Materiali lapidei naturali. Materiali ricostituiti. Costituiti da blocchi di roccia estratti in cava e successivamente lavorati e trasformati

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1 Materiali lapidei naturali Costituiti da blocchi di roccia estratti in cava e successivamente lavorati e trasformati Materiali ricostituiti Costituiti da frammenti lapidei naturali legati con cemento o con resine sintetiche Con contributi dal materiale didattico di Piero Primavori, Roberto Coppola, Sergio Rinaldi

2 Marmomacc cos è? E un evento irrinunciabile per gli operatori del settore lapideo, dai macchinari ai prodotti strumentali, dai blocchi in pietra alle lavorazioni più complesse Business progresses at Marmomacc in Verona By Michael Reis Although the stone industry remains embroiled in one of the most difficult recessions in history, there have been some positive signs in recent months. These indicators continued at the Marmomacc trade fair in Verona, Italy, which took place from September 30 to October 3, and once again confirmed its stature as the leading international stone fair. Overall, Marmomacc welcomed more than 53,000 visitors and more than 1,500 exhibitors from 54 countries, according to show organizer VeronaFiere, and they exhibited over an area of more than 830,000 net square feet of space.

3 Nota che i materiali lapidei naturali vengono classificati nel mercato generalmente in marmi e travertini, graniti e pietre. Tali definizioni merceologiche hanno scarsa attinenza con le classificazioni scientifiche che abbiamo assimilato nei corsi di petrografia e sedimentologia. In tale classificazione merceologica, nella famiglia dei marmi rinveniamo sia i marmi cristallini (rocce metamorfiche) sia marmi calcarei dove la cristallinità non è percepibile ad occhio nudo (generalmente si tratta di rocce sedimentarie). Addirittura rocce serpentinitiche (marmi verdi) sono talvolta ascritte a questo gruppo. Per graniti vengono invece definiti sul mercato molte rocce silicatiche, quali rocce magmatiche intrusive (es. graniti, gabbri, monzoniti, sieniti), rocce metamorfiche (gneiss e migmatiti), e anche rocce sedimentarie (es.: quarziti). Il gruppo delle Pietre ha un accezione ancor meno definita, e consuetudine vuole che sia attribuito a a rocce generalmente non lucidabili e non estraibili in blocchi di elevate dimensioni. All interno di questo gruppo sono comprese sia rocce vulcaniche (es. tufi), sia rocce metamorfiche (es. scisti) e molte rocce sedimentarie.

4 Ciò che è commercialmente definito un granito nero, è una roccia magmatica basica ricca in minerali femici quali pirosseni ed anfiboli Ciò che è commercialmente definito un granito blu, è una roccia magmatica sottosatura in silice contenente sodalite

5 Rocce come gneiss (e migmatiti) nelle quali marcate anisotropie sono state originate dal metamorfismo regionale vengono spesso definite commercialmente graniti venati

6 Sia l aspetto estetico che le caratteristiche fisico-meccaniche del materiale lapideo sono influenzati dal verso del taglio. Ciò è soprattutto vero in presenza di rocce caratterizzate da una marcata anisotropia (es. scistosità nelle rocce metamorfiche, stratificazione nelle rocce sedimentarie).

7 Tali litologie si rinvengono in sequenze ofiolitiche, o anche in aree orogeniche dove la tettonica ha esumato lembi di rocce mantelliche. Materiali lapidei denominati «marmi verdi» sono generalmente rocce serpentinitiche campionate in complessi ultrafemici, dove originariamente litologie peridotitiche si sono trasformate in serpentiniti.

8 L attività del geologo è di fondamentale importanza nella fase di individuazione e caratterizzazione delle risorse lapidee nonché nella quantificazione della loro disponibilità. L attività del geologo è inoltre fondamentale nella pianificazione dell attività estrattiva che si esplica attraverso la realizzazione di una cava. M=marmo; S=Scisto

9 Di fondamentale importanza saranno: il valore estetico del materiale lapideo estraibile: colore e disegno della roccia saranno ovviamente in relazione alle caratteristiche petrografiche della stessa (composizione mineralogica e tessitura). la possibilità di produrre blocchi di volume significativo aventi forma regolare (anche tali caratteristiche saranno influenzate da caratteristiche petrografiche). la possibilità di lavorare opportunamente tali blocchi (anche tali caratteristiche saranno influenzate da caratteristiche petrografiche) Cava di travertino a Tivoli Particolarmente apprezzate sono le litologie dalle quali è possibile isolare grossi blocchi, sino a 6-8 metri cubi, possibilmente in forma di parallelepipedo x x m. Volumi inferiori (o di forma irregolare) risultano di valore commerciale inferiore.

10 Da rimarcare è la grossa influenza della granulometria sulla lavorabilità di un materiale lapideo e sulle sue proprietà tecniche. La tessitura condiziona molto la maggior o minor facilità all estrazione in cava, la segabilità, la lucidabilità e l applicazione di alcune finiture. Per esempio vi è difficoltà a tenere lo spigolo da parte di marmi aventi grana molto grossa, intendendosi con questa dicitura la tendenza allo scalzamento dei cristalli in corrispondenza degli spigoli di un manufatto. Grana grossa implica spesso maggior facilità di estrazione, minor resistenza meccanica, maggior porosità e possibilità di imbibizione. Grana fine implica spesso maggior compattezza, maggior difficoltà all estrazione e di trattamento, ma migliori caratteristiche fisico-meccaniche del materiale ottenuto. Alle caratteristiche petrografiche in s.l. saranno ascrivibili i principali difetti estetici e tessiturali (disomogeneità e fratture). Sia l aspetto estetico che le caratteristiche fisico-meccaniche del materiale lapideo sono influenzati dal verso del taglio. Ciò è soprattutto vero in presenza di rocce caratterizzate da una marcata anisotropia (es. scistosità nelle rocce metamorfiche, stratificazione nelle rocce sedimentarie).

11 Le proprietà tecniche del materiale lapideo possono essere investigate attraverso una serie di tests i cui dettagli di esecuzione sono definiti dalla normativa vigente: Fra queste: la massa volumica apparente, legata al peso specifico dei minerali costituenti e alla porosità il carico di rottura a compressione semplice il carico di rottura a compressione semplice dopo cicli di gelività il carico di rottura a trazione indiretta mediante flessione il modulo di elasticità la resistenza all urto il coefficiente di dilatazione termica l usura per attrito radente il saggio di Knoop per verificare la durezza attraverso penetratore al diamante. Ovviamente tutte queste caratteristiche dipendono dalla composizione mineralogica e dalla tessitura. La medesima roccia può avere caratteristiche diverse se investigata con orientazioni differenti.

12 la massa volumica apparente (o peso specifico apparente), legata al peso specifico dei minerali costituenti e alla porosità (si esprime in kg/m 3 o tonnellate/m 3 ). Si determina generalmente su provini cubici aventi 7.1 cm di diametro preventivamente essiccati a 110 C.

13 UNI EN 1936 (Metodi di prova per pietre naturali) Sommario: La norma stabilisce un metodo per determinare la massa volumica reale e apparente e la porosità totale aperta delle pietre naturali. Principio: dopo essiccazione fino a massa costante, la massa volumica apparente e la porosità aperta vengono determinate mediante assorbimento d acqua sotto vuoto e pesata in acqua dei provini. La massa volumica reale e la porosità totale richiedono la macinazione del provino.

14 Coefficiente di imbibizione: esprime la quantità d acqua che la roccia può assorbire quando è sottoposto ad immersione in acqua deionizzata. Fornisce indicazioni sulla compattezza e sulla durevolezza del materiale, in quanto la possibile introduzione di acqua (e delle sostanze in essa disciolte) spesso accelera i processi di degrado. Viene misurato su 5 provini aventi peso di almeno 200 g verificando l aumento in peso che si riscontra dopo l immersione. Viene generalmente espresso in % (o in ) del peso iniziale.

15 il carico di rottura a compressione semplice: La prova consiste nel sottoporre il campione a un carico che aumenta 20 kg/cm 2 al secondo sino a rottura del provino. Si effettua su provini cubici aventi 7,1 cm di lato o su cilindri di diametro compreso tra 4 e 8 cm e rapporto tra altezza e diametro pari a 2. La prova viene ripetuta generalmente almeno 4 volte, e il carico di rottura è espresso in Mpa (10kg/cm 2 ). Ovviamente i risultati ottenuti in tali tests di rottura saranno influenzati dal «verso» in cui la sollecitazione della roccia

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17 Gelività

18 il carico di rottura a trazione indiretta mediante flessione: viene determinata su travette 5 12 x 3 x2 cm appoggiate a coltelli a spigolo arritondato caricate in mezzeria.

19 Modulo di elasticità: rapporto tra il valore della compressione esercitata su un corpo roccioso e il valore della diminuzione di lunghezza che il corpo stesso subisce. Si esegue su provini aventi forma di parallelepipedo a base quadrata 20 x 5 x 5 cm, oppure su provini cilindrici aventi diametro di almeno 5 cm e rapporto altezza diametro pari a 3.

20 Il test di durezza Knoop viene fatto con un indentatore che ha una punta di diamante con base romboidale. Il carico applicato varia normalmente da 5 a 25 kg. È chiamato anche "test di microdurezza" perché le dimensioni dell'impronta vengono lette con un microscopio. Una volta noto il carico applicato P (in kg) e La lunghezza L dell'indentazione lungo la diagonale maggiore (in mm), il valore HK di durezza nella scala di Knoop viene calcolato con la formula dove C p è un fattore di correzione dipendente dalla forma dell'indentatore, Essendo una prova puntuale, ed essendo le rocce materiali eterogenei è necessario eseguire almeno 20 ripetizioni in punti diversi. I risultati vengono poi espressi con curve di distribuzione di frequenza delle misure ottenute.

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23 Come materiale di riferimento si assume il Granito di San Fedelino proveniente da Novate Mezzola, in provincia di Sondrio (Italia).

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29 Per quanto riguarda molte caratteristiche tecniche già menzionate è di interesse approfondire la ricerca sulla natura dei pori presenti I materiali lapidei presentano un sistema più o meno continuo di pori attraverso i quali si verifica la migrazione dell acqua, che è la fonte primaria di degrado. Il volume di spazio vuoto all interno del materiale è costituito da pori, cavità e fratture di forma e dimensione differenti. La somma di tutti gli spazi vuoti è definita POROSITA, caratteristica fondamentale di tutti i materiali da costruzione, che influenza le loro proprietà fisiche (durabilità, resistenza meccanica, ecc.).

30 I pori si dividono in base alla tipologia, geometria e dimensione. TIPOLOGIA Pori collegati alla superficie esterna del materiale, accessibili all acqua. Influenzano la permeabilità e la durabilità del materiale. Pori completamente isolati dalla superficie esterna. Non consentono il trasporto di liquidi e gas. Influenzano solo la densità, le proprietà meccaniche e le proprietà termiche e acustiche del materiale.

31 I pori si dividono in base alla tipologia, geometria e dimensione. GEOMETRIA I pori possono essere classificati in base alla loro forma: I pori possono essere sferici, cilindrici o allungati. In base alla loro genesi: Pori di base: derivanti dai processi di formazione della roccia. Pori di dissoluzione: derivanti da processi di dissoluzione chimica dei carbonati, solfati o materiali organici. Pori di frattura: pori e microfratture dovuti a fratture meccaniche inter o intra cristalline dovute a stati tensionali. Pori di contrazione: dovute alle dilatazioni/contrazioni differenziate dei vari componenti della muratura.

32 Metodi di misura Le tre proprietà strutturali fondamentali per descrivere un materiale poroso sono: - Porosità, - Distribuzione porosimetrica, - Superficie specifica. Dal momento che queste proprietà sono geometriche possono essere valutate attraverso un osservazione diretta (Metodi Diretti: analisi petrografica al microscopio ottico, osservazioni SEM). Esistono anche dei metodi indiretti che si basano sulla misurazione di proprietà quali la densità, la permeabilità al vapore, la velocità di risalita capillare, la capacità di adsorbimento, ecc. e che consentono di misurare la porosità. (Metodi Indiretti: porosimetria a mercurio, adsorbimento di gas, ).

33 La porosità può essere stimata con osservazioni al microscopio ottico E al micoscopio elettronico

34 Picnometro a mercurio Porosità aperta e relativa dimensione dei pori sono misurabili attraverso porosimetria a intrusione di mercurio. Il mercurio viene fatto fluire in un volume nel quale è posizionato il campione. Per infiltrarsi all interno del campione necessità però di una pressione la cui entità è crescente al diminuire del diametro dei pori. Sfruttando tale relazione (regolata da un opportuna equazione) si possono caratterizzare le dimensioni di pori fra 200 m e 2nm.

35 Per quanto riguarda gli innumerevoli distretti lapidei italiani, particolare menzione va al distretto Apuano nel quale si rinvengono marmi in sensu strictu, cioè marmi cristallini di genesi metamorfica. I relativi protoliti erano sedimenti calcarei di età mesozoica che hanno subito metamorfismo regionale nel Terziario. Si tratta generalmente di marmi a grana fine dal colore bianco, bianco scuro, grigio chiaro che presentano in percentuali variabili minerali accessori (es. muscovite, pirite, clorite) che talvolta contribuiscono a definire delle venature. La distribuzioni di tali litologie è fortemente influenzata dalla tettonica che si esplica attraverso vistose pieghe e faglie. Il campo di stress influenza ovviamente anche lo stato di fratturazione del materiale e quindi la possibilità di ottenere blocchi uniformi di idonee dimensioni. Ulteriori marmi cristallini sono cavati in Val d Ossola dove si rinviene un marmo caratterizzato dalla presenza di una significativa quantità di flogopite marrone che conferisce alla roccia un aspetto variegato e in Val Venosta. Masse di volume inferiore sono coltivate invece in Toscana dove rinveniamo alcuni marmi cristallini formatisi da metamorfismo di contatto generati dall intrusione di plutoniti terziarie e dal loro effetto termico su preesistenti rocce carbonatiche. In questo caso gli affioramenti mostrano maggiori eterogeneità in quanto il meccanismo genetico è indotto da un aureola termometamorfica che si esplica con entità via via meno efficace all allontanarsi dalla massa magmatica.

36 Fra i marmi non cristallini il panorama italiano è molto più esteso con notevoli distretti estrattivi distribuiti in distinte regioni. Dalle aree note agli studenti di Scienze della Terra dell Università di Ferrara possiamo ricordare l Ammonitico rosso (che si rinviene in notevoli varietà) cioè un calcare nodulare di età jurassica caratterizzato dalla notevole presenza di ammoniti e il Chiampo vicentino che è una calcarenite di età Paleogenica. Per quanto concerne i graniti in sensu strictu, zone di produzione Italiana sono concentrate in Sardegna e nelle alpi occidentali. In quest ultima zone vengono cavati anche graniti venati (che in realtà sono degli gneiss). Graniti di colore più scuro (rocce intrusive femiche) vengono estratte nella zona di Ivrea. Fra le numerose pietre estratte in aree note agli studenti di scienze della terra dell Università di Ferrara vanno menzionate le trachiti provenienti dai colli Euganei e i porfidi Atesini. Per tali materiali che vengono prodotti principalmente per preparare cubetti utili per pavimentazioni stradali, si favoriscono le aree caratterizzate da marcata fratturazione in quanto favoriscono l estrazione.

37 In fase di ricerca di aree idonee all estrazione la figura professionale del geologo è molto importante. Saranno vitali sia ricerche di letteratura (consultazione di carte geologiche) che visite e sopralluoghi sul campo per ulteriori rilevamenti che possono essere anche coadiuvati da analisi geofisiche. Prelievi di campioni (anche da carotaggi) per osservare le caratteristiche (anche estetiche) e la determinazione delle sopracitate prove fisico-meccaniche sono sempre necessari. Bisogna verificare - l esistenza e il VOLUME UTILE di un giacimento e la sua tipologia commerciale - l assetto strutturale (faglie/pieghe ecc) che condiziona le DIMENSIONI dei blocchi estraibili - l omogeneità del materiale estraibile (che consente una produzione uniforme e costante) - la presenza di difetti e fattori penalizzanti; nei marmi questi sono rappresentati da presenza di cavità, noduli e concrezioni di silice, solfuri che possono trasformarsi in idrossidi deturpando il materiale e liberare zolfo che può generare altri minerali secondari, minerali argillosi che possono anche avere reticolo espandibile. Nei graniti molto spesso i difetti sono dati da xenoliti, roof pendants, isoconcentrazioni e rarefazioni di un particolare materiale, filoni, variazioni di grana. Queste informazioni geologiche implementeranno altre considerazioni socio-economiche, legislative, logistiche, e climatiche per decidere l opportunità di intraprendere l estrazione.

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40 Quando un giacimento risulta idoneo allo sfruttamento e si perviene alla decisione di aprire una cava si rende necessaria una corretta pianificazione e programmazione delle attività di estrazione. Tale relazione viene definito piano di coltivazione (p.d.c.). Questo rapporto deve essere corredato da carte topografiche e geologiche a scala dettagliata (1:10000) e relativi profili e sezioni che permettono simulazioni tridimensionali di come evolverà il territorio durante e dopo lo sfruttamento. Il p.d.c. dovrà descrivere le tecniche con cui procederà l estrazione, le aree da cui i lavori inizieranno e progrediranno, le aree adibite a stoccaggio e a lavorazione dei blocchi estratti, la viabilità nel cantiere e le relative condizioni di sicurezza e prevedere infine modalità di ripristino ambientale quando la cava sarà esaurita. Il p.d.c. descriverà quindi come avvengono le principali operazioni in cava. Fra queste: - Il taglio primario - Ribaltamento - Ritaglio e riquadratura dei blocchi

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45 Cave a gradoni a cielo aperto

46 Cave a gradoni a cielo aperto

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48 Cava in sotterraneo

49 Cava in sotterraneo

50 Tecniche di taglio

51 Drilling to set charges for a blast.

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56 Flame jet, con temperature sino a 2000 C in funzione dei combustibili e comburenti utilizzati. Il metodo sfrutta il diverso coefficiente di dilatazione termica dei vari minerali costituenti. Risulta efficiente nel taglio dei graniti.

57 Hydro-jet

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61 Dopo la riduzione in lastre si effettuano in cantiere altre due lavorazioni: La levigatura consiste nello spianamento con apposite frese in modo da ottenere una superficie piana, ma semilucida; la lucidatura viene effettuata con mole abrasive a grana sempre più fina, poi con dischi di feltro, fino ad ottenere una superficie quasi perfettamente speculare. La lucidatura è un operazione che richiede molto tempo e cura, e modi diversi secondo la varietà della pietra o del marmo.

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