Indice 6 La conservazione dei monumenti 6.1 Fasi storiche del trattamento lapideo 6.2 Trattamento della pietra: interventi e risultati 6.3 La rivalutazione della patina nobile nei materiali lapidei 7. Protezione e consolidamento lapideo 7.1 Adesione: aspetti chimico-fisici (forze primarie, secondarie e legami idrogeno). 7.2 Teorie sulladesione (adesione meccanica o di aggancio, adesione specifica: teoria della diffusione e adsorbimento termodinamico). 7.3 Bagnabilit e tensione superficiale (Equazione di Young-Dupr). 7.4 Propriet dei polimeri impiegati nel trattamento della pietra (polimeri florurati, polimeri termoplastici, equazione di Rideal-Washburn, agente di aggancio, additivi dei polimeri). 7.5 Criteri di scelta di un consolidante (trattamenti protettivi) 7.6 La reversibilit 7.8 Valutazione comparativa di consolidanti e protettivi 8. Applicazioni di protettivi e consolidanti ai materiali lapidei8.1 Soluzioni ed emulsioni (MFT, emulsioni, viscosit emulsioni, PVC concentrazione del pigmento, prodotti di trattamento puri) 8.2 Solventi (scelta del solvente, volatilit, parametro di solubilit, indice di formazione legami H, momento dipolare, formazione di un film per evaporazione solvente, reversibilit di un adesivo, azione di un solvente su polimero solidificato, strippers) 8.3 Tecniche dei prodotti di trattamento 9. La pulitura delle superfici esposte 9.1 La rimozione dello sporco dalla superficie dei monumenti 9.2 efficacia e sicurezza nelle operazioni di pulitura 9.3 tecniche e metodi di pulitura 9.4 metodi per leliminazione dei biodeteriogeni 9.5 macchie e graffiti 9.6 pulitura delle pitture murali 9.7 rimozione dei vecchi trattamenti 9.8 criteri di controllo delle tecniche di pulizia delle superfici lapidee 6 La conservazione dei monumenti: Nonostante luso della pietra come materiale da costruzione e come elemento di decorazione abbia origini molto remote, il problema della sua conservazione, del suo consolidamento e della sua protezione non mai stato affrontato in maniera sistematica fino al XIX secolo. Tutto ci sia perch la pietra era considerata un materiale quasi indistruttibile capace di sopravvivere nei secoli, sia la ricostruzione di aree danneggiate e la sostituzione di pietre alterate con pietre naturali nuove non presentava nessun problema etico, di manodopera, di costi e di tempo. Inoltre era molto arduo lo sviluppo di tecnologie di conservazione. In epoca greca e romana la manodopera era assicurata dagli schiavi, anche nelle epoche successive la manodopera abbondava e le nozioni di tempo e costi non avevano un interesse primario. La costruzione delle grandi cattedrali gotiche era affidata a scalpellini, carpentieri ed altri artigiani tutti sotto la direzione di un capomastro che aveva conoscenze essenzialmente pratiche. Per secoli non vennero prodotti trattati tecnici sullargomento, le cose cambiarono con Brunelleschi che per la realizzazione della cupola di Santa Maria del Fiore a Firenze inizi a considerare il problema della riduzione dei costi. Tuttavia neanche del Brunelleschi esistono i suoi disegni personali, in quanto la conoscenza dei cantieri era ancora tramandata oralmente. Solo nel Cinquecento in seguito alla diffusione della carta stampata si ebbe unesplosione della comunicazione. Nei cantieri e nelle cave si usava un linguaggio derivante dalla semplice osservazione ed estremamente qualitativo. Solo del XIX secolo la geologia inizi a classificare geneticamente le rocce. Tuttavia nel settore della costruzione e del restauro continueranno e protrarsi lempirismo e lapprossimazione fino a met del XX secolo quando si comincer a parlare di tecniche conservative scientifiche e di controllo di qualit. Nel passato la qualit di un intervento di conservazione o restauro era giudicata dalle cosiddette regole darte che contenevano gli insegnamenti orali e scritti cui doveva corrispondere un lavoro per essere considerato ben fatto. Si trattava di regole derivate dallesperienza e tramandate nel tempo soprattutto dalla manodopera. Solo negli anni 80 lIstituto Centrale del Restauro di Roma ha iniziato la distribuzione di raccomandazioni NORMAL sulle normative tecniche riguardanti gli edifici dinteresse storico-artistico. Finalmente alle prove classiche sulla resistenza meccanica dei materiali, ai rilevamenti microclimatici, alle analisi chimiche, petrografiche, mineralogiche e biologiche si sono affiancate altre tecnologie soprattutto non distruttive quali: indagini microsismiche a bassa frequenza (per valutare sollecitazioni provocate dal traffico stradale), indagini microsismiche ad alta frequenza (per la ricerca di discontinuit nei materiali), martinetti piatti semplice e doppi (per determinare le caratteristiche tecniche e il modulo elastico delle murature), indagini endoscopiche (per le zone altrimenti irraggiungibili), ricerche magnetometriche (per lindividuazione di elementi metallici), rilievi georadar, analisi termografica (per evidenziare articolazioni costruttive sotto lintonaco), fotogrammetria. 6.1 Fasi storiche del trattamento lapideo: Il problema della conservazione della pietra con specifiche finalit consolidanti una preoccupazione piuttosto moderna, in passato lo scopo era estetico e non protettivo. Nel Medioevo si accentua il gusto per le policromie che fu poi abbandonato nel Cinquecento quando si inizia a cercare di proteggere la pietra delle piogge. Per solo nell800 si inizia un vero studi sulla protezione della pietra.6.2 Trattamento della pietra: interventi e risultati: Quando si parla di protezione della pietra i risultati a lungo termine sono piuttosto leccezione che la regola. In epoca moderna si iniziarono a usare consolidanti (silicati alcalini, sali di bario) per ottenere una rigenerazione strutturale della pietra attraverso mineralizzazione indotta. Questi prodotti per hanno basso potere di penetrazione. Si inizia cos a pensare che le pietre degradate vadano sostituite con pietre nuove. Con laumento dellinquinamento atmosferico le opere di sostituzione diventano sempre pi richieste, aumentano cos i costi e la richiesta di manodopera specializzata. Questo tipo di interventi viene allora abbandonato. Per evitare il degrado molte sculture vengono portate nei musei. In questo modo si hanno effetti benefici sulla conservazione per si ha una perdita di identit conseguente alla rimozione dal luogo dorigine. Anche nei musei le sculture hanno subito dei danni a causa di tecniche di pulitura non adeguate. I monumenti architettonici per non possono essere protetti portandoli in un luogo chiuso cos i restauratori utilizzano i polimeri sintetici. Per presto si scopre che queste macromolecole sono soggette a rapido invecchiamento. 6.3 La rivalutazione della patina nobile nei materiali lapidei: Maestranze non specializzate sottoponevano le superfici lapidee a sabbiature, spazzolature meccaniche e lavaggi con acidi e basi, questo causava ingenti danni. Negli anni 70 si utilizzano tecniche nuove e si mette in dubbio lutilit stessa della pulitura. La patina del tempo, ossia lo strato superficiale di spessore infinitesimo, molto bene aderente al supporto con cui forma quasi un tutto unico di colore beige-bruno pi o meno intenso, che ricopre le superfici delle vecchie pietre acquista unimportanza capitale nella conservazione: essa diventa la patina nobile che da prestigio al monumento e gli conferisce una bellezza tutta particolare che neanche lautore era stato in grado di creare. Si stabilisce quindi una netta distinzione tra la patina testimone del tempo e le spesse incrostazioni di polvere e sporco generate da inquinanti di ogni genere e dallincuria delluomo. La patina nobile viene quindi preservata perch svolge una funzione di auto protezione. Si fa cos ricorso a tecniche di pulitura molto sofisticate (micro sabbiature, impacchi con argille speciali, laser). 7 Protezione e consolidamento lapideo: lo scopo comune della protezione del consolidamento della pietra quello, di migliorare la resistenza allacqua, ridurre la penetrazione di gas e vapori e a rinforzare la resistenza meccanica. La funzione primaria di un protettivo quello, di ridurre lingresso nel materiale lapideo dellacqua piovana e di costruire una barriera contro gli inquinanti atmosferici. La protezione consiste nellapplicare alla pietra sana un film che in qualche modo rappresenta una superfice di sacrificio. Il consolidamento si rende necessario quando la pietra ha perso la sua coesione sia superficialmente che in profondit. 7.1 Adesione: aspetti chimico-fisici: sia i protettivi che i consolidanti possono essere associati alla famiglia degli adesivi, cio composti costituiti da un legante polimerico e da cariche di varia natura, per cui i loro criteri di valutazione sono: affinit tra matrice polimerica e carica; compatibilit tra adesivo e substrato lapideo; buona combinazione tra le propriet fisiche e meccaniche delladesivo e della pietra; buona bagnabilit del substrato lapideo( questo parametro sar favorito da una buona pulitura della superficie lapidea e da una bassa tensione superficiale del polimero); lindurimento deve aver luogo senza ritenzione di aria che influenzerebbe negativamente ladesione, soprattutto durante i cicli termici; ph compreso tra 6-8 non solo al momento dellapplicazione, ma anche che resti tale dopo invecchiamento; in caso di substrato poroso ladesivo dovr avere una consistenza tale che gli permetta di penetrare verso linterno della pietra sostituendo aria, acqua e vapore acqueo presenti nel reticolo capillare. Molti dei meccanismi coinvolti nel trattamento della pietra sono in relazione agli aspetti chimici, fisici e meccanici delladesione e quindi indispensabile rivedere quali sono le forza che prendono parte ad un tale processo e in quali condizioni si sviluppano. I legami che permettono ladesione tra ladesivo e la rugosit del supporto solido sono costituiti da forza intermolecolari che possono essere distinte in forze primarie, secondarie e legami idrogeno. Alle forze primarie appartengono: legami ionici che si sviluppano tra elementi a bassa energia di ionizzazione ed elementi ad alta affinit elettronica; legami covalenti dati dalla condivisione di una o pi coppie di elettroni tra particelle elettricamente neutre. Forze secondarie: sono quelle di tipo van der Waals, che possono essere viste come linfluenza del nucleo atomico carico positivamente, sul comportamento degli elettroni che giacciono al dil del suo normale raggio dazione. A queste forze appartengono: le forze che si sviluppano tra molecole in cui esiste un momento dipolare permanente e che includono le forze di orientazione di Keesom e le forze dinduzione di Debye; le forze dinduzione di London provocate da momenti dipolari istantanei che si creano in seguito alla casuale asimmetria della nuvola elettronica. Il legame idrogeno una forma dinterazione con un legame dipolo-dipolo molto intenso. 7.2Teorie sulladesione: le due principali teorie sulladesione sono: ladesione meccanica o di aggancio e ladesione specifica che include i legami chimici, le teorie elettrostatiche, la diffusione e ladsorbimento termodinamico.Ladesione meccanica o di aggancio: la forza del legame dipende tuttavia non solo dallaggancio meccanico ma anche dalla specifica adesione e affinit tra polimero e substrato. Adesione specifica adesione specifica: teoria della diffusione e adsorbimento termodinamico: la prima di queste due teorie si basa sul fatto che una significativa diffusione si verifica tra adesivo e substrato con un intenso mescolamento molecolare. La teoria della diffusione spiega ad esempio, il caso dellautoadesione, cio delladesione di due parti duno stesso polimero o quando si ricorre alluso di un solvente per saldare due parti di una stessa resina termoplastica. La teoria delladsorbimento termodinamico, implica che la distanza tra due superfici dassemblare siano dellordine molecolare, per cui le forze di legami intermolecolari saranno predominanti e provocheranno un forte adsorbimento. In tal caso la diffusione assume unimportanza secondaria rispetto alle forze interfacciali che possono svilupparsi. Questo spiega ad esempio, la ragione per cui un polimero pu aderire anche su una superficie in cui non c diffusione. 7.3 Bagnabilit e tensione superficiale: Ladesione pu essere ricondotta ad un fenomeno di bagnabilit ossia la capacit delladesivo di spandersi sulla superficie la quale applicato. La tensione superficiale pu essere anche vista come una forza che agisce lungo la superficie di separazione di un liquido e del mezzo in cui esso a contatto, il suo effetto si traduce in uno stiramento della superficie che tende ad assumere una forma curva. Equazione di Young-dupr: Wa= ! lg (tensione superficiale gas/liquido)* (1+cos !(angolo di contatto) 7.4 Propriet dei polimeri impiegati nel trattamento della pietra: la protezione della pietra nata in notevole ritardi rispetto ad altri materiali, questo perch era considerata un materiale capace di sfidare gli effetti del tempo con i suoi mezzi materiali. La scoperta della sua vulnerabilit ha rivolto lattenzione dei restauratori e del mondo scientifico alla ricerca di consolidanti e di protettivi che ne potessero prolungare la vita. I polimeri negli ultimi decenni hanno avuto un grande impiego nella protezione di quasi tutti i materiali da costruzione. La loro durabilit piuttosto scarsa data la sensibilit che presentano a quasi tutti gli agenti e fenomeni atmosferici. Tra le matrici polimeriche pi usate nella formulazione degli adesivi ci sono poliesteri ed epossidiche, mentre consolidanti e protettivi sono a base di epossidiche, siliconi, fluorocarboni, acriliche, metacriliche e uretaniche. La classe dei polimeri florurati presenta buone potenzialit di consolidanti per la loro idrorepellenza, permeabilit, elevata resistenza allinvecchiamento, reversibilit, e il rispetto della composizione e delle caratteristiche estetiche del supporto. Polimeri termoplastici quali PMMA riuniscono buone caratteristiche di bagnabilit, resistenza meccanica, impermeabilit e bassa viscosit del monomero, contro linvecchiamento non tanto buono in quanto manifesta dopo poco tempo ingiallimento e microfessure. Un problema dei polimeri, il fatto che hanno molecole di grandi dimensioni che rendono difficoltosa la loro penetrabilit in un corpo poroso. Bench non esista un modello analitico completamente soddisfacente che descrive la penetrazione di un monomero in un materiale poroso, essa sembra essere conforme allequazione di Rideal-Washburn: r cos ! = 2* !* h2 /"*t. r: raggio dei pori capillari, !: angolo di contatto tra monomero e substrato, #: tensione superficiale del monomero, h: profondit di penetrazione, ": viscosit del monomero, t: tempo. Quindi, un monomero dovrebbe penetrare in un materiale poroso finch lassorbimento capillare non controbilanciato dallevaporazione dellacqua o dallaria contenuta nella pietra. Spesso al polimero di base usato nella formulazione di un adesivo si aggiunge un cosiddetto agente di aggancio che serve ad assicurare una pi grande compatibilit tra le varie fasi. Tra le principali caratteristiche richieste allagente daggancio possiamo menzionare:miglioramento delle propriet fisiche, buona stabilit nel tempo soprattutto nei confronti dellumidit e dei gas solubili, buona adesione tra le varie fasi presenti.Additivi dei polimeri: i principali additivi sono: le cariche inerti ed extenders, i primi usati nel ridurre il costo dei manufatti, i secondi sono polveri bianche impiegate sia per modificare la densit o la viscosit del polimero, sia per modificare la tonalit dei colori. I pi comuni sono: solfato di bario, silicato di calcio, argilla, muscovite, silice, talco; gli stabilizzanti, destinati a combattere le cause e gli effetti del degrado dovuto alla luce e al calore; i plastificanti, che rendono le materie plastiche meno fragili in un pi ampio intervallo di temperatura; i coloranti, costituiti da pigmenti inorganici o organici; agenti antistatici ed antifiamma; antifreezing and antifoaming agent, agenti di controllo della viscosit.7.5 Criteri di scelta di un consolidante: la risposta di un materiale consolidato alla coppia sforzo-deformazione anche dipendente dallo stato fisico che il polimero assume allinterno dei pori, ossia se assume una consistenza cristallina, vetrosa o gommosa. Alti criteri a cui un consolidante deve rispondere sono: peso molecolare piuttosto basso; configurazione ed orientamento casuale; non dare effetti cromatografici durante la penetrazione nel reticolo capillare della pietra; assorbire energia durante le deformazioni; riparare le micro e macro fessure, avere una pi bassa tensione superficiale del substrato affinch abbia buone caratteristiche di bagnabilit. Trattamenti protettivi: per quanto riguarda i criteri di valutazione dei trattamenti protettivi essi sono evidenziati dalle seguenti caratteristiche: effetti cromatici; quantit di acqua assorbita per immersione e capillarit; velocit d evaporazione dellacqua assorbita; permeabilit al vapore acqueo; idrorepellenza superficiale. Infine un parametro molto spesso trascurato il controllo degli effetti biologici che i prodotti di trattamento provocano sulla pietra o sul supporto murario. 7.6 La reversibilit: importante tener presente che lintervento di restauro se non vuole costruire un fattore supplementare di disordine dovrebbe avere come requisito irrinunciabile lattributo di reversibilit. Le forme di alterazione che pi spesso si riscontrano sui trattamenti protettivi sono: alterazione delle propriet meccaniche che si manifestano sotto forma di fessurazioni o perdita di elasticit; trasformazioni ottiche, come ingiallimento, perdita di trasparenza; variazioni fisiche, quali perdita di adesione o alterazione delle proprietviscoelastiche; cambiamenti chimici; fenomeni elettrici e superficiali; effetti microbiologici, muffe, macchie ed incrostazioni. 7.8 Valutazione comparativa di consolidanti e protettivi: La commissione NORMAL ha elaborato una metodologia per la valutazione dei protettivi prendendo in considerazione i seguenti test: Dati cromatici; quantit di acqua assorbita per capillarit nel tempo; quantit di acqua assorbita per capillarit al tempo. Tali valori sono utilizzati per la determinazione del rapporto di protezione E%: E%= (A1-A2/A1)*100. Dove A1 e A2 rappresentano la quantit dacqua assorbita per capillarit al tempo t prima e dopo il trattamento; quantit di acqua assorbita a bassa pressione nel tempo; quantit di acqua assorbita per immersione totale in funzione del tempo; indice di asciugamento; permeabilit al vapore acqueo; idrorepellenza superficiale. 8. APPLICAZIONI DI PROTETTIVI E CONSOLIDANTI AI MATERIALI LAPIDEI 8.1 Soluzioni ed emulsioni: I consolidanti applicati ai materiali lapidei sono prevalentemente soluzioni insolventi organici. Si cerca di sostituirli con lacqua per ridurre i costi ed inquinare meno. Lacqua,per mezzo di emulsioni, forma films per evaporazione dellagente veicolante, che si essiccano e diventano insolubili. Il film discontinuo (dipende dalla tensione superficiale delle particelle) perch la deposizione avviene al di sopra di Tg (temp. Di transizione vetrosa). MFT: temperatura minima di formazione del film, >Tg per le resine polari,