Materiali lapidei e loro degrado.

Degrado fisico:

-microtraumi durante la lavorazione;

-uso errato della pietra (cfr. decorazioni, interferenza con altri materiali, es. ferro);

-sforzi eccessivi a cui è stato sottoposto il materiale in opera;

-effetti del vento:asportazione di parti superficiali;

-effetti della luce che può innescare reazioni chimiche di ossidazione;

-effetti dell’aria o meglio dei suoi salti termici;

-fisico-chimico

-chimico-fisico-biologico

rappresenta l’insieme dei processi che modificano l’assetto strutturale, morfologico ed

estetico di un certo sistema.

variazioni termiche

Tensioni meccaniche

rocce cattive conduttrici di calore

repentini cambiamenti di temperatura

dilavamento

effetti dell’acqua

infiltrazionesolubilizzazione

variazione del volume internoIl Solfato di sodio aumenta il suo volume

del 300%.

Efflorescenza salina

Subflorescenza salina

Superficie caldaInterno freddo

Sgretolamento, scagliatura, esfoliazione, rigonfiamenti.

Degrado fisicoDegrado fisico

DISGREGAZIONE polvere o minutissimi frammenti

ESFOLIAZIONE porzioni laminari sottili: sfoglie

SCAGLIATURA parti di forma irregolare e spessore consistente e non uniforme: scaglie

DISTACCOseparazione di strati o di materiale diverso (intonaco) o all’interno dello

stesso materiale (pietre - scagliatura, esfoliazione)EFFLORESCENZA

Formazione di sali, sulla superficie

RIGONFIAMENTO Sollevamento localizzato

FRATTURAZIONE o FESSURAZIONE Separazione materiale che implica lo spostamento reciproco delle parti

Tipologie di degrado fisico

Azione della temperatura

Le variazioni di temperatura e gli sbalzi termici posso causare sollecitazioni meccaniche, quindi provocare contrazioni ed espansioni, diverse a seconda del diverso coefficiente di dilatazione,

comportando variazioni dimensionali e volumetriche.

I fenomeni che possiamo riscontrare sono: sgretolamento, scagliatura, esfoliazione,

rigonfiamento.

Azione dell’acqua

• L’acqua, interagendo con il materiale lapideo caratterizzato da una struttura porosa, nei suoi tre stati (solida, liquida, gassosa) è comunemente considerata la causa principale del degrado fisico.

• fenomeni: il dilavamento, lento processo di asportazione ed erosione del materiale;

• subfluorescenze ed effluorescenze saline, cristallizzazione dei sali solubili, alveolizzazione.

Caratteristiche geologiche del materiale

• Tessitura (granulometria)

• Tipologia dei materiali presenti

- resistenza alla corrosione

- Risposta alla variazione della temperatura

Degrado chimico.

CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2

CARBONATO DI CALCIO -> BICARBONATO DI CALCIO DURO INSOLUBILE ->> SOLUBILE

CO2 provoca la solubilizzazione della calcite. La solubilità della calcite (marmo) aumenta con l’aumentare della percentuale di anidride carbonica disciolta in acqua.

calcare acido carbonico

ione calcio acido carbonico

Ca(HCO3)2 -> CaCO3 + CO2 + H2O

BICARBONATO DI CALCIO -> CARBONATO DI CALCIO SOLUBILE ->> POLVEROSO SOLUBILE

(formazione delle croste nere)

bicarbonato di calcio

bicarbonato di calcio

disidratazione

II fase

I fase

ricristallizzazione

CaCO3 + CO2+H2O   ↔   Ca(HCO3)2

Calcite (carbonato Bicarbonato di calcio) poco solubile di calcio solubile

LE ARGILLE LITICHE

KxAl4(OH)4Si8-XAlXO20ּ H2O (con x <2 generalmente 1<x<1,5)

Infiltrazione ioni H+

Slittamento dei piani

Effluorescenze saline Gelo - DisgeloInfiltrazione di acqua

Croste nere

SO2 + O2 → SO3 + H2O

SO3 + H2O → H2SO4

H2SO4 + CaSO4 + H2O → CaSO4 ּ 2 H2O + CO2

I MATERIALI CALCAREI

IL GESSO SI LEGA A:

• OSSIDI DI FERRO

• CARBONE

ESFOLIAZIONE

• OLI MINERALI

DILAVAMENTO

biodeterioramento

licheni

AZIONE FISICAAZIONE CHIMICA

muschi

deiezioni animali

piante superiori

alghe

Degrado chimico-fisicodegrado chimico:

Formazione di gesso

Formazione di croste nere

Variazione del volume

Assorbimento radiazioni solari

derivanti dalla combustione del petrolio e del carbone, gesso, composti bituminosi e ferrosi, quarzo e silicati, pollini e spore, idrocarburi pesanti che sono appiccicosi e neri. A strati, per depositi successivi.

Shock termico parte nera più calda della parte bianca,

tensioni che danno luogo a fratture.

Condensa in giornate umide, le superfici delle opere d’arte si trovano a temperatura inferiore a quella ambientale.Rugiada

L’acqua condensata contiene tutte le sostanze inquinanti presenti nell’atmosfera, soprattutto acidi.

Tempo di contatto molto lungo e man mano che l’acqua evapora la soluzione si concentra.

la caratteristica comune a tutti i materiali lapidei , che ne condiziona il comportamento nel tempo, è la loro struttura porosa

Ciò implica che all’interno del solido può essere presente H2O in tutti i suoi possibili

stati di aggregazione

L’H2O può penetrare nel corpo poroso per effetto capillare:i gruppi OH¯ presenti nel materiale esercitano una forza attrattiva nei confronti dell’H2O (pressione

capillare che aumunenta con il diminuire del diametro dei pori)

Se la temperatura della pietra scende fino al punto di congelamento dell’acqua, con formazione di ghiaccio, si verifica una variazione di volume

Di conseguenza gli sforzi meccanici provocano MICROFRATTURE

Un meccanismo simile alla formazione dei cristalli di ghiaccio è la cristallizzazione dei

sali solubiliquando si verificano condizioni

di saturazione cominciano a formarsi cristalli di sali entro gli spazi porosi causati da diminuzione di temperatura o evaporazione di acqua

il fenomeno può avvenire all’interno della struttura porosa (subfluorescenze) causando esfoliazioni e distacco di croste superficiali

e sulla superficie esterna (effluorescenze)

I Sali solubili possono causare l’ALVEOLIZZAZIONE

• caratterizzata dalla presenza di cavità (alveoli), anche molto profonde, distribuite con andamento irregolare sulla superficie del materiale lapideo (naturale e/o artificiale);

• questo fenomeno è spesso spinto fino alla disgregazione e dalla polverizzazione dell'elemento lapideo

Degradazione che si manifesta con la formazione di cavità di forma e dimensione variabili

si manifesta in:

-materiali molto porosi;

- in presenza di un elevato contenuto di sali solubili;

- in zone climatiche dove sono frequenti fenomeni di rapida evaporazione delle superfici lapidee esposte alle intemperie.

Gli alveoli sono spesso interconnessi ed hanno distribuzione non uniforme

- L'alveolizzazione è un fenomeno conseguente all'azione disgregatrice esercitata dalla pressione di

cristallizzazione dei sali all'interno dei pori del materiale lapideo.

• Le soluzioni saline, infatti, formatesi in seguito ad assorbimento di acqua, tendono, in seguito all'evaporazione del solvente, a cristallizzarsi con conseguente aumento di volume;

• i pori del materiale lapideo subiscono pressioni superiori alle capacità di resistenza del materiale e si sfaldano.

- evaporazione rapida (forti correnti d'aria)

- cristallizzazione profonda

- In concomitanza dei seguenti fattori: + presenza di materiali porosi

+ elevato contenuto di sali solubili, (dal terreno o come aerosol)

+ rapida evaporazione della parete per effetto di forti turbolenze dell'aria

- L'alterazione ha inizio generalmente attorno alle pareti dei pori, dove maggiore è l'evaporazione ed

attorno a parti di discontinuità strutturale del materiale lapideo.

Azione del biossido di zolfo attacco a mattoni e malte

alluminato tricalcico

solfoalluminato di calcio

aumento di volume

dilatazione e la disgregazione della malta

Solubilizzazione del calcio

attacco a murature in mattoniAzione dell’acido nitrico

aumento di volume

sgretolamento dei mattoni

Precipitazione di nitrati

CROSTE E PATINE

incrostazioni e patine

marmi e calcari

pietre varie es. Arenarie

CROSTE NERESi formano in aree esposte ad inquinamento atmosferico, ma non soggette

ad intenso dilavamento da parte delle acque piovane

Il cemento è costituito gesso sotto forma di cristalli aghiformi, vengono inglobate particelle di natura eterogenea:ossidi di Fecristalli di quarzocalciteparticolato atmosfericoparticelle bituminose e carboniose

Microscopicamente è osservabile una netta separazione tra lo strato “degradato” ( solfato di Ca) e la porzione di pietra sottostante non alterata

Come si formano:

- SOLFATAZIONE DELLA CALCITE -

2 SO2 +O2 2SO3

SO3 + H20 H2SO4

H2SO4 + CaCO3 + H2O CaSO4 . 2H20 + CO2

CONSEGUENZE

volume maggiore di circa il 20%

coefficiente di espansione termico che è 5 volte superiore

maggiore affinità per le polveri e sostanze grasse

minore traspirabilità della pietra

Conseguenze fisiche:

tensioni

rigonfiamenti

esfoliazioni

scagliature

decoesione

distacco

maggiore suscettibilità alla corrosione

AREE O PATINE BIANCASTRE

Si formano in zone in cui, a causa del dilavamento della pioggia, i depositi di sporco vengono continuamente asportati

calcite ricristallizzata

zone di degrado localizzato(puntinatura)

Si rivelano microscopicamente come aree con deposito superficiale di CaCO3 in forma microcristallina e polverulenta di contorno irregolarmente frastagliato

MECCANISMI DI FORMAZIONE - DISSOLUZIONE / RICRISTALLIZZAZIONE DELLA

CALCITE -

CaCO3 + H20 + CO2 Ca(HCO3)2 calcio ( duro e poco solubile ) bicarbonato di calcio ( polverulento e

solubile )

Il bicarbonato che si forma in parte viene asportato dalle piogge e in parte, essendo un sale instabile, riprecipita sottoforma di calcite per evaporazione dell’acqua, formando la patina

AREE GRIGIE

fase iniziale del degrado superficiale o zona con contatto limitato.

aspetto e struttura intermedia tra le croste nere e le aree o patine bianche

la pietra non presenta alterazioni macroscopiche

degrado microscopico meno evidente che nelle croste nere

Tipologia tipica di zone sottoposte a moderato dilavamento

CARATTERISTICHE

SPESSORE IN MICROMETRI

CaCO3( % parti in peso )

CaSO4 . nH2O(% parti in peso )

CROSTA NERA 200-1000 0-8 55-85

AREA GRIGIA 100-200 13-52 25-55

AREA CHIARA < 100 64-86 0-6

Azione sui metalli

Rame e bronzo SO2 e CO2 (con la formazione dei rispettivi acidi)

Patine verdastre costituite da carbonati basici e solfati basici di rame

Patine insolubili + acido solforico

solfato pentaidrato solubile

Fe + H2SO4 + O2 -> FeSO4 + H2O

FeSO4 + O2 + H2O -> FeO(OH) + H2SO4

ferro

Sale solubile

La corrosione (processo di ossido-riduzione) rappresenta la fase di ritorno alla condizione iniziale di massima stabilità – stato di minima energia

Corrosione

Un elemento nella forma in cui si trova in natura (atomo, molecola o cristallo) ha

n. di ossidazione = 0 (Fe, Cl, Na, S, O)

Mg˚+ Cl˚ Mg²(Clˉ)2

0 +2 0 -1Aumento n. di ossidazione diminuzione n. di ossidazioneOSSIDAZIONE RIDUZIONE(agente riducente) (agente ossidante)

OSSIDAZIONE: AUMENTO DEL N. DI OSSIDAZIONEPERDITA DI eˉ DA PARTE DI UN ELEMENTO

Corrosione alla superficie e all’interno della struttura metallica (300 x)

Cloruri a parità di UR la velocità di corrosione cresce con la

concentrazione di cloruri presenti. Facilitano la formazione della condensa e si

sciolgono in essa (conduttori di seconda specie)

Formano clorurati per es. nei bronzi,clorurati di Cu molto solubili

I due tipi principali di corrosione sono:

La corrosione chimica: ad esempio la corrosione a secco in atmosfera ossidante ad alta temperatura.

La corrosione elettrochimica: ad esempio la corrosione in ambiente marino.

I processi di corrosione comportano la distruzione del materiale metallico

• Sostanze inquinantiin particolare SO2

SO2 SO3 + H2O H2SO4

condensa acida che corrode forma solfati

(per es.nei bronzi

solfati di Cu

solfati di Pb )

Con l’aumento dell’inquinamento si ha formazione preferenziale di solfato di Cu neutro molto solubile che verrà dilavato dalle piogge ( assottigliamento del metallo ) e una diminuzione dei solfati basici insolubili

azione di dissoluzione e erosione della patina lungo le linee di scorrimento ZEBRATURA

con zone bianche-anodiche con zone nere-

catodiche

• Corrosione batterica e da incrostazioni biologiche

influenzano direttamente le reazioni anodiche e catodiche.

Inoltre agiscono sulle pellicole di protezione superficiali dei metalli, producendo sostanze corrosive e depositi solidi.

Possono essere: forme microscopiche, (ad es. batteri) e macroscopiche (ad es. alghe e crostacei).

Corrosione dei metalli interratiè influenzata da fenomeni galvanici, da composizione chimica, contenuto di ossigeno e pH del suolo, dalla scelta della lega e dalle correnti vaganti.

Il suolo contiene acidi organici derivanti dall'humus è relativamente corrosivo per l'acciaio, lo zinco, il piombo e il rame. L'acidità totale di un terreno simile sembra essere l'indice migliore della sua corrosività, più del semplice pH. Alte concentrazioni di cloruro di sodio e di solfato di sodio in un terreno insufficientemente drenato lo rendono altamente corrosivo. Un terreno poco conduttore, con un basso contenuto di umidità, sali disciolti o entrambi, è in genere meno corrosivo rispetto a un terreno che conduce molto. Tuttavia, la sola conducibilità non è indice sufficiente della corrosività; un altro fattore rilevante è la polarizzazione anodica o catodica del suolo.