Degrado dei materiali dell’architettura storica

Presentazione sul tema: "Degrado dei materiali dell’architettura storica"— Transcript della presentazione:

1 Degrado dei materiali dell’architettura storica
CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA A CICLO UNICO IN ARCHITETTURA AA LABORATORIO DI RESTAURO DELL’ARCHITETTURA AA Docente – Arch. M. Teresa Campisi Collaboratore al corso Dott. Mario Russo Degrado dei materiali dell’architettura storica Fenomenologie e processi Enna –

2 Fenomenologie di degrado
Le fenomenologie di degrado producono sulla materia storica tre sostanziali effetti: Perdita o minorazione dell’immagine per sottrazione di materia (Erosione, Esfoliazione, scagliatura, mancanza, lacuna, etc..) Occlusione visiva dell’immagine per sovrapposizione di materia (patina biologica, deposito superficiale, etc..) Alterazione della forma (deformazione, rigonfiamento, etc..)

3 Processi di degrado Dal punto di vista dei processi, i meccanismi di deterioramento possono dividersi in quelli di : Degrado chimico Prodottosi per fenomeni di reazione chimica fra il materiale in opera e composti reattivi originati dall’atmosfera naturale od inquinata, che determinano la produzione di composti di reazione (cambiamento della composizione chimica del materiale, conducente a perdite o alterazioni di materia) Degrado fisico Prodottosi per fenomeni di tipo fisico, ossia tensionamenti sulla superficie originati da aumenti di volume di comosti contenuti o a contatto con il materiale, o a tensionamenti di tipo termico. Degrado Biologico Prodottosi per azione di specie biologiche a contatto con il supporto, e conducente ad alterazioni di tipo chimico o meccanico. A queste cause dovute all’interazione ambiente-materiale di tipo ‘naturale’, si aggiungono cause di tipo antropico, conseguenti all’azione dell’uomo.

4 DEGRADO CHIMICO I degradi di tipo chimico possono dividersi, in relazione all’alterazione in atmosfera non inquinata nei processi di: Ossidazione Idratazione Dissoluzione Idrolisi OSSIDAZIONE (erosione per corrosione) L’ossidazione è una trasformazione chimica dei composti presenti dovuta all’azione dell’Ossigeno, conducente a reazioni di Ossido-riduzione, ossia reazioni in cui un elemento componente tende a cedere elettroni (processo ossidativo) e contemporaneamente un altro tende ad assumerne (processo riduttivo). Questo fenomeno è molto diffuso nei composti che possono assumere diverse valenze, e quindi tendono a modificare i composti con cui si legano. Il Ferro, avente doppia valenza (2 e 3) ed il rame (valenza 1 e 2) , hanno tendenza a modificarsi. I composti Ferrosi, ossia con valenza minore, p.e. FeO (ossido ferroso) tendono a divenire Ferrici, p.e. Fe2O3 (ossido ferrico). Passaggio da Fe bivalente a trivalente. Minerali presenti nelle rocce contenenti composti del Ferro possono alterarsi trasformandosi in altri, e conducendo a fenomeni di alterazione, pe la trasformazione della Pirite in Limonite, composto molto più stabile: P.e FeS2 + nO2+ mH2O > FeSO > Fe2(SO4) > Fe2O3nH2O Pirite Limonite

5 DEGRADO CHIMICO IDRATAZIONE
I fenomeni di idratazione implicano l’azione dell’acqua sui minerali, con il fenomeno dell’assorbimento d’acqua da parte dei minerali. Esempi noti sono costituiti dai seguenti: CaSO4 + H2O > CaSO4 . H2O Anidrite Gesso Trasformazione dell’Anidrite in Gesso con elevati aumenti di volume. Fe2O3 + nH2O > Fe2O3 nH2O Ematite Limonite Trasformazione dell’Ematite (color rosso) in Limonite (color Giallo) Analoghi fenomeni possono prodursi nei Silicati e Allumosilicati, come il noto processo di trasformazione dei K-feldspati (ortoclasio) in Caolinite, secondo la reazione: 2KAlSi3O H2O > Al2Si2O5(OH) SiO KOH K-Feldspato Caolinite Silice Idrossido di Potassio

6 DEGRADO CHIMICO DISSOLUZIONE ED IDROLISI (erosione per corrosione)
I fenomeni di idratazione implicano l’azione dell’acqua e dell’Anidride Carbonica (CO2) combinata, sui minerali che costituiscono le rocce. L’acqua è un reagente chimico, dissociabile nelle componenti H+ e OH-. Lo ione Idrogeno è responsabile di molti processi di degradazione chimica. Il grado di dissociazione dell’Acqua aumenta esponenzialmente all’aumentare della T ed in presenza di CO2. Il fenomeno dell’ idrolisi è particolarmente dannoso nei calcari e nelle Dolomie, dove tuttavia, in tali condizioni, il Carbonato può essere prima dissociato e poi riprecipitare in condizioni diverse di cristallizzazione rispetto a quelle iniziali. Nelle rocce silicatiche, tale fenomeno può anch’esso produrre la trasformazione dei K-Feldspati in Caolinite: 2KAlSi3O m CO H2O > Al2Si2O5(OH) SiO2nH2O K2CO3 K-Feldspato Anidride Carbonica Caolinite Opale Carbonato di Potassio Analoghi fenomeni di alterazione possono interessare per la presenza di CO2, anche la dissoluzione di minerali Ferromagnesiaci, come l’Olivina, l’Augite (Pirosseno), producendo Sali solubili di Ferro e Magnesio. Il Ferro dei minerali si trasforma da ferrico a ferroso, producendo poi Limonite.

7 DEGRADO CHIMICO Degrado chimico in ambiente urbano
In ambiente urbano i processi più comuni di alterazione chimica sono dovuti ai processi di: Carbonatazione Solfatazione Interessanti le rocce Carbonatiche CARBONATAZIONE (Erosione) L’elevata percentuale di CO2 in atmosfera determina il fenomeno cosiddetto delle Pioggie Acide, ossia di precipitazioni contenti elevate concentrazioni di CO2, capaci di abbassare il PH dell’acqua a valori acidi (valori inferiori a 5,6 per aree inquinate). Tale processo favorisce lo scioglimento delle Rocce Calcaree e dolomitiche, per trasformazione del Carbonato di Calcio in Bi-Carbonato di Calcioo Bi-Carbonato di Magnesio, più solubili, secondo la reazione: CaCO CO H2O < > Ca (HCO3)2 Carbonato di Calcio Anidride Carbonica Bi-Carbonato di Calcio MgCO CO H2O < > Mg (HCO3)2 Carbonato di Magnesio Anidride Carbonica Bi-Carbonato di Magnesio La concentrazione di CO2 aumenta al diminuire della T, per cui il fenomeno si aggrava in climi freddi.

8 DEGRADO CHIMICO Dissoluzione/Incrostazione Incrostazione
Rocce Calcaree porose e non porose Incrostazione Presenza di arree biancastre, in corrispondenza delle parti esposte direttamente al dilavamento delle pioggie Aree apparentemente sane, ma in realtà coperte da uno strato di Calcite ricristallizzata, che altera le proprietà fisiche originarie. Il Bicarbonato di Calcio che si forma per effetto della presenza di CO2, è instabile, è tende a ritornare allo stato di Carbonato di Calcio, riprecipitando per evaporazione dell’acqua. Nella riprecipitazione, tuttavia, si formano cristalli più piccoli e determinanti una struttura più porosa, capace di costituire ingresso a successivi agenti alterativi. Dissoluzione L’acqua provoca un’azione erosiva ed asportatrice di materiale, attraverso l’azione solubilizzatrice ed insieme abrasiva di materiale solido da essa trasportato sulla superficie

9 DEGRADO CHIMICO Degrado chimico in ambiente urbano
SOLFATAZIONE (Croste nere) La solfatazione è conseguente alla Presenza di SO2 (Anidride solforosa) in atmosfera. La sua provenienza può essere naturale (emissioni di SO2, durante le eruzioni vulcaniche) o prodursi dai residui di combustione di Carbon fossile e di oli. In presenza di Umidità atmosferica, ed Ossigeno, la SO2 iniziale finisce per produrre H2SO4 (acido solforico), secondo la seguente reazione: SO ½ O > SO (Anidride solforosa a Solforica) SO H2O > H2SO4 (da Anidride solforica ad Acido solforico) Il processo si attiva in atmosfera umida, mentre in atmosfera secca, il processo non si produce. Per reazione con Carbonati di Calcio, si determina la reazione di trasformazione di queste rocce da Carbonato di Calcio a Gesso, secondo la reazione: CaCO£ H2SO H2O + > CaSO4 . 2H2O * CO2 Analogamente per le rocce dolomitiche, si produce analogo fenomeno con la formazione di Epsomite. Il gesso essendo molto più solubile del carbonato tende a sciogliersi in soluzione e viene asportato. Nelle aree urbane tale fenomeno è rappresentato dal degrado delle cosiddette ‘croste nere’, depositi di Gesso, il cui colore scuro è dovuto a particelle carboniose, derivanti dalla combustione del Petrolio o del Carbone)

10 Ispessimento della crosta caratterizzata da minore porosità
SOLFATAZIONE (Croste nere) Processo alterativo: Ispessimento della crosta caratterizzata da minore porosità Assorbimento del calore in modo differenziato rispetto al materiale originario (corpo nero) Fratturazioni a seguito delle diverse dilatazioni termiche Caduta dello strato interessato dalla crosta Fenomeni diversi di erosione in relazione alla posizione degli elementi. Parte esposta all’azione dell’acqua, erosione; parte riparata, fenomeni di condensazione e formazione di Croste, con successivi fenomeni di disgregazione. Effetti di disgregazione dovuti alla presenza di croste nere su rocce carbonatiche. Immagine a sinistra, Marmo; immagine a destra Calcarenite. Il degrado è relativo alla composizione chimica (Carbonatica) del materiale e non alle caratteristiche petrografiche.

11 DEGRADO CHIMICO Degrado chimico in ambiente naturale ed urbano: componenti presenti in atmosfera Altri elementi presenti in atmosfera possono determinare la formazione di composti di alterazione sul materiale lapideo. Fra questi: -  NOx, ossidi di Azoto. Costituiscono catalizzatori nel processo di Ossidazione dell’Anidride Solforosa presente nell’aria, che comporta la trasformazione di SO2 a H2SO4, . Si formano naturalmente durante le scariche elettriche dei temporali ed in seguito a processi di combustione degli autoveicoli per combinazione dell’Azoto atmosferico e dell’Ossigeno. Gli Ossidi di Azoto partecipano anche direttamente al processo degenerativo dei materiali lapidei, trasformandosi in Acido Nitrico e successivamente in Nitrato di Calcio HF, Acido Fluoridrico. E’ molto raro in atmosfera, può essere rilevato in aree industriali. E’ dannoso sia su materiali silicatici che carbonatici. HCl, Acido cloridrico. E’ un acido forte che a contatto con il Carbonato di Calcio lo trasforma in Cloruro di Calcio. I cloruri possono provenire o da ambienti vicino alle coste o da inquinamenti industriali.

12 DEGRADO CHIMICO Le fenomenologie di degrado, descritte dal Documento Normal 1/88, conseguenti a processi chimici possono dunque riassumersi nelle seguenti: Alterazione cromatica Alterazione, più che degrado, conducente a sole modifiche dell’aspetto cromatico del materiale per fenomeni di reazione chimica di alcune componenti presenti responsabili della colorazione (p.e. trasformazione di ossidi ferrici in Limonite con trasformazione dei rossi al rosa ed al giallo, ossidazione di materia organica presente, responsabile della colorazione nera o grigia di alcune rocce, e viraggio verso una colorazione bianca, etc..) Croste nere Su materiali aventi stessa composizione chimica (Carbonati di Calcio e Magnesio), indipendentemente dalla natura petrografica o fisica del substrato. Conduce alla disgregazione del materiale per caduta della crosta ed alla trasformazione dei Carbonati in Solfati di Calcio o Calcio e magnesio più solubili. Concrezione Su tutte le superfici. L’incrostazione è dovuta a materiale disciolto e riprecipitato, con morfologia orientata in senso verticale. Degradazione differenziale Nel caso del Granito è conseguente ad azione di idrolisi di alcuni minerali feldspatici (ortoclasio), presenti nella composizione della roccia. Il degrado è quindi selettivo. La roccia si degrada non in modo omogeneo, ma in relazione alle componenti più vulnerabili chimicamente. Erosione La fenomenologia può essere imputabile all’azione di erosione per effetto di acque piovane con presenza di Acido solforico o carbonico, conducente alla solubilizzazione di elementi della roccia. Incrostazione Su tutte le superfici. L’incrostazione è dovuta a materiale disciolto e riprecipitato (Calcite p.e. disciolta e riprecipitata in condizioni diverse da quelle originarie. Il fenomeno in questo caso determina incoerenze fra la parte preesistente e la parte di neocristallizzazione) Macchia Pigmentazione dovuta alla presenza di Sali di materiale metallico su substrati lapidei, consistenti nei prodotti di degrado per corrosione di contigui elementi metallici.

13 DEGRADO CHIMICO Patina (artificiale)
Colorazioni giallastre o ocra, caratteristiche di alcuni composti chimici (Ossalati di Calcio) possono essere derivati dalle trasformazioni chimiche di preesistenti trattamenti protettivi della superficie (cere, p.e.). Polverizzazione La fenomenologia, oltre a poter essere prodotta da processi fisici, può essere conseguente a solubilizzazioni dell’elemento legante contenuto nella roccia, per fenomeni di dissoluzione del cemento.

14 DEGRADO FISICO Il degrado fisico è derivato da fenomeni di tensionamento producenti la disgregazione del materiale lapideo. I principali fattori possono individuarsi ne: L’Azione dei Sali L’Azione del gelo L’azione di tensionamento a seguito di corrosione di elementi metallici L’azione di tensionamento dovuta alle dilatazioni termiche

15 DEGRADO FISICO AZIONE DEI SALI
Le soluzioni acquose circolanti all'interno di un materiale poroso sono costituite da sistemi multicomponenti di differenti composti salini e di ioni, disciolti in diverse parti della muratura in relazione alla solubilità propria di ogni sostanza. E' noto infatti che ogni sostanza solida ha un suo grado di solubilità in un mezzo liquido (espressa in gr/l od in mole/l), e che il campo di stabilità di ogni soluzione diminuisce all'aumentare della concentrazione I fenomeni disgregativi si producono per effetto della sovrassaturazione e conseguente precipitazione – cristallizzazione di una determinata specie salina sotto specifiche condizioni ambientali La sovrassaturazione può quindi avvenire per 1.Evaporazione del solvente (acqua), dovuta a: aumento della T; diminuizione della UR esterna; forte azione eolica; 2. Aumento di concentrazione del soluto Il fenomeno del deterioramento dovuto all'azione dei sali non può essere quindi compreso senza considerare l'interazione tra microclima e concentrazione salina. Il meccanismo di degrado che si innesca è conseguente alla pressione di cristallizzazione dei sali, che aumentando di volume nel passaggio alla fase solida provocano pressioni sulla superficie dei pori tali da superare le capacità di resistenza del materiale . Maggiore la concentrazione dei Sali, maggiore il deterioramento.

16 Il meccanismo alterativo segue le seguenti fasi:
AZIONE DEI SALI Il meccanismo alterativo segue le seguenti fasi: presenza di Sali in soluzione Evaporazione del solvente Cristallizzazione con aumento di volume dei Sali Disgregazione per rottura delle pareti interne dei pori in cui i Sali sono contenuti Effetti delle efflorescenze e criptoefflorensce sul materiale lapideo Naturale (sopra), artificiale (sotto) Precipitazione dei sali (cristallizzazione) La precipitazione del sale sotto forma di cristalli può avvenire in diverse parti della muratura (in parti più alte o più basse, sulla superficie od internamente), in dipendenza della solubilità del sale e dalla velocità di evaporazione dell'acqua. In relazione alla velocità di evaporazione si producono: efflorescenze (cristallizzazione delle specifiche specie saline) esternamente alla superficie, che possono anche essere dilavati dall’azione meteorica, se l’evaporazione è lenta; criptoefflorescenze ( cristallizzazione a distanza ‘d’ dalla superficie), se la velocità di evaporazione è rapida. Queste possono produrre il distacco di scaglie o foglie di materiale, poiché la cristallizzazione avviene all’interfaccia fra la zona umida e quella asciutta.

17 AZIONE DEI SALI Alveolizzazione
PRESSIONE DI IDRATAZIONE DEI SALI IDRATI Un altro fenomeno che provoca analoghi effetti di deterioramento è quello conseguente alla formazioni di fasi idrate di una specie salina. Molte specie saline si presentano in forma idrata, ossia i cristalli stessi si presentano idrati. Al variare della T e dell’UR dell’atmosfera, varia la fase salina, con passaggi a seconda se si ha aumento di UR e diminuizione di T, a fasi più idrate e viceversa. Se aumenta quindi l’UR aumenta la sfera di idratazione del cristallo e quindi il suo volume. Il conseguente aumento di pressione contro i pori della muratura è detto pressione di idratazione. Discontinuità del materiale o caratteristica delle condizioni di evaporazione Alveolizzazione Se invece le condizioni ambientali esterne non sono omogenee (forti correnti eoliche) l’acqua contenuta può evaporare più velocemente di quella di alimentazione , conducendo a cicli frequenti di bagnatura-asciugatura/solubilizzazione-cristallizzazione di subefflorescenze. Lo stesso fenomeno si riscontra spesso in materiali non omogenei, i cui componenti hanno diverse proprietà fisiche e chimiche. Tale degradazione differenziale, viene detta "alveolizzazione", e si manifesta con formazione di cavità di grandi dimensioni irregolarmente distribuite sulla superficie. Una successiva azione del vento all'interno delle cavità , può, creando dei vortici all'interno delle cavità, accelerare la disgregazione del materiale. Fenomeni di alveolizzazione. Il degrado è dipendente dalle caratteristiche petrografiche del materiale e dalle condizioni di evaporazione del soluto

18 Sali provenienti dal terreno
AZIONE DEI SALI Sali comunemente presenti nelle murature I sali presenti all'interno delle murature sono originati da ioni provenienti: dal suolo (nitrati ad esempio); dal materiale stesso o da altri materiali usati negli edifici; da deposizioni di aeresol presenti nell'atmosfera naturale od inquinata; dal metabolismo degli organismi; Il genere di specie salina , precipitata da un sistema multicomponente, può variare molto in relazione al materiale presente, ma può anche fornire indicazioni sulla sua origine. Il tipo di sali maggiormente riscontrabili sono carbonati, solfati, cloruri e nitrati, ed ossalati di Sodio, Potassio, Magnesio ed Ammonio Sali provenienti dal terreno Le acque circolanti nel terreno contengono soluzioni più o meno diluite di sali, carbonati, solfati,cloruri, nitrati di Magnesio, Calcio, Potassio. I più diffusi in prossimità delle abitazioni sono: - Nitrati , prodotti da microrganismi per decomposizione di sostanza organica); - Cloruri , provenienti da zone marine, spesso presenti in zone costiere; Nitrati prodotti da microorganismi per decomposione della sostanza organica. I nitrati invece sono frequenti soprattutto in zone agricole o dove può esservi decomposizione di sostanza organica. Generalmente presenti in piccole quantità non sono molto dannosi. In presenza di Carbonato di calcio, può formarsi Nitrato di calcio Cloruri, rivenibili facilmente in zone esposte al mare I Cloruri hanno caratteristiche di igroscopicità, ossia di attirare molecole d’acqua, aumentando la precentuale di UR e favorendo la solubilizzazione di altre specie saline come i Solfati. Questo in special modo per cloruri di Calcio e Magnesio, come l'Antacticite, CaCl2. H2O o la Bishofite, MgCl2. H2O, mentre il cloruro di sodio non segue questo comportamento

19 AZIONE DEI SALI Sali provenienti dal materiale stesso o da altri materiali usati negli edifici Rocce Calcaree o dolomitiche, Malte ed intonaci a base di calce I materiali lapidei, le malte e gli intonaci utilizzati nella costruzione degli edifici storici sono generalmente costituiti da Calcari o da Dolomie, ovvero da Calcari magnesiferi (composti quindi essenzialmente da CaCO3 e da CaMg CO3, Carbonato di Calcio e Magnesio). I calcari dolomitici possono reagire con ioni solfati eventualmente presenti in soluzione all'interno dei pori , formando solfati di Calcio o di Magnesio Ca Mg CO3 + SO4-- = CaCO3 + MgSO4 + CO3– CaCO3 + SO4--= CaSO4+ CO3– Sali molto diffusi, spesso in forme idrate, come la Epsomite, MgSO4 . 7 H2O, oppure il gesso, CaSO4 . 2H2O 2H2O I solfati in generale sono sali mediamente solubili ed entrano in soluzione solo nella fase iniziale, per incrementi di umidità tendono a passare nella fase idrata, per riportarsi nella fase anidra durante l'evaporazione, con ritmiche variazioni di volume. Cemento Portland, malte pozzolaniche o idrauliche La presenza di cemento Portland invece, utilizzato spesso nei restauri, e di malte pozzolaniche contenenti Alluminati o Silicati di calcio idrati (utilizzati per la presa idraulica) ed anche gesso, che nel Portland viene aggiunto al composto per favorire il processo di presa della miscela, genera invece spesso solfati alcalini idrati (Ettringite e Thaumasite) 3 (CaSO4. 2H2O) + 3 Ca-+O . Al2O3. 6 H2O + 2H2O = 3 Ca . Al2O3. 3CaSO4. .32H2O gesso Alluminati di Calcio Ettringite CaSO4. 2H2O + CaCO3 + CaSiO3 . H2O + 12 H2O = CaSiO3 . CaSO4. CaCO3 gesso Silicati di Calcio Thaumasite La presenza di Alcali nel cemento Portland può anche portare alla formazione di carbonati alcalini quali la Natrite, NaCO H2O, o la Mirabilite, NaSO H2O, in presenza di ioni solfati od acido solforico.

20 AZIONE DEI SALI SALI COMUNEMENTE PRESENTI NELLE MURATURE
Da a. Anorld, Salt weathering, in Atti del 4° corso intensivo CUEBC, ‘scienze e materiali del patrimonio culturale. La materia pittorica. Affresco e pittura murale – Ravello, Villa Ruffolo, Settembre 1997.

21 AZIONE DEI SALI Processo alterativo Caratteristiche
Le soluzioni circolanti all'interno della muratura sono costituite da sistemi multicomponenti di diverse specie saline in soluzione, le quali raggiungeranno le condizioni di soprassaturazione in diverse condizioni di T ed UR, frazionandosi e localizzandosi secondo sequenze spaziali e cronologiche sulla superficie in relazione al loro grado di solubilità ed alle diverse condizioni di cristallizzazione Caratteristiche Localizzazione in altezza delle specie saline in relazione al grado di solubilità Si avranno: Considerando il fenomeno della risalita capillare, le diverse specie saline presenti nella murature si localizzano a diverse altezze (dove diverso è il contenuto d’acqua) in ragione della loro solubilità parte inferiore più disgregata e con efflorescenze visibili (zona A) Concentrazione di Solfati di Sodio, Magnesio e Calcio, Nitrato di Potassio, Carbonato di Sodio, moderatamente solubili ( da 2.00 a mole/l a 20°C) Da a. Anorld, Salt weathering, in Atti del 4° corso intensivo CUEBC, ‘scienze e materiali del patrimonio culturale. La materia pittorica. Affresco e pittura murale – Ravello, Villa Ruffolo, Settembre 1997. parte immediatamente al di sopra di questa (zona B), che si presente coerente, ma umida e scura; Concentrazione di Cloruri e Nitrati, più solubili dei precedenti e quindi presenti in zone dove minore è la quantità d’acqua. La zona superiore può anche non essere deteriorata. Ciò è dovuto al fatto che nitrati e cloruri presenti nella parte più alta sono sali molto igroscopici e molto solubili e quindi non cristallizzano facilmente in normali condizioni di T ed UR.

22 Concentrazione/saturazione/cristallizzazione
AZIONE DEI SALI Concentrazione/saturazione/cristallizzazione Modalità della cristallizzazione in relazione alle condizioni di concentrazione a seguito di aumento della T. Da L. LAZZARINI, M.L. TABASSI, Il restauro della pietra, Cedam, Padova, 1986, p. 47

23 AZIONE DEI SALI Condizioni di solubilizzazione e cristallizzazione per alcune specie saline Da a. Anorld, Salt weathering, in Atti del 4° corso intensivo CUEBC, ‘scienze e materiali del patrimonio culturale. La materia pittorica. Affresco e pittura murale – Ravello, Villa Ruffolo, Settembre 1997.

24 Nella parte bassa del grafico sono indicate le specie meno solubili.
AZIONE DEI SALI Grado di solubilità Ogni specie salina è caratterizzata da un valore di solubilità a determinate condizioni di T ed UR. Il grafico riporta la solubilità di alcune specie saline, utilizzando come parametro di riferimento quella del Gesso. Nella parte alta del grafico, sono presenti Cloruri e Nitrati, mentre si avvicinano al gesso molti composti solfatici. Nella parte bassa del grafico sono indicate le specie meno solubili. Fra queste, il Carbonato di Calcio, di Bario, il Solfato di Bario. Solubilità di alcune specie saline a 20°C di T. Da M- MATTEINI, Degrado e conservazione degli intonaci storici, in M. BENFARI (a cura di)Atti del Convegno ‘Consolidamento e conservazione di intonaci e colori dei paramenti esterni, Sciacca, Maggio 1993, Betagamma 1994, p. 27

25 AZIONE DEI SALI Morfologie delle efflorescenze e meccanismi di alterazione il processo di deterioramento dovuto all'azione dei sali è riassumibile in tre fasi caratterizzate da diverso habitus cristallino in relazione alle diverse condizioni termoigrometriche 1. prima fase i pori sono riempiti da una soluzione sovrassatura che precipiterà in cristalli di forma regolare. 2. seconda fase i cristalli occludono i pori esercitando un'azione fisica di pressione normalmente alle superfici interne, provocando dapprima fratture parallele alla superficie sollecitata, ed in seguito nelle zone di scarsa coesione del materiale 3. terza fase, la cristallizzazione sarà maggiore attorno alle fratture, perché l'evaporazione è maggiore nelle strutture aperte. a) Se la soluzione viene alimentata, allora continueranno a formarsi cristalli isometrici (figura in alto, tipi a e b); b) se invece l'evaporazione è maggiore dell'alimentazione della soluzione, i cristalli assumeranno un habitus colonnare, esercitando ancora sollecitazioni capaci di ampliare la fessura già formata (figura in alto, tipo c). c) Quando invece la soluzione si ritira si formano cristalli aghiformi, capaci di sollevare sfoglie già precedentemente distaccate (figura in alto tipo d). Efflorescenze su laterizi (a sinistra), subflorescenze al di sotto di un intonaco (a destra)

26 Meccanismi e fenomeni di gelività Ipotesi
AZIONE DEL GELO Un altro dei fenomeni disgregativi del materiale lapideo di tipo fisico è quello relativo all’azione del gelo, che si verifica sempre nei Materiali lapidei porosi. Meccanismi e fenomeni di gelività Ipotesi 1. Variazione di volume nel passaggio di stato dell’acqua da liquido a solido (9%) e conseguenti sforzi meccanici di trazione sulle superfici dei pori 2. Presenza di acqua liquida fra zone contigue ghiacciate, che a seguito di successivi abbassamenti di T, viene spinta dai fronti ghiacciati esercitando forte pressione idraulica sulle pareti dei capillari 3. Massima pressione nel luogo detto di ‘isoterma zero’. Isoterma zero come insieme dei punti, ove si verifica equilibrio fra acqua liquida e ghiaccio. L’oscillazione di tale insieme di punti, per variazioni anche piccole di T, determina forti sollecitazioni meccaniche con la classica formazione di macrofratture con andamento parallelo alla superficie. Morfologia tipica di degrado per azione del gelo, con vistosi effetti di scagliatura del materiale.

27 AZIONE DELLA DILATAZIONE TERMICA
Ogni materiale litico è soggetto a dilatazioni dovute alla dilatazione termica per effetto di cambiamenti di T. Tale fenomeno non produce alterazioni significative se il materiale è lasciato libero di muoversi. Provoca invece tensioni interne se vincolato rigidamente. Si producono tensioni interne capaci anche di superare la resistenza del materiale, secondo la legge:  = E .  = El/l Dove l = l .  . t  = E .  . t Da cui è evidente che se l’allungamento è dipendente dalla l, la tensione è funzione della variazione di t e di un coefficiente di dilatazione  proprio di ogni materiale. Questo fenomeno è da tener presente, sia nella predisposizione di giunti fra elementi collegati, esposti ad elevate escursioni termiche sia nell’accostamento di materiali diversi, con valori di  molto discordi. Ogni materiale è infatti caratterizzato da un suo valore . P.e.  arenarie=11;  calcari= 4-8;  Basalti e porfidi= 5, etc… Deformazione di una lastra di marmo a seguito della dilatazione termica. Da documento Normal 1/88.

28 DEGRADO FISICO Le fenomenologie di degrado, descritte dal Documento Normal 1/88, conseguenti a processi fisici possono dunque riassumersi nelle seguenti. Gran parte di tali fenomenologie (escludendo la deformazione, in parte il distacco, la fratturazione o fessurazione) si producono in materiali lapidei porosi. Alveolizzazione Tale degrado è fenomeno dipendente sia dalle caratteristiche petrografiche di alcune rocce (presenza di discontinuità tessiturali dovute alla presenza, in fase di formazione del sedimento, di organismi fossili, poi alterati. P.e Pietra di Noto e di Siracusa, Calcare di Lecce) , nonché a veloci e ripetuti cicli di bagnatura-asciugatura del materiali, conducenti a frequenti e ripetute cristallizzazioni di Sali presenti in soluzione. Si produce solamente su materiali lapidei porosi, ed è quindi dipendente dalle caratteristiche fisiche, oltre che petrografiche del materiale. Deformazione Si produce per differenti valori del coefficiente di dilatazione fra materiali diversi e contigui, e per presenza di vincoli rigidi di elementi lapidei. Può determinare anche fenomeni di fratturazione del materiale, laddove si superino le resistenze meccaniche del materiale. Disgregazione Cause della disgregazione delle superfici possono essere imputabili all’azione meccanica provocata dalla cristallizzazione dei Sali, presenti in soluzione, come anche conseguenti alla caduta di parti coperte da croste nere, per gli effetti della diverso riscaldamento del materiale. Generalmente si presenta su materiali porosi. Distacco Fenomeno che si produce nell’intonaco, che si distacca dal substrato lapideo. Le cause sono imputabili alla presenza di subefflorescenze, formatesi per eccesso di evaporazione dell’acqua rispetto all’acqua di alimentazione, o per presenza di strati impermeabili, posti sulla superficie lapidea (intonaci o tinte acriliche o viniliche, resine epossidiche, etc..). Lo stesso fenomeno può prodursi in presenza di tensionamenti conseguenti ad aumento di volume, per ossidazione, di eventuali elementi metallici sottostanti al supporto. Efflorescenza Il degrado è costituito dalla presenza di Sali sulla superficie del materiale. Il fenomeno è indicativo della presenza di soluzioni saline circolanti all’interno del mezzo poroso e provoca localizzate erosioni sulla superficie esterna del materiale. Erosione La cristallizzazione salina è una delle possibili cause producenti tale fenomeno.

29 DEGRADO FISICO Esfoliazione
Degrado imputabile all’azione di Sali, generalmente su materiale ben classato e con struttura uniforme. La fenomenologia quindi è in parte dipendente dalle caratteristiche petrografiche del materiale lapideo. Fratturazione/Fessurazione La fratturazione quale soluzione di continuità può avere diverse cause. Nei materiali lapidei impiegati nella struttura, può essere conseguente all’azione di dissesti, alla presenza di elementi metallici ossidati a contatto, etc..Negli intonaci, può essere analogamente conseguente a dissesti, che coinvolgono anche il materiale da rivestimento, o a diversità di dilatazione termica della superficie (intonaci troppo rigidi rispetto al substrato lapideo), o a fenomeni di ritiro (con classiche fessurazioni a craquelere) delle malte per eccessiva evaporazione dell’acqua d’impasto in fase di presa. Polverizzazione Il fenomeno può essere analogamente dipendente dall’azione dei Sali, che disgrega la parte legante del materiale poroso (cemento), con liberazione dei grani non più legati in forma di polvere. La fenomenologia è anche qui in parte dipendente dalle caratteristiche petrografiche del materiale poroso. Scagliatura Il fenomeno è simile a quello dell’esfoliazione, ma con caduta di porzioni di materiale di maggior spessore. Il fenomeno è tipico del degrado per azione del gelo.

30 DEGRADO BIOLOGICO Per ‘degrado biologico’ si intende un degrado, che seppur causato da fattori chimici o fisici è innescato da organismi viventi (biodeteriogeni), a contatto con materiali inorganici (lapidei, intonaci, pitture) o organici (legno, carta, etc..). E’ quindi importante, ai fini della valutazione del degrado biologico, conoscere i principali gruppi di organismi che concorrono a tale alterazione ed i meccanismi di degrado derivante dall’azione di questi. Il degrado di materiali litici, ad opera dei biodeteriogeni è da imputare ad: organismi autotrofi, come alghe e batteri, che sintetizzano sostanze minerali da supporti inorganico, per trasformarli in sostanza organica - organismi eterotrofi come funghi, attinomiceti, licheni, che sintetizzano materia organica.

31 DEGRADO BIOLOGICO Ecosistema
Unità includente tutti gli organismi interagenti in un dato spazio fra loro e con l’ambiente esterno Per trasposizione alle opere d’arte, i substrati delle opere d’arte (materiali lapidei, pellicole, pittoriche, intonaci, travi lignee) rappresentano il suolo. Le popolazioni biologiche che utilizzano il suolo, costituirebbero le specie biodeteriogene. Unità ambientale di un ecosistema: biotopo Area con caratteri fisico-chimici costanti in cui vivono diverse comunità biologiche. In uno stesso ambiente (come il substrato opera d’arte) possiamo avere più biotopi (per diversità di condizioni chimico-fisiche) e diverse forme di comunità. Ogni comunità ha un suo habitat specifico, caratterizzato dai fattori ecologici utili alla sua crescita e sviluppo. Catene nutritive Organismi autotrofi (produttori di sostanza organica da composti inorganici), come batteri autotrofi, alghe, licheni e piante. Organismi eterotrofi (distruttori o consumatori di sostanza organica) Distruttori come molti batteri, funghi ed insetti Consumatori che si nutrono della materia vivente di altri organismi (lumache che si nutrono di licheni, p.e).

32 DEGRADO BIOLOGICO FATTORI LIMITANTI - legge del minimo tollerabile
- legge del massimo tollerabile Si definiscono fattori limitanti quei fattori, ,che in quantità minime o massime, inibiscono la crescita e sviluppo di determinati organismi. Legge del minimo P.e. per organismi fotosintetici, l’assenza o riduzione della luce diviene fattore limitante alla crescita e sviluppo. Legge del massimo P.e. Valori di Temperatura oltre i quali i fattori di crescita sono inibiti. Condizioni favorevoli di altri fattori, tuttavia, possono ridurre o annullare, la condizione limitante. p.e. in alcuni casi valori di elevate T possono compensare fenomeni di bassa attività dell’acqua. Definizioni Suffissi –filo e –fobo, relativi alle caratteristiche delle specie organiche sono indicative dei limiti di tolleranza o delle condizioni favorevoli all’insediamento. p.e idrofilo (bisogno d’acqua); eliofobo (assenza di luce solare).

33 DEGRADO BIOLOGICO CRESCITA E SVILUPPO DI DIVERSE SPECIE NEGLI STESSI AMBIENTI Comunità di specie diverse in uno stesso ambiente possono avere interazioni di tipo negativo (l’una inibire la crescita dell’altra), o interazioni di tipo positivo (cooperare e convivere). Specie aventi lo stesso tipo di esigenze nutritive, si troveranno a concorrere Specie con diverse esigenze non conflittuali fra loro potrebbero cooperare (organismi simbiotici come i licheni, ad esempio).

34 DEGRADO BIOLOGICO FATTORI FISICO-CHIMICI LIMITANTI
Fattori edafici (suolo o substrato); Acqua (Ph, specie saline). Sostanze del substrato Carbonio Il suolo contiene sostanze nutritive, utili a fornire energia ed elementi necessari alla biosintesi. I suoli possono essere costituiti di materia: Organica, ossiacostituita da Carbonio in forma più o meno idrogenata; Inorganica, non costituita da Carbonio, o da carbonio in forma idrogenata, p.e. CO2, o CaCO3, etc.. In base a questo si distinguono: - organismi autotrofi, capaci di sintetizzare Carbonio da sostanze inorganiche. Biodeteriogeni per i materiali inorganici (materiali lapidei) - organismi eterotrofi, che assumono Carbonio già sintetizzato. Biodeteriogeni per i materiali organici (legno) Macronutrienti (Fosfati e Nitrati) I macronutrienti, sostanze che son richieste in elevate quantità, sono costituiti da Fosfati e Nitrati, in maggior parte, ma anche da Potassio, Calcio, Zolfo e Magnesio

35 DEGRADO BIOLOGICO Acqua Ph Concentrazione salina
FATTORI FISICO CHIMICI LIMITANTI Acqua Elemento necessario per le reazioni fotosintetiche, viene prodotta anche nelle reazioni respiratorie insieme all’Anidride Carbonica. In relazione al rapporto con l’acqua, in funzione di preferenza decrescente, gli organismi sono distinti in: Acquatici, Igrofili, Mesofili, Xerofili. Per esempio, alcuni organismi, come Licheni o cianobatteri, si adattano a bassi valori d’acqua, sospendendo le reazioni metaboliche e riattivandole in condizioni idriche più favorevoli. Altre specie, come alcuni batteri, possono produrre endospore (cellule riproduttive) capaci di resistere al disseccamento. Ph L’acidità o basicità di un substrato, è anch’esso un valore limitante. Valori estremi nell’uno e nell’ altro senso possono costituire fattori limitanti.Le specie biologiche tendono, infatti, tranne eccezioni, ad insediarsi in condizioni di neutralità del Ph. Molte specie fungine sono invece acidofile, mentre molte specie batteriche basifile Concentrazione salina Elevate concentrazioni saline sono spesso insostenibili per le specie biologiche.

36 DEGRADO BIOLOGICO FATTORI ATMOSFERICI Fattori atmosferici sono costituiti da: -Composizione chimica dell’aria / Clima / Temperatura/ Acqua/Luce Composizione chimica dell’aria (Azoto, Ossigeno Anidride Carbonica) L’atmosfera è composta da alcune sostanze fondamentali: Azoto, Ossigeno ed Anidride Carbonica in certe concentrazioni. L’aumento delle concentrazioni determina un ambiente inquinato Azoto L’Azoto seppure presente in quantità elevata in atmosfera, è fattore limitante, perché poco reattivo ed utilizzabile da un numero ristretto di organismi detti azotofissatori (cianobatteri p.e.). Ossigeno L’ossigeno interessa la vita dei microrganismi in relazione alla necessità che essi lo impieghino o meno. Esistono organismi Aerobi, che hanno bisogno dell’Ossigeno per la respirazione. Organismi Anaerobi , per cui l’Ossigeno in percentuali superiori al 5% diviene condizione limitante. Organismi Aerobi o Aerobi facoltativi che possono crescere in assenza o in presenza di Ossigeno. Anidride carbonica Contiene Carbonio, componente essenziale al metabolismo biologico. L’anidride carbonica viene liberata nei processi respiratori e consumata in quelli fotosintetici. Se presente in limitate quantità diventa fattore limitante per gli organismi fotosintetici.

37 DEGRADO BIOLOGICO Clima Acqua (precipitazioni, UR) Temperatura
Per clima si intende l’interazione di fattori come Temperatura, pioggia ed UR, vento, luce Temperatura Gli organismi hanno condizioni ottimali di vita in un range di T specifico per ogni specie. In relazione alle condizioni di T si distinguono: organismi psicrofili (ambiente ottimale fra 0° e 10 °c) Organismi termofili (ambiente ottimale fra 30° e 50°C) Organismi mesofili (la maggior parte), aventi condizioni di vita ottimali fra i 25° ed i 35°C. Presenza di patine biologiche su superfi battute dal vento e con esposizione non battuta dal sole (N.NE-NO) Acqua (precipitazioni, UR) Precipitazioni da pioggia. - superfici orizzontali: la piovosità dato principale - superfici verticali influenza dell’azione del venti, privilegiante alcune superfici rispetto ad altre. Umidità relativa Intesa come rapporto fra il contenuto d’acqua presente in un volume d’aria e quello di saturazione. L’UR è influenzata dalla T, ma anche dalle caratteristiche di igroscopicità dei materiali . Materiali igroscopici si definiscono quelli che tendono ad assorbire elevate quantità d’acqua all’aumentare della UR. Per la maggior parte delle specie valori ottimali ottimali di UR sono quelli superiori al 65-70%. Insediamento di specie biologiche su materiale caratterizzato da maggiore porosità e permeabilità

38 DEGRADO BIOLOGICO Luce
Fattore essenziale per organismi fotosintetici (p.e. cianobatteri, alghe, licheni, muschi, piante superiori) In relazione alla luce si definiscono specie: Eliofile (che richiedono quantità di luce elevata) Eliofobe (che evitano la luce – p.e. insetti come le Termiti) Parametri della luce: qualità (lungh. d’onda)/quantità (intensità)/ durata Qualità (lunghezza d’onda radiazioni) Condizioni più o meno favorevoli alla crescita di alcune specie sono determinate dallo spettro di radiazioni luminose ottimali. P.e. gli organismi fotosintetici non sono in grado di assorbire radiazione del Verde. La maggior parte delle specie non tollera le radiazioni degli UV (alte frequenze), capace di provocare la rottura delle molecole. Basse frequenze (rosso ed infrarosso) causano aumenti di T, che possono favorire o inibire le condizioni di vita. Quantità (intensità) In ambienti ipogei, in zone di maggiore illuminazione artificiale o naturale, si ha maggiore sviluppo di specie biologiche) Durata Influenza i comportamenti fotoperiodici (cicli di luce-buio) in relazione all’attività riproduttiva Sviluppo di insediamenti biologici in prossimità della fonte di luce artificiale

39 DEGRADO BIOLOGICO Processi di alterazione Processi fisici
I processi di alterazione da organismi biologici possono dividersi in: Processi Fisici (conducenti alla disgregazione) Processi chimici (conducenti a variazioni della composzione chimica dei supporti) Processi fisici Sono dovuti all’azione meccanica degli apparati radicali degli organismi (ife fungine, apparati radicali) Fenomeni di disgregazione dovuta alla tensione prodotta dagli apparati radicali di piante superiori. Processi chimici Processi dovuti all’attività chimica degli organismi, distinguibili in: -processi di assimilazione (materiale del supporto come fonte nutrizionale) -processi di escrezione (danneggiamento dei supporti per apporto di prodotti derivati dall’azione metabolica Si distinguono i processi di: Acidolisi (produzione di acidi organici ed inorganici) Complessolisi (produzione di sostanze chelanti) Alcalinolisi (produzione di sostanze alcaline) Degradazione enzimatica (produzione di enzimi) Emissione di pigmenti

40 DEGRADO BIOLOGICO Meccanismi di sviluppo e moltiplicazione FOTOSINTESI
Meccanismo che permette ad un organismo dotato di particolari strutture (cloroplasti contenenti pigmenti fotosintetici come Clorofilla e Carotenoidi) di trasformare l’Anidride Carbonica dell’aria in un composto organico del Carbonio, utilizzando l’energia del sole. La reazione è: 6 CO H2O E > C6H12O O H2O Anidride Carbonica Eìnergia luminosa Polisaccarade (Amido) Ossigeno RESPIRAZIONE Processo metabolico che fornisce energia. Ha come elemento necessario la presenza di Ossigeno. Nel processo, dalla sostanza organica iniziale, viene liberata CO2 . Nel caso dei batteri chemiosintetici autotrofi la fonte di Carbonio è la CO2 atmosferica. Numerosi organismi sono aerobi obbligati, altri possono svilupparsi anche in assenza di Ossigeno, utilizzando il Nitrato al posto dell’O (aerobi facoltativi). Per altri l’O può risultare tossico (anaerobi obbligati). FERMENTAZIONE E il metabolismo energetico più semplice. Il substrato per la fermentazione è rappresentato dagli Zuccheri ( o acidi organici, aminoacidi, basi azotate), che vengono trasformati in Alcooli, liberando Anidride Carbonica, secondo una reazione del tipo: C6H12O > CO C2H5OH Zucchero Anidride Carbonica Alcool Etilico La fermentazione avviene in assenza di O, e quindi gli organismi che la adottano sono generalmente anaerobi obbligati. Alcuni organismi Aerobi, tuttavia, in assenza di O, possiamo cambiare il metabolismo da respiratorio a fermentativo (anaerobi facoltativi).

41 DEGRADO BIOLOGICO Processi chimici – Acidolisi/Complessolisi/Alcalinolisi/Degradazione enzimatica/Emissione di pigmenti Acidolisi Acidolisi per rilascio di sostanze durante l’attività metabolica Gli acidi prodotti possono reagire con il materiale litico del substrato formando Sali dannosi. Acidi inorganici: p.e. Carbonico, Nitrico, Solforico Acidi organici: p.e. formico, acetico, lattico, gluconico, etc.. Acidolisi per processi respiratori Produzione di CO2, che in ambiente acquoso forma Acido Carbonico, che può dissolvere i Carbonati di Calcio e Magnesio, trasformandoli in Bicarbonati: CO H2O > H2CO3 Complessolisi Formazione di composti di chelazione, in cui alcune molecole tendono a legare ad atomi della molecola un atomo di Idrogeno o di un metallo, formando anelli chiusi. Alcuni composti organici prodotti da microorganismi possono complessare ioni metallici del substrato. Tra questi: Acidi organici: ossalico, citrico, tartarico, malico, leuronico etc.. Fenoli: acido salicilico, 2-3 diidrossibenzoico Chelazione dello Ione Calcio per la presenza di acido leuronico prodotto dai licheni. Da G. CANEVA, M.P.NUGARI, O SALVADORI, La biologia nel restauro, Nardini Editore, Firenze, 1994.

42 DEGRADO BIOLOGICO Processi chimici – Acidolisi/Complessolisi/Alcalinolisi/Degradazione enzimatica/Emissione di pigmenti Alcalinolisi Rilascio di composti basici nei processi metabolici ( p.e. Ammoniaca, Carbonato di Sodio). Questo può provocare: Effetti di dissoluzione (reazione degli alcali con i supporti) Effetti di innalzamento del Ph (insediamento di specie basifile) Contatto o scambio di ioni (tramite apparati radicali) Scambio di cationi metallici o di ioni idrogeno con cationi metallici del supporto minerale (K+, Na+, Ca2+, Na+, etc…) Si determinano trasformazioni chimiche dei minerali del supporto (p.e. trasformazione di Mica in Vermiculite). Scambio di Cationi metallici attraverso gli apparti radicali. Da G. CANEVA, M.P.NUGARI, O SALVADORI, La biologia nel restauro, Nardini Editore, Firenze, 1994.

43 DEGRADO BIOLOGICO Processi chimici – Acidolisi/Complessolisi/Alcalinolisi/Degradazione enzimatica/Emissione di pigmenti Degradazione enzimatica Processi alterativi su materiale organico (cellulosa, emicellulosa, amidi, etc..) a seguito del rilascio di Enzimi (molecole proteiche), prodotti durante l’azione metabolica Fra questi processi, p.e.: Degadazione della Cellulosa a glucosio, con modificazione e successiva rottura del materiale; Degradazione dei tannini presenti negli inchiostri in glucosio ed acido gallico, da parte di enzimi specifici (tannasi) prodotti da funghi.+ Emissione di pigmenti Produzione di pigmenti organici di diversi colori durante lo sviluppo delle specie organiche (batteri, alghe, funghi). La natura chimica dei pigmenti è dipendente dalle singole specie e dalla composizione chimica del supporto. Molte specie fungine emettono pigmenti colorati (verdi, blu, porpora, violetto, etc..). Analogamente alcune specie batteriche. Pigmenti di colore nero (Melanina) è tipica di alcuni funghi. Emissione di pigmenti colorati prodotti dai microorganismi sui supporti lapidei naturali ed artificiali. In alto, Colorazione nera dovuta alla Melanina di funghi, in basso, colorazione rossa dovuta a batteri cromogeni.

44 DEGRADO BIOLOGICO Fenomenologia delle alterazioni biologiche
Da G. CANEVA, M.P.NUGARI, O SALVADORI, La biologia nel restauro, Nardini Editore, Firenze, 1994.

45 DEGRADO BIOLOGICO Fenomenologia delle alterazioni biologiche
Da G. CANEVA, M.P.NUGARI, O SALVADORI, La biologia nel restauro, Nardini Editore, Firenze, 1994.

46 DEGRADO BIOLOGICO Fenomenologia delle alterazioni biologiche
Patina biologica (alterazione della percezione figurale) Patine verdi da alghe verdi (Chlorophytae) Patine bianche da Attinomiceti Patine nere da Cianobatteri Disgregazione/erosione (alterazione del materiale) Degrado di un marmo per azione dei Licheni Degrado di materiale lapideo per caduta del tallo lichenico Radicali di piante superiori. Disgregazione per effetto degli apparati

47 DEGRADO BIOLOGICO Il degrado di materiali litici, ad opera dei biodeteriogeni è quindi da imputare ad: organismi autotrofi, che sintetizzano sostanze minerali da supporti inorganico, per trasformarli in sostanza organica Organismi autotrofi sono costituiti dai seguenti: - Alghe (cianobatteri, alghe verdi); Batteri chemiosintetici (Solfobatteri, Nitrobatteri, Ferrobatteri); Licheni; Muschi; Piante superiori. organismi eterotrofi che utilizzano direttamente materia organica. Organismi eterotrofi sono costituiti dai seguenti: Batteri eterotrofi; Funghi.

48 DEGRADO BIOLOGICO Biodeterioramento di materiali inorganici
Organismi autotrofi ed eterotrofi Batteri Tra le specie batteriche possiamo distinguere: -organismi autotrofi, ma non fotosintetici (chemiobatteri); - organismi autotrofi e fotosintetici; - organismi eterotrofi I Chemiobatteri (autotrofi, ma non fotosintetici) producono generalmente un’azione chimica sui substrati lapidei. In base ai processi si distinguono: Solfobatteri (capaci di produrre acido solforico) Nitrobatteri (capaci di produrre acido Nitrico o nitroso), - Ferrobatteri (ossidazione di ioni ferrosi a ioni ferrici) Batteri eterotrofi (capaci di produrre acidi organici) Tipologie di reazione chimica prodotte dall’azione di chemiobatteri Solfobatteri Formazione di Acido Solforico da SO2 (thiobacillus) o da S. Produzione di Ioni solfato e successivamente in presenza d’acqua di Acido Solforico. Per reazione con eventuale rocce carbonatiche si forma Gesso. I batteri solfo-ossidanti da S producono -SO4, i batteri solforiduttori (Desulfovibrio desulfuricans) riducono i Solfati a Solfuri, producendo H2S- o S2-., producendo un ciclo biologixco dello Zolfo. Pitture contenenti Pb possono essere trasformate in Solfuri di piombo, prodotti dai solfobatteri Ciclo dello Zolfo ad opera di batteri solfoosisidanti e solforiducenti

49 DEGRADO BIOLOGICO Nitrobatteri Questi batteri tendono a formare Sali di Azoto. Comprendono due gruppi: gruppo 1, gli ossidanti (o Nitrosanti) che trasformano l’ammoniaca in acido nitroso (Nitrosomonas,Nitrosobrivio Nitrosococcus, Nitrosospira,Nitrosoglobus) gruppo 2, i nitroosiddanti (o Nitratanti) che trasformano l’acido nitroso in Acido nitrico (Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira) In seguito all’azione di questi su supporti carbonatici si riscontra: Nitrati di Calcio. Ferrobatteri Ricavano energia dall’ossidazione di ioni ferrosi a ioni ferrici, e quindi possono ossidare minerali contenenti composti del Ferro.Batteri del genere bacillus attaccano la goethite, la limonite, etc… Batteri eterotrofi Batteri eterotrofi producono sostanze chelanti, acidi organici (citrico, glutarico prodotti da Flavobacterius e Pseudomonas) ed inorganici, alcali (ammoniaca p.e), capaci di solubilizzare alcuni minerali. Alcuni batteri possono mettere in soluzione o fare reagire Silice, Silicati, ed anche composti del Fosforo. Batteri del genere Bacillus attaccano la Ematite, Goethite, Limonite, etc… Ciclo dell’Azoto per l’azione di Nitrobatteri

50 DEGRADO BIOLOGICO Condizioni vitali per lo sviluppo delle specie batteriche Da OPD, Elementi di biologia per il restauro delle opere d’arte, Lezioni di P. TIANO, Corso triennale di Restauro dell’OPD, Ed. Polistampa, Firenze, s. d..

51 DEGRADO BIOLOGICO BATTERI Morfologia microscopica
I batteri possono assumere varie forme: da piccole sfere cocchi, a bastoncino, bacilli, a virgola, vibrioni, spirilli. Hanno dimensioni microscopiche comprese tra 1 micron (1 millesimo di mm) a 7-9 micron. Generalmente vivono isolati, ma laddove dopo la divisione cellulare, non si abbia il distacco di cellule figlie si formano catene (streptococchi o streptobacilli) o grappoli (stafilococchi o stafilobacilli). Morfologia macroscopica Ad occhio nudo si possono individuare le colonie batteriche, formate da milioni di individui, con diametri dai 2 ai 3 cm. La forma della colonia, analogamente, si distingue, per essere liscia o rugosa, secca o morbida, etc…tale forma è dipendente dal terreno di sviluppo dove si insedia. Metabolismo In relazione al metabolismo si possono distinguere: Batteri fotosintetici, rossi e verdi, che possiedono pigmenti fotosintetici ed effettuano la fotosintesi; Batteri che possiedono pigmenti fotosintetici, ma che non realizzano la fotosintesi ed hanno bisogno anche di materia organica. Batteri chemiosintetici, che non realizzano la fotosintesi, ma sono capaci di fissare la CO2 atmosferica attraverso reazioni chimiche e non luminose (autotrofi, come i solfobatteri, nitrobatteri e ferrobatteri);

52 DEGRADO BIOLOGICO BATTERI Respirazione
Sono presenti tutti i tipi, sia aerobi, sia anaerobi, che anaerobi facoltativi o obbligati, nonché quelli che adoperano la fermentazione come processo respiratorio. Danni a pitture e materiali lapidei I batteri chemiosintetici provocano reazioni chimiche sui substrati (rilascio di acido solforico, Nitrico, etc..), gli eterotrofi possono insediarsi al di sopra di specie autotrofe dalle quali traggono la materia organica da questi prodotta. Questi producono acidi capaci organici capaci di interagire con i supporti lapidei (acido citrico, succinico, glutarico prodotti da Flavobacterius e Pseudomonas, fra le specie più diffuse). Fra i batteri eterotrofi cromogeni, il Micrococcus è responsabile delle macchie rosse spesso presenti su paramenti in marmo. Su materia organica (legno, carta, tessili, etc..) i batteri eterotrofi contribuiscono alla sua alterazione.

53 DEGRADO BIOLOGICO Alghe Attinomiceti
La presenza di Attinomiceti è abbondante in condizioni di abbondante presenza organica (ambienti ipogei) e di elevata UR (85-100%). Sono organismi assimilabili ai batteri ma con struttura simile a quella dei funghi. Possono utilizzare una vasta gamma di composti come fonte di C, sono eterotrofi ed aerobi. Si manifestano con patine biancastre o bianco-grigistre. Di questa famiglia fanno parte le specie seguenti: Streptomiceti Nocardia Patina biancastra di Attinomiceti su affresco Alghe Le alghe sono insediamenti che spesso si ritrovano su supporti lapidei, perché hanno bisogno solo di luce, acqua, pochi composti inorganici e predilono suoli alcalini (Ph= 7-8), ossia spesso Calcari. Fra queste si individuano: Cianobatteri (Alghe azzurre) Cloropphyceae (Alghe verdi) Cianobatteri Patine nere ai piani alti dell’edificio su esposizione NO - Cianobatteri Sono caratterizzati da una spessa guaina mucillaginosa che li avvolge consentendogli di trattenere acqua per lungo tempo. Per questo possono sopravvivere a prolungati essiccamenti. Le specie più diffusamente riscontrate su supporti lapidei sono le seguenti: - Chroococcus, Gloecapsa, ;Lyngbya, Nostoc, Oscillatoria, Scytonema, Myxosarcina. Alghe verdi Le alghe verdi più frequentemente riscontrate su supporti lapidei sono costituite dai gruppi seguenti: - Chlorella, Chlorococcum, Haematococcus, Scenedesmus, Stichococcus, Ulothrix. Patina di Clorophyceae su balaustra

54 DEGRADO BIOLOGICO Caratteri delle Alghe: rapporto con il substrato
In relazione al rapporto con il substrato le alghe si dividono in: Epilitiche, che crescono sulla superficie; -Endolitiche, che colonizzano in profondità, a loro volta distinte in: casmoendolitiche, che che vivono in fessure e cavità comunicanti con la superficie del substrato; Criptoendolitiche, che colonizzano cavità in rocce porose; Euendolitiche, capaci di penetrare in profondità nei substrati. Epilitiche Sono le più comuni e formano patine riconoscibili ad occhio nudo. Le patine sono generalmente bene aderenti al substrato, e di colorazione nera o grigia in condizioni di luce solare molto forte. In luoghi poco illuminati sono più spesse, gelatinose, e di colore variabile (in genere verde, ma anche giallo, arancione, viola, rosso). Il colore dipende dalle condizioni di sviluppo. Casmonedolitiche Formano strati verdi paralleli alla superficie, spesso sotto scaglie parzialmente distaccate dal substrato. Criptoendolitiche Presenti in genere su superfici calcaree ed arenarie di colore chiaro, formano uno strato parallelo alla superficie della profondità di alcuni mm. Euendolitiche Alcuni cianobatteri sono di questo tipo ed hanno la caratteristica di dissolvere i Carbonati penetrando nel substrato e formando cavità. La luce è per queste fattore limitante. Alghe e cianobatteri casmoendolitici Cianobatteri di tipo epilitico I meccanismi di alterazione sono legati alll’emissione di acidi (aspartico, citrico, uronico, ossalico, etc..) o composti chelanti ( aminoacidi e polipeptidi ad es.) in fase di respirazione

55 DEGRADO BIOLOGICO Licheni
Il lichene è un organismo simbiotico costituito dall’unione di un fungo (organismo eterotrofo) con un cyanobatterio o un’alga. Il corpo vegetativo o tallo ha una struttura caratteristica per ogni tipo di Lichene, distinguendosi in: Crostosi (compatti ed aderenti al substrato), penetrano nella pietra con tutte le ife della superficie; Fogliosi (fatti come fogli e scarsamente aderenti al substrato), aderiscono con i loro organi di attacco, le rizine; cespugliosi , con tallo eretto e peduncolato Le specie licheniche possono essere colonizzatori primari o secondari. Nel primo caso si presentano come strutture macroscopiche dai colori vivaci (bianchi-gialli, verdi, neri o grigi), generalmente crostosi e fogliosi. Nel secondo caso si sviluppano in concomitanza di strati algali impiantandosi sopra di questi. In questo caso assumono l’aspetto di una polvere microscopica o di strutture licheniche poco distinte, per lichenizzazione imperfetta. Tipologie di Licheni. In rosso i diversi talli. Da OPD, Elementi di biologia per il restauro delle opere d’arte, Lezioni di P. TIANO, Corso triennale di Restauro dell’OPD, Ed. Polistampa, Firenze, s. d..

56 DEGRADO BIOLOGICO Licheni Danni ai materiali lapidei
Talli lichenici Licheni Nell’organismo simbiontico l’alga ed il fungo svolgono diverse funzioni. L’alga è capace di effettuare la fotosintesi, fornendo la sostanza organica, mentre attraverso la produzione di acidi lichenici questa riesce ad assorbire le sostanze minerali e l’acqua necessarie al suo sviluppo. Talli La penetrazione non è molto profonda e varia da 0,2 a 4 mm, e la crescita molto lenta con aumenti del diam. da 0,1 a 10 mm. l’anno. La maggior parte del Tallo è formato da Ife fungine, mentre le alghe si trovano in un sottile strato al di sotto della corteccia. Sui materiali lapidei possono insediarsi sia su supporti Carbonatici che silicatici. Possono presentarsi nei tipi endolitici, ossia sviluppatisi all’interno delle rocce, da cui sporgono parzialmente. Questi sono particolarmente difficili da rimuovere con i biocidi Danni ai materiali lapidei I danni sui materiali lapidei o pittorici possono essere: di natura estetica (copertura dell’immagine); Di natura fisica (mantenimento del supporto umido); Di natura chimica (produzione di acidi metabolici che possono reagire con i supporti . P.e. Acido Carbonico, che reagisce con i Carbonati dei supporti calcarei formando Bicarbonati più solubili; acidi lichenici ad azione chelante (ossia che catturano ioni Calcio del Carbonato); acidi ossalici (prodotti dal fungo), che reagiscono formando vari tipi di Ossalati (mmagiormente riscontrati nei licheni calcicoli), con formazione del classico degrado a fori detto pitting Lichene Endolitico

57 DEGRADO BIOLOGICO Muschi e piante superiori Muschi
Crescono su substrati umidi e ricchi di humus (terriccio), spesso in unione con alghe o licheni. Producono danni di tipo meccanico (radici) e mantengono i supporti umidi, ma di lieve entità rispetto a quelli causati dalle alghe. Epatiche (briofite) e piante superiori Hanno bisogno di sufficiente contenuto d’acqua, luce (per la fotosintesi), buona porosità del substrato. Le specie più diffuse sono costituite dalle: Parietaria judaicaa (diffusa e Capparis spinosa, Cymbalaria muralis, etc..) - Ficus carica Hedera Helix Oltre ai danni prodotti dalle radici, esercitano azione alterativa per la produzione di acido carbonico per mezzo dei processi respiratori e di altri acido attraverso gli apparati radicali. Alcune, come l’edera possono rilasciare colorazioni dovute a composti organici. Insediamenti di piante di Capparis spinosa: Palermo, Mura del Foro italico prima del restauro (a sinistra), Matera bastione in muratura calcarea (a destra). Sviluppo di Briofite ( a sinistra), e di Cymbalaria muralis nel Chiostro di S. Giovanni degli Eremiti a Palermo

58 DEGRADO BIOLOGICO Funghi
Sono organismi non fotosintetici ed eterotrofi. Si riproducono per spore, organismi riproduttivi unicellulari. Da queste si sviluppa per germinazione un filamento o Ifa, che si accresce e ramifica in tutte le direzioni formando un intreccio di Ife, costituenti il corpo del fungo o Micelio. Sono organismi molto diffusi che partecipano al processo di mineralizzazione della materia organica privilegiando substrati acidi. Per svilupparsi il fungo ha bisogno di una UR almeno del 60%, mentre non tollera temperature superiori a 62°C ed ha bisogno di Ossigeno. La luce non è fondamentale alla sua crescita, ma influenza lo sviluppo delle Ife, cioè delle appendici filiformi e ramificate che costituiscono il corpo del fungo, chiamato micelio. Ricavano energia o dalla respirazione o dalla fermentazione di sostanze organiche. Possono essere divisi, in maniera generica, in: Funghi inferiori (Ficomiceti) acquatici o terrestri; Funghi superiori (Ascomiceti, Basidiomiceti). Funghi imperfetti A questa classe appartengono la maggior parte dei funghi presenti sulle opere d’arte. Fra questi, si evidenziano i seguenti tipi: Penicillium; Aspergillus; Alternaria (dalla colorazione scura); Cladosporium ( dal colore verde scuro). Alla classe dei funghi appartengono i Lieviti, famiglia compresa fra gli Ascomiceti ed i Basidiomiceti. Sono presenti su supporti organici.

59 DEGRADO BIOLOGICO Funghi. Danni ai substrati inorganici ed organici
I danni che i funghi possono provocare ai materiali storici possono essere di diversi tipi: Macchie, per rilascio di pigmenti, soprattutto neri (melanina), prodotti dalle Dematiaceae (Le macchie possono anche permanere dopo la pulizia e sterilizzazione poiché sono difficilmente eliminabili senza interferire con il colore originario) Dissoluzione di materiale organico (che danneggia legno, carta, tessili, etc..), di cui distruggono i Polisaccaridi che li compongono per svilupparsi Azione chimica sui materiali lapidei per il rilascio di acidi organici (citrico, ossalico, glucuronico, lattico) producenti azione di chelazione su cationi metallici del substrato. Azione meccanica per l’azione delle Ife e/o delle rizine degli apparati radicali con il classico degrado puntiforme del pitting. Azione chimica sui materiali lapidei Possono danneggiare: Calcari per chelazione del Calcio; Minerali silicatici (soprattutto Mica ed Ortoclasio); Minerali contenenti Ferro e Magnesio (Biotite, Olivina, Pirosseno). Maggiormente resistenti sono invece i graniti. Presenza di funghi su affresco. Basilica S. Francesco d’Assisi. Macchie nere di Melanina dovute all’azione fungina. Alcune specie (Penicillium; Aspergillus niger, Spicaria) producono elevate quantità di acido citrico ed ossalico. L’acido ossalico comporta la completa decomposizione dei minerali argillosi ferruginosi, rilasciando ossidi di ferro, ed ossalati. Per la produzione di acido ossalico sono considerati fra i responsabili della formazione di Ossalati di Calcio su marmo e Calcari, mentre altri sono capaci di ossidare il Manganese, contribuendo a ingenerare efoliazione nei materiali lapidei. Degrado di pitting dovuto a funghi in un’immagine al SEM