DEGRADO DEI MATERIALI DEFINIZIONE DI DEGRADO Linsieme di

DEGRADO DEI MATERIALI

DEFINIZIONE DI DEGRADO L’insieme di quei fenomeni fisici, chimici e biologici che danneggiano completamente o in parte un materiale. Le principali cause di deterioramento naturale sono connesse con l’interazione tra il materiale e l’ambiente. Il principale responsabile dell’interazione tra materiale e ambiente è l’ACQUA.

ACQUA (piovana e/o di risalita capillare) Cause Fisiche Cause Chimiche Cause Biologiche Variazioni fisiche dell’acqua o dei sali in essa disciolti Reazioni tra solfati ed altri componenti della muratura Attività metabolica di una o più popolazioni viventi

MATERIALI LEGANTI “STORICI” (Gesso, Calce Aerea e Calce Idraulica) Gesso d’opera: Ca. SO 4 · 2 H 2 O Calce Aerea: Ca(OH)2 Calce Idraulica: Ca(OH)2 + aggiunte pozzolaniche

MATERIALI LEGANTI “STORICI” Gesso d’opera: Ca. SO 4 · 2 H 2 O L’azione dilavante dell’acqua piovana è in grado di sciogliere ed asportare i materiali. Questo aspetto del problema riguarda soprattutto il gesso che è un materiale solubile in acqua (2 g/l).

MATERIALI LEGANTI “STORICI” Calce aerea Calce Aerea: Ca. CO 3 Anche le malte di calce aerea sono dilavabili dall’acqua anche se molto più lentamente del gesso (solubilità del Ca. CO 3 = 0. 013 g/l). Anche trascurando le piogge acide, la pioggia è comunque resa acidula per effetto della CO 2 dell’aria. CO 3 + H 2 O + CO 2 → Ca(HCO 3)2 Se nell’atmosfera, a causa dell’inquinamento si forma anidride solforica e quindi acido solforico: Ca. CO 3 + H 2 SO 4 + H 2 O→ Ca. SO 4 2 H 2 O + CO 2

MATERIALI LEGANTI “STORICI” Calce Idraulica: Ca(OH)2 + aggiunte pozzolaniche Il degrado in questo caso è dovuto alle interazioni tra i materiali originari nelle murature degli edifici storici, i solfati e l’umidità. I prodotti di tali reazioni sono l’ettringite e la thaumasite (composti ben noti nella chimica del cemento). La formazione di entrambi questi prodotti si presenta macroscopicamente attraverso il rigonfiamento del materiale, che può portare anche ad uno sfaldamento. Sono presenti simultaneamente e preferenzialmente in climi freddi (010°C.

Provino integro Provino immerso in acqua solfatica con formazione di ettringite o con formazione di thaumasite

FORMAZIONE DELL’ETTRINGITE Gesso come legante “interno” o “esterno” 3 (Ca. SO 4 · 2 H 2 O) Calce idraulica o calce + pozzolana 3 Ca. O ·Al 2 O 3· 6 H 2 O 3 Ca. O·Al 2 O 3 · 3 Ca. SO 4 · 32 H 2 O ETTRINGITE Umidità 20 H 2 O

FORMAZIONE DELLA THAUMASITE Gesso come legante “interno” o “esterno” Calce idraulica o calce + pozzolana Calcare nella sabbia o carbonatazione della calce Ca. SO 4 · 2 H 2 O Ca. CO 3 Ca. Si. O 3· H 2 O Ca. Si. O 3 · Ca. SO 4 · Ca. CO 3 · 15 H 2 O THAUMASITE Umidità 12 H 2 O

ETTRINGITE PRIMARIA (o cristallina) ETTRINGITE SECONDARIA (o colloidale)

MATERIALI LAPIDEI Marmo Calcare Laterizi Tufo Arenaria

Materiali Lapidei Arenarie: in prevalenza calciti, quarzo e feldspati Sono attaccabili, anche se lentamente dall’acqua attraverso processi di argillificazione. K 2 O·Al 2 O 3 · 6 Si. O 2 2 H 2 O + CO 2 Al 2 O 3· 2 Si. O 2· 2 H 2 O + 4 Si. O 2 + 2 K+ + HCO 3 -

Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Materiali Lapidei Calcari e Marmi Ca. CO 3 2 H 2 O + CO 2 Ca++ + 2 HCO 3 - Spolverizzazione e sgretolamento della pietra

Calcari e Marmi In presenza di Ca. CO 3 SO 2 ossidazione in aria umida H 2 SO 4 Ca. SO 4· 2 H 2 O Formazione di CROSTE NERE H 2 SO 4 H 2 O CO 2

Esempio: Monumento funebre del 1837, Cimitero degli Inglesi, Firenze Pulitura

DEGRADO FISICO Gli stati tensionali, indotti da cause esterne e/o interne, anche se minori della resistenza meccanica del materiale possono provocare deformazioni permanenti. Tali deformazioni possono dare luogo a cedimenti strutturali a causa della formazione di microfratture che fungono da intensificatori degli sforzi.

DEGRADO FISICO CAUSE ESTERNE - Sforzi localizzati - Espansione termica - Assorbimento di acqua CAUSE INTERNE - Formazione di ghiaccio - Cristallizzazione Salina

CAUSE ESTERNE 1. Sforzi localizzati Anche se in fase di progetto si cerca di far lavorare i materiali lapidei in compressione, tuttavia, in pratica, per varie cause, gli stessi si trovano ad essere sollecitati a trazione o flessione.

CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche I materiali si dilatano in conseguenza di un aumento di temperatura e si contraggono in fase di raffreddamento. Il degrado è da attribuirsi alle seguenti situazioni specifiche: 2. 1. Esistenza di elementi architettonici di grande sviluppo lineare

CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche 2. 2. Variazioni dimensionali differenziate tra la superficie e le parti interne. Dilatazione-Contrazione differenziale in elementi di grosso spessore

CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche 2. 3. Mancanza di opportuni giunti di dilatazione

CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche 2. 4. Materiali a differente coefficiente di espansione termica T

CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche 2. 4. Materiali a differente coefficiente di espansione termica T* COMPRESSIONE TRAZIONE

CAUSE ESTERNE 3. Assorbimento di acqua Cicli di impregnazione ed essiccazione Molti materiali subiscono sostanziali espansioni in fase di impregnazione e contrazioni in fase di essiccazione. Forti tensioni si possono instaurare all’interfaccia tra le zone superficiali bagnate e quelle interne più asciutte.

CAUSE INTERNE Formazione di ghiaccio o cristallizzazione di sali

MECCANISMI DI IMPREGNAZIONE -ESSICCAZIONE

CAUSE INTERNE Congelamento La temperatura di solidificazione dell’acqua diminuisce al crescere della pressione. La solidificazione avviene di preferenza nei macropori. I pori piccoli servono per alimentare la formazione di ghiaccio nei pori più grandi.

CAUSE INTERNE Congelamento La solidificazione nei micropori può realizzarsi solo se c’è sufficiente acqua e se la temperatura scende sufficientemente al di sotto di 0°C.

CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina L’acqua presente in una muratura, anche se di origine piovana, in breve si arricchisce di sali disciolti aventi origini diverse. - Sali preesistenti nel materiale prima della messa in opera; - Fenomeni di decomposizione chimica del materiale; - Contatto con i materiali leganti e/o con i materiali di copertura - Contatto con il suolo (acque di risalita capillare) - Atmosfera (sostanze solide sospese) - Sostanze non idonee usate per la pulitura o la conservazione della muratura

CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina In certe condizioni di concentrazione elevata e/o di bassa temperatura i sali disciolti possono precipitare sulla superficie e all’interno del materiale

Meccanismo di idratazione e disidratazione dei sali

CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina La posizione in cui i sali cristallizzano dipende dai seguenti parametri Velocità di afflusso di acqua dalle parti interne Microclima al contorno (temperatura ed umidità) Ventilazione

CAUSE INTERNE Bassa velocità di evaporazione EFFLORESCENZE Cristallizzazione Salina Alta velocità di afflusso dell’acqua

CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina Alta velocità di evaporazione SUBFLORESCENZE Bassa velocità di afflusso dell’acqua

CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina Tipi di Sali SOLFATI: Ca. SO 4· 2 H 2 O; Na 2 SO 4·x. H 2 O Derivano dal suolo, dal mare, dall’inquinamento da SOx Sono pericolosi perché hanno gradi di idratazione variabili con temperatura ed umidità CLORURI: Na. Cl, KCl, Ca. Cl 2· 6 H 2 O Sono fortemente igroscopici, tanto da potere ridisciogliersi nella loro stessa acqua di idratazione; ciò li rende particolarmente mobili all’interno del tessuto poroso. NITRATI: Derivano dall’inquinamento da NOx e dalla decomposizione di sostanze organiche (ambienti agricoli e siti archeologici tombali). CARBONATI: I carbonati più solubili sono quelli di sodio: Na 2 CO 3. 10 H 2 O (a T<30°C) e Na 2 CO 3 (a T maggiori).