UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA LE MALTE DI GHIARA NELL EDILIZIA STORICA CATANESE: FRA LETTURA DELLE FONTI E SPERIMENTAZIONE

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALI CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN SCIENZE E TECNOLOGIE AVANZATE APPLICATE ALLA CONSERVAZIONE E AL RESTAURO DEI BENI CULTURALI GIUSEPPINA UCCELLO LE MALTE DI GHIARA NELL EDILIZIA STORICA CATANESE: FRA LETTURA DELLE FONTI E SPERIMENTAZIONE TESI SPERIMENTALE DI LAUREA Relatore : Chiar.mo Prof. Antonino Pezzino Correlatori: Prof. Paolo Mazzoleni - Dott.Mauro Francesco La Russa ANNO ACCADEMICO

2 INTRODUZIONE Il restauro di un opera, sia essa mobile o immobile, non può prescindere da una conoscenza approfondita e dettagliata della storia costruttiva e conservativa dell opera stessa e, allo stesso tempo, da uno studio analitico dei materiali che la compongono e del suo stato di conservazione. Lo studio dei materiali, della loro composizione e del loro comportamento nel tempo, affiancato ai dati storici, alla conoscenza dei metodi costruttivi e dei passati restauri, sono tutti elementi che forniscono dati indispensabili alla scelta di una specifica e ponderata metodologia di intervento. In questo contesto si inserisce il presente studio, che ha come obbiettivo la caratterizzazione minero petrografica, chimica e fisica di particolari tipi di malte utilizzate a Catania nel periodo che va dalla ricostruzione post terremoto del 1693 fino a circa il 1950 e che caratterizzano gran parte del centro storico: le malte di ghiara. La ghiara è un aggregato sciolto dal caratteristico colore rosso. Tecnicamente è un paleosuolo su substrato pedogenetico a vari gradi di maturità che, a causa dell elevata temperatura ( C) determinata dalle coltri laviche che lo sovra scorrono e lo ricoprono, subisce un processo di cottura. Ha granulometria sabbiolimosa con intrusioni di lapilli e tufi della pezzatura di 1 4 mm, inoltre ha la caratteristica di essere, nelle porzioni più limose, untuoso al tatto e molto tingente. Contrariamente all'azolo, la ghiara è chimicamente abbastanza attiva ed era forse l'unica con caratteristiche idrauliche derivate direttamente dal metamorfismo anziché dalla solidificazione di prodotti piroclastici, ed inoltre non richiedeva operazioni di frantumazione dopo l'estrazione, ma necessitava solo di opere di mera setacciatura. A Catania infatti si nota, in relazione ai fattori ambientali, una netta prevalenza di aggregati di origine vulcanica, capaci di determinare reazioni di tipo pozzolanico con la conseguente classificazione delle stesse come malte idrauliche. Nel presente studio si è cercato innanzitutto di reperire la bibliografia esistente riguardo questo antico materiale, tutt ora poco conosciuto agli stessi catanesi.

3 Alla ricerca delle fonti storiche si è affiancato uno studio minero petrografico dei campioni di malta di ghiara prelevati nel quartiere storico di Via di San Giuliano a Catania, risalenti alla ricostruzione barocca. Tale ricerca, finalizzata ad una caratterizzazione chimico fisica e alla verifica delle loro proprietà idrauliche, si è avvalsa di differenti tecniche di indagine: Analisi mineralogica tramite microscopia ottica a luce polarizzata (MO) Analisi diffrattometrica tramite diffrattometria a raggi X (XRD) Analisi chimico morfologica tramite microscopia elettronica a scansione abbinata a microanalisi EDS (SEM+EDS) Analisi chimica tramite fluorescenza a raggi X (XRF) Inoltre sono stati confezionati in laboratorio dei provini di malta che si differenziano sia per la natura dell aggregato, vulcanico (ghiara) e calcareo (sabbia calcarea), sia per la provenienza dell aggregato vulcanico (ghiara di 3 cave differenti ) sia per i differenti rapporti in volume ( 1:2 e 1:4 rispettivamente calce e aggregato). Dopo stagionatura i provini sono stati sottoposti a cicli di assorbimento e cristallizzazione di sali, allo scopo di evidenziarne eventuali differenti prestazioni in funzione dell aggregato e del diverso rapporto in volume. Infine questo lavoro vuole anche sensibilizzare una ripresa, con i dovuti accorgimenti geotecnici, delle antiche cave di ghiara, testimonianze ormai sommerse dalla modernità.

4 1.0 I materiali lapidei artificiali: le malte I materiali lapidei artificiali e in particolar modo le malte, hanno avuto ed hanno grande importanza nel campo dei materiali da costruzione e per la fabbricazione di manufatti dato che vengono utilizzate per svariate funzioni, da quella puramente decorativa o di rivestimento, a quella più specificatamente strutturale. Secondo le Raccomandazioni Normal 23/86 e 23/87 la malta è costituita da una miscela di legante (ad esempio calce, gesso o cemento) acqua e un aggregato fine. Da tale miscela si ottiene un impasto plastico che ha capacità di indurire in un tempo più o meno lungo a seconda della sostanza adoperata come legante. L'aggregato ha il compito di aumentare il volume dell'impasto, di facilitare il passaggio dell'anidride carbonica necessaria per una buona presa o indurimento e di impedirne il ritiro volumetrico con conseguente formazione di cavillature. Il legante, per trasformazione fisica e per reazione chimica, provoca l'unione delle particelle dell'aggregato altrimenti incoerenti. Una malta è dunque un sistema composito di proprietà variabili in funzione della natura dei suoi componenti. I leganti sono composti di natura minerale, che allo stato di polveri, dopo impasto con acqua ed in seguito allo svilupparsi con questa di reazioni chimiche, sono in grado di far presa (acquisire consistenza allo stato solido) e di indurire (resistere a compressione). In base ai fenomeni che si innescano durante queste fasi si possono distinguere due famiglie di malte: le malte aeree e le malte idrauliche. Le prime danno presa ed indurimento soltanto se messe a contatto con l'aria, le seconde possono dar luogo alle reazioni di indurimento, quindi dopo aver fatto presa, anche se immerse in acqua. Le malte aeree si ottengono per miscela di un legante aereo, gesso o calce aerea, acqua e aggregato inerte. Le malte idrauliche possono invece essere confezionate o a partire da un legante idraulico (cemento o calce idraulica) con un qualsiasi aggregato, oppure utilizzando una calce aerea ed un aggregato reattivo. Quest'ultimo caso è quelle delle cosiddette malte "pozzolaniche" o malte "a cocciopesto". Come legante è stata dapprima utilizzata calce aerea, il cui impiego risale sicuramente alle prime età della preistoria (neolitica, eneolitica), anche se risulta adoperata, con maggiore frequenza, nella quarta età, quella del bronzo. Il più antico manufatto rinvenuto realizzato con la calce a noi conosciuto è un calcestruzzo usato in una pavimentazione rinvenuta nel 1985 a Yiftah nella Galilea meridionale (Israele), datato al 7000 a.c. Questa pavimentazione, che si presenta ~ 1 ~

5 molto compatta e con una superficie dura e levigata, è stata realizzata con calce e pietra e collocata su un basamento uniforme di argilla sabbiosa. Questa scoperta archeologica ha soppiantato il precedente rinvenimento, un terrazzamento di 25 cm di spessore in calcestruzzo di calce grassa rinvenuto a Lepenac Vir, in Serbia, risalente al 5600 a.c. La scoperta di un legante a comportamento idraulico, atto, cioè, a far presa ed indurire anche in ambiente subacqueo, si attribuisce invece ai Fenici. Ad essi si addebita la preparazione di malte confezionate con calce aerea e sabbia vulcanica dell antica Thera (isola di Santorini). Dai Fenici l impiego della calce si è trasmesso ai Greci, ai Romani ed a tutta la civiltà mediterranea, fino al XIX secolo, gradualmente scomparendo per effetto della scoperta del cemento Portland. 1.1 Classificazione delle malte Le malte vengono classificate, oltre che per i componenti, anche sulla base della tipologia d'impiego in: malte per murature (di allettamento, di riempimento). Sono impiegate per legare o allettare elementi di laterizio, di pietra o di altri materiali al fine di erigere murature, volte, ecc.; comprende sempre un solo strato, il legante è costituito da calce aerea o idraulica e sabbia fluviale e di granulometria compresa fra 1 4 mm. Si può rilevare la presenza di cocciopesto o sabbia vulcanica aggiunta per dare "idraulicità" alla malta. Il rapporto legante/aggregato è variabile da 1:1.5 ad 1:3. malte per intonaci. Sono adatte a formare strati di finitura a protezione di superfici murarie; l intonaco è costituito da più strati, il primo strato a contatto con la muratura si chiama rinzaffo o abbozzo; esso ha il ruolo di ponte di adesione tra il corpo d'intonaco e la muratura; viene applicato in maniera non uniforme fino al rivestimento del 60 80% circa della muratura: con la sua granulometria grossolana crea delle zone ruvide che serviranno da aggrappante per gli strati successivi. Tra i vari strati dell'intonaco, il rinzaffo è quello che presenta le più elevate resistenze a sollecitazioni fisiche. Il secondo strato è definito arriccio o arricciato o intonaco rustico, ha una granulometria media (circa 1,5 millimetri di diametro massimo) e viene applicato in spessori che variano da 1,5 a 2 ~ 2 ~

6 centimetri, rivestendo così il ruolo di vero e proprio scheletro di tutto il sistema intonaco. Il suo principale compito è di uniformare la superficie delle murature, andando ad eliminare tutti gli eventuali difetti di planarità e verticalità, e, dato lo spessore, di barriera protettiva nonché di struttura portante per gli strati successivi (intonaco di finitura o sistema collantepiastrella). Rispetto al rinzaffo ha un minore dosaggio di leganti, cosa che consente di limitarne il ritiro. L'ultimo strato, detto intonachino o velo o intonaco civile (la sua applicazione è generalmente definita stabilitura) ha generalmente due funzioni: proteggere l'intonaco e renderlo esteticamente gradevole. Ha una granulometria fine, di diametro massimo inferiore agli 800 micron, ed il suo spessore di applicazione è inferiore ai 3 millimetri. Nell'antichità quest'ultimo strato era solitamente realizzato con agenti pigmentanti, acqua e calce, mentre oggi vi sono numerose tipologie di pitture ed intonaci protettivi già rifiniti. malte per decorazioni (a spessore, a rilievo). Gli strati di corpo hanno sempre composizione simile a quella degli intonaci, solo gli strati di finitura presentano caratteristiche particolari. Per le applicazioni in esterno si osservano leganti di calce e aggregati di sabbia fluviale. Per le applicazioni in interno si osserva un maggior uso del gesso spesso privo di aggregato. Da segnalare la presenza della cosiddetta "polvere di marmo" come aggregato: in realtà si tratta di materiale calcareo che può variare dalla sabbia con frammenti di calcari, al marmo frantumato, ai grandi cristalli singoli di calcite di venatura. malte per usi particolari (stuccature, sigillature, stilature). E il tipo più diffuso tra le malte di uso particolare. Il periodo di applicazione è limitato (dal tardo XIX secolo) e diverse "ricette" sono state sperimentate per stuccare le fessure, incollare pezzi staccati, rimodellare motivi decorativi. Il legante più diffuso è il cemento Portland, l'aggregato è costituito dai frantumi della stessa pietra da stuccare. Il rapporto legante/aggregato è molto variabile. malte per applicazione rivestimenti (pavimentazioni, pareti, ecc.). ~ 3 ~

7 1.2 Componenti degli impasti Gli impasti sono delle miscele ternarie essenzialmente costituite da legante, aggregato e quantità più o meno variabile di acqua. I leganti sono materiali che, dopo essere stati cotti, macinati e polverizzati, vengono mescolati con acqua e aggregati per formare una pasta plastica e lavorabile capace di indurire nel tempo. Le proprietà che gli impasti acquisiscono grazie ai leganti sono: lavorabilità, (importante per una giusta posa in opera degli elementi della muratura e adesione al supporto), capacità di indurimento nel tempo, maggiore elasticità, porosità, impermeabilità, solidità e resistenza alle tensioni per il ritiro e ai fattori aggressivi. Per quando riguarda l impasto, possiamo distinguere due fasi, tra le quali, però, non esiste un confine ben definito. Queste fasi sono: la presa la cui durata va da alcuni minuti a circa una decina di ore, a seconda del tipo di legante usato e dalla modalità di messa in opera. Questa fase rappresenta un passaggio da una condizione di fluidità iniziale ad una massa più densa in grado di mantenere la forma che gli viene data; l indurimento che consiste invece nell aumento della resistenza meccanica e continua indefinitamente nel tempo. I leganti sono classificabili, in funzione del loro comportamento, in due grandi categorie: leganti aerei e leganti idraulici. Entrambi i tipi sono leganti naturali, cioè leganti di origine inorganica provenienti dal regno minerale. A. Leganti aerei I leganti aerei sono leganti che possono indurire soltanto in aria e non resistono, in generale, all azione dell acqua. Vengono utilizzati principalmente per la produzione di malte da intonaco. A questa categoria appartengono la calce e il gesso. Calce La calce è il classico legante dei materiali da costruzione utilizzato fin dall antichità, preparata per cottura di rocce calcaree (CaCO3). Le rocce calcaree sono composte da calcite, quarzo, argilla, ossido di ferro e carbonato di magnesio, se quest ultimo componente è più abbondante della calcite, le rocce prendono il nome di dolomite. Inoltre se il quantitativo di argilla supera il 50%, i calcari prendono il nome di marne, se, invece, l argilla è inferiore al 50%, si parla di calcari marnosi. ~ 4 ~

8 Figura 1: Il ciclo della calce Le rocce calcaree utilizzate per la produzione di calce di buona qualità, sono quelle tenere (perché si lavorano più facilmente) che contengono il 90% di carbonato di calcio e meno dell 1% di carbonato di magnesio, inoltre devono essere povere di ossido di ferro e silicati. Il processo di produzione della calce consiste nella cottura di calcari (calce aerea), o di calcari silicei o argillosi (calce idraulica) a temperature elevate (circa 900 C per la produzione di calce aerea e circa C per la produzione di calce idraulica).queste rocce durante il processo di produzione della calce, espresso graficamente in figura 1, subiscono un arricchimento in carbonato di calcio e una separazione da argilla, silice e ossidi di ferro. La cottura delle rocce avviene all interno di appositi forni in cui vengono raggiunte temperature elevate, fino ai 900 C. Per decomposizione termica, tali rocce si dissociano in ossido di calcio (CaO) e anidride carbonica (CO2) con l eliminazione di sostanze volatili che si disperdono nell atmosfera. LA COTTURA (900 C) CaCO 3 CaO (calce viva) + CO 2 CaO è la cosiddetta calce viva, è una massa porosa molto caustica e tende a idratarsi velocemente. Essa viene definita grassa se il calcare da cui si è ottenuta contiene meno del 10% di magnesio, magra se invece il calcare conteneva più del 10% di magnesio. ~ 5 ~

9 Dopo la sua formazione, la calce viva non è ancora pronta per essere utilizzata nell edilizia, infatti deve essere posta in contatto con acqua per produrre la cosiddetta calce spenta, cioè idrossido di calcio Ca(OH) 2. LO SPEGNIMENTO CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Questa reazione sviluppa forte calore e aumento di volume pari a circa il 10%. La calce spenta può essere prodotta con due metodi diversi. Con il primo metodo viene aggiunta un quantitativo d acqua pressappoco uguale a quello della calce all interno di particolari idratatori in cui una parte dell acqua evapora e si ottiene una polvere fine e soffice. Nel secondo metodo, che è quello più tradizionale, il quantitativo di acqua aggiunto è maggiore rispetto al quantitativo della calce, in questo caso si forma una compagine colloidale di gel costituita da particelle di idrossido di calcio rigonfiate d acqua, la quale fa da lubrificante tra le particelle, questa massa plastica che si forma viene definita grassello di calce. La calce spenta, così ottenuta, mescolata con acqua e sabbia, è in grado di formare una malta capace di indurire lentamente all aria. Inizialmente la malta perde la sua plasticità originale (presa) a seguito dell evaporazione di una parte dell acqua d impasto. Successivamente si verifica un lento e progressivo indurimento per la precipitazione di cristalli di CaCO3 a causa della reazione dell idrossido di calcio con l anidride carbonica dell aria, secondo la reazione chimica seguente: LA CARBONATAZIONE Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Questo fenomeno, che viene definito carbonatazione, fa si che il prodotto finale dell indurimento sia identico alla roccia calcarea di partenza, ma con cristalli più piccoli. Anche se la reazione precedente è corretta dal punto di vista formale, la reazione reale è più complessa. Osservando la precedente reazione infatti, il processo sembrerebbe avvenire tra un solido Ca(OH) 2 e un gas CO 2, mentre in realtà la reazione avviene in fase acquosa grazie all'acqua di impasto della calce. ~ 6 ~