PERCHÉ LE PIETRE SI DEGRADANO

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1 PERCHÉ LE PIETRE SI DEGRADANO La degradazione dei materiali lapidei è dovuta all interazione con l ambiente che li circonda Ogni materiale lapideo reagisce in modo diverso con l ambiente, in funzione di: - composizione chimica e mineralogica - caratteristiche fisiche e strutturali Tale reazione è regolata da: - condizioni microclimatiche (temperatura, umidità dell aria, ventilazione, piovosità) - grado di esposizione - tipo di lavorazione dei manufatti lapidei Muratura a sacco in pietra arenaria Il veicolo principale di degradazione dei materiali lapidei è rappresentato, in ogni caso, dall acqua che può agire direttamente o indirettamente La presenza di inquinanti ambientali specialmente quelli aerei rappresenta un fattore di incremento e accelerazione dei fenomeni di degrado Microfotografia - pietra arenaria Riferimenti bibliografici S. Franceschi et al., Il progetto di restauro - protocolli operativi, Alinea, Firenze P. Gasparoli, Le superfici esterne degli edifici, Alinea, Firenze A. Bellini, Tecniche della conservazione, Franco Angeli, Milano A, Riccio, Chimica e restauro, Marsilio, Venezia 1984 AA. VV., La pietra - interventi conservazione restauro, Congedo Editore, Galatina, S. E. M. - porosità pietra arenaria

2 PROCESSI DI DEGRADO I processi di degrado possono essere divisi, per semplicità, in tre gruppi: - chimici - fisici - biologici In realtà la natura dei processi è più complessa in quanto gli attacchi di natura chimica, fisica e biologica si sovrappongono ed agiscono contemporaneamente La causa principale di innesco di tali processi è, come si è detto, l accesso d acqua che può avere origini diverse e presentarsi come: - acqua meteorica (pioggia battente, acqua di ruscellamento) - umidità di condensa (condensazione superficiale e interstiziale) - umidità di risalita (acque di scorrimento, falda freatica) - perdite da impianto idrico

3 Processi di degrado innescati dall acqua: DEGRADO AZIONE DELL ACQUA fisici dissoluzione, idratazione, idrolisi dei materiali costitutivi, azione meccanica: gelo, cristallizzazione dei sali chimici acidi e sali disciolti generano soluzioni corrosive (azioni sul legante carbonatico innescate da: anidride carbonica, anidride solforosa, acido solforico, ossidi di azoto) biologici attecchimento di licheni e piante infestanti Tutti i materiali lapidei hanno superfici con carattere idrofilo (i carbonati, i silicati, gli ossidi, contengono atomi di ossigeno, carichi negativamente, che attraggono le molecole d acqua formando legami idrogeno) I materiali lapidei sono inoltre rigidi e fragili per cui sono sensibili alle sollecitazioni meccaniche esterne e interne (carichi, vibrazioni, gelo, cristallizzazione dei sali, dilatazioni termiche) Processo di degradazione di natura chimica Sezione sottile di marmo bianco. Lo strato superficiale pur essendo composto da calcite pura, come il marmo sottostante, si differenzia per la diversa morfologia dei cristalli (più grandi) e per la presenza diffusa di cristalli di gesso Processo di degradazione di natura chimico - fisica Bozza in Pietraforte, Palazzo Medici Riccardi, Firenze Polverizzazione- erosione Processo di degradazione di natura biologica Patina biologica (licheni) su una scultura in marmo

4 DEGRADO POROSITA Le caratteristiche strutturali delle pietre da costruzione influenzano in modo determinante il loro comportamento nei confronti dell acqua, soprattutto la quantità e il tipo di porosità Dalla porosità dipende l entità dell assorbimento d acqua e il suo movimento all interno del materiale, sia allo stato liquido che di vapore La distribuzione dimensionale dei pori all interno dei materiali è di grande importanza ai fini della permeabilità all acqua e quindi della loro durabilità I pori piccoli (al di sotto del micron) facilitano l assorbimento d acqua per suzione e quindi anche la risalita di umidità dal suolo, rendono il materiale meno resistente al gelo e rallentano l evaporazione a pori aperti b pori chiusi c pori interconnessi I pori si possono classificare come: - micropori : diametro inferiore a 0,002 mm - mesopori : diametro compreso tra 0,002 e 0,05 mm - macropori : diametro superiore a 0,05 mm Istogramma della distribuzione dimensionale dei pori in un conglomerato arenaceo (Convento di S. Francesco a Gioi Cilento). Circa il 50% dei pori ha dimensioni inferiori al micron. In questo caso la permeabilità all acqua è comunque bassa poiché il valore della porosità totale non favorisce fenomeni di suzione Porosimetria al mercurio istogramma distribuzione dimensionale dei pori Micrografia al microscopio elettronico (SEM) x Dalla micrografia SEM si evince l ottima connessione matrice - cristallo

5 DEGRADO LAVORAZIONE Un materiale lavorato (decorazioni o sculture) è più debole poiché è caratterizzato da: una maggiore superficie specifica una minore resistenza meccanica Risulta, per tale ragione, più facilmente aggredibile sia chimicamente che fisicamente Crosta nera su cornice decorata (Basilica barocca di Santa Croce a Lecce) 2. Crosta nera su materiale lapideo di natura carbonatica in corrispondenza delle parti protette dal ruscellamento 3. Caratterizzazione di crosta nera su marmo bianco mediante microscopia ottica in luce riflessa Lo strato sottostante di materiale decoeso pulverulento, solfato di calcio (gesso), tende ad essere asportato dalle acque di dilavamento 3

6 DEGRADO PROCESSI CHIMICI : BICARBONATAZIONE Le pietre a cemento calcareo (calcare, dolomie, marmi), le malte e gli intonaci sono attaccate da acque contenenti anidride carbonica che trasformano i carbonati insolubili in bicarbonati solubili secondo la reazione CaCO2 + CO2 + H2O Ca2 + 2HCO3 Il processo è generalmente lento ma lascia la superficie del materiale corrosa e debole nei confronti di altri processi Si può verificare una ricristallizzazione del carbonato di calcio con formazione di una crosta dura e compatta con caratteristiche strutturali diverse dal materiale sottostante, suscettibile di un successivo distacco a seguito di sollecitazioni meccaniche

7 DEGRADO PROCESSI CHIMICI : SOLFATAZIONE Le pietre a cemento calcareo (calcare, dolomie, marmi), le malte e gli intonaci sono attaccate da acque contenenti anidride solforosa che trasformano i carbonati in solfato di calcio (gesso) secondo la reazione CaCO3 + H2SO2 + H2O CaSO4.2H2O + CO2 Se il materiale è poroso l attacco avviene in profondità portando in breve tempo alla disgregazione tutto il manufatto Se il materiale è compatto viene interessata solo la superficie con conseguente dissoluzione per dilavamento, altrimenti, in assenza di dilavamento si forma una crosta contenente gesso. In caso di crosta l attacco procede in profondità disgregando il tessuto cristallino: in superficie la crosta si ispessisce mentre al di sotto i cristalli di gesso causano danno per effetto meccanico, provocando, in seguito, il distacco della crosta sovrastante, lasciando scoperto un materiale pulverulento facilmente aggredibile sia chimicamente che fisicamente

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9 PERDITA DI MATERIA Distacco o Mancanza - Definizione (Normal 1/88 II edizione) Distacco: Soluzione di continuità fra strati superficiali del materiale, sia tra loro che rispetto al substrato; prelude, in genere, la caduta degli strati stessi. Il termine si usa in particolare per gli intonaci e per i mosaici. Nel caso di materiali lapidei naturali, le parti distaccate assumono forme specifiche in funzione delle caratteristiche strutturali e tessiturali e si preferiscono allora voci quali crosta, scagliatura, esfoliazione. Mancanza: Caduta o perdita di parti. Il termine si usa quando tale forma di degradazione non è descrivibile con altre voci del lessico. Cause I fattori che maggiormente influenzano questo fenomeno sono: - le perdite degli impianti di smaltimento e delle acque; - la presenza di formazioni saline (intonaci eseguiti su edifici decorticati da diverso tempo); - la presenza di fenomeni di umidità ascendente; - le soluzioni di continuità conseguenti alla presenza di fessurazioni o di lesioni strutturali; - le soluzioni di continuità in prossimità dell'innesto di elementi metallici; - gli errori di posa in opera e l'utilizzo di sabbie o malte poco idonee.

10 PERDITA DI MATERIA VARIAZIONE DI GRANA Alveolizzazione - Definizione (Normal 1/88 II edizione) Degradazione che si manifesta con la formazione di cavità di forma e dimensione variabili. Gli alveoli sono spesso interconnessi ed hanno distribuzione non uniforme. Nel caso particolare in cui il fenomeno si sviluppa essenzialmente in profondità con andamento a diverticoli si può usare il termine "alveolizzazione a cariatura" Morfologia L'alveolizzazione è caratterizzata dalla presenza di cavità (alveoli), anche molto profonde, distribuite con andamento irregolare sulla superficie del materiale lapideo. Questo fenomeno è spesso spinto fino alla disgregazione e dalla polverizzazione dell'elemento lapideo. Generalmente questa forma di degrado si manifesta in materiali molto porosi, in presenza di un elevato contenuto di sali solubili in zone climatiche dove sono frequenti fenomeni di rapida evaporazione delle superfici lapidee esposte alle intemperie. L'alterazione ha inizio generalmente attorno alle pareti dei pori, dove maggiore è l evaporazione ed attorno a parti di discontinuità strutturale del materiale lapideo. Cause L'alveolizzazione è un fenomeno conseguente all'azione disgregatrice esercitata dalla pressione di cristallizzazione dei sali all'interno dei pori del materiale lapideo. Le soluzioni saline, formatesi in seguito ad assorbimento di acqua, tendono, in seguito all'evaporazione del solvente, a cristallizzarsi con conseguente aumento di volume; i pori del materiale lapideo subiscono pressioni superiori alle capacità di resistenza del materiale e si sfaldano. Quando l'evaporazione è rapida (forti correnti d'aria), la soluzioni saline possono cristallizzarsi ad una certa profondità provocando anche il distacco e la conseguente disgregazione di ampie porzioni del materiale. Questa specifica alterazione si manifesta in concomitanza dei seguenti fattori: - presenza di materiali porosi - elevato contenuto di sali solubili, provenienti dal terreno o trasportati come aerosol sulla superficie lapidea; - rapida evaporazione della parete per effetto di forti turbolenze dell'aria

11 PERDITA DI MATERIA VARIAZIONE DI GRANA Erosione - Definizione (Normal 1/88 II edizione) Asportazione di materiale dalla superficie dovuta a processi di natura diversa. Quando sono note le cause di degrado, possono essere utilizzati anche termini come: erosione per abrasione, erosione per corrasione (cause meccaniche), erosione per corrosione (cause chimiche e biologiche), erosione per usura (cause antropiche). Morfologia Varia ma sempre associabile a perdite di materiale e/o di consistenza della superficie esposta; il fenomeno provoca spesso la perdita della componente figurativa dell'opera. Una particolare forma di erosione degli intonaci assume, in Ortygia, forme e grafie sempre diverse. Cause Per stabilire le cause e per catalogare l'origine del degrado (abrasione, corrasione, corrosione, usura) occorre un'indagine strumentale.

12 AUMENTO DI MATERIA MODIFICA CROMATICA Patina biologica - Definizione (Normal 1/88 II edizione) Strato sottile, morbido ed omogeneo, aderente alla superficie e di evidente natura biologica, di colore variabile, per lo più verde. La patina biologica è costituita prevalentemente da microrganismi cui possono aderire polvere, terriccio, ecc. Morfologia Gli effetti del biodeterioramento consistono nel cambiamento, a volte irreversibile, sia d'aspetto estetico dell'opera sia dello stato fisico chimico. La variazione estetica si può manifestare in conseguenza della semplice sovrapposizione del biodeteriogeno, o con l'arricciamento, il sollevamento o la polverizzazione del colore, o anche con la disgregazione e il distacco del supporto di intonaco. La presenza sui materiali dei microrganismi è normale; in proporzioni limitate questo fenomeno non è dannoso; diventa tale quando le condizioni esterne sono favorevoli all'attecchimento ed al loro sviluppo. Si arriva al "biodeterioramento" quando i microrganismi iniziano il loro ciclo vitale (la germinazione) e tramite l'espansione delle ife o dell'apparato radicale danno origine a dei processi fisico chimici che degradano i materiali. Lichene foglioso Cause Tra le condizioni che favoriscono il biodeterioramento si possono citare: - il tasso di umidità superiore alla norma; - il regime termo-igrometrico ambientale; - le formazioni di sali minerali presenti nei materiali; - le natura di alcune sostanze organiche applicate sui materiali, all'origine o in fase di restauro L'attacco biologico avviene in quattro fasi fondamentali: - la contaminazione superficiale, effetto dell'inquinamento biologico; - la proliferazione, favorita dalle condizioni ambientali; - lo sviluppo in profondità, determinato dalla struttura chimica e fisica del substrato; - la colonizzazione, fase determinante per il degrado del materiale. Alcuni fattori possono favorire l'attacco biologico. I principali sono: la presenza di acqua; la combinazione di aria, luce, specifici valori di temperatura, ph del substrato e dell'atmosfera; le caratteristiche morfologiche del substrato (presenza di asperità, di scabrosità, di rientranze ù nelle quali viene a mancare il dilavamento delle acque meteoriche); la specie biologica che confluisce sulla superficie.

13 AUMENTO DI MATERIA MODIFICA CROMATICA Crosta - Definizione (Normal 1/88 II edizione) Strato superficiale di alterazione del materiale lapideo o dei prodotti utilizzati per eventuali trattamenti. Di spessore variabile, è dura, fragile, distinguibile dalle parti sottostanti per le caratteristiche morfologiche e, spesso, per il colore. Può distaccarsi anche spontaneamente dal substrato che, in genere, si presenta degradato e/o polverulento. Morfologia Depositi di colore scuro, aderenti al supporto, che ricoprono il substrato in modo omogeneo, possono assumere anche la consistenza di incrostazioni di forma irregolare, compatte ed ancorate al substrato. Si trovano come depositi di piccolo spessore sulle superfici verticali non sottoposte al dilavamento dell'acqua, ed in forma di spesse incrostazioni nelle zone protette dalla pioggia (sottosquadri, cornici, mensole, ecc.). Per effetto della diversa dilatazione termica della crosta rispetto a quella del substrato lapideo, questi depositi possono fessurarsi e distaccarsi mettendo a nudo una superficie lapidea disgregata e deteriorata. Sulle superfici disgregate inizia un ulteriore fenomeno di formazione di una nuova crosta che ripete peggiorandolo il processo di alterazione. Cause Analisi delle croste effettuate al SEM, hanno evidenziato la composizione di tali incrostazioni: esse sono costituite principalmente da gesso (CaSO4.2H2O) e da particellato a cui si deve la colorazione scura del deposito. Il gesso si forma per alterazione del carbonato di calcio, principale costituente delle pietre calcaree e delle malte, in seguito alla reazione con acido solforico, formatosi nell'atmosfera in presenza di anidride solforosa (SO2): CaCO3 + H2SO4 + H2O CaSO4. 2H2O + CO2 La presenza di anidride solforosa, aumentata percentualmente in modo elevato nell'atmosfera, è stata messa in relazione alla produzione e combustione di alcuni carburanti sia solidi che liquidi che contengono sostanze solforate. Tali sostanze emesse nell'atmosfera, in combinazione con acqua e con alcuni catalizzatori, possono subire fenomeni di ossidazione producendo acido solforico o solforoso, che può depositarsi sul materiale durante le precipitazioni o per condensazione reagendo con esso.

14 AUMENTO DI MATERIA MODIFICA CROMATICA Efflorescenza - Definizione (Normal 1/88 II edizione) Formazione di sostanze, in genere di colore biancastro e di aspetto cristallino, polverulento o filamentoso, sulla superficie del manufatto. La cristallizzazione può avvenire anche all'interno del materiale provocando, spesso, il distacco delle parti più superficiali: il fenomeno, in questi casi, prende il nome di cripto efflorescenza o di sub-efflorescenza. Morfologia Diversi composti salini si possono trovare presenti, sotto forma di soluzioni acquose all'interno delle murature. La loro deposizione sulle superfici dipende sia dal grado di solubilità propria di ogni composto, che dalla maggiore o minore quantità d'acqua necessaria per solubilizzarli. Inoltre, le variazioni della temperatura, l'evaporazione del solvente e l'abbassamento dell'umidità relativa nell'atmosfera circostante, sono fattori che possono produrre l'aumento della concentrazione della soluzione e la conseguente cristallizzazione delle specie saline. Se qualitativamente il fenomeno è analogo per ogni sostanza salina, diversi sono invece i valori di temperatura, di umidità relativa e di concentrazione che determinano la solubilità propria di ogni sostanza. Il meccanismo di degrado è conseguente alla pressione di cristallizzazione dei sali; alcuni hanno la caratteristica di aumentare notevolmente il loro volume nel corso del passaggio alla fase solida in seguito all'evaporazione del solvente; le pressioni provocate all'interno dei pori sono tali da superare la capacità di resistenza del materiale. Il risultato è la continua erosione degli strati superficiali. Cause I sali possono provenire: - dal terreno (soprattutto i Nitrati ed i Cloruri) - dalla deposizione degli aerosol presenti nell'atmosfera (Cloruri e Solfati) - dallo stesso materiale utilizzato per la costruzione (i solfati di metalli alcalini possono essere presenti nei mattoni; i solfati di Calcio e Magnesio possono essere presenti nei calcari, ecc.); - dai materiali impiegati per il restauro (gesso, ettringite e thaumasite, che si originano per reazione del cemento Portland, con i composti dello zolfo).

15 AUMENTO DI MATERIA

16 PERDITA DI MATERIA VARIAZIONE DI GRANA Pitting pietra calcarea Esfoliazione pietra arenaria

17 DEFORMAZIONE

18 INTERRUZIONE DI CONTINUITA Intonaco