Cause di degrado dei materiali.

Qui avevo introdotto l’analisi delle cause di degrado per marmi e pietra in genere.

Riprendo l’argomento ripetendo alcuni concetti espressi ed approfondendo.

Cause ambientali di degrado dei materiali lapidei.

Suddividiamo le tipologie di degrado in base alle sue cause:
– fisico
– chimico
– chimico-fisico
– biologico

degrado nell'arenaria.
l’arenaria viene degradata facilmente dall’inquinamento.

 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: può innescare reazioni chimiche di ossidazione;
-effetti dell’aria o meglio dei suoi salti termici;
Carbonatazione: Ca(OH)2 +CO2 → CaCO3 +H2O.

Variazioni termiche -> repentini variazioni di temperatura -> rocce cattive conduttrici di calore -> superficie calda, interno freddo -> tensioni meccaniche -> sgretolamento, scagliatura, esfoliazione, rigonfiamenti.

Acqua, effetti -> solubilizzazione.

Acqua, effetti -> infiltrazione -> dilavamento.

Acqua, effetti -> subflorescenza salina -> variazione del volume interno

– il solfato di sodio aumenta il suo volume fino al 300% – sgretolamento, scagliatura, esfoliazione, rigonfiamenti.

Acqua, effetti -> subflorescenza salina -> tensioni meccaniche -> sgretolamento, scagliatura, esfoliazione, rigonfiamenti.

Acqua, effetti -> efflorescenza salina -> variazione del volume interno.

Le tipologia del degrado fisico.

– Disgregazione: polvere o minutissimi frammenti.
– Esfoliazione: porzioni laminari sottili: sfoglie.
– Scagliatura: parti di forma irregolare e spessore consistente e non uniforme: scaglie.
– Distacco: separazione 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.

Azione della temperatura: variazioni di temperatura e 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.

Può provocare fenomeni tipo: il dilavamento, lento processo di asportazione ed erosione del materiale; subfluorescenze ed effluorescenze saline, cristallizzazione dei sali solubili, alveolizzazione.

Degrado fisico-chimico.

Premessa.
Il gesso è portato a costituire legami con: ossido di ferro, carbone, oli minerali; è soggetto a dilavamento ed esfoliazione.

Azione fisica: alghe, muschi, licheni, piante.

Azione chimica: deiezioni animali, contatto con proteine e grassi.

formazione di gesso -> aumento volumetrico;

formazione di croste nere -> 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.

Si presenta stratificata, per depositi successivi.

Shock termico:
assorbimento radiazioni solari -> parte superficiale pià calda di quella interna,

rugiada e condensa notturna -> parte superficiale più fredda di quella interna:

in entrambi i casi si creano tensioni interne.

Inoltre l’acqua condensata contiene tutte le sostanze inquinanti presenti nell’atmosfera, soprattutto acidi. Il tempo di contatto è molto lungo e man mano che l’acqua evapora la soluzione si concentra.

Tutti i materiali lapidei sono porosi, all’interno può essere presente H2O in tutti i suoi possibili stati di aggregazione.

Questa 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.

degrado del metallo e del legno.
i metalli si ossidano, le fibre lignee si deformano.

Simile alla formazione dei cristalli di ghiaccio è il processo di cristallizzazione dei sali solubili, quando si verificano condizioni di saturazione, la diminuzione di temperatura o l’evaporazione possono portare al formarsi di cristalli salini entro gli spazi porosi.

Il fenomeno può avvenire all’interno della struttura porosa, subfluorescenze, causando esfoliazioni e distacco di croste superficiali, e sulla superficie esterna, effluorescenze.

Alveolizzazione.

Può essere favorita o provocata dalla presenza di sali solubili, è 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.

Si manifesta in materiali molto porosi, in presenza di un elevato numero di sali solubili, con condizioni microclimatiche di elevata frequenza di fenomeni di rapida evaporazione sulle superfici lapidee esposte alle intemperie.

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, con l’evaporazione del solvente, a cristallizzarsi aumentando il volume; le pareti dei pori sono così sottoposte a pressioni superiori alla loro capacità di resistenza e si sfaldano.

Reazioni chimiche.

Biossido di zolfo o anidride solforosa, SO2, su mattoni e malte con presenza di alluminato tricalcico (CaO)3.Al.O3, origina solfoalluminato di calcio, 4CaO.3Al2O3.SO3 con aumento volumetrico, quindi dilatazione e disgregazione della malta.

degrado del ferro: ossidazione.
ossidazione del ferro.

Acido nitrico, HNO3, su muratore di mattoni porta alla solubilizzazione del calcio originando nitrato di calcio.

Ca(NO3)2; anche questo composto ha un maggiore volume, e provoca il disgregamento dei mattoni.

Croste nere, si formano in aree esposte ad inquinamento atmosferico, ma non soggette ad intenso dilavamento da parte delle acque piovane.

Il cemento è costituito da gesso sotto forma di cristalli aghiformi, vengono inglobate particelle di natura eterogenea: ossidi di Fe, cristalli di quarzo, calcite, particolato atmosferico, particelle bituminose e carboniose.

Microscopicamente è osservabile una netta separazione tra lo strato “degradato” (solfato di Calcio) e la porzione di pietra sottostante non alterata.

Si formano con la solfatazione della calcite: 2 SO2 +O2 -> 2SO3 SO3 + H20 -> H2SO4

H2SO4 + CaCO3 + H2O -> CaSO4 . 2H20 + CO2

Fenomeni di degrado conseguenti le azioni chimiche.

– 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
con fenomeni fisici quali:
– 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 in cui avremo presenza di calcite ricristallizzata, cioè zone di degrado localizzato o puntinatura.

Si rivelano microscopicamente come aree con deposito superficiale di CaCO3 in forma microcristallina e polverulenta di contorno irregolarmente frastagliato.

L’anidride carbonica, CO2, provoca la solubilizzazione della calcite.

La solubilità della calcite (marmo) aumenta con l’aumentare della percentuale di anidride carbonica disciolta in acqua:

CaCO3 (Carbonato di calcio, duro, insolubile) + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2 (bicarbonato di calcio solubile).

Il processo avviene anche al contrario. Il bicarbonato che si forma viene parzialmente asportato dalle piogge e in parte, essendo un sale instabile, riprecipita sottoforma di calcite per evaporazione dell’acqua, formando la patina.

Altre reazioni che avvengono e comportano alterazioni molecolari:
SO2 + O2 (anidride solforosa) -> SO3 + H2O -> H2SO4 (acido solforico)
H2SO4 + CaSO4 +H2O -> CaSO4 ּ solfat.Ca + 2 H2O + CO2

Nella fase iniziale si formano aree grigie, degrado superficiale o zona con contatto limitato, di 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 micrometri CaCO3% sul peso CaSO4 . NH2O % sul peso
Crosta nera 200-1000 0-8 55-85
Area grigia 100-200 13-52 25-55
Area bianca < 100 64-86 0-6

Degrado, corrosione, ossidazione dei metalli.

Rame e bronzo:
L’inquinamento atmosferico, con l’aumento di anidride solforica ed anidride carbonica, SO2 e CO2 ed i relativi acidi che possono costituire, origina patine verdastre costituite dacarbonati basici e solfati basici di rame.

degrado nel legno, polverizzazione e caduta.
le superfici lignee si polverizzano e vengono dilavate.

Sono patine insolubili, in presenza di acido solforico, H2SO4, si forma solfato pentaidrato, CuSO4·5H2O, in polvere o cristalli, comunque solubile.

Ferro:
in presenza di acido solforico, il ferro si trasforma in solfato di ferro ed acqua, Fe + H2SO4 + O2 -> FeSO4 + H2O.

Il solfato di ferro con ossigeno ed acqua, sviluppa idrossido di ferro e solfato di ferro, FeSO4 + O2 + H2O -> FeO(OH) + H2SO4.

L’idrossido di ferro è solubile.

La corrosione è velocizzata dalla presenza di cloruri1, questi facilitano la formazione della condensa e si sciolgono in essa (conduttori di seconda specie); formano clorurati, nei bronzi, si formano clorurati di rame, Cu, molto solubili.

I processi di corrosione distruggono il materiale metallico, trasformandolo e rendendolo solubile.

I due tipi principali di corrosione sono, chimico, a secco in atmosfera ossidante ad alta temperatura, oppure elettrochimico, in ambiente marino.

Con l’aumento dell’inquinamento si ha formazione di solfato di rame, Cu, molto solubile che verrà dilavato dalle piogge (assottigliamento del metallo) ed una diminuzione dei solfati basici insolubili.

Altre tipologie di corrosione sono di origine 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, (batteri) e macroscopiche (alghe e crostacei).

Nei metalli interrati possono essere corrosivi: fenomeni galvanici, composizione chimica, contenuto di ossigeno e pH del suolo, sono importanti la scelta della lega e le correnti vaganti.

degrado del legno esposto ad umidità elevata.
le cromìe del legno si alterano in ambienti umidi.

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 buon conduttore.

Tuttavia, la sola conducibilità non è indice sufficiente della corrosività; un altro fattore rilevante è la polarizzazione anodica o catodica del suolo.


1 – Lo ione cloruro (formula chimica Cl − ) è lo ione di cloro con numero di ossidazione −1, cioè un atomo di cloro carico negativamente con un elettrone. Esso si forma normalmente sciogliendo acido cloridrico in acqua. I sali che contengono uno ione di questo tipo vengono detti cloruri.

 

Marmo e pietra calcare, cause del loro degrado.

Conoscere le cause di degrado del marmo è essenziale per poter impostare programmi per la conservazione delle opere ottenute da questo.

Possono essere diverse, e di diversa tipologia.

Degrado del marmo e della pietra, per cause ambientali.

Il marmo, come tutte le rocce calcaree, ha poca resistenza alle aggressioni chimiche, specialmente se soggetto ad acidi.

Esposto all’aperto, ed alle intemperie, è soggetto a degrado per le piogge acide.

Queste possono veicolare elementi quali acido carbonico, acido nitrico ed acido solforico, che si formano per ossidazione e dissoluzione in acqua degli ossidi gassosi (CO2, NO2 e SO2), inquinanti atmosferici ed ambientali.

Il carbonato di calcio (CaCO3), principale componente del marmo, è insolubile in acqua.

Le piogge acide possono però reagire chimicamente con esso, trasformandolo in sali solubili, asportabili per dilavamento con perdita di materiale e corrosione superficiale.

La pioggia è sempre leggermente acida, a causa dei gas presenti nell’atmosfera.

La degradazione del marmo procede lentamente, con tempi dell’ordine dei secoli.

croste nere, degrado marmo
croste nere.

Attualmente, l’inquinamento produce acidi molto più forti, sia pure in piccola quantità.

La degradazione allora può essere più o meno veloce, a seconda del grado di inquinamento.

Reazioni comuni che portano al degrado delle opere di marmo o di pietra calcarea.

Carbonatazione: Il diossido di carbonio CO2 che si trova normalmente nell’aria, leggermente acido, dà alla pioggia un ph di circa 6.

Può lentamente attaccare il carbonato di calcio e trasformarlo in bicarbonato di calcio, solubile in acqua: CO2 + H2O + CaCO3 → Ca(HCO3)2.

Solfatazione: Il carbonato di calcio reagisce con l’acido solforico, presente nelle piogge acide, formando solfato di calcio: CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2 + H2O.

Il CaSO4 (solfato di calcio) è circa mille volte più solubile in acqua del CaCO3.

Pertanto l’acqua piovana, per dilavamento, asporta il materiale degradato, cancellando così i lineamenti del manufatto.

Formazione di croste nere: sono costituite da cristalli di carbonato di calcio, di nitrato e solfato di calcio.

Queste sostanze, che si formano per azione della pioggia acida sulla superficie del marmo, sono sciolte nella pioggia.

Quando, per evaporazione dell’acqua, si ridepositano, inglobano particelle carboniose nere.

degrado capitello calcareo
capitello con croste nere
capitello calcare rosso Verona
capitello ripulito; la luce ne falsa la cromia.