Densità e porosimetria

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1 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria dei sistemi Edilizi 1 Proprietà della materia Densità apparente e assoluta Porosità e porosimetria Facciamo una piccola parentesi storica! Probabilmente la prima analisi dei materiali nell ambito di quelli che adesso considereremmo beni culturali (prima di questa si erano misurate matematicamente le altezze delle piramidi) 2 La Corona di Gerone II di Siracusa È d oro massiccio come richiesto dal tiranno o di una lega meno nobile? Come capirlo senza danneggiarla? 3

2 Applichiamo il principio di Archimede! Se prendo due masse uguali di oro tramite un bilancia a piatti questa sarà orizzontale Se le immergo in acqua ciascuna riceverà una spinta pari al peso dell acqua spostata Quindi quella ovvero che occupa un volume minore (quindi più densa) avrà una spinta minore, cioè affonderà di più. La corona risultò meno densa dell oro e quindi fatta anche d argento e l orafo ne pagò le conseguenze. 4 Cosa è la densità di un corpo? La densità di un corpo è il rapporto tra la sua massa e il suo volume d=m/v Facile se si tratta dell acqua 1 litro d acqua «pesa» un Kg quindi la sua densità è 1 Ma se si tratta di un solido? Marmo e calcarenite sono fatti della stessa cosa (CaCO 3 ) sotto forma di calcite ma hanno densità diversa per la presenza di porosità 5 Oggi abbiamo esteso il concetto di densità Densita cristallografica: calcolata per una struttura priva di difetti; Densita teorica: calcolata per una struttura con soluzioni solide a fasi multiple; Densita di bulk o densita assoluta: misurata sperimentalmente escludendo la porosità dalla misura del volume; Densita apparente: misurata usando il volume del corpo includendo in esso il volume dei pori Densita relativa il rapporto tra la densita del materiale in esame e la densita di un materiale di riferimento (acqua) (quella di Archimede) 6

3 Porosita : rapporto tra la somma dei volumi delle piccole cavita, fessure e spazi intergranulari, presenti all interno di un materiale, e il volume totale del materiale preso in considerazione. Aperta: ovvero accessibile dall esterno Chiusa: non accessibile Interconnessa: che permette il passaggio di liquidi da un punto all altro Micropori <2um 2um < Mesopori < 50um 50um < Macropori < 100um 7 La densità più utilizzata è quella apparente. Densità (apparente) e degrado diminuzione della densità apparente è in generale un sintomo di degrado in atto perché un processo di degrado comporta nella maggior parte dei casi una riduzione del contenuto materiale dell oggetto Esempio: gli insetti mangiano il legno, i sali degradano una pietra 8 9

4 10 Picnometria a Elio Campione da qualche cc a diverse decine di cc Non si altera con analisi Si hanno informazioni su proprietà intrinseche della materia costituente (finalità diagnostiche e identificative) Si basa su legge dei gas perfetti PV=nRT 11 Esecuzione della misura Il campione viene posto in una camera di misura che viene riempita di elio a pressione ambiente. Nella camera di riferimento l elio viene portato a circa 2 atmosfere. Quando si apre la valvola l elio fluisce dalla camera di riferimento alla camera con il campione. Si misura la pressione di equilibrio e la si compara con quella ottenuta nelle medesime condizioni ma senza il campione nella camera di misura. 12

5 Esempi d uso Degrado del legno porta a diminuzione della densità apparente ma ad aumento della densità assoluta. Se aumenta la porosità di una roccia diminuisce la densità apparente ma non varia la densità assoluta. Dalla misura della densità apparente e della densità relativa si risale alla porosità totale. 13 Perché aumenta la densità assoluta in un legno degradato da funghi o batteri? Perché la struttura del legno è disomogenea la parte cristallina è più densa e meno degradabile, al crescere del degrado aumenta la frazione di parte amorfa (meno densa) 14 Esempi d uso Dal valore di densità assoluta di una moneta dorata si può verificare se d oro massiccio o placcata. 15

6 Limiti e finalità Analisi molto accurata Problemi di sensibilità con campioni igroscopici Richiede campionamento ma non è distruttiva per il campione Insieme a picnometria a liquido permette di stimare la porosità totale del materiale Identificazione di materiali non accessibili alla vista Identificazione dello stato di conservazione 16 Porosimetria a intrusione di mercurio È regolata dall equazione di Washburn Il mercurio ha un angolo di contatto ottuso con praticamente tutti i materiali (ha una tensione superficiale troppo alta) quindi non penetra all interno dei pori aperti a meno che non venga spinto all interno mediante una pressione esterna. Il diametro in cui il mercurio penetra è inversamente proporzionale alla pressione esercitata. 17 Esecuzione della prova: Dimensione del campione qualche centimetro cubo di materiale, deve entrare in un dilatometro specifico dello strumento Il campione è a perdere (viene inquinato da mercurio che è fortemente neurotossico) Sul campione viene praticato il vuoto spinto per eliminare l aria dai pori dopo viene immesso il mercurio sino a riempimento del dilatometro, il mercurio in queste condizioni non verrà assorbito da pori di dimensione inferiore a qualche centinaio di micron. Viene fatta aumentare la pressione e il mercurio penetrerà nel materiale. Si legge la variazione di capacità del dilatometro che dipende dall altezza del mercurio nel capillare del dilatometro e quindi ad ogni pressione (diametro del poro) si sa quanto mercurio è scomparso (entrato nei pori di data dimensione). 18

7 19 Il dilatometro con il campione ed il mercurio è mantenuto in posizione mediante due elettrodi che leggono la capacità del sistema (che dipende dalla altezza del mercurio nel capillare) Man mano che il mercurio penetra nel campione la capacità del sistema cambia e si lega il volume in meno di mercurio alla pressione esercitata e quindi alla dimensione dei pori si associa un volume di mercurio perso 20 21

8 Finalità e limiti della porosimetria a mercurio Serve a capire la distribuzione e il volume totale dei pori in un materiale. In realtà la distribuzione è legata al diametro esterno dei pori Può servire a capire l effetto di un prodotto consolidante o adesivo o protettivo. Richiede un volume di campione proibitivo per i beni culturali, utile soprattutto per sperimentazione preliminare. Diametri dei pori investigabili (in due step) Da 100um (0,01atm) a 3,7nm (2000atm) 22