Materiali e Tecniche per la tutela dei beni culturali I Materiali Naturali: rocce (calcari, tufi, arenarie…) Artificiali: leganti (gesso, calce, cemento, geopolimeri) Materiali Ceramici Terrecotte, porcellane. Materiali Metallici Bronzo, rame, acciaio Materiali Polimerici Colle, adesivi, protettivi, 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” A valle del consolidamento tali materiali possono giocare un ruolo strutturale e/o decorativo nel «sistema edificio». Il consolidamento per ogni tipologia di legante avviene in due fasi: distinguono due fasi: PRESA: nel corso della quale si perde la lavorabilità dell’impasto (processo di tipo fisico) INDURIMENTO: nel corso della quale si verifica un continuo aumento delle resistenze meccaniche dell’impasto (regolato da reazioni chimiche con l’acqua e/o la CO2)

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

Definizioni

La scoperta dei materiali leganti 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. A partire dall’avvento della tecnologie costruttiva, circa 12000 anni fa nell’Asia sud-occidentale (per esempio nelle valli del fiume Giordano), l’uomo ha impiegato diverse tipologie di materiali leganti. 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.

Il FANGO (terreno argilloso) è stato tra i primi leganti impiegati come dimostrano le mura di Gerico (Palestina) datate intorno all’ 8300 a.C. o le strutture in terra cruda in Anatolia (Turchia) datate intorno al 6000-7500 a.C. Tuttavia tali strutture impiegando materiali non ottenuti per cottura, mostravano una bassa resistenza meccanica e una spiccata tendenza all’invecchiamento e degrado.

Gesso Per la semplicità di produzione esso è stato il primo legante impiegato nella storia. 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 Medioevo nelle zone del Mediterraneo (ad esempio nell’architettura islamica). Malte a base di gesso sono state ritrovate negli edifici gotici nelle zone intorno Parigi. Fino ai nostri giorni il gesso è stato impiegato sia come malta che come finitura superficiale o anche per stucchi e basso rilievi. Un esempio significativo è il «mocarabes» e gli stucchi decorati (yeserias) dell’Alambra e di altri edifici islamici di Granada.

Gesso d’opera: materia prima Viene ottenuto per trattamento termico della PIETRA DI GESSO NATURALE: CaSO4 • 2H2O 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).

Gesso d’opera: cottura Bi-idrato Emi-idrato Anidro

La morfologia dei cristalli di emidrato CaSO4 · ½H2O 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 125-150°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 

Il riscaldamento dell’anidrite solubile al di sopra di 250°C provoca la progressiva trasformazione in una nuova fase: Anidrite Insolubile () CaSO4, 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. Se l’anidrite insolubile viene portata a temperature superiori a 1200°C si ha la sua parziale decomposizione secondo la reazione: con formazione di CaO che rende possibile l’idratazione dell’anidride insolubile indissociata. A 1350°C l’anidrite insolubile fonde.

Il ciclo del gesso

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. CaSO4 · 0,5 H2O 1,5 H2O Solubilità dell’emidrato = 10g/l Solubilità dell’bi-idrato = 2,5g/l Ca++ SO4 -- L’emidrato passa in soluzione e questa diviene sovrassatura rispetto al biidrato (stabile a Tamb), che, di conseguenza, precipita. Il processo termina una volta che tutto l’emidrato si trasforma in gesso biidrato.

CaSO4 · ½ H2O + 3/2 H2O  CaSO4 · 2 H2O Morfologicamente CaSO4 · ½ H2O + 3/2 H2O  CaSO4 · 2 H2O 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.

Le proprietà del gesso

Le proprietà meccaniche del gesso indurito sono alquanto scadenti (da 1 a 20Mpa) e per questo esso non può svolgere funzioni strutturali. (2) 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. (3) A causa della notevole velocità di indurimento il gesso trova impiego per il fissaggio rapido di infissi e tasselli (non di acciaio comune) (4) 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

(5) Isolamento termico e acustico (5) 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. (6) 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. (7) 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.

Limiti d’impiego