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Materiali lapidei e loro degrado.
Degrado fisico:
-microtraumi durante la lavorazione;
-uso errato della pietra (cfr. decorazioni, interferenza con altri materiali, es. ferro);
-sforzi eccessivi a cui è stato sottoposto il materiale in opera;
-effetti del vento:asportazione di parti superficiali;
-effetti della luce che può innescare reazioni chimiche di ossidazione;
-effetti dell’aria o meglio dei suoi salti termici;
-fisico-chimico
-chimico-fisico-biologico
rappresenta l’insieme dei processi che modificano l’assetto strutturale, morfologico ed
estetico di un certo sistema.
variazioni termiche
Tensioni meccaniche
rocce cattive conduttrici di calore
repentini cambiamenti di temperatura
dilavamento
effetti dell’acqua
infiltrazionesolubilizzazione
variazione del volume internoIl Solfato di sodio aumenta il suo volume
del 300%.
Efflorescenza salina
Subflorescenza salina
Superficie caldaInterno freddo
Sgretolamento, scagliatura, esfoliazione, rigonfiamenti.
Degrado fisicoDegrado fisico
DISGREGAZIONE polvere o minutissimi frammenti
ESFOLIAZIONE porzioni laminari sottili: sfoglie
SCAGLIATURA parti di forma irregolare e spessore consistente e non uniforme: scaglie
DISTACCOseparazione di strati o di materiale diverso (intonaco) o all’interno dello
stesso materiale (pietre - scagliatura, esfoliazione)EFFLORESCENZA
Formazione di sali, sulla superficie
RIGONFIAMENTO Sollevamento localizzato
FRATTURAZIONE o FESSURAZIONE Separazione materiale che implica lo spostamento reciproco delle parti
Tipologie di degrado fisico
Azione della temperatura
Le variazioni di temperatura e gli sbalzi termici posso causare sollecitazioni meccaniche, quindi provocare contrazioni ed espansioni, diverse a seconda del diverso coefficiente di dilatazione,
comportando variazioni dimensionali e volumetriche.
I fenomeni che possiamo riscontrare sono: sgretolamento, scagliatura, esfoliazione,
rigonfiamento.
Azione dell’acqua
• L’acqua, interagendo con il materiale lapideo caratterizzato da una struttura porosa, nei suoi tre stati (solida, liquida, gassosa) è comunemente considerata la causa principale del degrado fisico.
• fenomeni: il dilavamento, lento processo di asportazione ed erosione del materiale;
• subfluorescenze ed effluorescenze saline, cristallizzazione dei sali solubili, alveolizzazione.
Caratteristiche geologiche del materiale
• Tessitura (granulometria)
• Tipologia dei materiali presenti
- resistenza alla corrosione
- Risposta alla variazione della temperatura
Degrado chimico.
CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2
CARBONATO DI CALCIO -> BICARBONATO DI CALCIO DURO INSOLUBILE ->> SOLUBILE
CO2 provoca la solubilizzazione della calcite. La solubilità della calcite (marmo) aumenta con l’aumentare della percentuale di anidride carbonica disciolta in acqua.
calcare acido carbonico
ione calcio acido carbonico
Ca(HCO3)2 -> CaCO3 + CO2 + H2O
BICARBONATO DI CALCIO -> CARBONATO DI CALCIO SOLUBILE ->> POLVEROSO SOLUBILE
(formazione delle croste nere)
bicarbonato di calcio
bicarbonato di calcio
disidratazione
II fase
I fase
ricristallizzazione
CaCO3 + CO2+H2O ↔ Ca(HCO3)2
Calcite (carbonato Bicarbonato di calcio) poco solubile di calcio solubile
LE ARGILLE LITICHE
KxAl4(OH)4Si8-XAlXO20ּ H2O (con x <2 generalmente 1<x<1,5)
Infiltrazione ioni H+
Slittamento dei piani
Effluorescenze saline Gelo - DisgeloInfiltrazione di acqua
Croste nere
SO2 + O2 → SO3 + H2O
SO3 + H2O → H2SO4
H2SO4 + CaSO4 + H2O → CaSO4 ּ 2 H2O + CO2
I MATERIALI CALCAREI
IL GESSO SI LEGA A:
• OSSIDI DI FERRO
• CARBONE
ESFOLIAZIONE
• OLI MINERALI
DILAVAMENTO
biodeterioramento
licheni
AZIONE FISICAAZIONE CHIMICA
muschi
deiezioni animali
piante superiori
alghe
Degrado chimico-fisicodegrado chimico:
Formazione di gesso
Formazione di croste nere
Variazione del volume
Assorbimento radiazioni solari
derivanti dalla combustione del petrolio e del carbone, gesso, composti bituminosi e ferrosi, quarzo e silicati, pollini e spore, idrocarburi pesanti che sono appiccicosi e neri. A strati, per depositi successivi.
Shock termico parte nera più calda della parte bianca,
tensioni che danno luogo a fratture.
Condensa in giornate umide, le superfici delle opere d’arte si trovano a temperatura inferiore a quella ambientale.Rugiada
L’acqua condensata contiene tutte le sostanze inquinanti presenti nell’atmosfera, soprattutto acidi.
Tempo di contatto molto lungo e man mano che l’acqua evapora la soluzione si concentra.
la caratteristica comune a tutti i materiali lapidei , che ne condiziona il comportamento nel tempo, è la loro struttura porosa
Ciò implica che all’interno del solido può essere presente H2O in tutti i suoi possibili
stati di aggregazione
L’H2O può penetrare nel corpo poroso per effetto capillare:i gruppi OH¯ presenti nel materiale esercitano una forza attrattiva nei confronti dell’H2O (pressione
capillare che aumunenta con il diminuire del diametro dei pori)
Se la temperatura della pietra scende fino al punto di congelamento dell’acqua, con formazione di ghiaccio, si verifica una variazione di volume
Di conseguenza gli sforzi meccanici provocano MICROFRATTURE
Un meccanismo simile alla formazione dei cristalli di ghiaccio è la cristallizzazione dei
sali solubiliquando si verificano condizioni
di saturazione cominciano a formarsi cristalli di sali entro gli spazi porosi causati da diminuzione di temperatura o evaporazione di acqua
il fenomeno può avvenire all’interno della struttura porosa (subfluorescenze) causando esfoliazioni e distacco di croste superficiali
e sulla superficie esterna (effluorescenze)
I Sali solubili possono causare l’ALVEOLIZZAZIONE
• caratterizzata dalla presenza di cavità (alveoli), anche molto profonde, distribuite con andamento irregolare sulla superficie del materiale lapideo (naturale e/o artificiale);
• questo fenomeno è spesso spinto fino alla disgregazione e dalla polverizzazione dell'elemento lapideo
Degradazione che si manifesta con la formazione di cavità di forma e dimensione variabili
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.
Gli alveoli sono spesso interconnessi ed hanno distribuzione non uniforme
- 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, infatti, 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.
- evaporazione rapida (forti correnti d'aria)
- cristallizzazione profonda
- In concomitanza dei seguenti fattori: + presenza di materiali porosi
+ elevato contenuto di sali solubili, (dal terreno o come aerosol)
+ rapida evaporazione della parete per effetto di forti turbolenze dell'aria
- 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.
Azione del biossido di zolfo attacco a mattoni e malte
alluminato tricalcico
solfoalluminato di calcio
aumento di volume
dilatazione e la disgregazione della malta
Solubilizzazione del calcio
attacco a murature in mattoniAzione dell’acido nitrico
aumento di volume
sgretolamento dei mattoni
Precipitazione di nitrati
CROSTE E PATINE
incrostazioni e patine
marmi e calcari
pietre varie es. Arenarie
CROSTE NERESi formano in aree esposte ad inquinamento atmosferico, ma non soggette
ad intenso dilavamento da parte delle acque piovane
Il cemento è costituito gesso sotto forma di cristalli aghiformi, vengono inglobate particelle di natura eterogenea:ossidi di Fecristalli di quarzocalciteparticolato atmosfericoparticelle bituminose e carboniose
Microscopicamente è osservabile una netta separazione tra lo strato “degradato” ( solfato di Ca) e la porzione di pietra sottostante non alterata
Come si formano:
- SOLFATAZIONE DELLA CALCITE -
2 SO2 +O2 2SO3
SO3 + H20 H2SO4
H2SO4 + CaCO3 + H2O CaSO4 . 2H20 + CO2
CONSEGUENZE
volume maggiore di circa il 20%
coefficiente di espansione termico che è 5 volte superiore
maggiore affinità per le polveri e sostanze grasse
minore traspirabilità della pietra
Conseguenze fisiche:
tensioni
rigonfiamenti
esfoliazioni
scagliature
decoesione
distacco
maggiore suscettibilità alla corrosione
AREE O PATINE BIANCASTRE
Si formano in zone in cui, a causa del dilavamento della pioggia, i depositi di sporco vengono continuamente asportati
calcite ricristallizzata
zone di degrado localizzato(puntinatura)
Si rivelano microscopicamente come aree con deposito superficiale di CaCO3 in forma microcristallina e polverulenta di contorno irregolarmente frastagliato
MECCANISMI DI FORMAZIONE - DISSOLUZIONE / RICRISTALLIZZAZIONE DELLA
CALCITE -
CaCO3 + H20 + CO2 Ca(HCO3)2 calcio ( duro e poco solubile ) bicarbonato di calcio ( polverulento e
solubile )
Il bicarbonato che si forma in parte viene asportato dalle piogge e in parte, essendo un sale instabile, riprecipita sottoforma di calcite per evaporazione dell’acqua, formando la patina
AREE GRIGIE
fase iniziale del degrado superficiale o zona con contatto limitato.
aspetto e struttura intermedia tra le croste nere e le aree o patine bianche
la pietra non presenta alterazioni macroscopiche
degrado microscopico meno evidente che nelle croste nere
Tipologia tipica di zone sottoposte a moderato dilavamento
CARATTERISTICHE
SPESSORE IN MICROMETRI
CaCO3( % parti in peso )
CaSO4 . nH2O(% parti in peso )
CROSTA NERA 200-1000 0-8 55-85
AREA GRIGIA 100-200 13-52 25-55
AREA CHIARA < 100 64-86 0-6
Azione sui metalli
Rame e bronzo SO2 e CO2 (con la formazione dei rispettivi acidi)
Patine verdastre costituite da carbonati basici e solfati basici di rame
Patine insolubili + acido solforico
solfato pentaidrato solubile
Fe + H2SO4 + O2 -> FeSO4 + H2O
FeSO4 + O2 + H2O -> FeO(OH) + H2SO4
ferro
Sale solubile
La corrosione (processo di ossido-riduzione) rappresenta la fase di ritorno alla condizione iniziale di massima stabilità – stato di minima energia
Corrosione
Un elemento nella forma in cui si trova in natura (atomo, molecola o cristallo) ha
n. di ossidazione = 0 (Fe, Cl, Na, S, O)
Mg˚+ Cl˚ Mg²(Clˉ)2
0 +2 0 -1Aumento n. di ossidazione diminuzione n. di ossidazioneOSSIDAZIONE RIDUZIONE(agente riducente) (agente ossidante)
OSSIDAZIONE: AUMENTO DEL N. DI OSSIDAZIONEPERDITA DI eˉ DA PARTE DI UN ELEMENTO
Corrosione alla superficie e all’interno della struttura metallica (300 x)
Cloruri a parità di UR la velocità di corrosione cresce con la
concentrazione di cloruri presenti. Facilitano la formazione della condensa e si
sciolgono in essa (conduttori di seconda specie)
Formano clorurati per es. nei bronzi,clorurati di Cu molto solubili
I due tipi principali di corrosione sono:
La corrosione chimica: ad esempio la corrosione a secco in atmosfera ossidante ad alta temperatura.
La corrosione elettrochimica: ad esempio la corrosione in ambiente marino.
I processi di corrosione comportano la distruzione del materiale metallico
• Sostanze inquinantiin particolare SO2
SO2 SO3 + H2O H2SO4
condensa acida che corrode forma solfati
(per es.nei bronzi
solfati di Cu
solfati di Pb )
Con l’aumento dell’inquinamento si ha formazione preferenziale di solfato di Cu neutro molto solubile che verrà dilavato dalle piogge ( assottigliamento del metallo ) e una diminuzione dei solfati basici insolubili
azione di dissoluzione e erosione della patina lungo le linee di scorrimento ZEBRATURA
con zone bianche-anodiche con zone nere-
catodiche
• Corrosione batterica e da incrostazioni biologiche
influenzano direttamente le reazioni anodiche e catodiche.
Inoltre agiscono sulle pellicole di protezione superficiali dei metalli, producendo sostanze corrosive e depositi solidi.
Possono essere: forme microscopiche, (ad es. batteri) e macroscopiche (ad es. alghe e crostacei).
Corrosione dei metalli interratiè influenzata da fenomeni galvanici, da composizione chimica, contenuto di ossigeno e pH del suolo, dalla scelta della lega e dalle correnti vaganti.
Il suolo contiene acidi organici derivanti dall'humus è relativamente corrosivo per l'acciaio, lo zinco, il piombo e il rame. L'acidità totale di un terreno simile sembra essere l'indice migliore della sua corrosività, più del semplice pH. Alte concentrazioni di cloruro di sodio e di solfato di sodio in un terreno insufficientemente drenato lo rendono altamente corrosivo. Un terreno poco conduttore, con un basso contenuto di umidità, sali disciolti o entrambi, è in genere meno corrosivo rispetto a un terreno che conduce molto. Tuttavia, la sola conducibilità non è indice sufficiente della corrosività; un altro fattore rilevante è la polarizzazione anodica o catodica del suolo.
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