact with external
environment, marble may show in the long run noteworthy inconveniences. There have been a certain number
failures, of which perhaps the most famous and
representative are the cases of the AMOCO building in
Chicago, and Alvar Aalto’s Finland Hall in Helsinki.
The first one is a tall building at the beginning completely
covered with Carrara marble; it happened that a few
panels of the cladding suddenly fall down from a height
of more than 300 meters. Because of this, and taking
into account the possible danger, the cladding was later
completely substituted with white granite.
The main characteristic of the building in Helsinki, indeed
one of the symbols of Finland, is that it is completely
clad by white marble.
The panels of the façades showed a strange and
ma anche questi stanno evidenziando lo stesso fenomeno di imbarcamento. Inconvenienti dello stesso tipo
si sono verificati anche in altri edifici, soprattutto in
quelli esposti ad un clima particolarmente rigido.
Per questo, molti studiosi pensano che l’uso del marmo
all’esterno, in diretto contatto con gli agenti ambientali,
debba essere evitato e che, pertanto, altri materiali,
quali ad esempio il granito, gli debbano essere preferiti. Lo scopo della presente nota è quello di cercare di
mostrare che una tale dichiarazione, dal tono così apodittico, non è del tutto corretta.
Il marmo di Carrara è un materiale meraviglioso, che
può essere usato anche all’esterno a patto di farne un
“uso consapevole”, da programmare in fase di progettazione. Più precisamente, ci sono delle qualità di
marmo di Carrara che sono adatte per uso esterno ed
altre che non lo sono. È un compito del progettista dell’involucro quello di selezionare fra i vari tipi di marmo
quello più adatto e di proporre al cliente la varietà più
idonea per l’uso specifico. In questa nota si cercherà di
chiarire il significato di “uso affidabile”, e per questo il
punto di partenza è fornito dalle conclusioni di un complesso progetto di ricerca, finanziato congiuntamente
dalla città di Helsinki e dalla Comunità europea, avente
per oggetto lo studio del degrado della facciata della
Casa della Finlandia. Vengono presentati risultati sperimentali, motivati alla luce di un modello micro strutturale, che permettono di valutare le possibili cause di
degrado nell’edificio di Helsinki e di fornire, al tempo
stesso, criteri oggettivi per la selezione consapevole di
quelle qualità di marmo in grado di resistere nel tempo
agli ambienti aggressivi.
somehow intriguing bowing phenomenon, uniformly
distributed in the whole building. In 1999 the old panels
where substituted with new ones still made of marble in
order to maintain the original concept of the building
imagined by Alvar Aalto. However, the new panels have
started again to bow. Accidents like these occurred in
other buildings, especially to those exposed to very cold
climate. Because of the occurred problems, many
experts in natural building stones believe that the use of
marble in cladding or, more in general, its external use in
direct contact with the environmental agents, has to be
avoided. The purpose of this note is to try show that
such an apodictic statement is not completely correct.
Marble, and in particular Carrara marble, is a wonderful
material that may be safely used outside, provided a
reliable use of it is made starting from the design phase.
More precisely, there are qualities of Carrara marble that
are suitable for outdoor use and some others that are
not. It is a task of the designer of the envelope to select
those qualities that appear to be the most appropriate,
proposing to the customer suitable solutions.
In this paper, an attempt is made to clarify what this
“reliable use” consists in. Starting from the results of long
research project jointly supported by the City of Helsinki
and the European Community, whose task was to study
the degradation phenomena of Finland Hall’s façade,
experimental results are presented which, corroborated
by a microstructural motivated model, allow an insight
about the possible causes of degradation of the
2. Il caso paradigmatico della Casa della
Finlandia, a Helsinki
La Casa della Finlandia, progettata nel 1962 da Alvar
Aalto come sala da concerto e centro congressi, è
stata completata nel suo primo blocco nel 1971.
Tuttavia, la sua costruzione non è stata ultimata fino al
1975, quando a questo è stata aggiunta un’ala per le
conferenze. L'intero edificio è ricoperto da una facciata
di marmo bianco composto da lastre rettangolari in
marmo di due diverse dimensioni, le più piccole circa
45 cm x 150 cm, le più grandi di circa 85 cm x 150
cm, tutte sui 3 cm di spessore. Il materiale, apparentemente lo stesso per tutta la facciata, fu fornito da
un’azienda italiana. Uno strano e interessante fenomeno ha iniziato a manifestarsi appena pochi anni dopo il
completamento dell’edificio: le lastre di marmo hanno
gradualmente mostrato la tendenza all’imbarcamento
di tipo concavo (Royer-Carfagni, 2000), tanto che alla
fine il rialzo dei bordi verso l'esterno è arrivato ad
essere anche 3-4 centimetri (Fig.1). Questo imbarcamento fuori piano è apparso più o meno omogeneo su
ciascuna delle facciate dell’edificio, anche se è stato
più pronunciato su alcune facciate rispetto ad altre.
In particolare, il fenomeno è risultato meno marcato sulla facciata Nord e
più vistoso su quella
rivolta a Sud-Est.
Praticamente non vi è
stata traccia di imbarcamento di tipo convesso.
Le lastre rettangolari sono ancorate da 4 perni di pochi
millimetri di diametro, che penetrano in fori praticati
sul bordo delle lastre a circa un terzo dell’altezza dei
pannelli. Tale ancoraggio permette un certo gioco fra
perno e foro, mentre l’accoppiamento fra i pannelli è
stato predisposto con una fuga opportuna; per questo,
fenomeni di instabilità Euleriana possono essere esclusi
dalle possibili cause dell’imbarcamento. Inoltre, dato
che l’imbarcamento è omogeneo in ciascun campo di
facciata, sebbene vari da campo a campo, tale fenomeno non può essere attribuito ad un difetto casuale
del materiale che avrebbe, invece, causato un incurvamento distribuito senza un ordine preciso.
Molti studi hanno cercato di spiegare questo fenomeno.
Rayleigh è stato forse il primo a studiare con metodo
scientifico la flessione del marmo (Rayleigh, 1934),
arrivando alla conclusione che l'incurvamento in alcuni
tipi di marmo può essere riprodotto riscaldando ripetutamente il campione in un forno. Più di recente,
Widhalm et al. (Widhalm, 1996) hanno effettuato
esperimenti che hanno dimostrato come un allungamento uniforme permanente possa essere prodotto per
riscaldamento in lastre di marmo; il fenomeno dell’incurvamento, tuttavia, è risultato più difficile da riprodurre. Winkler sottolinea
la necessità di un alto
tasso di umidità per far
curvare le lastre (Winkler,
1994, 1996), mentre una
meticolosa ricerca sperimentale eseguita dalla
Finlandese VTT
monument in Helsinki and
furnish, at the same time,
objective criteria for the
reliable selection of
marble qualities able to
withstand aggressive
environments.
than others: it was
somewhat less marked on
the approximately northern-facing side, while most
conspicuous on that side
exposed to South-East.
Fig.1 La casa della Finlandia a Helsinki (Giugno 1998).
Hardly any trace of convex
Particolare dell’incurvamento delle lastre / Finland Hall in Helsinki
bowing could be found.
(June 1998), with evidence of bowing of the marble panels
2. The paradigmatic
The rectangular slabs are
case of Alvar Aalto’s
anchored by 4 pins, a few millimeters in diameter, that
Finland Hall in Helsinki
penetrate into holes drilled in the side borders of the
slabs, approximately at one third the panels’ heights.
Finland Hall, designed by Alvar Aalto as a concert and
Such anchorage allows a certain clearance between hole
congress hall in 1962, was completed in its first, original
and pin, and panel coupling was executed with a suitably
layout in 1971. However, its construction was not
large gap between any two adjacent panels, so that
finalized until 1975, when the conference wing was
buckling instability can be ruled out as the cause of
added. The entire building is covered by a white marble
bowing. Moreover, since all the slabs in the same field of
façade made two different types of rectangular marble
the façade appeared bowed to the same degree, and
slabs, the smaller ones approximately 45 cm x 150 cm,
since this degree slightly varies from field to field, it
and the larger ones about 85 cm x 150 cm, all
approximately 3 cm thick. An Italian supplier provided the seems that the phenomenon cannot be attributed to an
intrinsic defect of the material, which would have caused
material, seemingly the same throughout the façade.
randomly varying warping throughout the façade.
An intriguing phenomenon started to occur just a few
years after the monument’s completion: the marble slabs Many studies have tried to explain this phenomenon.
Lord Rayleigh was perhaps the first to study the bending
exhibited a tendency towards concave bowing
of marble scientifically (Rayleigh, 1934) and realized that
(Royer-Carfagni, 2000), and eventually the marblethe bowing could be reproduced by repeatedly heating
panels’ edges protruded outward up to 3-4 cm (Fig.1).
some particular stone varieties in an oven.
The occurrence of such out-of-plane rising appeared
More recently Widhalm et al. (Widhalm, 1996) performed
more or less homogeneous within each side of the
experiments which proved that permanent elongation
building, though it was more pronounced on some sides
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25
Fig.2 Porzione di marmo ricavata da una lastra posta all’interno della Casa
della Finlandia: a) ingrandimento 200x b) ingrandimento 1500x
Portion of marble from a slab located in the interior of Finland Hall:
a) 200x Magnification b) 1500x magnification
Fig.3 Microfotografia della superficie della facciata (faccia convessa
imbarcata): a) ingrandimento 75x b) ingrandimento 500x
Micrograph of the façade’s surface (concave bowed portion):
a) 75x magnification b) 500x magnification
Fig.4 Microfotografia della porzione interna della lastra, appena sottostante la
superficie esterna concava: a) ingrandimento 75x b) ingrandimento 1000x
Micrograph of the slab’s inner portion, just underlying the concave
bowed surface: a) 75x magnification b) 1000x magnification
Fig.5 Microfotografia della superficie interna convessa delle lastre imbarcate
della facciata: a) ingrandimento 500x b) ingrandimento 5000x
Micrograph of the convex inner surface of the bowed slabs in the façade:
a) 500x magnification b) 5000x magnification
Fig.6 Analisi WDS in linea dei grani di solfato di calcio nella Fig.5 (a)
Ingrandimento della regione di interfaccia fra i grani (b)
In-line WDS analysis of the calcium sulphate grains in Fig.5 (a)
Magnification of the interface region between adjacent grains (b)
(Mustonen, 1993) attribuisce la causa del degrado all’attacco di piogge acide. Osservando sezioni sottili di materiale tratte dalla facciata, Bouineau e Perrier hanno riconosciuto un generale “allentamento” della coesione del
marmo (Bouineau e Perrier, 1995), che si manifesta col
distacco dei granuli di calcite che costituiscono la microstruttura materiale: i grani rimangono integri ma distaccati, come se fosse venuto meno il legante che li univa.
In effetti, il marmo della Casa della Finlandia mostra la
classica tendenza a frantumarsi come una zolletta di zucchero (sugaring), in quanto può essere ridotto in una polvere di monocristalli di calcite con la semplice pressione
delle dita. Questa caratteristica è comune a molti altri
casi documentati di carenza strutturale nelle costruzioni in
marmo (Franzini, 1995). Il punto chiave per la comprensione del fenomeno consiste nel prendere in esame la
microstruttura del materiale.
Le caratteristiche microscopiche del marmo usato per la
Casa della Finlandia Hall sono state riconosciute impregnando piccole porzioni di materiale con una resina epossidica di colore rosso ed osservando sezioni sottili di questa miscela con un microscopio ottico. Con questa procedura, le interfacce tra i grani, se aperte e occupate dalla
resina, appaiono evidenziate dal colore rosso (Boineau e
Perrier, 1995). Tuttavia, questo metodo permette osservazioni limitate per livello di ingrandimento, non consente
l'esame della superficie esterna delle lastre e, cosa più
grave, può considerevolmente disturbare l’integrità dei
campioni. Un più sofisticato programma di ricerca è stato
condotto più di recente con l'obiettivo di selezionare la
migliore qualità di marmo da utilizzare per il restauro
can be produced by uniformly heating marble slabs; the
bowing phenomenon, however, could be only partially
reproduced. Winkler stresses the need for moisture for
marble slabs to buckle (Winkler, 1994, 1996), and
intensive experimental research performed by the Finnish
VTT (Mustonen, 1993) invokes acid-rain attack as the
phenomenon’s cause. Observing thin sections of stone
drawn from the façade, Bouineau and Perrier recognized a
generalized loosening of rock cohesion (Bouineau &
Perrier, 1995) caused by detachment of the marble’s
constituent calcite grains one from the other: the grains
remain integral, but it looks as if the cementing material
between them has simply disintegrated.
In effect, Finland Hall’s marble presents this classical
tendency, called «sugaring», and can be reduced to a
monocrystalline calcite powder with the pressure of a
finger. This feature is common to several other documented
cases of structural deficiencies in marble constructions
(Franzini, 1995). The key point in understanding the
phenomenon is consideration of the material underlying
microstructure. The characteristic microscopic features of
Finland Hall’s marble was recognized by impregnating
small portions of the material with a red-coloured epoxy
resin and observing thin sections of this mixture with an
optical microscope. By this procedure, the interfaces
between the grains, whenever open, appear highlighted by
the red resin (Boineau & Perrier, 1995).
della Casa della Finlandia (Royer-Carfagni, 2000).
Le analisi sono state effettuate su diversi campioni
prelevati dalla facciata, utilizzando il microscopio a
scansione elettronica (SEM). Lo stato del materiale
integro, prima che il degrado prendesse piede, è stato
valutato esaminando una lastra di marmo intatto,
situata all'interno dell’edificio. La lastra era apparentemente fatta dello stesso materiale utilizzato per la facciata esterna. Le immagini al SEM, illustrate nella
Fig.2, mostrano un assemblaggio compatto dei grani
costituenti, di diametro variabile da 0.1 mm a 0.4 mm,
assemblati in una microstruttura tipicamente omoblastica. In particolare, la Fig.2b mostra ad elevato
ingrandimento un nodo della tessitura, in cui non si
riconoscono evidenti segni di distacco. La superficie
concava di una lastra imbarcata, situata sull’ala Sud
del fabbricato, è invece riportata nella Fig.3.
Questa è la superficie esterna della facciata esposta
direttamente alle azioni di pioggia e vento. Sono chiaramente riconoscibili in queste immagini i segni di
degrado superficiale, probabilmente causati da un
attacco di tipo chimico. Rimuovendo con cura lo strato
superficiale, è stato possibile osservare quella porzione
di marmo immediatamente sottostante la superficie
esterna della lastra (ad una profondità dell'ordine di 23 diametri granulare). La Fig.4 rappresenta queste porzioni, la cui caratteristica principale è senza dubbio la
decoesione fra grano e grano (la Fig.4b è un particolare). Tuttavia, all’interno non è stata trovata traccia dell'attacco chimico visto in Fig.3. Le immagini della Fig.5
rappresentano l’altra faccia, quella convessa, della
stessa lastra di marmo imbarcata. Questa faccia è
quella che è stata in diretto contatto con il materiale
spugnoso dei pannelli isolanti posti nell’intercapedine
fra la struttura dell’edificio e l’involucro.
Nel materiale isolante sono state trovate tracce di solfati, dovute probabilmente all’impregnazione con le
piogge acide, molto comuni in Finlandia. Infatti, anche
se le fughe tra i pannelli di marmo sono completamente sigillate con silicone bianco (per scopi architettonici),
la facciata non era impermeabile alla pioggia, dato che
l’acqua poteva percolare da altre aperture.
Quel che è peggio, il sigillante sulle fughe aveva l’unico
effetto di limitare la circolazione di aria nell’intercapedine tra la costruzione e la facciata. Ad ingrandimento
di 5000x (Fig.5b), la presenza di cristalli di solfato di
calcio è chiaramente evidente perché riconoscibile dalle
dimensioni (≈1-5 µm) e dalla forma oblunga.
La presenza di zolfo in questi grani è confermata dalla
scansione a diffrazione d’onda (wave diffraction scanning WDF) effettuata lungo la linea marcata in Fig.6.
Una più dettagliata osservazione delle immagini rivela
che le tracce di solfati risultano limitate allo strato
superficiale per uno spessore di pochi diametri di
grano, sia sulla superficie esterna che interna del pannello; il che indica che l'aggressione chimica deve
essere considerata un fenomeno di superficie.
A dire il vero, le tracce di solfato di calcio sono evidenti
su entrambe le superfici, ma forse più evidenti sulla
superficie interna che su quella esterna delle lastre
(Fig.3), forse a causa dell’effetto pulente della pioggia
e del vento. In ogni caso, quando l’analisi WDS è effet-
However, this method allows observations only at limited
magnifications, it does not allow consideration of the
slabs’ outer surfaces and, worse, may disturb the
samples’ integrity to a considerable extent.
A more sophisticated research program was conducted
with the aim of selecting the best quality of marble for
Finland Hall restoration (Royer-Carfagni, 2000).
Analyses were performed on various samples taken
from the façade using the scanning electron microscope
(SEM). The primitive state of the material before any
degradation took place was examined in an undamaged
marble slab situated in the interior of the building.
The slab was seemingly made of the same material as
that used for the external façade.
The SEM images presented in Fig.2 illustrate portions of
this specimen exhibiting a compact assemblage of
grains from 0.1 mm to 0.4 mm in diameter assembled in
a typical homoblastic texture. In particular, Fig.2b shows
high magnification of a texture node where no apparent
detachment is present. The concave surface of a bowed
slab located on the southern wing of the building is
instead presented in Fig.3. This coincides with the outer
surface of the façade directly exposed to the action of
rain and wind. Evident signs of superficial degradation,
probably due to chemical attack, are clearly recognizable
in these pictures. Carefully removing the very outermost
layer, it was possible to observe that portion of the
marble located just below (at a depth of the order of 2-3
grain diameters) the outer surface of the slab.
Fig.4 depicts such portions, whose main feature is the
very pronounced calcite-crystal grain decohesion
(Fig.4b, in particular). However, the chemical attack seen
in Fig.3 was not found inside the specimen.
The micrographs in Fig.5 represent the other, convex
bowed, surface of the same marble slab.
This was in contact with the spongy-material insulation
panels located in the air space between the building and
its cladding. Traces of sulfates were found in the
insulation, and it is our impression that this material
could have been imbued with acid rain, very common in
Finland. In fact, although the joints between the marble
panels were completely sealed with a white plaster (for
architectural purposes), the façade was not water-proof,
since rain could surely seep in from other openings.
What is worse, the effect of this seal was to limit air
circulation between the building and façade.
At 5000x magnification (Fig.5b), the presence of calcium
sulphate crystals is clearly evident. These are immediately recognizable by their characteristic size (≈ 1-5 µm)
and oblong shape. The presence of sulfur in these
grains is also confirmed by wave diffraction scanning
(WDS) performed along the marked line in Fig.6.
Close observation of the pictures reveals that the
presence of traces of calcium sulfate crystals is limited
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27
Fig.7 Esempio di imbarcamento dovuto al rilascio di autotensioni residue
Example of bowing due to internal stress release
Fig.8 Microfotografie al SEM di un marmo di Carrara fratturato.
(a) Fratture transgranulari; (b) Fratture intergranulari
SEM micrograph of fractured Carrara Marble.
(a)Transgranular fracture; (b) Intergranular fracture
Fig.9 Correlazione fra la resistenza a flessione del materiale
e l’imbarcamento delle lastre in marmo (Mustonen, 1993)
Correlation between strength parameters and bowing of marble
slabs (Mustonen, 1993)
σ-f) per un marmo di Carrara di tipo A:
Fig.10 Diagrammi sforzo-freccia (σ
i) condizioni naturali [nat]; ii) dopo 3 cicli termici da -20°C a +100°C [100];
iii) dopo 1 ciclo da -20°C a + 180°C [180]; iv) dopo 22 cicli da -20°C a + 40°C
[20-40] / Stress-displacement (σ-f) diagrams for type-A Carrara marble:
i) natural conditions [nat]; ii) after 3 thermal cycles from -20°C to +100°C
[100]; iii) after 1 cycle from -20°C to + 180°C [180]; iv) after 22 cycles from 20°C to + 40°C [20-40]
tuata su uno strato sub-superficiale del materiale, i
risultati sono simili a quelli della Fig.6b, indipendentemente che la zona sia sulla parte interna od esterna
della facciata. Tracce di solfati sono quasi trascurabili,
ma la concentrazione è chiaramente più alta all’interfaccia fra grano e grano.
Questo potrebbe essere un segno della percolazione di
pioggia acida all'interno del materiale ma, per le ragioni che verranno esposte più avanti, si può forse anticipare che la penetrazione dei solfati è la conseguenza,
piuttosto che la ragione di essere, del fenomeno stesso
di decoesione granulare.
Talvolta, l’imbarcamento di pannelli in marmo è attribuito al rilascio di autotensioni residue interne originate dalle pressioni tettoniche.
La Fig.7 rappresenta l’imbarcamento di una lapide
tombale in marmo prodotta dal suddetto fenomeno.
Due caratteristiche sono evidenti: in primo luogo,
l'imbarcamento è irregolare, lungi dall'essere così uniforme come nella Fig.1; in secondo luogo, soprattutto
in prossimità del bordo della lastra, sono evidenti delle
macrofessure. Da questo si può presumibilmente concludere che il rilascio di auto tensione residue sia da
escludere tra le possibile cause per il fenomeno osservato nella Casa della Finlandia. D'altra parte, quello
che sembra essere senza dubbio il fenomeno più
caratteristico del caso Finlandese è la decoesione dei
granuli di calcite cristallina che costituiscono le lastre
di marmo. Si deve osservare che, in generale, se il
marmo è rotto con uno scalpello (Dal Pino et.al.,
1999) o con l'applicazione diretta di una trazione, le
fratture risultano eminentemente transgranulari, come
to within a few grain-diameters’ depth from both external
faces of the panel surface - a finding which would
indicate that chemical aggression should be
considered a surface phenomenon. As a matter of fact,
calcium sulfate traces are more evident in proximity of
the internal surface than in proximity of the external
surface of the façade (Fig.3). This is probably due to
natural washing effects where it is directly exposed to
the actions of rain and wind, but the signs of chemical
attack remain very evident. Indeed, when WDS analysis
is performed on an inner portion of the material, images
similar to Fig.6b result, regardless of whether the
sample was close to the internal or the external surface
of the façade. Traces of sulfates are almost negligible,
but as a peculiar feature, the concentration is clearly the
highest at grain boundaries. This is a sign that acid rain
may penetrate inside the material. However, from the
results of this research that will be exposed later on,
we may conjecture that sulfate penetration is a
consequence, rather than the reason, of granular
decohesion itself. Sometime, the warping of marble
panels is attributed to the release of the internal,
self-equilibrated, state of stress originated by tectonic
pressure. Fig.7 represent the warping of a marble
gravestone produced by the aforementioned
phenomenon. Two features are evident: first, the
warping is irregular, far from being as uniform as that of
rappresentato nella Fig.8a. Per confronto, il tipico
aspetto di una frattura intergranulare, vale a dire della
decoesione, è stato riportato nella Fig.8b.
3. L’effetto delle azioni termiche sul marmo
La decoesione dei granuli di calcite può non solo produrre il piegamento del marmo, ma anche ridurre drasticamente le proprietà meccaniche macroscopiche del
materiale. La Fig.9, tratta da (Mustonen, 1993),
riassume i risultati di una lunga serie di osservazioni
sperimentali sul rivestimento della Casa della Finlandia,
dal suo anno di completamento (1971) fino al 1990.
Il grafico illustra lo sviluppo della freccia massima nelle
lastre imbarcate in funzione del tempo; a questa
deformazione è chiaramente correlata la riduzione della
resistenza a flessione del materiale. Un simile decadimento della resistenza a flessione può essere facilmente riprodotto per mezzo di condizionamenti termici.
Come esempio, si riportano alcuni risultati presi da
(Royer-Carfagni, 2000), che si riferiscono a prove di
flessione su tre punti eseguite su marmo bianco di
Carrara secondo ASTM C880. Al fine di riprodurre il
processo naturale di danneggiamento, le prove sono
state eseguite su materiali i) in condizioni naturali; ii) dopo 3 cicli termici da -20°C fino a
+100°C; iii) dopo 1 ciclo
da -20°C a +180°C;
iv) dopo 22 cicli da -20°C
a +40°C (ogni ciclo è
stato completato in un periodo di cinque ore).
Per ciascuno di queste quattro serie di test, sono stati
considerati tre campioni per ogni tipo di materiale.
I diagrammi che correlano il massimo sforzo nominale
di flessione (MPa) con la freccia massima (mm), così
come ottenuti nelle prove, sono giustapposti nella
Fig.10 per un particolare tipo di marmo bianco di
Carrara, di seguito denominato "tipo A" per evitare
nomi commerciali. I quattro grafici si riferiscono a
campioni che hanno subito i cicli termici di cui sopra,
qui indicati rispettivamente con [Nat], [100], [180],
[20-40]. Il degrado prodotto dalle azioni termiche è
davvero evidente, ma tale predisposizione non è comune a tutti i tipi di marmi. La Fig.11 riporta per esempio
i risultati di test simili effettuati su un altro tipo di
marmo bianco di Carrara, di seguito denominato
"materiale C". Questo mostra chiaramente una migliore
capacità di sopportare cicli termici.
È ben noto che la decoesione granulare può essere
prodotta, sia naturalmente o artificialmente, da cause
di varia natura ma, comunque, di natura meccanica
piuttosto che chimica. Un esempio è quello dei sali
solubili, che possono penetrare in soluzione all’interno
di fessure intergranulari
pre-esistenti ed aprirle,
a causa dell’aumento di
volume dovuto al processo di cristallizzazione
quando il solvente evapora. Un altro esempio è
quello della ripetizione
di cicli di carico (prove
Fig.1; second, macro1990. The graph shows
scopic cracks are evident,
the development of
σ-f) per un marmo di tipo C sottoposto a
Fig.11 Diagrammi sforzo-freccia (σ
especially at the slab
sagging of the bowed
flessione su tre punti: i) condizioni naturali [nat]; ii) dopo 3 cicli termici da
border. From this, albeit
marble with advancing
-20°C a +100°C [100]; iii) dopo 1 ciclo da -20°C a + 180°C [180]; iv) dopo 22
cicli da -20°C a + 40°C [20-40] / Stress-displacement (σ-f) diagrams for type-C
tentatively, it may be
age, and clearly
marble under 3P bending: i) natural conditions [nat]; ii) after 3 thermal cycles
concluded that internal
correlates this effect to
from -20°C to +100°C [100]; iii) after 1 cycle from -20°C to + 180°C [180];
iv) after 22 cycles from -20°C to + 40°C [20-40]
stress may ruled out
the reduction of the
among the causes of the
material’s flexural
warping of Finland Hall’s
strength.
panels. On the other hand, what appears to be the most
A similar decay of flexural strength can be surely
peculiar phenomenon in the degradation of the Finnish
reproduced by means of thermal treatments.
monuments is the particular decohesion of the calcite
As an example, we report some qualitative results taken
crystal granules constituting the marble slab.
from (Royer-Carfagni, 2000), which refer to three-point
Observe that, in general, if marble is broken with a
bending tests performed on Carrara white marble
chisel (Dal Pino et.al., 1999) or by the direct application
according to ASTM C880. In order to reproduce the
of tensile stress, fractures become eminently
natural damage process, the tests were performed on
transgranular, as represented in Fig.8a. For comparison, materials i) under natural conditions; ii) after 3 thermal
the typical aspect of intergranular fracture, i.e., the
cycles from -20°C to +100°C; iii) after 1 cycle from -20°C
granular decohesion, has been reported in Fig.8b.
to +180°C; iv) after 22 cycles from -20°C to +40°C (each
cycle was completed in a five-hour period).
For each of these four series, three specimens were
3. Effects of thermal actions on marble
Calcite grain decohesion can not only produce bowing of considered per material type. Representative diagrams
correlating the nominal bending stress (MPa) with the
the marble, but also drastically reduce the macroscopic
flexural sag (mm) obtained in the tests are juxtaposed in
mechanical properties of the material. Fig.9, taken from
Fig.10 for a particular type of Carrara white marble, here
(Mustonen, 1993), summarizes the results of a long
referred to as “type A” in order to avoid commercial
series of experimental observations on Finland Hall’s
names. The four graphs refer to materials having
cladding, from the year of its completion (1971) up to
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
29
di fatica), in cui la causa è da attribuire questa volta
all’anisotropia elastica della calcite che costituisce i
grani (Royer-Carfagni e Salvatore, 2000).
Tuttavia, le cause principale della decoesione granulare
sono classicamente le variazioni di temperatura (RoyerCarfagni, 1999a), da qui il termine «marmo cotto» utilizzato per secoli dai cavatori di Carrara per indicare
qualsiasi marmo che presenti ridotta resistenza meccanica. Questo effetto, come si vedrà poi, è dovuto ad
anisotropia della dilatazione termica della calcite, e può
essere prodotto da un aumento di temperatura di pochi
gradi, anche se distribuiti in modo uniforme in tutto il
corpo (Royer-Carfagni, 2004). Dal momento che la
decoesione granulare è sempre accompagnata dall’apertura di fessure intergranulari, le sue conseguenze a
livello macroscopico dovrebbero essere l’aumento di
volume e, di conseguenza, una dilatazione permanente. L’imbarcamento delle lastre di marmo della Casa
della Finlandia potrebbe, quindi, essere spiegato assumendo un gradiente del livello di decoesione granulare
attraverso lo spessore della lastra, che provoca un
diverso allungamento fra le fibre interne ed esterne.
Le ragioni per le quali il livello di decoesione granulare
dovrebbe variare nello spessore possono essere numerose e qualitativamente diverse. In ogni caso è stato
confermato dalle attente misurazioni effettuate in-situ
che la temperatura varia tra la superficie interna e la
superficie esterna della facciata. Sono state pure notate differenze nel tasso di umidità, che possono
anch’esse svolgere un ruolo importante.
Per indagare questo fenomeno, è stata eseguita una
serie di test utilizzando un dilatometro ad alta sensibilità del tipo rappresentato in Fig.12, in grado di registrare l'espansione del marmo conseguente a variazioni di
temperatura (Royer-Carfagni, 2004).
Dal momento che la decoesione granulare implica un
aumento di volume, la dilatazione permanente può
rappresentare un indice della quantità di danno indotto. Sono state considerate diverse qualità di marmo di
Carrara. La Fig.13 mostra i risultati per lo stesso tipo A
di marmo della Fig.10. I campioni sono stati sottoposti
a cicli quasi-statici di temperatura che variavano
approssimativamente da -50°C a +55°C, mentre la
Fig.12 Apparato sperimentale per i test dilatometrici
Experimental apparatus for dilatometric tests
Fig.13 Dilatazione media in funzione della temperature per un marmo
di tipo A. Primo e secondo ciclo / Average strain as a function of
temperature for A-type Marble. First and second cycle
undergone the aforementioned thermal cycles, here
referred to as [Nat], [100], [180], [20-40], respectively.
The degradation produced by thermal treatments is
really evident, but such a sensitivity is not common to all
types of marbles. Fig.11 reports the results of similar
tests for another type of Carrara white marble, here
referred to as “material C”, which clearly shows a better
attitude to withstand thermal cycles.
It is well known that granular decohesion can be
produced, either naturally or artificially, by causes of
various nature acting through mechanical, rather than
chemical, mechanisms. One example is that of soluble
salts, which may penetrate deeply and cause expansion
of pre-existing transgranular cracks due to a volume
increase during the process of crystallization, when the
solvent evaporates (Franzini, 1995).
Repetition of load cycles (fatigue tests) is another
example; this time the effect being due to elastic
anisotropy of the constituent calcite grains (RoyerCarfagni & Salvatore, 2000). However, temperature
variations are the most well known cause of granular
decohesion (Royer-Carfagni, 1999a), hence the term
«marmo cotto» (i.e. baked marble) used for centuries by
quarrymen in Carrara to denote any marble presenting
poor mechanical properties. This effect is due to the
anisotropy of the thermal expansion of calcite, and can
also be produced by temperature rises of just a few
degrees uniformly distributed throughout the body
(Royer-Carfagni, 2004).
Since granular decohesion is always accompanied by
opening of intergranular cracks, volume increase and a
consequent permanent dilatation should be its counterparts at the macroscopic level. Marble bowing in Finland
Hall could thus be explained assuming a gradient of the
decohesion level through the slab thickness, which
induces a different elongation between the internal and
the external fibers. The reasons why the granulardecohesion level should vary through the slab thickness
may be numerous and different in type.
In any case, careful in-situ measurements have
demonstrated that temperature may vary between the
loro dilatazione veniva continuamente registrata dall’apparato sperimentale. Cinque diverse fasi possono
essere riconosciute nella risposta del materiale.
La prima, indicata con (a) nella Fig.13, corrisponde al
primo incremento di temperatura, da t=+20°C (temperatura ambiente) a t=+55°C. Si deve qui notare la
crescita superlineare della dilatazione termica, che
dovrebbe essere confrontata con la pendenza della
linea retta riportata a fianco, che corrispondente alla
dilatazione media della calcite pura (α=12·10-6 °C-1).
La maggiore espansione del composito (il marmo)
rispetto al componente (la calcite) può essere attribuita allo sviluppo di fessure. Le osservazioni al SEM
hanno mostrato che queste sono di tipo intergranulare,come quelle della Fig.8b. La fase di raffreddamento
può essere convenientemente distinta in tre tratti: la
fase (b), da t=+55°C a t=+30°C; la fase (c), da
t=+30°C a t=-40°C; la fase (d), da t=-40°C a
t=-50°C. La differenza principale tra (b) e (c), è che il
grafico in (b) è pseudo orizzontale, mentre l'inizio di
(c) è marcato da un improvviso cambiamento della
pendenza. Questo comportamento può essere spiegato
supponendo che il contatto con attrito tra i grani impedisca il recupero istantaneo della deformazione.
La dilatazione inversa (contrazione) inizia solo all'inizio
della fase (c), e poi progressivamente rallenta al diminuire della temperatura, come logico attendersi.
Questo particolare comportamento può essere una
conferma del fatto che la dilatazione accumulata
durante la prima fase (a) dovrebbe essere, almeno in
parte, attribuita allo scorrimento dei grani gli uni
rispetto agli altri. Il carattere distintivo della fase (d)
consiste invece nel fatto che, abbassando ulteriormente la temperatura al di là di un certo limite, il materiale
si espande piuttosto che contrarsi ulteriormente.
Questa fase può essere correlata con la rottura dei
legami intergranulari dovuti all’incongruenza della
deformazione termica fra grano e grano, con conseguente apertura di fessure.
Infine, se a questo punto la temperatura è aumentata
di nuovo, il materiale inizia a espandere ancora una
volta, entrando nella fase (e). Il carattere distintivo
della (e) è che la pendenza del corrispondente grafico
è quasi parallela a quella di fase (b), un segno evidente, nella nostra interpretazione, del ruolo significativo
svolto dall’attrito interno. La fase (e) termina a
t≈+30°C. È importante notare che se il ciclo si fosse
fermato a temperatura ambiente (t=+20°C), il marmo
avrebbe mostrato una dilatazione permanente significativa. I cicli successivi proseguono con le stesse
caratteristiche, ripercorrendo le cinque fasi appena
discusse. Alcuni commenti sono tuttavia necessari.
Prima di tutto, si noti che la pendenza dei grafici che
fanno riferimento alle fasi (b) e (e) va lentamente crescendo; il che potrebbe indicare che l’attrito interno
diminuisce nel corso dei cicli, probabilmente a causa
dell’usura delle superfici di contatto fra i grani.
In secondo luogo, l'inizio della fase (a), caratterizzata
da una crescita dello strain superlineare con la temperatura, si sposta verso destra nel corso cicli. Ad esempio, da circa 33°C nel 2° ciclo diventa circa 42°C al 9°
ciclo. È ancora più importante notare che, come è evidente nella Fig.13, l'aumento di volume che si verifica
nelle fasi (d) diminuisce con il numero di cicli.
inner and outer surface of the façade due to the building
internal heating; differences in the humidity level, also
confirmed by measurements, might as well play an
important role.
To investigate this phenomenon, a series of tests was
performed using a high-sensitivity dilatometer of the type
represented in Fig.12, able to record the expansion of
marble consequent to temperature variations
(Royer-Carfagni, 2004). Since granular decohesion
implies volume increase, the permanent dilatation may
represent an index of the amount of damage produced.
Different qualities of Carrara marbles were considered.
Fig.13 shows the results for the same A-type marble of
Fig.10. Specimens were subjected to quasi-static
thermal cycles varying from approximately -50°C up to
+55°C and their dilatation continuously recorded by the
experimental apparatus.
Five different phases can be recognized in the material
response. The first one, in Fig.13 referred to as (a),
corresponds to the first temperature increment, from
t=+20°C (room temperature) to t=+55°C.
Notice the superlinear growth of thermal strain, which
should be compared with the slope of the straight line
also drawn in the Figure, corresponding to the theoretical
average dilation of pure calcite (α=12·10-6 °C-1).
The greater expansion of the composite (marble) with
respect to the component (calcite) can be attributed to
the development of cracks. SEM investigations show that
these are intergranular in type as in Fig.8b.
The cooling stage can be conveniently distinguished into
three branches: phase (b), from t=+55°C to t=+30°C;
phase (c), from t=+30°C to t=-40°C; phase (d), from
t=-40°C to t=-50°C. The main difference between (b) and
(c) is that the graph in (b) is pseudo-horizontal, whereas
the beginning of (c) is indicated by a sudden change in
the slope. This can be explained assuming that the
frictional contact among the grains prevents an
instantaneous recovery of the strain.
Reverse sliding starts only at the beginning of phase (c)
and then gradually slows down, as logically expected,
when the temperature is further decreased.
This may be a confirmation that the dilatation accumulated during phase (a) should be, at least partially,
attributed to sliding of the grains.
The distinguishing character of phase (d) consists in the
fact that, lowering the temperature beyond a certain limit,
the material expands rather than further contracting.
This phase can be correlated with the breaking of
intergranular bonds subsequent to the incongruent
granular contraction at low temperatures, and the
consequent opening of cracks.
Finally, if at this point temperature is increased again, the
material starts to expand once more, entering phase (e).
The distinguishing character of (e) is that the slope of the
corresponding graph is almost parallel to that of phase
(b), an evident sign, in our interpretation, of the significant role played by friction. Phase (e) ends at t≈+30°C.
It is important to notice that if the cycle had stopped at
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
31
Questa è una caratteristica tipica del fenomeno di dandamente ad ogni ciclo. Questi esperimenti mostrano
neggiamento. Più alto è il numero di cicli termici al
che, in generale, variazioni termiche bilaterali sono più
quale il campione è stato sottoposto, minore è il nume- pericolose di variazioni unilaterali. Al fine di indagare la
ro di legami che possono essere ulteriormente rotti se
possibile influenza dell’umidità, sono stati condotti
viene eseguito un nuovo ciclo. Infatti, i legami più
degli esperimenti anche su campioni bagnati.
deboli si rompono subito nei primi cicli, mentre nei cicli
I diagrammi per lo stesso tipo A di marmo delle
successivi restano da rompere i legami più resistenti
Figg.13 e 14, ma ora in condizioni bagnate, sono ripor(Royer-Carfagni, 1999b).
tati nella Fig.15. La differenza che maggiormente risalLa dilatazione permanente può essere prodotta anche
ta rispetto a prima è che, adesso, nella prima fase,
da variazioni termiche unilaterali.
denominata ancora (a), si produce una dilatazione
La Fig.14 rappresenta, ad esempio, la risposta dello
molto più grande rispetto al campione secco di cui alla
stesso tipo A di marmo quando la sua temperatura è
Fig.13. Inoltre, anche la dilatazione a temperature
variata nei limiti da +20°C a -35°C (le due figure si
molto basse, chiamata nuovamente fase (d), è molto
riferiscono
rispettivamente
ai cicli 1-2 e 45). Ancora una
volta, analogamente alla fase
(d) di Fig.13, si
nota una caratteristica espansione quando la
temperatura
scende al di
sotto di un certo
limite.
Tuttavia, come
Fig.14 Dilatazione media in funzione della temperature per un marmo di tipo A. Cicli termici fra t=+20°C e t=-35°C.
la Fig.14b conCicli n. 1-3 (a) e n. 4-6 (b)
ferma, tale
Average strain as a function of temperature for A-type Marble. Thermal cycles between t=+20°C and t=-35°C.
Cycles n. 1-3 (a) and n. 4-6 (b)
effetto diminuisce molto rapi-
room temperature (t=+20°C), marble would have shown
a significant permanent dilatation.
In further cycles the strain follows a similar characteristic
trend, where all the five aforementioned phases can
again be recognized. A few comments are however
necessary. First of all, the slope of the graphs referring
to phases (b) and (e) goes slowly increasing, an
indication that the internal friction diminishes with
ongoing cycles, probably do to the smoothening out of
the contact surfaces. Secondly, the beginning of phases
(a), characterized by superlinear growth of strain with
temperature, is shifted rightwards with ongoing cycles.
For example, it was around 33°C in the 2nd cycle; it
becomes around 42°C at the 9th cycle.
What is even more important is that, as it is clear also
from Fig.13, the volume increase occurring in phases (d)
diminishes with cycling. This is a characteristic of
ongoing damage. The higher is the number of thermal
cycles the specimen has undergone, the lower is the
number of bonds that can be broken if a new cycle is
performed. In fact, roughly speaking, if the weakest
bonds have already been broken in the previous history,
the strongest bonds are the ones that remain active
(Royer-Carfagni, 1999b).
One-sided thermal variations may as well produce a
permanent dilatation. Fig.14 represents, for example, the
response of the same A-type marble when its
temperature is varied from +20°C to -35°C (the two
pictures refer to cycles 1-2 and 4-5 respectively).
Again, similarly to phase (d) in Fig.13, we notice a
characteristic expansion when the temperature is
decreased beyond a certain limit.
However, such contribution decreases very quickly at
each cycle, as Fig.14b confirms.
These experiments show that, in general, two-sided
thermal conditioning may be more dangerous than
one-sided variations.
In order to investigate the influence of moisture, wet
sample were also tested. The diagrams for the same
A-type marble of Figs.13 and 14, but now in wet
conditions, are reported in Fig.15.
What should be noticed here is the first phase, again
referred to as phase (a), which produces a much larger
dilatation than for the dry sample in Fig.13.
Correspondingly, also the dilatation at very low
temperatures, called again phase (d), is much less than
in Fig.13. This is an evidence that the effect of humidity
is that of facilitating the relative sliding of the grains.
In rough words, we may say that humidity acts as a
“lubricant”.
These considerations, especially those concerning
humidity, may only be considered conjectural at this
time. It is however expected that at least some of the
questions mentioned will be clarified by further studies.
In summary, we can affirm that thermal variations can
produce granular decohesion similar to that observed in
Finland Hall façade and produce, at the macroscopic
level, the permanent dilatation of marble.
meno pronunciata che in Fig.13.
esterno. Questo spiegherebbe il tipico incurvamento
Questo comportamento indica che l'effetto dell’umidità
della Fig.1.
è probabilmente quello di facilitare lo scorrimento
La misurazione della dilatazione permanente prodotta
relativo dei grani. In parole povere, potremmo dire che da cicli termici può anche essere un test efficace per
l'umidità agisce come un “lubrificante”.
valutare la vulnerabilità delle diverse qualità di marmo.
Queste considerazioni, in particolare quelle riguardanti
La Fig.16 rappresenta, in scala semi-logaritmica, la
l'umidità, debbono essere al momento considerate a
dilatazione permanente in funzione del numero di cicli
livello di massima, ma si prevede che vari punti possatermici effettuati da -50°C a +55°C, condotti su tre
no essere chiariti da studi successivi. In sintesi, si può
diverse qualità di marmo. È degno di nota che tali graaffermare che le variazioni termiche possono produrre
fici siano praticamente rappresentabili con linee rette.
un fenomeno di decoesione granulare simile a quello
Di conseguenza, la pendenza di ciascun grafico può
osservato nella Casa
rappresentare un indice
della Finlandia e produrdella tendenza del
re, a livello macroscopimateriale al danneggiaco, la dilatazione permento: le pendenze più
manente del marmo.
piccole corrispondono ai
In questo studio è stato
materiali meno vulneraconsiderato l’effetto delbili (Royer-Carfagni
l’umidità, che agisce
2004).
come un lubrificante e
Il motivo per cui varie
può accelerare l'accuqualità di marmo di
mulo di dilatazione perCarrara, a prima vista
manente.
uguali, si comportano in
È molto probabile che la
modo diverso fra loro
differenza di condizioni
verrà mostrato nella
termo-igrometriche tra
prossima sezione, parle superfici interne ed
lando della disposizione
esterne dell’involucro in
dei cristalli a livello
marmo possa essere
microstrutturale.
responsabile di una
Fig.15 Dilatazione media in funzione della temperature. Marmo di
diversa dilatazione del
tipo A in condizioni bagnate. Primo e secondo ciclo
Average strain vs. temperature. A-type Marble in wet conditions.
materiale fra interno e
First and second cycle
In this study, we have
evidenced the effects of
humidity, which acts as a
lubricant and may accelerate the accumulation
of permanent strain.
It is very probable that
differences in the
thermo-hygrometric
conditions between the
Fig.16 Dilatazione permanente in funzione del numero dei cicli (scala
inner and the outer
semilogaritmica) per tre diverse qualità di marmo di Carrara. Cicli effettuati
surface of the façade
fra -50°C e +55°C / Permanent dilatation vs. number of cycles
(semi-logarithmic scale) for three different qualities of Carrara marble.
may be responsible of a
Cycles performed between -50°C and +55°C
different dilatation of the
inner and outer material
fibers.
This would explain the bowing represented in Fig.1.
Measuring the permanent dilatation produced by thermal
cycling may also be a an appropriate test to assess the
vulnerability of different marble qualities.
Fig.16 represents, in semi-logarithmic scale, the
measured permanent dilatation as a function of the
number of thermal cycles from -50°C to +55°C
performed on three different marble types.
It is noteworthy that such graphs are, approximately,
represented by straight lines.
The slope of each graph may thus be an index of the
material attitude to damage: smaller slopes correspond
to more durable
materials (RoyerCarfagni 2004).
The reason why different
qualities, apparently
equal, behave differently
has to be found, as will
be shown in the next
Section, in the
microscopic arrangement
of the crystals.
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
33
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Relazione presentata al Convegno:
“Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma
Il Marmo in Architettura
Verso un Uso Consapevole - 2a Parte
GIANNI ROYER-CARFAGNI
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, DELL’AMBIENTE, DEL TERRITORIO E ARCHITETTURA
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA
maggiore embricatura dei grani nelle varietà xenoblastiche, la decoesione granulare è certamente più favorita
nelle omoblastiche che in quest’ultime.
A parziale conferma di ciò, si osservi che le linee a
pendenza più bassa in Fig.16 (Diamante A&T n°44)
corrispondono proprio a marmi xenoblastici.
Dal momento che lo studio, almeno fin’ora, ha suggerito
che la tessitura dei grani può essere una delle maggiori
caratteristiche per la qualificazione del materiale, si propone qui un semplice metodo per descrivere le proprietà
microstrutturali della tessitura sulla base di parametri
quantitativi di classificazione per la forma geometrica dei
grani, quali l’area A, il perimetro P o lo scheletro S, parametri usati principalmente nel campo della ricostruzione
delle immagini e computer vision. Naturalmente altri
parametri, come ad esempio il fattore di Paris, potrebbero essere scelti come indicatori della forma, ma qui la
scelta viene limitata ai tre precedenti.
1a Parte pubblicata in Diamante A&T n°44
1. INTRODUZIONE
2. IL CASO PARADIGMATICO DELLA CASA DELLA FINLANDIA, A HELSINKI
3. L’EFFETTO DELLE AZIONI TERMICHE SUL MARMO
4.Caratterizzazione microstrutturale dei marmi
Qualsiasi marmo è composto per oltre il 99% da calcite
pura, mentre gli altri componenti accessori non hanno
praticamente alcuna influenza sulla proprietà meccaniche, anche se sono responsabili di importanti effetti cromatici, come le venature. A livello microscopico, la differenza principale fra i vari tipi di marmo esaminati consiste nella tessitura secondo la quale sono disposti i granuli costituenti, che può variare tra i due casi limite di solito
denominati tessitura omoblastica (o granoblastica) e
xenoblastica. Le sezioni sottili per le due tipiche tessiture
sono rappresentate in Fig.17. Naturalmente, data la
Fig.17 Tessiture omoblastiche (a) e tessiture xenoblastiche
dei marmi (b). Sezioni sottili di marmi di Carrara
Homoblastic texture (a) vs. xenoblastic texture (b).
Thin sections of Carrara marbles
Marble in
Architecture
Towards Its
Reliable Use
2nd Part
GIANNI ROYER-CARFAGNI - DEPARTMENT OF CIVIL ENVIRONMENTAL ENGINEERING AND ARCHITECTURE, UNIVERSITY OF PARMA
1st Part published in Diamante A&T n°44
1. INTRODUCTION
2. THE PARADIGMATIC CASE OF ALVAR AALTO’S FINLAND HALL IN HELSINKY
3. EFFECTS OF THERMAL ACTIONS ON MARBLE
4. Microstructural characterization of marbles
Any marble is composed for more than 99% of pure calcite, whereas the other accessory components have pratically no
influence on the mechanical properties even if they are responsible of chromatic effects, likewise the veining.
The main difference in the examined types consists, at the microscopic level, in the textural arrangement of the
constituent calcite grains, which may range between the two extreme cases usually referred to as homoblastic (or
granoblastic) and xenoblastic. Thin sections of the two borderline cases of such textures are represented in Fig.17.
Of course, due to the higher imbrications, granular decohesion is certainly more favored in homoblastic than in xenoblastic marbles. This is at least partially confirmed by the fact that the line with lowest slope in Fig.16 (Diamante A&T n°44)
corresponds to xenoblastic marbles. Since so far the study has suggested that the grain texture may be a major qualifying characteristic, here we propose a simple method to describe the microstructural textures, based on the quantitative
classification of the geometric shape of the grains by means of indicators, likewise the grain area A, the perimeter p or
Oltre alla classificazione del materiale, si prenderanno qui
in esame anche possibili correlazioni tra i parametri che
definiscono la tessitura microstrutturale e le proprietà
meccaniche macroscopiche, come la resistenza alla flessione o la porosità. Degli studi recenti hanno infatti dimostrato che molte proprietà del marmo sono una conseguenza della microstruttura. Ad esempio, in (RoyerCarfagni, 1999a) si è evidenziato lo stato di tensione non
nullo al quale sono sottoposti i granuli in conseguenza a
variazioni termiche uniformemente distribuite nel corpo.
Questo stress è originato dalla dilatazione termica anisotropa della calcite che produce l’incongruenza delle deformazioni nel mosaico tessiturale a causa dell’orientamento
casuale dei granuli costituenti. In (Royer-Carfagni 1999a)
è stato dimostrato che gli stati di tensione più gravosi si
stabiliscono sul bordo dei grani, in particolare nei nodi
della tessitura dove convergono più di due grani.
Più in particolare, si è visto che tanto più aguzzo è lo spigolo del grano, tanto meno pericoloso è lo stato di tensione; questa constatazione potrebbe suggerire che i
marmi xenoblastici sono più resistenti rispetto alle qualità
omoblastiche. Le indagine sperimentali di altri autori
(Franzini, 1983) sembrano confermare questa tendenza.
Un ulteriore esempio di correlazione con le proprietà
microscopiche è dato dalla risposta dei marmi a sollecitazioni cicliche a fatica (Royer-Carfagni e Salvatore, 2000).
Anche in questo caso, i test hanno confermato che i
marmi xenoblastici sono, di norma, più resistenti rispetto
alle qualità omoblastiche. In conclusione, una caratterizzazione quantitativa delle proprietà microstrutturali può
consentire una previsione sulle proprietà meccaniche
macroscopiche e, cosa forse più importante, un’indicazio-
ne dell’attitudine naturale al danneggiamento per
decoesione granulare (Royer-Carfagni 1999a).
L’osservazione di sezioni sottili del materiale (Fig.17) ha
proposto le seguenti considerazioni qualitative (Forlani
et.al., 2000). Le tessiture omoblastiche contengono grani
convessi di varie dimensioni strettamente impacchettati
fra loro, mentre i grani che compongono le tessiture
xenoblastiche presentano dimensioni simili con molte
parti concave. Pertanto, come parametri rappresentativi
in grado di descrivere sinteticamente la forma dei grani è
naturale considerare l’area A e il perimetro P: infatti, per
lo stesso valore di P, l’area A è più piccola per le forme
concave rispetto a quelle convesse. Pertanto, il rapporto
A/P2 può rappresentare un parametro efficace per la
determinazione quantitativa del grado di “omoblasticità”.
Si possono però considerare altri parametri caratteristici
della forma del grano. In particolare, si può fare riferimento agli indici di forma di solito impiegati nella
Computer Vision (CV) (Gonzales & Woods, 1992), sviluppati in particolare per il riconoscimento automatico dei
caratteri di testo. Tra i vari indici utilizzati in questo
campo si trova infatti il rapporto A/P2, qui denominato
compattezza, e la convessità, definita come il rapporto
fra l’area A di una figura piana e l’area del suo inviluppo
convesso. Un terzo parametro in grado di definire la
rugosità del contorno è lo scheletro S (Jain, et al., 1995,
Parker, 1997). L’algoritmo numerico utilizzato in questa
ricerca trova lo scheletro nel modo seguente.
Per ogni punto interno alla figura, si calcola la distanza
dai punti di frontiera: se la funzione risultante ha più di
un minimo assoluto, in altre parole se almeno due punti
della frontiera presentano la stessa distanza minima,
Xenoblastico
Xenoblastic
A/P2<0,03
A/S2<0,04
A/(P*S)<0,035
Intermedio
Intermediate
0,03<A/P2<0,045
0,04<A/S2<0,08
0,035<A/(P*S)<0,06
Omoblastico
Homoblastic
A/P2>0,045
A/S2>0,08
A/(P*S)>0,06
the skeleton s, primarily used in the field of computer
vision. There may be other indicators of the form and
shape of the grains, an example of which is the Paris
Factor, but this has not been considered here.
Besides the material classification, we will examine now a
possible correlation between the microstructural parameters and mechanical macroscopic properties, likewise
bending strength or porosity. Recent studies have in fact
evidenced that many material properties may be influenced
by the underlying microstructure. For example, in (RoyerCarfagni, 1999a) the resulting state of stress in grains subjected to uniform thermal variations has been considered.
This stress is originated by the springing apart of contiguous grains due to the anisotropic thermal expansion of
calcite, since the grains are randomly oriented.
In (Royer-Carfagni 1999a) it has been shown that the most
dangerous state of stress is at the grain borders, in particular at the texture nodes where more than two grains
converge at one point. More in particular, the sharper are
the grain corners, the less dangerous is the resulting
stress, a finding which might suggests that xenoblastic
marbles are more resistant than the homoblastic qualities.
The experimental investigation of (Franzini, 1983) seems
to confirm this trend. Another example is given by the
Tab.1
Intervalli dei parametri
di forma per tessiture
xenoblastiche, intermedie e omoblastiche
Shape-parameter
range for xenoblastic,
intermediate and
homoblastic textures
fatigue response of marbles subject to cyclic uniaxial
(Royer-Carfagni e Salvatore, 2000). Also in this latter case,
tests have confirmed that xenoblastic marbles are, as a
rule, more resistant than the homoblastic ones.
In conclusion, a quantitative microstructural characterization can allow a prediction of macroscopic mechanical
properties and, what is more important as evidenced in
(Royer-Carfagni 1999a), an indication of the material
natural attitude to granular decohesion thermal damage.
Observation of material thin sections (Fig.17) has suggested the following qualitative considerations (Forlani et.al.,
2000). Homoblastic textures contain convex grains of various size closely packed together, whereas grains of almost
the same dimensions, mainly concave shaped, form
xenoblastic textures. Therefore, it is natural to consider as
representative parameters, able to describe the shape of
the grains, the area A and the perimeter P.
In fact, for the same value of P, the area is smaller for
concave than for convex grains. Therefore, the ration A/P2
may give an effective, quantitative parameter of the degree
of “homoblasticity”. Other characteristic parameters of the
grain shape may be considered. In particular, we may refer
to shape indexes usually employed in Computer Vision
(CV) (Gonzales & Woods, 1992), developed in particular
allora il punto di partenza appartiene a S.
Per figure definite da polilinee, S è composto (Fig.18) da
tre diversi tipi di linee: i) bisettrici di angoli acuti, ii) segmenti che sono equidistanti da due lati non adiacenti e
iii) archi di parabola (luogo dei punti equidistante da un
vertice e da un lato, nel caso sia presente un angolo
concavo). In generale, un granulo “grezzo” presenta uno
scheletro molto elaborato.
Per caratterizzare la forma, sono stati quindi considerati
quattro parametri distinti: A/P2, A/S2, A/(P·S) e P/S.
Il primo è indicativo della compattezza della figura, il
secondo è influenzato dalla rugosità del contorno, mentre
il terzo è intermedio tra i due. L'ultimo parametro (P/S) è
forse il meno discriminante in quanto, per lo stesso valore di P, figure molto simili posso presentare valori di S
molto diversi. Gli indici di forma sono stati calcolati utilizzando la funzione Image Processing disponibile in
MATLAB. Il metodo è stato prima testato con figure geometriche semplici e, successivamente, si è passato all’analisi delle forme dei grani osservati al microscopio attraverso sezioni sottili di materiale. Mentre si testava la procedura di elaborazione delle immagini con poligoni semplici, si è notato che forma dello scheletro appariva leggermente diversa da ciò che ci si sarebbe aspettato sulla
base della definizione.
Molto probabilmente questo è dovuto all’algoritmo
numerico con cui S è calcolato: il software estrae
lo scheletro con un procedimento di thinning modificato con procedura itera-
tiva. Il tempo di calcolo è ridotto, ma lo scheletro è solo
approssimato. In particolare, le piccole protuberanze del
contorno sono trascurate dall’algoritmo.
Al fine di valutare l'efficacia della classificazione ottenuta
con i parametri A/P2, A/S2, A/(P·S) e P/S, sono state
considerate 20 qualità di marmo di Carrara, che differiscono non solo per le loro proprietà meccaniche, ma
anche per l’orditura microstrutturale. In particolare, sono
state considerate 7 varietà di marmo xenoblastiche, 6
intermedie e 7 omoblastiche. Confrontando i risultati
dello studio con la classificazione qualitativa riportata in
letteratura (Gattiglio et al., 1980), si possono proporre
per la classificazione i limiti quantitativi dei parametri
riportati nella Tab.1. Il rapporto P/S, come era logico
aspettarsi, non appare correlabile. È interessante confrontare le proprietà meccaniche e fisiche di tali marmi,
presi di nuovo dalla letteratura tecnica (Gattiglio et al.,
1980) con la caratteristica dei loro indici microstrutturali.
Nella Fig.19 si riportano la resistenza nominale a flessione σf in funzione del coefficiente di forma A/P2.
Si osservi che, in generale, i marmi xenoblastici sono più
resistenti delle varietà omoblastiche. Nella stessa figura
si riporta anche un’interpolazione lineare dei dati con il
corrispondente valore di deviazione quadratica R2, definito come di seguito:
for the automatic recognisame value of P very
tion of text characters.
similar figures may present
Among the various indices
very different S.
used in this field, we
The shape indexes have
2
been calculated using the
indeed find A/P , now
Image Processing function
referred to as compactavailable in MATLAB.
ness, and the convexity,
We have first tested the
defined as the ration
Fig.18 Rappresentazione schematica dello scheletro per alcune figure piane
Schematic
representation
of
the
skeleton
of
some
plane
figures
method with simple
between A and the figure
geometrical figures and,
convex hull. A third paramsuccessively,
we
have
passes
to
the analysis of the grain
eter able to define the contour roughness is the skeleton S
shapes
microscopically
observed
through thin material
(Jain, et al., 1995, Parker, 1997). The numerical algorithm
sections.
Testing
the
image
processing
procedure with
used in this research finds the skeleton in the following
simple
polygons,
we
have
noticed
that
the
skeleton shape
manner: for each point internal to the figure, the distance
appears
different
from
what
expect
on
the
base
of the
from points of the border is calculated. If the resulting funcdefinition.
Most
likely,
this
is
due
to
the
algorithm
from
tion has more than one absolute minimum, in other words
which
S
is
defined:
the
software
extract
the
skeleton
using
if at least two points of the border presents the same minia
modified
thinning
using
an
iterative
procedure.
mal distance, then the points belongs to S.
For figures defined by polylines, S is composed (Fig.18) by Computing time is reduced, but the skeleton is only
approximated. In particular, very little protuberances are
three different kinds of lines: i) bisectors of acute angles, ii)
neglected by the algorithm. In order to evaluate the effisegments which are equidistant from two non-adjacent
ciency of the classification obtained through the paramesides and iii) parabola sectors (equidistant from one vertex
and one side, when a concave angle is present).
ters A/P2, A/S2, A/(P•S) e P/S, we have considered 20
In general, a rough grain presents a very elaborated skele- marble qualities, differing not only for their mechanical
properties, but also for the microstructural layout.
ton. Four distinct parameters have been considered for
In particular, we have selected 7 xenoblastic, 6 intermedishape characterization: A/P2, A/S2, A/(P•S) and P/S.
ate and 7 homoblastic Carrara marbles. Comparing the
The first should be indicative of the figure compactness,
results of our study with the qualitative classification taken
the second is influenced by the contour roughness, while
the third is intermediate between the two. The last parame- from the literature (Gattiglio et al., 1980), the quantitative
classification for marble textures reported in Tab.1 may be
ter (P/S) is perhaps the less discriminating, since for the
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
37
Fig.19 Resistenza nominale a flessione σf (MPa)
in funzione del coefficiente di forma A/P2
Bending strength σf (MPa) vs shape coefficient A/P2
dove N è il numero di elementi Yj della popolazione ed Y è
il corrispondente valore medio. Il valore R2≈0.165, piuttosto elevato, indica una ragionevole correlazione tra la resistenza alla flessione ed il grado di “xenoblasticità”.
Infatti, in generale i marmi omoblastici sono più deboli di
quelli xenoblastici. Le correlazioni ottenute attraverso
A/P2, A/S2, A/(P·S) sono molto simili (Forlani et.al., 2000)
e non sono state riportate per brevità. Naturalmente, non
tutte le proprietà del materiale sono correlabili con i coefficienti di forma microstrutturale. Per esempio, il peso per
unità di volume γ, riportato in Fig.20 in funzione del parametro A/S2, non ha chiaramente nulla a che vedere con la
disposizione microstrutturale. Ciò è evidenziato dal modesto valore della deviazione quadratica R2≈0.015, anch’esso riportato in figura. Analogamente, si nota una pressoché assenza di correlazione con l’altezza h di resistenza
all’impatto. Questo non deve sorprendere perché le fratture dovute all’urto sono principalmente transgranulari, per
cui l’influenza della microstruttura è praticamente nulla.
Analogamente, non sono state notate correlazioni apprezzabili fra la profondità di abrasione a e i parametri di
forma A/P2, A/S2, A/(P·S).
Una particolare attenzione dovrebbe essere prestata ai
grafici della Fig.21, che rappresentano il coefficiente di
imbibizione IC. Anche in questo caso, come aspettato, i
marmi xenoblastici presentano valori più piccoli di IC dei
marmi omoblastici. Inoltre si trova una buona correlazione
(R2≈0.5) fra il coefficiente IC e il grado di “omoblasticità”
del materiale, e questo forse necessita di una spiegazione.
La pratica corrente prescrive che il campione venga asciu-
Fig.20 Peso per unità di volume γ (Kg/m3) in
funzione del coefficiente di forma A/S2
Weight per unit volume γ (Kg/m3) vs shape
parameter A/S2
proposed. The ration P/S, as expected, cannot be correlated. It is interesting to compare the mechanical and physical
properties of such marbles, taken again from the technical
literature (Gattiglio et al., 1980) with the characteristic
indexes of their microstructural arrangement.
In Fig.19 we report the bending strength σf as a function of
the shape coefficient A/P2. Observe that, in general,
xenoblastic marbles are stronger than the homoblastic
varieties. The value of the deviation R2, defined as:
Fig.21 Coefficiente di imbibizione IC (% in peso)
in funzione del parametro di forma A/S2
Water adsorption coefficient IC (% in weight) vs.shape parameter A/S2
Fig.22 Resistenza a compressione σC (MPa) in funzione del
parametro di forma A/S2
Compression strength σC (MPa) vsshape parameter A/S2
where N is the number of elements Yj of the population and
Y is the corresponding average value, is also reported in the
graphs in correspondence of the interpolation line, obtained
using the least squares approximation.
The value R2≈0.165, sufficiently high, indicates a reasonable correlation between bending strength and degree of
“xenoblasticity”. In general homoblastic marbles are weaker
than xenoblastic marbles. The correlation obtained through
A/P2, A/S2, A/(P•S) are very similar (Forlani et.al., 2000) but
they have not reported here for the sake of conciseness.
Of course, not all the material properties are correlated with
the microstructural shape coefficients. For example, the
weight per unit volume γ, reported in Fig.20 as a function of
gato a circa 100°C prima di essere immerso in acqua.
Ma è stato visto che una tale aumento di temperatura è
in grado di danneggiare la microstruttura del materiale
provocando la decoesione granulare (Royer-Carfagni,
1999a). Gli esperimenti, corroborati da modelli teorici,
hanno confermato che le varietà xenoblastiche presentano una maggiore resistenza verso la decoesione granulare delle varietà omoblastiche. Di conseguenza, si può
ragionevolmente affermare che la procedura di prova per
la determinazione di IC non sia completamente corretta,
dal momento che la porosità aperta misurata dopo il
riscaldamento a 100°C non è la stessa di un materiale
vergine, ma piuttosto quella indotta dal trattamento termico. In altre parole, l'assorbimento di acqua IC misurato
con la procedura attuale appare più una misura della
predisposizione del materiale nei confronti della decoesione granulare, piuttosto che una misura assoluta della
porosità aperta. In questo senso, i risultati ottenuti fin
qui sembrano confermare per via indiretta la validità dell’approccio, ovvero la possibilità di caratterizzare attraverso l’esame microstrutturale molte importanti proprietà
del materiale. Considerazioni molto simili a quelle per il
coefficiente IC possono essere avanzate per ciò che
riguarda il coefficiente di dilatazione termica α (Forlani
et.al., 2000). Un ulteriore commento merita il grafico
della Fig.22, che riporta la correlazione fra la resistenza
nominale a compressione σc e il parametro A/S2 (la correlazione con A/P2, A/S2, A/(P·S) è ancora simile).
Al contrario di quello che uno si aspetterebbe, non c’è
una correlazione apprezzabile fra σc e i parametri di
forma, come confermato dai valori estremamente bassi
della deviazione quadratica (R2≈0.01).
Questo è dovuto al fatto che la rottura in compressione
(soprattutto quando sono utilizzati campioni cubici) è, di
norma, quasi “esplosiva”, con la conseguente apertura di
macrofratture. Queste sono principalmente transgranulari
e, di conseguenza, l'influenza della microstruttura non
può che essere limitata. Analoghe considerazioni valgono
per la resistenza a compressione dopo cicli di gelività,
per la quale tuttavia si è notato una minore dispersione
(R2≈0.05) di quella dei grafici della Fig.22 (Forlani et.al.,
2000), una constatazione che potrebbe essere spiegata
attraverso la minor resistenza nei confronti del congelamento e scongelamento dei marmi a tessitura omoblastica rispetto alle qualità xenoblastiche. In ogni caso, come
tendenza generale, si può concludere che la prova a
compressione non è correlata con eventuali differenze a
livello microstrutturale. In sintesi, per le 20 qualità diverse di marmo di Carrara prese in esame, si è mostrato
che i marmi xenoblastici presentano, nei confronti delle
qualità omoblastiche, più alta resistenza a flessione,
minore assorbimento d'acqua, più piccoli coefficienti di
dilatazione termica, più alto modulo elastico.
Altre proprietà meccaniche, come la resistenza a compressione (anche dopo cicli di congelamento e scongelamento), o la resistenza al’impatto, che dipendono principalmente dallo sviluppo transgranulare delle fratture, non
sono correlati con i parametri di forma. Tuttavia, una
buona correlazione è stata notata con il coefficiente di
imbibizione, che è funzione quasi lineare di uno qualsiasi
dei parametri di forma A/P2, A/S2 e A/(P·S).
the parameter A/S2, has clearly nothing to do with the
microstructural arrangement.
This is evidenced by the poor value R2≈0.015 of the
deviation, indicated in the same figure. A similarly poor
correlation is exhibited by the impact resistance h.
This is not surprising because the cracks produced during
the impact are mainly long, transgranular (cleavage)
fractures, upon which the grain microstructural arrangement can only have a limited influence.
Analogously, we cannot notice appreciable correlation
between the abrasion depth α and the shape parameters
A/P2, A/S2, A/(P•S). A particular attention should be paid to
the graphs representing the water adsorption coefficient Ic,
reported in Fig.21. Also in this cases, as should have been
expected, xenoblastic marbles present smaller values for Ic
than homoblastic marbles. For what the water adsorption
coefficient is concerned, we notice a very good correlation
(R2≈0.5) between the interpolation line and the experimental points, a finding for which an explanation can be
proposed. A common practive prescribes that the
specimen is dried up at around 100°C before it is merged
in water. But we have sufficiently demonstrated that such
a temperature level is sufficient to destroy the material
microstructure by provoking granular decohesion (RoyerCarfagni, 1999a). Experiments and theoretical modeling
have confirmed that xenoblastic textures present a greater
resistance towards granular decohesion than homoblastic
textures. Consequently, we may reasonably conjecture that
this testing procedure is not completely sound, since the
measured open porosity after heating the specimen at
100°C is not the same of a “virgin” material, but rather that
induced by the thermal treatment. In other words, the
water adsorption Ic, as presently measured, is a measure
of the material attitude towards granular decohesion, rather
than a measure of the open porosity itself.
In this sense, the results here obtained indirectly confirm
the soundness of the approach, i.e., the possibility of
characterizing through the microstructural examination
some significant material properties. Very similar considerations to those for the coefficient Ic can be advanced for
what the thermal dilation coefficient α is concerned (Forlani
et.al., 2000). A further comment deserves the graph of
Fig.22, reporting to the correlation between the compression strength σc and the parameter A/S2 (the correlation
with A/P2, A/S2, A/(P•S) are similar). On the contrary to
what one might have been expected, there is not an
appreciable correlation between σc and the shape parameters, as evidenced by the extremely low values of the
variance (R2≈0.01). This is because the compression
failure (especially when cubic specimens are used) is, as a
rule, almost “explosive”, with the consequent occurring of
macrocracks. Fractures are mainly transgranular and, consequently, the influence of the microstructural arrangement
is limited. An analogous consideration is valid for the
compression strength measured after freezing and thawing
cycles, for which we have noticed a lower dispersion
(R2≈0.05) than for the graphs in Fig.22 (Forlani et.al.,
2000), a finding which could be explained through the less
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
39
5. Un modello per la decoesione granulare
motivato a livello microstrutturale
Le osservazioni sperimentali confermano in modo definitivo che pochi gradi di aumento di temperatura, anche se
uniformemente distribuito nel campione, sono sufficienti
a provocare il progressivo distacco dei granuli di calcite
che costituiscono il marmo. Il tratto caratteristico di questo fenomeno è che i grani restano integri, senza tracce
di frattura transgranulare, ma piuttosto come se il loro
materiale cementante fosse andando progressivamente
distruggendosi (Fig.8b). Si ricorda che le possibili spiegazioni del fenomeno di decoesione granulare sono tradizionalmente ricondotte a tre possibili cause: i) l’attacco
chimico-fisico di cloruri e solfati (Winkler 1994); ii) l'azione meccanica dei sali solubili che, penetrando in soluzione, possono ampliare le fessure nelle quale sono percolati con l’aumentare del loro volume quando il solvente
evapora (Franzini, 1995); iii) le variazioni termiche, che
possono provocare una stato di autotensione all'interno
del materiale (Royer, Carfagni, 1999a).
Particolari condizioni igrometriche possono, ovviamente,
Fig.23 L’assemblaggio dei grani di calcite nel modello agli elementi finiti
The assemblage of calcite grains in the FEM model
Fig.24 Deformazione di origine termica in: (a) granuli di calcite orientati a
scacchiera; (b) granuli di calcite iso-orientati / Thermal strains in: (a) the
chessboard-oriented calcite grains; (b) the iso-oriented calcite grains
avere un effetto sinergico con le altre cause. Nonostante
non ci sia ancora accordo unanime, la nostra esperienza
personale sembra suggerire, in linea di massima, che gli
agenti i) e ii) hanno una importanza secondaria, almeno
per l’esempio paradigmatico della Casa della Finlandia. In
ogni caso, l’esame del curioso fenomeno di imbarcamento che si è verificato anche in altri edifici, dimostra che
l’attacco chimico si limita alla crosta superficiale e praticamente nessuna traccia di sali solubili può essere trovata all'interno della lastra, nonostante segni evidenti di
decoesione granulare. Pertanto, d'ora in poi l’attenzione
verrà concentrata sugli effetti delle variazioni termiche,
proponendo un modello semplice, motivato a livello
microstrutturale, che possa fornire una spiegazione del
processo di degrado in marmi sottoposti a variazioni termiche. In questa interpretazione, le cause della decoesione granulare sono attribuite all’anisotropia della dilatazione termica della calcite. La calcite cristallizza nel sistema romboedrico e, come risultato di questa asimmetria,
il suo coefficiente di espansione termica è maggiore nella
direzione dell’asse ottico che ortogonalmente a questo.
Di conseguenza, dato che i grani di calcite nel marmo
sono di solito orientati in modo casuale, qualsiasi aumento della temperatura, anche se uniforme, può produrre
una dilatazione che può diventare congruente solo a
prezzo di una deformazione elastica dei grani contigui,
dando origine ad un sistema interno di tensioni autoequilibrato. In un modello qualitativo, che riproduca senza
ridondanze tutte le caratteristiche essenziali del fenomeno, si immagina il marmo composto da un certo numero
di cristalli di calcite identici, in stato piano generalizzato
di tensione o di deformazione. A rigore, sono necessarie
resistance towards freezing and thawing of xenoblastic
marbles with respect to the homoblastic qualities.
In any case, as a general tendency, we can conclude that
the compression test in not correlated with possible differences at the microstructural level. In summary, for the 20
different qualities of Carrara marble considered, we have
shown that xenoblastic marbles present higher flexural
strength, smaller water absorption, smaller coefficient of
thermal dilatation, higher elastic modulus, than the
homoblastic qualities. Other mechanical properties,
likewise the compression strength (even after freezing and
thawing cycles) or the impact-test resistance, which mainly
depend on the development of transgranular microfractures, are not correlated with the shape parameters.
However, a very good correlation has been noticed for the
coefficient of water absorption, which increases almost linearly with the values of any of the shape-parameters A/P2,
A/S2 and A/(P•S).
5. A microstructural motivated model for
granular decohesion
Fig.25 Relazioni costitutive per gli elementi di tipo n (a) e per gli elementi di
tipo s (b) / Constitutive relationship for the n-type elements (a) and the s-type
elements (b)
Experimental observations have provided a wealth of
evidence that just a few degrees’ temperature increase,
even when uniformly distributed in the specimen, are sufficient to provoke the progressive detachment of the calcite
granules of which marble is constituted. The characteristic
feature of the phenomenon is that the grains remain integral, hardly showing any traces of transgranular cleavage
21 costanti elastiche per rappresentare l'elasticità della
calcite, ma qui si suppone, almeno in prima approssimazione, che il materiale sia omogeneo e elasticamente
ortotropo. Analogamente, si suppone l’ortotropia termica
rispetto alle stesse direzioni di simmetria elastica.
Pertanto, facendo riferimento ad un particolare sistema
ortogonale di assi (x1, x2), le relazioni costitutive per il
materiale qui considerato possono essere scritta nella
forma seguente:
dove σij and εij (i,j=1-2) rappresentano le componenti di
tensione e di deformazione rispettivamente, mentre ∆t
denota l’aumento di temperatura.
Per ciò che riguarda i moduli elastici e i coefficienti di
espansione termica, assumendo x2 orientato in direzione
dell’asse ottico della calcite, si trovano in letteratura
(Winkler, 1994) i valori riportati nella Tab.2.
Il più semplice assemblaggio di granuli cristallini che può
rappresentare convenientemente il fenomeno è
presentato in Fig.23. Qui, i
grani costituenti di forma
quadrata sono identici, ma
orientati in modo diverso.
In particolare, gli assi locali x1 dei grani indicati con
A sono orizzontali, mentre i grani di tipo B sono ruotati di
90 gradi. La deformazione dell’elemento assemblato conseguente ad una variazione di temperatura, in particolare
ad una diminuzione della temperatura, è qualitativamente del tipo rappresentato nella Fig.24a.
Le deformate dei grani sono la conseguenza della dilatazione termica anisotropa della calcite che, a causa del
particolare orientamento degli assi di ortotropia, produce
una distorsione elastica fra grani contigui e la nucleazione
di uno stato interno di autotensione. Naturalmente, se
tutti i granuli fossero iso-orientati, la deformazione risulterebbe come nella Fig.24b, perché la deformazione risulterebbe congruente fra grani contigui. È interessante
notare che ci sono materiali in natura composti da grani
di calcite iso-orientati. Un esempio rappresentativo è
l’onice, e per tale materiale, coerentemente coi dati della
Tab.2, il coefficiente di espansione termica risulta negativo se misurato in direzioni particolari. Per questo tipo di
materiali le variazioni termiche non inducono decoesione
granulare. Naturalmente, per passare da una previsione
qualitativa ad una quantitativa, è fondamentale saper
modellare le forze coesive di interfaccia fra grani contigui.
Da un punto di vista sperimentale questa valutazione è
difficilissima.
Qui, in via approssimata,
le forze di interfaccia
sono simulate con elementi truss, molto più
corti del diametro del
grano, caratterizzati da
una relazione costitutiva
elastica non-lineare,
Tab.2 Valori dei parametri elastici e dei coefficienti di espansione termica
per il modello di calcite / Values of the elastic parameters and
coefficients of thermal expansions for modeling the calcite response
fracture, but rather look as if their cementing material had
been gradually destroying.
We recall that possible explanations of the decohesion
phenomenon essentially involve three different possible
causes: i) the chemical-physical attack of sulfates and
chlorides (Winkler 1994); ii) the mechanical action of
soluble salts which, penetrating in a solution, increase their
volume when the solvent evaporates and may expand
existing cracks (Franzini, 1995); iii) thermal variations,
which may cause a self-equilibrated state of stress inside
the material (Royer-Carfagni, 1999a).
Particular hygrometric conditions may, of course, have a
synergetic effect with the other causes. Despite a universal
agreement has not been found yet, our personal experience seems to suggest, albeit tentatively, that the agents i)
and ii) have a side importance, at least for the paradigmatic case of Finland Hall. Examination of the curious bowing
phenomenon occurred in a number of other monuments,
shows that chemical attack is confined to the superficial
crust and hardly any trace of soluble salts can be found
inside the slab, despite the evident signs of granular decohesion. We will now focus our attention on the effects of
thermal variations and we will propose a simple micromechanically motivated model, which can provide an
explanation of the degradation process in marbles subjected to thermal changes. In our interpretation, the causes of
decohesion are attributed to the anisotropy of the thermal
expansion of calcite. Calcite crystallizes in the rhombo-
hedric form and, as a result of this asymmetry, its coefficient of thermal expansion is greater in the direction of the
optic axes than at right angle to that. Consequently, since
the grains of marble are usually randomly oriented, any
temperature increase, even if uniform, may produce the
springing apart of contiguous grains, resulting in a
self-equilibrated state of stress. In order to present a qualitative model, which without redundant hypotheses reproduces all but the basic features of the phenomenon, we
consider a marble portion composed of a certain number
of identical calcite grains in generalized plane stress or
plane strain. Rigorously speaking, 21 elastic constants are
necessary to represent the elasticity of calcite, but here we
will assume, at least as a first order approximation, that the
material is elastically homogeneous and orthotropic.
Analogously, we will assume thermal orthotropy with
respect to the same directions of elastic symmetry.
Therefore, referring to a particular orthogonal system of
axes (x1,x2), the constitutive relations for the material here
considered can be written in the form:
where σij and εij (i,j=1-2) represent the components of
stress and strain respectively, whereas ∆t denotes the
temperature increase. For what the elastic moduli and
coefficients of thermal expansion is concerned, if x2 is
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
41
strain softening. Gli elementi truss sono di due tipi diversi
indicati per comodità con le lettere n e s. Gli elementi n
sono ortogonali al bordo dei grani, mentre gli elementi s
sono inclinati a 45°, formando così le diagonali di una
ideale struttura reticolare. È chiaro che, al prim’ordine,
gli elementi s modellano la risposta dello strato di contatto nei confronti delle azioni taglianti. La relazione costitutiva per le barre di tipo n è rappresentata nella Fig.25a.
La pendenza del ramo di compressione, indicato con Kn,
è stata calcolata per essere paragonabile con l’elasticità
della calcite stessa al fine di riprodurre le forze di contat-
Fig.26 Componenti di sforzo normale (a) tangenziale (b), corrispondenti
a ∆t =- 60°C / Normal (a) and shear (b) components of stress
corresponding to ∆t = - 60°C
Fig.27 Sezione sottile del marmo di tipo V, con grani formati da cristalli
geminati (a). Deformazione dell’assemblaggio dei grani di tipo V per
∆t = - 60°C, spostamenti amplificati 100 volte (b)
Thin section of type V marble, with grains formed by geminated crystal (a).
Deformation of the grain assemblage of V-type grains for ∆t = - 60°C,
displacements 100 x magnified (b)
oriented in the direction of the optic axis of calcite, we
assume from the Literature (Winkler, 1994) the values
reported in Tab.2. The simplest assemblage of crystal
granules that can conveniently represent the phenomenon
is presented in Fig.23. Here, the constituent squareshaped grains are identical, but are differently oriented.
In particular, the local x1 axis of those grains labeled with
an A letter is horizontal, whereas the B grains are rotated
of 90°. The deformation of the assemblage consequent to
a temperature variation, in particular for a temperature
decrease, is qualitatively of the type represented in
Fig.24a. The resulting grain shapes are the consequence
of the anisotropic thermal expansion of calcite which,
because of the particular orientation of the orthotropy axes,
produces the springing apart of contiguous grains and the
nucleation of an internal stress state. Of course, if all the
grains were oriented in the same direction, the resulting
deformation would have been as in Fig.24b, because now
the deformation of contiguous grains would perfectly fit
together. It is interesting to notice that there are materials
in nature composed of iso-oriented calcite grains.
to quando i grani vengono premuti insieme. Per quanto
riguarda la risposta a trazione, i parametri di riferimento
sono rappresentati dal carico e dalla deformazione di
picco, Fpn e εpn, e dalla deformazione ultima εun.
Questi parametri sono stati calcolati a partire dalle prove
di trazione diretta (Cattaneo & Rosati, 1999) discusse in
(Iori & Royer-Carfagni, 2001), qui non riportate per brevità, nelle quali assumendo che la tensione sia uniforme
nel provino è possibile stimare Fpn e misurare sia εpn che
εun. La corrispondente energia di frattura è stata confrontata con il valore specifico ottenuto con una procedura
sperimentale alternativa (Belletti et al. 2000).
La relazione costitutiva per gli elementi di tipo s è invece
rappresentata nella Fig.25b. Per simmetria si tratta di
una funzione dispari dello strain per la quale i parametri
corrispondenti, εps e εus, sono stati presi, in prima
approssimazione, uguali a εpn e εun. Si è assunto inoltre
che Fps=Fpn. Questa procedura non è molto coerente da
un punto di vista scientifico, ma adesso l’obiettivo consiste principalmente nella riproduzione del fenomeno della
decoesione granulare, piuttosto che nella precisa calibrazione quantitativa del modello. Per la corretta determinazione dei vari parametri saranno necessari programmi
sperimentali più raffinati. Le Figg.26a e 26b riportano la
tensione di contatto normale e tangenziale corrispondente alla simulazione di Fig.24a. Tali valori sono stati calcolati supponendo che il carico assiale negli elementi della
travatura reticolare sia distribuito uniformemente sulla
porzione di competenza del bordo del grano.
In generale, nell’ipotesi di piccole deformazioni, gli elementi di tipo s sono responsabili delle azioni taglianti,
Onyx is a representative example and for such a material,
consistently with the data in Tab.2, the coefficient of
thermal expansion is negative when measured in particular
directions. For such materials, thermal variations do not to
induce granular decohesion. Of course, in order to pass
from a qualitative to a quantitative prediction, it is fundamental to model the interface cohesive forces between any
two contiguous grains. From an experimental point of view,
this is a formidable task that can be only partially completed. Albeit tentatively, the interface contact forces are simulated by truss elements, much shorter than the grain diameter, obeying to an elastic, non-linear, softening constitute
relation. The bars are of two different types and, for
convenience, will be referred to using the labels s and n.
Elements n are placed at right angle to the grain boundaries, whereas the s elements are at 45° with respect to
them, forming the diagonal of an ideal truss. It is clear that,
to the first order, the s-elements model the contact layer
response to shear actions. The constitutive relationship for
the n-type bars is represented in Fig.25a. The slope of the
compression branch, indicated with Kn, has been calculated to be comparable to the elasticity of calcite itself, in
order to reproduce the contact forces when grains are
pressed together. Representative parameters for what the
tensile response is concerned are represented by the peak
load and peak strain Fpn and εpn and by the ultimate strain
εun. These parameters have been calculated from direct
tensile tests (Cattaneo & Rosati, 1999) described in (Iori &
Royer-Carfagni, 2001), here not reported for the sake of
conciseness. Assuming that the stress is uniformly distributed across the crack surface, it has then been possible to
mentre sia gli elementi s che gli elementi n contribuiscono alla componente normale. Commentando per prima la
Fig.26a, si nota che la risultante delle tensioni che agiscono su ciascuno dei lati del grano sono nulle.
Si nota inoltra che la porzione centrale di ciascun lato è
compressa, mentre le tensioni sono di trazione in prossimità degli spigoli dei grani, in particolare in quelle direzioni dove il materiale si deforma maggiormente.
Il diagramma delle azioni taglianti, riportato nella
Fig.26b, è rappresentato per simmetria da una funzione
dispari. È interessante notare che, a parte una piccola
porzione centrale, gli sforzi taglianti si sviluppano su
tutto il bordo. Questo non è sorprendente in quanto è
evidente dalla Fig.24a che la dilatazione termica anisotropa induce lo “scorrimento” relativo dei grani al quale
si oppone la resistenza al taglio dello strato di interfaccia.
Il decadimento dell’azione tagliante in prossimità degli
spigoli dei grani è dovuto al cedimento di alcuni degli
elementi di tipo s, che entrano nel ramo strain softening
(Fig.25b). In particolare, il cedimento si realizza prima
negli elementi diagonali che collegano fra loro gli spigoli
dei grani in prossimità del nodo della tessitura.
Tale zona, come risultata chiaro anche dalla Fig.24a, è di
solito il punto più “critico” dell’assemblaggio.
Un caso interessante è quello di un particolare marmo, di
seguito denominato di tipo V, di cui una sezione sottile è
rappresentata nella Fig.27a. La particolarità di questo
materiale è che ciascun grano componente risulta formato da cristalli geminati di calcite.
Un schema-modello può essere ottenuto con la stessa
disposizione a scacchiera della Fig.23, con la differenza
che ora ogni grano è formato da elementi orientati a
scacchiera, mentre nel caso precedente ogni grano era
costituito da elementi iso-orientati ed erano i grani ad
essere disposti a scacchiera. Ne consegue che la risposta
di ogni grano è, in media, isotropa.
La simulazione numerica corrispondente al caso del
marmo di tipo V è rappresentata in Fig.27b, dove le differenze con le simulazioni di Fig.24a-b è sono immediatamente riconoscibili. In particolare, l’interfaccia fra
grano e grano non è sottoposta a tensione.
Va detto che questo tipo V di marmo ha mostrato un
eccellente comportamento nei test dilatometrici nel
senso che la dilatazione permanente è risultata trascurabile, mentre la deformazione media variava quasi linearmente con la temperatura. In conclusione, nonostante
tutte le approssimazioni introdotte che rendono ogni considerazione valida solo a livello qualitativo, il modello
appare in grado di riprodurre le caratteristiche di base
della decoesione granulare per effetto delle variazioni
termiche. La simulazione numerica indica che, in accordo
con l’analisi elastica approssimata di (Royer-Carfagni,
1999a), le condizioni più critiche di tensione si verificano
al bordo dei grani, il che giustifica la natura intergranulare piuttosto che transgranulare delle fessure.
Inoltre, le concentrazioni di sforzo si manifestano negli
spigoli dei grani, in prossimità dei nodi della tessitura
micro strutturale. Tali concentrazioni producono il cedimento degli elementi truss vicini (che modellano lo strato
d'interfaccia), che simulano il danneggiamento delle forze
coesive che tengono uniti i granuli tra loro. In particolare, si può dedurre che il meccanismo di rottura è principalmente dovuto alle sollecitazioni taglianti che, in modo
analogo all’apertura in modo II delle fessure, producono
estimate Fpn and to measure both εpn and εun.
The corresponding fracture energy, has been compared
with the specific fracture energy obtained with an alternative experimental procedure (Belletti et al. 2000).
The constitutive relationship for the s-type elements is
instead represented in Fig.25b. This is an odd function in
the strain and the corresponding parameters εps and εus
have been taken, as a first order approximation, equal to
εpn and εun. Besides, we have taken Fps=Fpn.
We understand that this procedure is not scientifically
sound, but our aim here consists mainly in reproducing the
phenomenon of granular decohesion, rather than presenting a precisely-calibrated quantitative model. More refined
experimental techniques will be necessary for the proper
determination of all these representative parameters.
For a representative grain, Figs 26a and 26b represent the
normal and tangential components of contact stress for the
simulation of Fig.24a. Such values have been calculated
assuming that the axial load in the truss elements is uniformly distributed upon an appropriate portion of the grain
boundary. In general, since we assume that both strains
and local rotations are small, the s-type members are
responsible of the shear stress, whereas both s and n-type
members contribute to the normal component.
Commenting first Fig.26a, we notice that the resultant of
the normal stress acting on each one of the sides of the
grain is practically zeroed. We also observe that, in general, the central portions on each side is compressed whereas tensile stresses act in proximity of the grain corners,
particularly in the direction where the material shrinks the
most. The shear stress diagram, reported in Fig.26b, is, by
symmetry, represented by odd functions. It is interesting to
notice that, apart from a small central portion, important
shear stresses are present on the whole grain boundary.
This is not surprising since it is clear, observing also
Fig.24a, that the anisotropic thermal expansion induces the
relative “sliding” of continuous grains, which is opposed by
the shear resistance of the interface layer.
The decay of the shear stress on the horizontal sides of
the grain, in proximity of the grain corners, is due to the
yielding of some of the s-elements there located, which
enter the softening branch (Fig.25b). In particular, yielding
is in general achieved in the diagonal truss members
connecting the corners of the grains at a texture node.
Such point, as it is clear also from Fig.24a, is usually the
“critical” point of the assembly.
An interesting case is that of a very particular marble type,
here referred to as type V, whose thin sections are
represented in Fig.27a. The peculiarity of this is that each
constituent grain is formed by geminated crystals.
A schematic model may be obtained with the same
chessboard assembly of Fig.23, with the difference that
here each grain is formed by diversely chessboard-oriented elements, while in the former cases each grain was
formed by equally oriented elements and the chessboard
arrangement was formed by the constituent grains.
It follows that the response of each grain is, in the average,
isotropic. The numerical simulation corresponding to the
case of V-type marble is represented in Fig.27b, where the
differences with the simulations of Figs.24a-b is immediately detectable. In particular, the grain-to-grain interface is not
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
43
lo scorrimento relativo del bordo dei grani.
Come ultima osservazione, il modello indica che se si
assumono leggi costitutive per l’interfaccia coesivo del
tipo considerato, le variazioni di temperatura negative
sono più pericolose di quelle positive perché producono
maggiori sforzi di trazione.
Questo risultato fornisce una possibile spiegazione del
perché, come confermato dalla esperienza, il marmo si
deteriora più marcatamente negli edifici esposti ai climi
freddi piuttosto che ai climi caldi.
6. Discussione e conclusioni
6.1. DEFINIZIONE E SPIEGAZIONE DELLA DECOESIONE GRANULARE
E DELL’IMBARCAMENTO DELLA FACCIATA DELLA CASA DELLA
FINLANDIA, PRESA COME ESEMPIO PARADIGMATICO
Il degrado della facciata in marmo della Casa della
Finlandia, come discusso nella sezione 2, è certamente
causato dalla decoesione granulare. Le indagini microscopiche al SEM hanno dimostrato senza dubbio che i granuli di calcite si staccano l’uno dall’altro, senza alcun segno
di frattura transgranulare. Molte sono le cause che possono produrre la decoesione granulare. Quel che è certo
è che le variazioni termiche, anche se distribuite in modo
uniforme in tutto il corpo, sono in grado di produrre un
tipo di danno che presenta le stesse caratteristiche
microscopiche dei danni osservati sulla facciata della
Casa della Finlandia. Le indagini al SEM evidenziano
infatti i segni caratteristici della decoesione granulare:
fratture intergranulari e distacco dei grani. I test effettuati hanno fornito ampia prova che gli agenti atmosferici,
come ad esempio l'umidità e le piogge acide, possono
avere un’azione sinergica con le variazioni di temperatu-
stressed. It should be mentioned that V-type marbles
showed excellent response in the dilatometric tests in the
sense that permanent dilation was negligible and the specimen showed a thermal strain varying almost linearly with
temperature. In conclusion, despite all the approximations
introduced which render any consideration valid only at the
qualitative level, the model appears capable of reproducing
the basic features of the granular decohesion damage due
to thermal actions. The numerical simulation shows that,
in agreement with an approximate analytical solution
discussed elsewhere (Royer-Carfagni, 1999a), the stress
state is the most critical at the grain borders, thus justifying
the intergranular, rather than transgranular, nature of
fractures. Moreover, stress concentrations appear at the
grain corners, in proximity of the texture nodes.
Such concentrations produce the yielding of the neighboring truss elements (modeling the interface layer), an indication of ongoing damage in the cohesive bonding between
the grains. In particular, we can infer that the collapse
mechanics is due to shear stresses which, similarly to
mode II fracture, produce the relative sliding of the grain
boundaries. As a final remark, the model indicates that, as
a consequence of plausible constitutive laws for the cohesive interface layer, negative temperature variations are
more dangerous than positive variations because they are
associated with larger tensile stress. This finding provides
a possible explanation of why, as confirmed by experience,
marble deterioration is more pronounced in monuments
exposed to cold rather than warm climates.
ra, accelerando il processo di degrado. In particolare, l'umidità facilita lo scorrimento relativo dei grani componenti, accelerando l'eventuale rottura del legame di interfaccia. Per passare da una descrizione qualitativa ad una
quantitativa sono tuttavia necessari ulteriori studi.
L'attitudine nei confronti della decoesione granulare varia
comunque da marmo di marmo. La ricerca ha sempre
mostrato che, di norma, la quantità di danno indotta
attraverso il condizionamento termico è maggiore nei
marmi a tessitura omoblastica che in quelli a tessitura
xenoblastica. La ragione di questo comportamento è
stata illustrata nella sezione 4, quando si è discussa la
correlazione tra la tessitura dei grani e le proprietà meccaniche, e nella sezione 5, per mezzo di un modello semplice motivato a livello microstrutturale. In pratica, la
resistenza offerta dalla maggior connessione dei contorni
frastagliati dei grani xenoblastici è certamente superiore
a quella offerta dalle qualità omoblastiche. Uno dei risultati forse più interessanti di questo studio è che il tipo di
mosaico formato dalla tessitura microstrutturale è una
delle principali caratteristiche di qualificazione per selezionare marmi in grado di resistere nel corso degli anni.
Le prove dilatometriche, brevemente discusse nella
sezione 3, hanno mostrato che, a livello macroscopico, la
decoesione granulare produce una dilatazione permanente del campione, il cui ammontare dipende fortemente
dal tipo di condizionamento termico. In particolare, tanto
più grande è l’intervallo di temperatura e più alto il
numero di cicli, tanto maggiore è la dilatazione risultante.
La presenza di umidità può accelerare il processo di
degrado. Pertanto, vi sono motivi per ritenere che l'imbarcamento dei pannelli della facciata sia dovuto ad un
6. Discussion and conclusions
6.1. DEFINITION AND
EXPLANATIONS FOR GRANULAR DECOHESION
AND BOWING OF THE FAÇADE PANELS OF
FINLAND HALL, TAKEN AS
A PARADIGMATIC EXAMPLE
The degradation experienced in Finland Hall façade, as
discussed in Section 2, is certainly due to marble granular
decohesion. SEM microscopic investigation have shown
with no doubt that the calcite constituent grains detach the
one from the other, with no sign of transgranular fracture.
Many are the causes which can produce granular decohesion. What is certain is that thermal variations, even when
uniformly distributed throughout the specimen, can produce a kind of damage that presents the same microscopic
characteristics of the damage observed in Finland Hall
façade. SEM investigations have in fact evidenced the
characteristic signs of granular decohesion: intergranular
fractures and grain detachment. Our tests have provided a
wealth of evidence that weathering agents, such as humidity and acid rain, may have a synergetic action with temperature variations, accelerating the degradation process.
In particular, humidity facilitates the relative sliding of the
constituent grains, accelerating the eventual rupture of the
interface bonding. In order to pass from a qualitative to a
quantitative description, further studies are however necessary. The attitude towards granular decohesion varies from
marble to marble. Our research has always shown that, as
a rule, the amount of damage introduced through thermal
conditioning is greater in homoblastic than in xenoblastic
marbles. The reason for these has been explained in
gradiente del livello di decoesione granulare nello spessore del marmo. Le attente misurazioni effettuate in-situ
hanno confermato che le condizioni termo-igrometriche
sono diverse tra la superficie interna e quella esterna
delle lastre della facciata.
Tale differenza è risultata, a dire il vero, molto maggiore
di quello che era stato stimato. Confrontano i risultati
delle prove dilatometriche con le effettive condizioni
termo-igrometriche rilevate in-situ, si può calcolare che
tali differenze possono essere sufficienti per provocare
l'imbarcamento dei pannelli in marmo.
L’imbarcamento può anche essere provocato dal rilascio
delle tensioni interne indotte dall’azione millenaria delle
pressioni tettoniche ma, secondo noi, in questo caso i
sintomi sarebbero alquanto diversi da quelli osservati
nella Casa della Finlandia. Inoltre, l’aggancio e la giunzione fra i pannelli di marmo non sembra avere un’apprezzabile influenza sul fenomeno di imbarcamento.
Le fotografie dei pannelli degradati della vecchia facciata
(Fig.1) mostrano chiaramente che ci sono porzioni di
lastra completamente libere da qualsiasi vincolo e che
tuttavia si imbarcano secondo una superficie a doppia
curvatura. Tale curvatura può essere spiegata solo ipotizzando un incremento isotropo della dilatazione superficiale, anche se in misura diversa tra le superfici interna
ed esterna. Analogamente, le dimensioni del pannello
non modificano sensibilmente la curvatura della lastra
deformata. Naturalmente, a parità di curvatura, il conseguente spostamento fuori piano della lastra sarà proporzionale alla sua estensione, ma questo è soltanto un
aspetto formale. Non vi sono pertanto ragioni per giustificare come il danneggiamento per decoesione granulare
potrebbe essere influenzato dalle dimensioni del pannello, dal momento che questo è il risultato di un processo
fisico completamente indipendente. Comunque, lo spessore del pannello può influenzare il fenomeno di imbarcamento per due motivi. Da un lato, più spesso è il pannello, maggiore è l'isolamento termico che presenta.
Di conseguenza, pannelli spessi aumentano le differenze
termo-igrometriche tra le superfici interna ed esterna del
rivestimento, che possono indurre un tasso diverso del
processo di degradazione fra le due superfici.
Siccome l’incurvamento è dovuto al gradiente di danneggiamento, da questo punto di vista, sono da preferire
lastre sottili. D’altra parte, per le stesse differenze di
deformazione permanente fra interno ed esterno, la curvatura che ne consegue è inversamente proporzionale
allo spessore del pannello. Secondo questa logica, i pannelli sottili dovrebbero essere evitati.
Nonostante questi aspetti non siano stati studiati a
fondo, si può tuttavia ritenere ragionevolmente che il
primo e il secondo effetto più o meno si compensino, per
lo meno per spessori dell'ordine di 2-4 cm.
D’altra parte, la ventilazione della facciata ha una grande
influenza sul fenomeno di imbarcamento, in quanto può
incrementare le eventuali differenze in termini di condizioni termo-igrometriche fra l'interno e l'esterno del rivestimento. In particolare, una ventilazione poco efficiente
potrebbe produrre temperature più alte e, in più, un
tasso maggiormente elevato di umidità nell’intercapedine
di ventilazione. D’altra parte, una ventilazione troppo
efficace potrebbe produrre il risultato opposto.
In altre parole, vi sono motivi per ritenere che il grado
d’incurvamento e, in alcuni casi, anche la direzione di
Section 4, when discussing the correlation between grain
texture and mechanical properties, and in Section 5, by
means of a microstructural motivated model.
In practice, the connection resistance offered by the wiggly
grain contours of xenoblastic marbles is certainly greater
than that offered by the homoblastic qualities.
One of the most interesting results of this study is that the
mosaic texture is one of the major qualifying characteristics
to select marbles able to endure other the years.
The dilatometric experiments, briefly discussed in Section
3, have demonstrated that granular decohesion produces,
at the macroscopic level, a permanent dilatation of the
specimen. The amount of permanent dilatation is strongly
dependent upon the type of thermal conditioning.
In particular, the larger the temperature intervals and the
higher the number of cycles, the greater the dilatation
results. The presence of humidity may accelerate the
degradation process. Therefore, there are reasons to
believe that the warping of the façade panels is due to a
gradient of the granular decohesion level through the
marble thickness. Careful in-situ measurements have confirmed that the thermal-hygrometric conditions are different
between the inner and the outer surface of the façade
slabs. Such difference is much greater than we would have
expected. Comparing the results of dilatometric tests with
the thermal-hygrometric condition measures in situ, it can
be calculated that such differences may be sufficient to
provoke warping of the marble panels.
Bowing can also be produced by the release of internal
stress stored in marble portions due to millenary tectonic
pressures. However, in our opinion, the symptoms are
quite different from those noticed in Finland Hall.
Moreover, fixing and joining of the marble panels does not
seem to have a consistent influence on the bowing phenomenon. The photographs of the warped panels of the
old façade clearly show that also slab portions completely
free from any constraint bent in a double-curvature
surface. Such a curvature can be explained only assuming
an isotropic dilatation, though different between the inner
and the outer surfaces. Similarly, panel size do not alter
sensibly the resulting curvature of the deformed slabs.
Of course, assuming the curvature to be constant, the
resulting sag will be proportional to the slab width and
height, but this is a matter of appearance only.
There are no reasons to justify why the granular-decohesion damage should be affected by the panel size, since it
results from a completely independent physical process.
However, panel thickness may influence bowing for two
reasons. On the one hand, the thicker is the panel, the
greater is the thermal insulation it presents.
Consequently, thick panels increase the thermal-hygrometric differences between the inner and outer surfaces of the
cladding, thus producing a different rate in the degradation
process. Since warping is due to damage gradient through
the panel thickness, from this point of view thin slabs are
preferable. On the other hand, for the same differences of
permanent-elongation between inner and outer surfaces,
the resulting curvature is inversely proportional to the panel
thickness. Following this second rationale, thin panels
should be avoided. Despite these aspects have not been
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
45
incurvamento (concava o convessa) potrebbe dipendere
dall’efficienza della ventilazione.
Il cedimento meccanico dei pannelli danneggiati è piuttosto insidioso perché, purtroppo, sintomi macroscopici
della decoesione granulare sono difficili da trovare.
Il fenomeno di danneggiamento è molto lento ma, alla
fine, come conferma l'esperienza con la vecchia facciata,
il marmo si riduce quasi ad aggregato incoerente di granuli di calcite con resistenza meccanica quasi nulla, che
può essere ridotto in polvere con la semplice pressione
delle dita. Naturalmente, delle prove distruttive possono
rivelare il decadimento delle proprietà meccaniche, ma
ad occhio nudo non è possibile valutare alcun segno del
progredire della decoesione granulare. Da questo punto
di vista l’imbarcamento può essere un utile indicatore di
progressione del danno, ma ci potrebbero essere anche
casi (ad esempio quando entrambe le superfici delle
lastre sono nelle stesse condizioni termo-igrometriche)
nei quali il danno non è accompagnato da incurvamento.
In questi casi la rottura potrebbe verificarsi in modo
imprevisto, con i rischi che tutti possiamo immaginare.
6.2.MODI
DI DETERMINARE L’IDONEITÀ DI UN DATO MARMO PER IL
RIVESTIMENTO DI UNA FACCIATA
La resistenza del materiale cementante che lega i granuli
di calcite costituenti sembra essere il principale parametro che caratterizza l’attitudine del marmo alla decoesione granulare. Naturalmente, una valutazione di tale resistenza può essere eseguita solo per via indiretta e, pertanto, il principale campo di applicazione della attività
sperimentale di questa ricerca è nella definizione di procedure convenienti per una tale misura.
fully investigated, we believe that the first and second
effects more or less compensate one another, at least for
thickness of the order of 2-4 cm. On the other hand, the
façade ventilation has a primary influence on the bowing
phenomenon, since it may increase possible differences in
the thermal-hygrometric conditions between the inner and
the outer surfaces of the cladding. In particular, scarcely
efficient ventilation might produce higher temperature and,
what is more, higher humidity in the ventilation gap.
On the other hand, very effective ventilation might produce
the opposite result. In other words, there are reasons to
believe that the bowing degree and, in some cases, even
the direction of bowing (convex vs. concave) might depend
upon the efficiency of the ventilation. Failure mechanism
for damaged panels is rather subtle. Unfortunately, macroscopic signs of granular decohesion are hard to find.
The damaging action is very slow, but eventually, as the
experience with the old façade confirms, marble reduces to
an almost inconsistent aggregate of granules, with almost
zero mechanical resistance and that can be reduced to
powder with the simple finger pressure. Of course, destructive tests can reveal the decay of mechanical properties,
but no signs of progressing granular decohesion can be
noticed with the naked eye. From this point of view, warping can be a useful indicator of damage progression, but
there might be also cases (for example when both slab
surfaces are in the same thermo-hygrometric conditions)
where damage is not accompanied by bowing.
In this case, failure might unexpectedly occur, with the risks
we can all imagine.
Di solito, tanto più sofisticate sono le prove, tanto più
affidabili sono i risultati ottenibili, ma occorre sempre
cercare un compromesso tra fattibilità e precisione.
Di conseguenza, sono stati proposti vari test che forniscono una caratterizzazione a diversi livelli di accuratezza. Le prove di trazione diretta (Iori & Royer, 2001) sono
efficaci, ma difficili da eseguire e richiedono un’apparecchiatura molto sofisticata, sebbene siano le sole che permettano la valutazione diretta della resistenza media
delle forze coesive che cementano i grani fra loro.
Indicazioni ulteriori possono essere ottenute dalla valutazione dell’energia di frattura, ad esempio con prove di
flessione su travette pre-fessurate (Belletti et. al., 2000),
che consentono una buona caratterizzazione dei vari
materiali: ancora una volta marmi a microstruttura xenoblastica mostrano i valori più alti dell’energia di frattura.
Anche le prove con il dilatometro (Royer-Carfagni, 2004)
possono chiaramente evidenziare la predisposizione del
marmo verso la decoesione granulare.
Queste costituiscono probabilmente la soluzione migliore
quando si richiede una precisa, anche se non completa,
caratterizzazione del materiale. Questa ricerca ha inoltre
evidenziato come, in generale, le prove di compressione
non siano adatte per la caratterizzazione del materiale.
Infatti, in questo caso, la natura transgranulare delle
fratture che accompagnano la rottura non consente una
valutazione della connessione tra i grani.
Quando ci si possono permettere solo test standard, fra
tutte le prove meccaniche quella che sembra essere la
più adatta è la prova di resistenza a flessione, possibilmente corredata dalla registrazione del corrispondente
diagramma carico-freccia. Le prove di flessione possono
6.2 ASSESSMENT OF THE
SUITABILITY OF A GIVEN MARBLE
FOR FAÇADE CLADDING
The resistance of the cementing forces that connect the
calcite constituent granules appears to be the leading
parameter characterizing marble attitude towards granulardecohesion damage. Of course, the evaluation of such a
resistance can only be performed indirectly. Therefore, the
principal scope of the experimental activity of this research
has been the definition of convenient procedures for such
a measurement. Usually, the more sophisticated the tests,
the more reliable results can be obtained, but a compromise should be searched between practicability and accuracy. Consequently, various tests, providing a characterization at different levels of accuracy, have been proposed.
Direct tensile tests (Iori & Royer, 2001) are effective, but
difficult to perform and require a very sophisticated apparatus, although they are the only tests that permit a direct
measure of the average resistance of the cohesive forces
cementing the grains together.
A further indication can be obtained through the evaluation
of the fracture energy using bending tests on pre-cracked
beams (Belletti at.al., 2000), which allow a good characterization of the various materials: again xenoblastic-texture
marble show the greatest value of the fracture energy.
Moreover, dilatometric tests (Royer-Carfagni, 2004) clearly
represents the attitude of marbles towards granular decohesion. They probably constitute the best solutions when a
precise, though not complete, characterization is required.
This research has also highlighted that in general compression tests are not suitable for material characterization.
In fact, in this case, the trangranular nature of fractures that
dare anche un’indicazione approssimativa dell’energia di
vergini con quelli ottenuti su campioni condizionati termifrattura del materiale che, tuttavia, dovrebbe essere con- camente. Il condizionamento termico da adottare (vale a
trollata con test più raffinati quando si richiede una magdire il numero di cicli termici e gli intervalli di temperatugior precisione. La ricerca ha comunque sempre mostrato ra) dovrebbe essere codificato. Possiamo riassumere in
l'importanza fondamentale della tessitura microstrutturauna tabella (Tab.3) riepilogativa una possibile scheda tecle dei grani. Si sottolinea quanto sia irrinunciabile un
nica per la certificazione del materiale, nella quale si forcontrollo di questa caratteristica attraverso, ad esempio,
nisce anche una possibile indicazione del condizionamenl’osservazione microscopica del materiale in sezioni sottito termico da adottare nei test. Si consiglia in ogni caso
li. In tutti i test che
sono stati svolti, in
Tab.3
accordo con i risultati ottenuti indiTipo di marmo / Marble type: ………………….
pendentemente in
altri laboratori, i
Tessitura: (xenoblastica o omoblastica) / Texture: (xenoblastic or homoblastic)
marmi a tessitura
A/P2=…., A/S2=…..
xenoblastica hanno
quasi sempre dimoCampioni condizionati dopo 20 cicli da
Campioni vergini
- 40°C a + 40°C Conditioned samples
Test
strato una migliore
Unconditioned samples
after 20 cycles from - 40°C to + 40°C
resistenza rispetto a
quelli a tessitura
Resistenza alla flessione
omoblastica.
....
....
Bending strength
Ultimo ma non
meno importante,
Assorbimento d’acqua
....
....
al fine di valutare
Water adsorption
l’attitudine del
Porosità aperta
materiale nei con....
....
Open porosity
fronti della decoeDilatazione permanente dopo 3 cicli da
sione granulare è
- 40°C a + 40°C
fondamentale, in
....
....
Permanent Dilatation after 3 cycles
ogni prova, confronfrom - 40°C to + 40°C
tare i risultati ottenuti su campioni
accompanies compression failure does not permit any
evaluation of the connection among the grains.
When only simple experiments are allowed, evaluation of
the bending strength, possibly recording the material
response during loading, appears to be the most suitable
of all standard mechanical tests. Bending tests give a
rough indication of the material fracture energy, which
should however be controlled thorough more refined tests
when more accuracy is required. The research has always
showed the fundamental importance of the grain textural
arrangement. We emphasize that a control of this parameter through the microscopic observation of material thin
sections is unavoidable. In all the tests we have performed,
in agreement with the results independently obtained in
other laboratories, xenoblastic-textured marbles have nearly always showed better resistance than the homoblastic
ones. Last but not least, in order to assess the material
attitude towards granular decohesion, it is fundamental in
any test to compare the results on virgin specimens with
those performed on thermally deteriorated samples.
The thermal treatment to be used (i.e., number of thermal
cycles and temperature intervals) should be codified.
We may summarize in a recapitulary table (Tab.3) a possible technical card for the material classification. Indication
of a possible treatment for thermal-conditioning is also
reported.
6.3 PRACTICAL COUNTERMEASURES
FOR PREVENTING THE FAILURE
OF THE MARBLE CLADDING
For what the prevention of marble-cladding failure is
concerned, two issues should be distinguished:
i) monitoring an existing marble façade, in order to avoid
any possible risk;
ii) making predictions about the façade “remaining life”.
The continuous control of the actual health-state of a
façade should not be limited to observation of possible
bowing. In fact, recall that the subtlest failure may occur
without bowing. In-lab tests have provided a wealth of
evidence that granular decohesion can be produced by
thermal conditioning without any evident sign of bowing
and, as a matter of fact, we have already remarked that
warping should be attributed to possible differences in the
thermal-hygrometric conditions between the two faces of
the cladding. Effective monitoring can of course be performed through destructive testing, i.e., detection of possible decay in the bending strength already furnishes an
indicative parameter. However, just a SEM analysis of very
little portions carved from the façade should be sufficient to
immediately recognize possible signs of granular decohesion. The results obtained in other laboratories, at least so
far, advise against the use of non-destructive tests like
ultrasonic measurements, which furnish insignificant
indications. Other types of non-destructive testing, for
example sclerometer measurements, have not been
considered in this research. Making predictions is a much
more difficult task. In our research, the most appropriate
test from which some type of prediction can presumably be
drawn appears to be the dilatometric test.
Measuring the permanent dilatation produced by thermal
cycling may also be an appropriate way to assess the
DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia
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di utilizzare sempre campioni asciutti nelle prove.
Infatti, le prove dilatometriche della sezione 3 hanno
dimostrato che l’effetto principale dell’umidità è quello di
accelerare, piuttosto che originare, il processo di decoesione granulare termicamente indotto.
Di conseguenza, ogni volta che si è interessati a classificare i materiali per confronto, piuttosto che a valutare la
loro resistenza in termini assoluti, è importante che tutti i
campioni siano nelle stesse condizioni di partenza (vale a
dire tutti asciutti o bagnati). D’altra parte, il livello di
umidità può variare nel corso del condizionamento,
soprattutto quando sono coinvolti notevoli sbalzi termici.
Riteniamo pertanto che il miglior compromesso sia quello
di utilizzare sempre campioni asciutti.
6.3 CONTROMISURE
PRATICHE PER PREVENIRE IL CEDIMENTO DEI
RIVESTIMENTI DI MARMO
Per ciò che riguarda la prevenzione del cedimento dei
rivestimenti di facciata in marmo, si dovrebbero distinguere due questioni: i) il monitoraggio delle facciate esistenti, al fine di evitare ogni possibile rischio;
ii) la previsione della “vita residua” della facciata.
Il continuo controllo dell’effettivo stato di salute di una
facciata non dovrebbe essere limitato all’osservazione di
possibili fenomeni di imbarcamento, in quanto il cedimento più insidioso può avvenire senza imbarcamento.
La prove di laboratorio hanno infatti fornito ampia prova
che la decoesione granulare può essere prodotta dal condizionamento termico senza alcun segno evidente di
incurvamento e, come si è già osservato, l’incurvamento
delle lastre dovrebbe essere attribuito ad eventuali differenze nelle condizioni termo-igrometriche tra le due facce
del rivestimento. Un controllo efficace può essere eseguito tramite prove distruttive: ad esempio, un parametro
significativo consiste nell’individuare possibili segni di
degrado nella resistenza alla flessione.
vulnerability of different marble qualities.
In particular, we have noticed that, for the same temperature intervals, there is a linear correspondence between
the permanent dilatation and the logarithm of the number
of thermal cycles. The slope of each graph may thus represent an index of the material attitude towards damage:
smaller slopes correspond to more durable materials.
The important of this assumed linearity is that only a few
tests are necessary to make long term predictions.
In other words, knowing the thermal-hygrometric conditions
at both sides of a façade and analyzing in-lab the permanent expansion of marble in response to thermal cycling, it
should be possible to make an estimation of the progression in time of the granular decohesion level.
Unfortunately, this aspect of the research is only at its initial
stage and, in particular, the effects of humidity have still to
be analyzed in depth. For this reasons, further studies are
needed to achieve a better quantitative description of the
phenomena.
7. References
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Tuttavia, anche una semplice analisi al SEM di piccolissime porzioni di materiale prese dalla facciata dovrebbe
essere sufficiente per riconoscere subito i sintomi della
decoesione granulare. I risultati ottenuti in altri laboratori, almeno finora, sconsigliano l'uso di prove non distruttive come le misurazioni con ultrasuoni, che non danno
risultati significativi. Altri tipi di prove non distruttive,
come per esempio misurazioni con lo sclerometro, non
sono state considerate in questa ricerca.
Fare previsioni è molto più difficile. Nella nostra ricerca, il
test più appropriato dal quale poter trarre qualche sembra essere quello effettuato col dilatometro.
La misurazione della dilatazione permanente prodotta da
cicli termici può anche essere un modo adeguato per
valutare la vulnerabilità delle diverse qualità di marmo.
In particolare, abbiamo notato che vi è una corrispondenza praticamente lineare tra la dilatazione permanente
e il logaritmo del numero di cicli termici eseguiti a parità
di intervallo di temperatura. La pendenza del grafico corrispondente può quindi rappresentare un indice dell’attitudine del materiale al danneggiamento: piccole inclinazioni corrispondono ai materiali più durevoli.
L’importanza della linearità di tale comportamento è che
solo poche prove sono necessarie per fare previsioni a
lungo termine. In altre parole, dalla conoscenza delle
condizioni termo-igrometriche su entrambi i lati di una
facciata ed analizzano in laboratorio la dilatazione
permanente del marmo in risposta a cicli termici, dovrebbe essere possibile fare una previsione della progressione
nel tempo del livello di decoesione granulare.
Purtroppo, questo aspetto della ricerca è solo nella sua
fase iniziale e, in particolare, gli effetti di umidità devono
ancora essere analizzati in dettaglio.
Per poter passare ad una descrizione più quantitativa dei
fenomeni sono auspicabili ulteriori studi.
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