Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli DEGRADO DEI MATERIALI

DEFINIZIONE DI DEGRADO Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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. Ogni materiale inserito in un determinato ambiente tende a mettersi in equilibrio con esso. Le variazioni dei parametri ambientali nel tempo provocano la perdita di questo equilibrio e la necessità per il materiale di nuovi adattamenti. Queste trasformazioni portano nel tempo all’alterazione del materiale. Il principale responsabile dell’interazione tra materiale e ambiente è l’ACQUA.

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

MATERIALI LEGANTI “STORICI” Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli MATERIALI LEGANTI “STORICI” (Gesso, Calce Aerea e Calce Idraulica) Gesso d’opera: CaSO4 · 2 H2O Calce Aerea: Ca(OH)2 Calce Idraulica: Ca(OH)2 + aggiunte pozzolaniche

MATERIALI LEGANTI “STORICI” Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli MATERIALI LEGANTI “STORICI” Gesso Gesso d’opera: CaSO4 · 2 H2O 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 (2g/l).

MATERIALI LEGANTI “STORICI” CaCO3 + H2SO4 + H2O→ CaSO4 2H2O + CO2 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli MATERIALI LEGANTI “STORICI” Calce aerea Calce Aerea: Ca(OH)2 Anche le malte di calce aerea sono dilavabili dall’acqua anche se molto più lentamente del gesso (solubilità del CaCO3 = 0.013 g/l). Anche trascurando le piogge acide, la pioggia è comunque resa acidula per effetto della CO2 dell’aria. CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2 Se nell’atmosfera, a causa dell’inquinamento si forma anidride solforica e quindi acido solforico: CaCO3 + H2SO4 + H2O→ CaSO4 2H2O + CO2

MATERIALI LEGANTI “STORICI” Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli MATERIALI LEGANTI “STORICI” Calce Idraulica 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 (0-10°C.

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

FORMAZIONE DELL’ETTRINGITE Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli FORMAZIONE DELL’ETTRINGITE Gesso come legante “interno” o “esterno” Calce idraulica o calce + pozzolana Umidità 3 (CaSO4 · 2 H2O) 3CaO ·Al2O3· 6 H2O 20 H2O 3CaO·Al2O3 · 3CaSO4 · 32 H2O ETTRINGITE

FORMAZIONE DELLA THAUMASITE Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli FORMAZIONE DELLA THAUMASITE Gesso come legante “interno” o “esterno” Calce idraulica o calce + pozzolana Calcare nella sabbia o carbonatazione della calce Umidità CaSO4 · 2 H2O CaCO3 CaSiO3· H2O 12 H2O CaSiO3 · CaSO4 · CaCO3 · 15 H2O Particolarmente negativo è la migrazione dello ione solfato che reagendo con alluminati e silicati forma nelle malte di calce idraulica composti potenzialmente distruttivi come l’ettringite e la thaumasite. L’ettringite presenta una struttura microcristallina altamente idratata che in conseguenza del loro aumento di volume creano tensioni distruttive con la matrice legante. La thaumasite non presenta sensibile aumento di volume ma riduce fortemente la consistenza meccanica della struttura legante. THAUMASITE

ETTRINGITE PRIMARIA (o cristallina) Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli ETTRINGITE PRIMARIA (o cristallina) ETTRINGITE SECONDARIA (o colloidale) E’ importante sottolineare che la formazione dell’ettringite non è di per sé pericolosa, cioè non crea rigonfiamenti se non è accompagnata dalla presenza di calce. E’ stato dimostrato che se essa si forma in ambiente basico, per la presenza della calce, cristallizza sotto forma di fibre molto corte e male accresciute, capaci di adsorbire acqua e provocare rigonfiamenti.

MATERIALI LAPIDEI Marmo Calcare Tufo Laterizi Arenaria Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli MATERIALI LAPIDEI Marmo Calcare Tufo Laterizi Arenaria

Al2O3·2SiO2·2H2O + 4SiO2 + 2K+ + HCO3- Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Materiali Lapidei Arenarie: in prevalenza calciti, quarzo e feldspati Sono attaccabili, anche se lentamente dall’acqua attraverso processi di argillificazione. K2O·Al2O3 ·6 SiO2 2H2O + CO2 Al2O3·2SiO2·2H2O + 4SiO2 + 2K+ + HCO3-

Spolverizzazione e sgretolamento della pietra Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Materiali Lapidei Calcari e Marmi CaCO3 2H2O + CO2 2H2O + CO2 Ca++ + 2HCO3- Spolverizzazione e sgretolamento della pietra

Materiali Lapidei Calcari e Marmi ossidazione in aria umida Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Materiali Lapidei Calcari e Marmi ossidazione in aria umida In presenza di SO2 H2SO4 CaCO3 H2SO4 H2O CaSO4· 2H2O CO2 N.B. Le croste nere non sono una PATINA NOBILE (barriera protettiva), anzi nascondono il degrado che procede negli starti sottostanti la crosta. Inoltre le croste avendo un coefficiente di dilatazione termica diverso dalla roccia da cui derivano, tendono a distaccarsi e a cadere scoprendo altra superficie esposta ad ulteriori fenomeni di degrado. Formazione di CROSTE NERE

Esempio: Monumento funebre del 1837, Cimitero degli Inglesi, Firenze Pulitura In questo intervento le croste nere sono state ammorbidite tramite impacchi di carbonato d’ammonio supportati da Arbocel per una durata di 24 ore. Successivamente sono state rimosse con il bisturi.

Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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 INTERNE CAUSE ESTERNE - Sforzi localizzati Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli DEGRADO FISICO CAUSE ESTERNE CAUSE INTERNE - Sforzi localizzati - Espansione termica - Assorbimento di acqua - Formazione di ghiaccio - Cristallizzazione Salina

CAUSE ESTERNE 1. Sforzi localizzati Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche 2.3. Mancanza di opportuni giunti di dilatazione

CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche 2.4. Materiali a differente coefficiente di espansione termica T

CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAUSE ESTERNE 2. Espansioni Termiche 2.4. Materiali a differente coefficiente di espansione termica T* COMPRESSIONE TRAZIONE Il coefficiente lineare delle malte cementizie e degli elementi in ferro è il doppio rispetto a quello dei materiali lapidei tradizionali.

CAUSE ESTERNE 3. Assorbimento di acqua Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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. 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. Gli effetti dovuti all’assorbimento di acqua sono più evidenti in quei materiali che contengono minerali argillosi. A causa della forte attrazione tra l’acqua e le pareti idrofile, l’impregnazione avviene più facilmente dell’essiccazione. Non tutto il contenuto igroscopico di acqua può essere allontanato se non per temperature superiori ed umidità relative inferiori a quelle in cui si è avuta la saturazione.

CAUSE INTERNE Formazione di ghiaccio o cristallizzazione di sali Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAUSE INTERNE Formazione di ghiaccio o cristallizzazione di sali Sia la formazione di ghiaccio sia la cristallizzazione di sali all’interno della struttura porosa dei materiali da costruzione, essendo accompagnati da un aumento di volume, inducono stress interni che possono indebolire notevolmente le loro caratteristiche meccaniche. La situazione più pericolosa è quella in cui il fenomeno si manifesta in superficie, in quanto la situazione equivale all’applicazione di una forza esterna di trazione con rapido degrado ed esposizione di una nuova superficie al degrado.

Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli POROSITA’ I materiali lapidei sono caratterizzati da porosità variabili tra 50% e poche unità percentuali. I pori possono avere dimensioni molto variabili: Micropori <0.01m Pori intermedi 0.01 – 0.1m Macropori 0.1 – 100 m Entrambi i fenomeni sono dovuti alla presenza di umidità nella muratura ed in particolare alla concomitanza di quattro fattori: 1) la porosità del materiale (molto importante la dimensione e la distribuzione dei pori) Al fine del degrado è più importante conoscere la distribuzione dimensionale dei pori piuttosto che la porosità totale.

IDROFILIA DEL MATERIALE DA COSTRUZIONE Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli IDROFILIA DEL MATERIALE DA COSTRUZIONE Capacità che ha un materiale di ricoprirsi spontaneamente di un film liquido se messo a contatto con acqua 2) Idrofilia dei materiali da costruzione: tali materiali presentano in superficie degli atomi di ossigeno fortemente elettronegativi e/o dei gruppi ossidrili polarizzati capaci di formare con le molecole polari di acqua dei forti legami secondari. In questo modo l’energia globale del sistema acqua+materiale è minore della somma delle due energie dei sistemi separati.

CAPACITÀ DELL’ACQUA DI MUOVERSI ALL’INTERNO DEL TESSUTO POROSO Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAPACITÀ DELL’ACQUA DI MUOVERSI ALL’INTERNO DEL TESSUTO POROSO Capillarità Diffusione allo stato vapore Evaporazione-condensazione Sali igroscopici Osmosi Il degrado non è legato solo al fatto che il materiale venga a contatto con l’acqua, ma è necessario che l’acqua possa MUOVERSI all’interno del materiale. L’acqua sia in fase vapore che in fase liquida può migrare anche in zone molto lontane da quelle di origine. MECCANISMI DI IMPREGNAZIONE -ESSICCAZIONE

MECCANISMI DI IMPREGNAZIONE -ESSICCAZIONE Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli MECCANISMI DI IMPREGNAZIONE -ESSICCAZIONE A causa della forte attrazione tra l’acqua e le pareti idrofile dei pori l’impregnazione avviene più facilmente dell’essiccazione. Per scendere al di sotto del contenuto critico di umidità è necessario che sulla superficie esterne ci siano condizioni favorevoli di temperatura (alta), umidità (bassa) e ventilazione (buona). Se però la velocità di evaporazione risulta troppo elevata rispetto alla velocità di diffusione dell’acqua liquida si ha un arretramento del fronte bagnato e la ulteriore evaporazione deve avvenire attraverso un meno efficiente meccanismo di diffusione allo stato vapore.

CAUSE INTERNE Congelamento Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAUSE INTERNE Congelamento La temperatura di solidificazione dell’acqua diminuisce al crescere della pressione. La solidificazione avviene di preferenza nei macropori. L’azione dell’acqua allo stato solido che ha completamente riempito la porosità del materiale equivale ad uno stato tensionale di TRAZIONE agente sul materiale. I pori piccoli servono per alimentare la formazione di ghiaccio nei pori più grandi.

CAUSE INTERNE Congelamento Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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. Anche a 0° si possono avere fenomeni di degrado a causa della pressione esercitata sulle pareti dei micropori da acqua allo stato liquido compressa da due fronti di acqua allo stato solido.

CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 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 Sia la formazione di ghiaccio sia la cristallizzazione di sali all’interno della struttura porosa dei materiali da costruzione, essendo accompagnati da un aumento di volume, inducono stress interni che possono indebolire notevolmente le loro caratteristiche meccaniche. La situazione più pericolosa è quella in cui il fenomeno si manifesta in superficie, in quanto la situazione equivale all’applicazione di una forza esterna di trazione con rapido degrado ed esposizione di una nuova superficie al degrado.

Bassa velocità di evaporazione Alta velocità di afflusso dell’acqua Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina Bassa velocità di evaporazione Alta velocità di afflusso dell’acqua EFFLORESCENZE Se la velocità di evaporazione è bassa (bassa velocità del vento, bassa temperatura esterna, alta umidità), mentre la velocità di afflusso dell’acqua allo stato liquido dalle parti interne è alta la formazione di sali cristallizzati si ha in superficie

Alta velocità di evaporazione Bassa velocità di afflusso dell’acqua Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina Alta velocità di evaporazione Bassa velocità di afflusso dell’acqua SUBFLORESCENZE N.B. La situazione più pericolosa ai fini del degrado si ha quando la cristallizzazione si verifica poco al di sotto della superficie (esfoliazione, decoesione, polverizzazione, ecc.)

CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina Tipi di Sali Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CAUSE INTERNE Cristallizzazione Salina Tipi di Sali SOLFATI: CaSO4·2H2O; Na2SO4·xH2O Derivano dal suolo, dal mare, dall’inquinamento da SOx Sono pericolosi perché hanno gradi di idratazione variabili con temperatura ed umidità CLORURI: NaCl, KCl, CaCl2·6H2O 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: Na2CO3.10H2O (a T<30°C) e Na2CO3 (a T maggiori).