Materiali e Tecniche per la tutela dei beni culturali Materiali Materiali Lapidei Naturali: rocce (calcari, tufi, arenarie…) Artificiali: leganti (gesso, calce, cemento, geopolimeri) Materiali Ceramici Terrecotte, porcellane… Materiali Metallici Bronzo, rame… Materiali Polimerici Adesivi, consolidanti,….

Materiali lapidei artificiali: i leganti “Si definiscono leganti o cementanti quelle sostanze che impastate con acqua danno origine ad una massa plastica, la quale subisce con il tempo un progressivo processo di irrigidimento fino a raggiungere un’elevata resistenza meccanica. I leganti vengono utilizzati per collegare e tenere uniti altri materiali da costruzione, cui la malta fluida si adatta aderendovi tenacemente” Si distinguono due fasi: PRESA: nel corso della quale si perde la lavorabilità dell’impasto INDURIMENTO: nel corso della quale si verifica un continuo aumento delle resistenze meccaniche dell’impasto

Classificazione dei leganti Leganti Aerei Idraulici Gesso Calce aerea Calce idraulica Cementi Cementi di Miscela Cemento Portland Pozzolanico d’Altoforno Presa e indurimento solo a contatto con aria Presa e indurimento anche immersi in acqua

Definizioni

Un po’ di storia…. Le attuali conoscenze sulla scienza e tecnologia dei materiali leganti sono state raggiunte attraverso un lungo iter che ha interessato i leganti in tutti i tempi, a partire dalla preistoria fino ad oggi. Tali conoscenze basate inizialmente solo sull’esperienza sono state nel tempo supportate da studi teorici che hanno permesso di comprendere le relazioni esistenti tra costituzione, struttura e proprietà dei materiali con importanti ricadute sulle tecnologie di produzione.

L’uomo preistorico da cacciatore-raccoglitore di cibo diventa produttore (allevamento di bestiame e coltivazione di terreni) e quindi non è difficile credere che in questo periodo una delle sue maggiori preoccupazioni sia quella di costruire un ricovero sicuro. I primi materiali utilizzati furono senza dubbio quelli più facile da trovare in natura già pronti all’uso: pietre, ossa e pezzi di legno. Nel tempo però l’uomo imparò a modificare tali materiali prima nella forma e dopo, con l’avvento del fuoco, anche nella sostanza. Non molto tempo dopo deve essere stata avvertita la necessità di collegare strutturalmente elementi sciolti, da cui la scoperta dei materiali leganti.

Argilla I primi ritrovamenti risalgono all’ era Neolitica, quando l’uomo cominciò ad usare l’argilla come legante per collegare rami e giunchi nella costruzione delle pareti delle capanne. L’argilla, pur rappresentando il primo esempio di materiale legante, non è più annoverato tra i materiali che oggi vengono classificati cementanti, in quanto per essere definiti tali, i materiali devono, dallo stato plastico con cui vengono messi in opera, passare allo stato rigido per trasformazioni chimiche.

Gesso Per la semplicità di produzione esso è stato il primo legante impiegato nella storia. piramide di Cheope Gli Egiziani lo usarono come malta di allettamento per collegare le pietre nella piramide di Cheope (2500 a.C.) e della Sfinge. L’utilizzo del gesso si sviluppò con la civiltà Cretese Micenea e, successivamente con quella Greca classica e con quella Romana. Fu impiegato poco dai Romani. Sconsigliato da Vitruvio perché poco durevole. Il suo uso fu considerevole nel periodo del Rinascimento e del Barocco.

Gesso d’opera: materia prima Viene ottenuto per trattamento termico della PIETRA DI GESSO NATURALE: CaSO 4 2H 2 O Solfato di calcio bi-idrato

Dove si trova? Le sedimentazioni di gesso sono frequenti in Italia in tutto l’Appennino, soprattutto in Emilia Romagna, Toscana, Abruzzo e Molise. Altri affioramenti si trovano in Lombardia in Val Camonica e in Val Trompia, in Val di Susa (provincia di Torino), in provincia di Asti e in Sicilia. L’estrazione avviene solitamente per sbancamento in cave oppure in sotterraneo. In passato le gallerie sotterranee venivano utilizzate per l’estrazione dell’alabastro (zona di Volterra).estrazione

Gesso d’opera: cottura Bi-idratoSemi-idrato Anidro Semi-idrato

Gesso d’opera: cottura

Trasformazioni durante la cottura Trasformazioni durante la cottura Quando viene portato al di sopra di 100°C il gesso bi-idrato perde parte dell’acqua per dar luogo al gesso emidrato. CaSO 4 · 2H 2 O La reazione è endotermica (  H=19500 cal) e operando a pressione atmosferica si produce con velocità significativa solo al di sopra di circa 130°C. 128°C CaSO 4 · ½H 2 O+ CaSO 4 · 3/2 H 2 O

CaSO 4 · ½H 2 O Emidrato  Emidrato  Morfologia: Cristalli ben formati, aghiformi o prismatici; Condizioni: Piccola la differenza tra la pressione del vapor d’acqua di equilibrio e quella presente nell’ambiente (ad esempio: autoclave °C) Morfologia: Cristalli di piccole dimensioni Condizioni: ambiente secco. Limiti: è richiesta una maggiore quantità di acqua; l’impasto presenta un maggiore ritiro e caratteristiche meccaniche inferiori rispetto all’emidrato  La morfologia dei cristalli di emidrato La morfologia dei cristalli di emidrato

L’emidrato portato al di sopra di 150°C si trasforma in gesso anidro (anidrite solubile) (  ) CaSO 4 CaSO 4 · ½H 2 O La reazione è endotermica (  H=7300 cal) e operando a pressione atmosferica si produce con velocità significativa solo al di sopra di circa 180°C. Nota bene: L’anidrite è meno solubile dell’emidrato, ma è comunque in grado di far presa se miscelata con acqua, anche se in tempi più lunghi. 163°C Trasformazioni durante la cottura Trasformazioni durante la cottura CaSO 4 + ½H 2 O ANIDRITE

Il riscaldamento dell’anidrite solubile al di sopra di 250°C provoca la progressiva trasformazione in una nuova fase: Anidrite Insolubile (  ) CaSO 4, che non fa presa con l’acqua se non in presenza di catalizzatori. Questa trasformazione si completa a circa 600°C. Nota bene: Se l’anidrite viene riscaldata in presenza di piccoli tenori di carbonato di calcio o magnesio, al di sopra di 800°C, acquista nuovamente capacità legante, in seguito alla formazione di CaO o di MgO che possono fungere da catalizzatori del processo di presa. Trasformazioni durante la cottura Trasformazioni durante la cottura

Se l’anidrite insolubile viene portata a temperature superiori a 1200°C si ha la sua parziale decomposizione secondo la reazione: (  )CaSO 4 → CaO +SO 3 con formazione di CaO che rende possibile l’idratazione dell’anidride insolubile indissociata. A 1350°C l’anidrite insolubile fonde. Trasformazioni durante la cottura Trasformazioni durante la cottura

Il processo di consolidamento L’emidrato e l’anidrite solubile, mescolati con acqua, danno luogo ad un impasto che indurisce rapidamente. Il processo di consolidamento avviene mediante meccanismi di DISSOLUZIONE e PRECIPITAZIONE. CaSO 4 · 0,5 H 2 O1,5 H 2 O Ca ++ SO 4 -- Solubilità dell’emidrato = 10g/l Solubilità dell’bi-idrato = 2,5g/l L’emidrato passa in soluzione e questa diviene sovrassatura rispetto al biidrato (stabile a T amb ), che, di conseguenza, precipita. Il processo termina una volta che tutto l’emidrato si trasforma in gesso biidrato.

Morfologicamente CaSO 4 · ½ H 2 O + 3/2 H 2 O  CaSO 4 · 2 H 2 O Il solfato bi-idrato precipita sotto forma di microcristalli aghiformi, fittamente intrecciati. Tali microcristalli, saldandosi gli uni agli altri attraverso legami atomici secondari, formano una matassa fittamente intrecciata, ad alta superficie specifica, responsabile delle resistenze meccaniche del gesso indurito.

Impieghi

Caratteristiche ed impieghi Le proprietà meccaniche del gesso indurito sono alquanto scadenti (da 1 a 20Mpa) e per questo esso non può svolgere funzioni strutturali. Il gesso durante l’indurimento subisce un aumento di volume tra 0,3 e 1,5% e per questo, a differenza della calce, non necessita di essere miscelato con aggregato fine (sabbia). In virtù di questa espansione da indurimento il gesso si presta per essere utilizzato per la realizzazione degli strati di finitura di intonaci caratterizzati da ottimo grado di levigazione e compattezza superficiale. A causa della notevole velocità di indurimento il gesso trova impiego per il fissaggio rapido di infissi e tasselli (non di acciaio comune)

Altre proprietà del gesso (1) Regolazione termoigrometrica Il gesso presenta delle caratteristiche che lo rendono un naturale regolatore di umidità. Durante l’essicazione il gesso perde tutta l’acqua d’impasto, mantenendo una struttura porosa che lo rende ricettivo nel caso di forte umidità ambientale. Allo stesso modo una volta che questo ne è scarsamente fornito, cede all’ambiente l’umidità raccolta fino ad uno stato di equilibrio. In edilizia questa caratteristica garantisce ambienti salubri, privi di muffe da condensa.

(2) Isolamento termico e acustico Il gesso si rivela un ottimo isolante termico. Infatti nella fase di essicazione o di presa la struttura del gesso diventa porosa e trattiene all’interno piccole bolle d’aria che ne riducono la conduttività termica. La stessa struttura porosa e la superficie omogenea degli elementi costruttivi a base di gesso consentono a questo materiale di avere buone caratteristiche fonoattenuanti e fonoassorbenti.

(3) Resistenza e reazione al fuoco Dovute alla sua composizione molecolare contenente acqua. Il gesso si presenta come non combustibile ed è in grado di ritardare la diffusione delle fiamme per un lungo periodo di tempo. I materiali costruttivi in gesso si rivelano quindi particolarmente efficaci nella protezione dal fuoco per abitazioni o edifici commerciali.

(4) Igiene e salubrità Di origine interamente naturale, il gesso è un materiale che non emana sostanze nocive neppure dopo la lavorazione. Rivela un’importante azione di protezione nei riguardi di altri materiali, come il legno, proteggendolo dagli attacchi di insetti e parassiti che spesso ne provocano il degrado. Per le sue qualità igrometriche, contribuisce a regolare l’umidità negli ambienti, riducendo il rischio di formazione di muffe. Tutte queste caratteristiche rendono il gesso un elemento ideale per la costruzione degli edifici.

Limiti d’impiego

L’utilizzo nella tradizione La pietra grezza si ritrova nella costruzione di muri a secco, per abitazioni, difesa o muretti di confine. La pietra tagliata in blocchi squadrati è stata utilizzata per le strutture cantonali degli edifici o per definire portali, vani porta e finestre, diventando anche elemento decorativo della facciata. Come legante lo si trova in conglomerati cementizi utilizzati come intonaco grossolano, in intonaci più fini, ma anche in strutture originali che utilizzano pietra piccola o elementi vegetali per la realizzazione di solai e soffitti. La modalità più frequente di utilizzo resta comunque quella decorativa, in forme artigianali o in vere e proprie produzioni artistiche.