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Analisi chimiche per materiali e metalli
AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)
Cap. ATS-F03 - Chimica - Pag. ATS-F03.02
Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Arch. Michele Cuzzoni nel 2012 - © Copyright 2007- 2024 - e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina
Nel restauro oggi rivestono grande importanza i materiali usati per i quali prevale il concetto di REVERSIBILITA’ degli INTERVENTI.
Niente si deve sovrapporre in modo definitivo all'opera d’arte a cui deve essere possibile applicare trattamenti più efficaci qualora vengano scoperti.
Chimica e chimici: hanno compiti decisivi nella conservazione e il restauro; contribuiscono a restauro interpretando il risultato delle prove.
Le indagini di chimica analitica si fanno domande sullo studio della tecnica di esecuzione, sulla provenienza (datazione e autenticazione), sullo stato di conservazione (studio del livello di degrado e delle interazioni del manufatto con l’ambiente, ricostruzione della storia conservativa), controllo delle condizioni di conservazione (monitoraggio e diagnostica).
E' necessaria una
PRECISA DIAGNOSI RELATIVA A MATERIALI COSTITUTIVI, accertarne tipologia e composizione e decidere quindi gli interventi da effettuare.INDAGINE ANALITICA: di solito si compie estraendo dei campioni dal manufatto, che contiene analiti e matrice. Dopodiché si applicano diverse tecniche di indagine che permettono di analizzare gli analiti dal punto di vista qualitativo (natura degli analiti) e dal punto di vista quantitativo (concentrazione degli analiti).
I prodotti di alterazione: possono derivare da una serie di possibili reazioni il cui peso relativo è funzione del tipo di materiale:
*
Ossidazione (corrosione)*
Reazioni limitate a superfici esterne*
Complessazione*
Reazione acido – base*
Adsorbimento*
Solubilizzazione e precipitazione
Un parametro fondamentale è la
CATTIVA QUALITA’ AMBIENTE spesso responsabile di gravi deterioramenti.L'attenzione dei ricercatori è concentrata spesso sugli inquinanti organici, anche se storicamente sono stati quelli inorganici i primi ad essere studiati.
Oltre ad un'azione diretta, intervengono anche in modo indiretto attraverso reazioni tra loro o con altri elementi atmosferici.
Interazioni con materiali dei beni culturali:
*
SOLFATAZIONE MATERIALI LAPIDEI*
CORROSIONE METALLI*
IDROLISI DI LIGNINA E CELLULOSAPrimo intervento protettivo dei beni culturali: riguarda l'ambiente in cui sono conservati:
* ACIDITA’ ATMOSFERICA
: primo nemico dei beni culturali.*
RADICALI: specie reattive instabili responsabili attacchi a matrici biologiche e non.* AMBIENTE INTERNO.
Degrado biologico o
BIODETERIORAMENTO: qualsiasi cambiamento indesiderato delle proprietà di un materiale causato dall’attività di un organismo vivente.La tipologia del danno determinante è quella indotta da assunzione ed emissione di sostanze a seguito del metabolismo cellulare degli organismi biodeteriogeni che varia in relazione a natura del substrato e delle caratteristiche ambientali.
Emisiione cataboliti: sono
per lo piu acidi e possono causare un danno simile a quello chimico: formazione di sali solubili o parzialmente solubili.E' pericolosa anche l'azione meccanica prodotta da organismi, che penetrando e accrescendosi all’interno del materiale producono la decoesione del substrato.
Distacco cristalli o intere parti materiale: Caso specifico ambienti interni sono soprattutto i microrganismi a causare questo tipo di danno in modo particolare su dipinti murali e stucchi strutture cellulari microscopiche penetrazione superficiale.
Danno di tipo estetico: generalmente indica modificazioni dell'aspetto esteriore originario dell'opera d'arte, dovuto a sviluppo di colonizzazioni biologiche.
Si ha un impoverimento del valore estetico/culturale dell'oggetto.
Si studia il degrado dei materiali lapidei (pietra,marmi, malta, stucchi), perché sono i più presenti nel nostro territorio. Noi possiamo solo rallentare il degrado. Il degrado è fisico e chimico.
Interessa soprattutto la struttura dei materiali. Grandi cause:
-
Escursioni termiche: a furia di dilatarsi e contrarsi, il materiale continua a seguire questi movimenti; ma esiste un limite di elasticità dei materiali (questo fatto è particolarmente importante nel caso di materiali diversi che si muovono in modo diverso).- Idrometeore: L’acqua riesce a infiltrarsi nei pori del substato e, considerando le forme che assume l’acqua nell’atmosfera (pioggia, neve, ghiaccio, vapore) cambiando volume con la temperatura, causa pressioni di entità diversa sulle pareti interne dei pori.
- Efflorescenze: L’acqua presente nel terreno riesce a risalire, per risalita capillare, fino alla struttura del materiale (muro, chiesa…); l’acqua in seguito può evaporare, ma non i Sali minerali che essa portava con sé; a volte questi cambiano di composizione e di volume (a causa dell’idratazione) e quindi esercitano anche in questo caso pressioni più forti contro i pori della struttura che li ospita.
I Sali provengono dalla muratura, dal terreno, dall’atmosfera, dall’interazione con gli inquinanti gassosi (vedi degrado chimico). Inoltre i Sali possono essere solubili, parzialmente o insolubili, questi ultimi sono i più pericolosi perché non sciogliendosi con l’acqua fanno aumentare ancora più il volume.
Nel caso di efflorescenze superficiali, il danno è solo esteriore (il gesso fa macchie bianche-verdi), ma se queste sono all’interno della struttura (cripto-efflorescenze) possono creare gravi danni strutturali.
Alcuni agenti inquinanti provenienti dall’atmosfera possono infiltrarsi e combinarsi coi Sali delle idrometeore, con la possibilità che si formino degli acidi, che aggrediscono il substrato.
Si possono formare acidi più ossidati (Sox, Co2 e Nox, quindi acidi solforici e non solforosi) perché nell’ambiente ci sono più elementi con alti numeri di ossidazione.
Questi acidi attaccano, ovvero reagiscono con alcuni componenti del substrato, ovvero i carbonati, causando una loro solubilizzazione:
CaCo3 → Ca++ + CO32- , viene dissociato causando - con tante ripetizioni di questo processo - l’usura del materiale perché fa danni strutturali (crea dei vuoti che minano la stabilità della struttura) ed in più c’è acqua (per degrado fisico).
La porosità del materiale aumenta, con aumento della sua vulnerabilità; questi particellari atmosferici catalizzano le reazioni di dissoluzione, col rischio di formare pure prodotti secondari (calcite ricristallizzata, gesso).
Tutto questo e i fenomeni già citati avvengono in sinergia: mirano al degrado.
Gli agenti principali, i METALLI PESANTI hanno alto peso atomico e la loro alta presenza è dovuta alle attività antropiche (platine rodio delle marmitte catalitiche) che intervenendo nel processo di degrado, fanno insorgere dei prodotti secondari o di neo-formazione. I principali sono:
Origine: utilizzo di combustibili
Ruolo: creano acido solforico che reagisce con il carbonato di calcio contenuto nelle rocce, formando gesso (calcio di-idrato). Nel caso di calcari dolomitici, si formano anche solfati di magnesio (esadriti e epsodriti).
Fenomeni di degrado: formazione di croste nere per l’inglobamento di particelle carboniose dello smog.
Reazione: dissociazione H2SO4 → H22+ + SO4 2- che forma poi gesso mischiandosi con le rocce calcaree: CaSO4 . 2H2O (processo di solfatazione del substrato lapideo).
Dipende anche dal clima della regione (esadriti e epsodriti: MgSO4 . 6 o 7 H2O).
Dalla combustione di petrolio e carbone si libera nell’aria l’anidride solforosa (SO2), che si mischia con l’ossigeno dell’aria formando anidride solforica (SO3) e con l’acqua poi acido solforico (H2SO4), che è molto aggressivo. Infatti è molto corrosiva e trasforma le pietre calcaree in gesso, che con l’umidità si deteriora. Queste macchie si formano in genere sulle nicchie delle chiese, oggetti, nelle facciate nelle zone non esposte agli agenti atmosferici, e diventano delle croste, inizialmente bianche poi si sporcano e diventano scure. Infatti così sono meno esposte al dilavamento o al vento e le croste si possono insediare bene.
CaCO3 + H2SO4 + H2O → CaSO4 . 2H2O + CO2 = gesso
Origine: atmosfera
Ruolo: forma acido carbonico che reagisce col carbonato di calcio del substrato forma bi-carbonato di calcio, che è molto solubile in acqua.
Degrado: in aree protette e con certe temperature il bicarbonato può formare efflorescenze o incrostazioni di carbonato di calcio ri-cristallizzato, perché il bicarbonato può ritornare carbonato di calcio, ma ormai la sua micro-struttura è cambiata rispetto all’originale, perciò non si legano più bene al marmo superficiale; quindi questo carbonato è di neo-formazione e sono anche più deboli (interazioni con forze Van der Wahl).
Reazioni: La Co2 dell’atmosfera si mischia con le piogge (che più acide sono, peggio è): CO2 + H2O, che poi reagisce con il carbonato di calcio, componente principale del marmo: CaCO3 (insolubile) → Ca(HCO3)2 , bicarbonato di calcio, solubile che quindi aumenta porosità della pietra o forma efflorescenze.
CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 = bicarbonato di calcio
Ruolo: formazione di acidi che reagiscono col substrato formando nitrati, Sali molto solubili e quindi in grado di ri-cristallizzare con vari gradi di idratazione.
I cloruri vengono da bacini di acqua salata a causa del trasporto aereo.
Fenomeni di degrado: efflorescenze
Principalmente si creano composti di neo-formazione, come acido nitrico HNO3 e cloruri NaCl e KCl. Arrivano per deposito atmosferico (a volte per la semplice gravità), e possono essere attivi (reagiscono) o passivi, cioè non reagiscono, creano solo patine, ma in ogni caso provocano danni perché possono fare da substrato di base per agenti biodeteriogeni (muffe, funghi…).
In più a volte sono operazioni di restauro o pulitura precedenti, come l'utilizzo di pigmenti che poi si degradano in fosfo-proteine (latte, uovo) e si formano Patine e ossalato di calcio.
Si dividono in 2 tipologie:
ALTERAZIONE CROMATICA [chromatic alteration]: Variazione naturale a carico dei componenti della pietra dei parametri che definiscono il colore. E’ generalmente estesa a tutto il litotipo interessato; nel caso l’alterazione si manifesti in modo localizzato è preferibile utilizzare il termine macchia.
MACCHIA [staining, chromatic alteration]: Pigmentazione localizzata della superficie correlata sia alla presenza di determinati componenti naturali del materiale (concentrazione di pirite nei marmi) sia alla presenza di materiale estraneo (acqua, prodotti di ossidazione di materiali metallici, sostanze organiche, vernici, graffiti urbani).
PATINA [patina]: Modificazione naturale della superficie non collegabile a fenomeni di degrado e percepibile come una variazione del colore originario del materiale
PATINA BIOLOGICA [biological crust]: Strato sottile, omogeneo, di colore variabile, costituito prevalentemente da microrganismi, variabile per consistenza, colore e adesione al substrato.
COLONIZZAZIONE BIOLOGICA [plants]: Presenza di organismi vegetali sul substrato, riconoscibili macroscopicamente. Nel caso sia possibile una classificazione sistematica è preferibile utilizzare licheni , muschi , piante.
EROSIONE [surface erosion, surface reduction, roughening]: Asportazione di materiale dalla superficie che nella maggior parte dei casi si presenta compatta.
EROSIONE DIFFERENZIALE [differential erosion]: Evidenzia dell’eterogeneità dei motivi tessiturali o strutturali tipici del materiale lapideo.
PITTING [pitting]: Formazione di fori ciechi, numerosi e ravvicinati. I fori hanno forma tendenzialmente emisferica con diametro massimo di pochi mm.
RIGONFIAMENTO [detachment]: Sollevamento superficiale localizzato del materiale di forma e consistenza variabili.
ALVEOLIZZAZIONE [alveolization, cavernous decay]: Formazione di cavità di forma e dimensioni variabili, dette alveoli, spesso interconnesse e con distribuzione non uniforme. Nel caso in cui il fenomeno si sviluppi essenzialmente in profondità con andamento a diverticoli si utilizza il termine alveolizzazione a cariatura.
DISGREGAZIONE [disaggregation]: Decoesione con caduta del materiale sotto forma di polvere o minutissimi frammenti.
ESFOLIAZIONE [exfoliation, contour scaling, flaking]: Formazione di una o più porzioni laminari, di spessore molto ridotto e subparallele tra loro, dette sfoglie.
SCAGLIATURA [scaling, spalling]: Distacco di parti di forma irregolare e spessore consistente e non uniforme, dette scaglie, spesso in corrispondenza di soluzioni di continuità del materiale originario.
DISTACCO [detachment]: Soluzione di continuità tra strati superficiali del materiale (ad esempio un intonaco), sia tra loro che rispetto al substrato, prelude, in genere, alla caduta degli strati stessi. Nelle pietre le parti distaccate assumono spesso forme specifiche in funzione delle caratteristiche strutturali e tessiturali dando luogo a scagliatura, esfoliazione , crosta.
MANCANZA [loss]: Perdita di elementi tridimensionali (braccio di una statua, ansa di un'anfora, brano di una decorazione a rilievo, ecc).
LACUNA [lacuna]: Assenza di parti con sviluppo prevalentemente bidimensionale (parte di un intonaco e di un dipinto, porzione di impasto o di rivestimento ceramico, tessere di mosaico, ecc.).
CONCREZIONE O INCROSTAZIONE [incrustation]: Accrescimento compatto generalmente di estensione limitata, sviluppato sia parallelamente sia perpendicolarmente alla superficie, in quest'ultimo caso può assumere forma stalattitica o stalagmitica.
DEPOSITO SUPERFICIALE [dust, soot]: Accumulo di materiali estranei di varia natura, quali polvere, terriccio, guano, ecc. Ha spessore variabile, generalmente scarsa coerenza e scarsa aderenza al materiale sottostante.
CROSTA [crust, gypsum skin, calcium sulphate skin]: Modificazione dello strato superficiale del materiale lapideo. Di spessore variabile, generalmente dura, distinguibile dalle parti sottostanti per le caratteristiche morfologiche e, spesso, per il colore. Può distaccarsi anche spontaneamente dal substrato che, in genere, si presenta disgregato e/o polverulento.
EFFLORESCENZA [efflorescence, efflorescing salt]: Formazione di sali, generalmente di colore biancastro e di aspetto cristallino o polverulento o filamentoso, sulla superficie.
PELLICOLA [coating film, surface treatment]: Strato superficiale di sostanze coerenti fra loro ed estranee al materiale lapideo. Indipendentemente dalla natura o funzione (es.: pellicola pittorica di rifacimento, pellicola protettiva o con funzioni estetiche) essa deve poter essere identificabile come corpo estraneo che altera l'aspetto superficiale.
DEFORMAZIONE [deformation, bowing]: Variazione della sagoma o della forma che interessa l'intero spessore del materiale.
RIGONFIAMENTO [detachment]: Sollevamento superficiale localizzato del materiale di forma e consistenza variabili. Per (int.) si utilizza sollevamento.
FRATTURAZIONE O FESSURAZIONE [cracking, splitting]: Soluzione di continuità nel materiale che implica lo spostamento reciproco delle parti
Degrado del supporto:
Degrado fisico-meccanico.
Danni strutturali.
Distacco dell'intonaco dalla muratura.
Degrado chimico.
Infiltrazioni ed efflorescenze.
Solfatazione della malta.
Degrado del film pittorico:
I COMPOSTI estranei ai materiali originali provengono da:
- degradazione dei pigmenti (per azione della luce e dell’umidità);
- interazione tra pigmenti in miscela e tra pigmenti e leganti;
- degradazione dei leganti organici (fotodecomposizione, degradazione ossidativa);
- prodotti di passati interventi di conservazione e protezione superficiale e loro prodotti di degradazione.
Degrado dello strato pittorico:
Degrado fisico-meccanico.
Alterazione dell’adesione.
Alterazione della coesione.
Alterazione della planarità.
Degrado chimico.
Polverizzazione superficiale.
Depositi superficiali (polveri, particellato).
Biodeterioramento.
Attacchi di microrganismi.
Degrado della superficie pittorica:
Degrado fisico-meccanico.
Perdita di adesione e distacco della pellicola pittorica.
Degrado chimico.
Alterazioni cromatiche.
Alterazione della patina.
Degrado del supporto:
Degrado fisico-meccanico.
Deformazioni.
Fessurazioni e rotture, Scollamento delle tavole.
Degrado chimico.
Degradazione termica.
Ossidazione.
Biodeterioramento.
Attacchi di insetti e di microrganismi.
Degrado degli strati preparatori, della superficie pittorica:
Degrado fisico-meccanico.
Alterazione della coesione e dell’adesione.
Alterazione del rilievo e della planimetria.
Degrado chimico.
Decolorazione dei pigmenti.
Alterazione di vecchi restauri e ridipinture.
Alterazione degli oli e delle vernici.
Svelature dovute a restauri inidonei.
Alterazioni della doratura.
Biodeterioramento.
Attacco di microrganismi.
Degrado del supporto:
Degrado fisico e meccanico.
Deformazioni.
Lacerazioni e strappi.
Degrado chimico.
Degradazione termica.
Ossidazione.
Biodeterioramento.
Microrganismi e insetti.
Degrado degli strati preparatori, della superficie pittorica:
Degrado fisico-meccanico.
Alterazione dell’adesione e della coesione.
Alterazione del rilievo e della planimetria.
Alterazioni ottiche.
Degrado chimico.
Decolorazione dei pigmenti.
Aumento della trasparenza.
Alterazione di vecchi restauri e ridipinture.
Alterazione degli oli e delle vernici.
Svelature dovute a restauri inidonei.
Degrado fisico-meccanico:
Decoesioni, fessurazioni, fratturazioni.
Esfoliazioni, scagliature, rigonfiamenti.
Disgregazione e polverizzazione.
Escursione termica.
Inquinamento atmosferico.
Effetti del lavoro di estrazione.
Effetti della lavorazione.
Degrad chimico:
Incrostazioni, concrezioni, pellicole.
Efflorescenze.
Corrosione ed erosione.
Alterazioni cromatiche.
Alterazioni della pellicola pittorica.
Biodeterioramento:
Attacco di microrganismi.
Degrado fisico-meccanico.
Difetti di fabbricazione.
Fratturazioni, Fessurazioni.
Distacco del rivestimento, dello smalto e di parti.
Pulverulenza.
Deformazioni.
Consunzioni, Abrasioni, Danni da shock termico.
Degrado chimico (interazione acqua/ materiale ceramico).
Riargillificazione (il corpo ceramico tende a riassorbire.
acqua con aumento di volume e forti pressioni sulla struttura circostante).
Ricarbonatazione (l’anidride carbonica può interagire con l’ossido di calcio formatosi durante la cottura e formare carbonato di calcio).
Deposizione di sali.
Incrostazione, Lisciviazione.
Attacchi chimici (attacco dei silicati e dei carbonati).
Patine e macchie.
Degrado fisico-meccanico:
Lacune, abrasioni.
Fratture, distorsioni.
Problemi di aggancio tra elementi.
Degrado chimico:
Corrosione.
Depositi superficiali, Pitting, Pulverulenza.
Interventi di restauri inidonei.
Degrado fisico-meccanico:
Rotture e fratture.
Alterazione dei ferri di armatura.
Degrado chimico:
Depositi superficiali e macchie.
Ridipinture e scialbature.
Alterazioni dello strato pittorico e della doratura.
Composti estranei ai materiali originali:
- Gesso, solfati di magnesio;
- Efflorescenze;
- Prodotti di degrado dei leganti organici.
Degrado fisico-meccanico:
Difetti di fabbricazione.
Strappi, Consunzioni, Deformazioni.
Degrado chimico:
Danni da umidità.
Reazioni fotochimiche.
Corrosione dei filati metallici.
Biodeterioramento:
Attacchi da insetti e microrganismi COMPOSTI estranei ai materiali originali:
- Prodotti di ossidazione della cellulosa;
- Prodotti di degrado di pigmenti e leganti.
- perdita di brillantezza e trasparenza per il deposito di prodotti di corrosione;
- perdita del colore per la presenza di una rete finissima di fratture con depositi di ossidi di manganese e ferro;
- formazione di incrostazioni, deposito di polvere dovuta agli inquinanti atmosferici (vetri esterni);
- interventi conservativi errati e dalla conservazione in ambienti non adatti della corrosione del vetro;
- presenza di acqua: diffusione di molecole d’acqua, conseguente migrazione sulla superficie di ioni alcalini e raggrinzimento della superficie per diminuzione del volume;
- solubilizzazione del vetro.
Composti estranei ai materiali originali:
- Gesso, solfati di magnesio;
- Efflorescenze;
- Prodotti di corrosione.
Degrado strati preparatori:
Degrado fisico-meccanico.
Distacco o decoesione degli intonaci di sottofondo.
Degrado manto musivo:
Degrado fisico-meccanico.
Perdita di adesione.
Deformazioni: sollevamento e spanciamento.
Fratturazioni e fessurazioni.
Degrado chimico:
Corrosione.
Deposito di sali solubili.
Opacizzazione della superficie delle tessere vitree.
Efflorescenze.
Biodeterioramento:
Attacchi biologici e microbiologici.
Composti estranei ai materiali originali:
- Gesso, solfati di magnesio;
- Efflorescenze.
Composti estranei ai materiali originali:
- prodotti di acidificazione della carta;
- prodotti di degrado dei leganti e dei trattamenti organici.
Degrado chimico:
Acidificazione;
Reazioni fotochimiche;
Efflorescenze;
Biodeterioramento:
Attacchi biologici e microbiologici.
COMPOSTI estranei ai materiali originali:
- prodotti di degrado della lignina e della cellulosa;
- prodotti di degrado dei leganti e dei trattamenti organici.
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Dispense tratte da: http://doc.studenti.it/download/skip/chimica-ambiente-beni-culturali_1.html (nel 2012, ora il sito non è più esistente)
Bib-TS-086 - M. Matteini, M. Moles, la Chimica nel restauro, Nardini editore, Firenze
7 - M. Matteini, M. Moles, Scienza e restauro, Nardini editore, FirenzeBib-TS-088 - L. Appolonia, S. Volpin, Le analisi di laboratorio applicate ai beni artistici policromi, casa editrice il Prato, Padova