Lezione_7-1_Malte.pdf

CORSO di CHIMICA degli ARCHEOMATERIALI A.A. 2023-24 7.1_Malte Docente: Enrico Greco, PhD ([email protected]) Assistant Professor, Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences ...

CORSO di CHIMICA degli ARCHEOMATERIALI A.A. 2023-24 7.1_Malte Docente: Enrico Greco, PhD ([email protected]) Assistant Professor, Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences  MALTE Impiego delle malte nella storia La scoperta della calce ha la stessa origine della terracotta: intorno ai focolari in terreni calcarei si osservava che le pareti “sfiorivano” in polvere e che questa a contatto con l’acqua formava un impasto plastico che induriva. Il gesso per la minore temperatura di cottura, è il primo legante prodotto ed usato su larga scala: piramide di Cheope. Tracce di calce si trovano inoltre in nuraghi sardi del XX sec. BCE. Ai fenici si attribuisce l’uso di malte idrauliche e da loro l’impiego della calce viene trasmessa ai greci e ai romani. Erodoto intorno al 500 BCE Parla di malta calce-marmo impiegata nelle costruzioni (acquedotto Argos del Peloponneso). Plinio il vecchio parla nella Naturalis historia dell’uso e del confezionamento del legante da parte dei romani. 2 ENRICO GRECO, PHD  MALTE DEFINIZIONE DI UNA MALTA (Doc UNI-10924) MALTA: miscela di leganti inorganici, aggregati prevalentemente fini, acqua ed eventuali aggiunte di additivi organici e/o inorganici (o miscela di solo legante e acqua) in proporzioni tali da conferire all’impasto, allo stato fresco una opportuna lavorabilità e allo stato indurito, adeguate caratteristiche fisiche (porosità, permeabilità all’acqua ecc.) meccaniche (resistenza, deformabilità, aderenza ecc.), di aspetto, di durabilità ecc. 3 ENRICO GRECO, PHD  MALTE MALTA AGGREGATO + ACQUA + LEGANTE 4 ENRICO GRECO, PHD  TIPOLOGIE DI AGGREGATO Natura: da alvei dei fiumi e torrenti depositi alluvionali sedimenti marini depositi di spiaggia frantumazione di rocce silicee Funzione: viene aggiunto per diminuire i fenomeni di ritiro aumentare resistenza meccanica scopi economici: diminuire il prezzo per unità di volume di impasto 5 ENRICO GRECO, PHD  AGGREGATI Composizione aggregato: preferibilmente quarzosa, i granuli devono essere compatti, non friabili, non assorbire acqua non alterarsi Granulometria aggregato: sono necessarie almeno due classi. Il diametro max dipende dal tipo di utilizzo: - 5 mm = calcestruzzo - 3 mm = murature - 1 mm = murature a vista - 0.5 mm = intonaco Tutte le sabbie e i prodotti di frantumazione necessitano di vagliatura e lavaggio per eliminare impurità e parti fini che impedirebbero una buona adesione con il legante. Assortimento dimensionale migliore: fig: “C” 6 ENRICO GRECO, PHD  ACQUA QUALITA’ DELL’ACQUA L’acqua d’impasto non deve interferire con i processi di presa e di indurimento del legante, non deve condizionare la resistenza meccanica dell’aggregato o causare efflorescenze e macchie sulla superficie delle malte. Deve essere acqua non carica di sali o di altre sostanze quali zuccheri, olii, grassi, acidi ecc. La qualità acqua deve essere dolce e di limitata durezza; La temperatura condiziona il tempo di presa: calda accelera la presa; La quantità dell’acqua da utilizzare per confezionare una malta dovrebbe essere quella minima sufficiente a dar luogo ad un impasto omogeneo e plastico. La quantità dipende anche dalla qualità del legante e dalla dose di aggregato usata nell’impasto. 7 ENRICO GRECO, PHD  LEGANTI I leganti derivano da materiali litici, ad essi assomigliano e come tali si comportano, si ottengono per cottura di rocce sedimentarie (sia solfatiche che carbonatiche di origine clastica e chimica) o rocce metamorfiche. La classificazione dei leganti si basa sulla caratteristica di far indurire l’impasto a contatto con aria o acqua, da ciò la suddivisione in leganti aerei e idraulici. I leganti sono materiali che impastati con acqua formano masse plastiche in grado di indurire, per dar luogo ad un composto unico dotato di compattezza che può resistere alle sollecitazioni meccaniche e agli agenti atmosferici. 8 ENRICO GRECO, PHD  TIPOLOGIE DI LEGANTI LEGANTE AEREO: Fa presa in aria (CO2) LEGANTE A GESSO: Fa presa in aria LEGANTI IDRAULICI: Fanno presa in condizioni umidità e sotto acqua 9 ENRICO GRECO, PHD  LEGANTI AEREI CALCE AEREA PRODOTTO OTTENUTO DALLA COTTURA DI ROCCE CALCAREE CaCO3 → CaO + CO2 - 42 Kcal (420 Kcal per ogni Kg di carbonato di calcio) CaO = calce viva Bianca, porosa, avida di H2O 100 kg di calcare danno circa 50 Kg di calce La T di dissociazione è compresa tra 700 e 1078° C Se T supera i 1150°C i granuli più fini della calce sinterizzano formando particelle più grosse poco reattive (calce viva stracotta) 10 ENRICO GRECO, PHD  MALTE SPEGNIMENTO CALCE VIVA CaO + H2O → Ca(OH)2 + 15.6 Kcal Ca(OH)2 = Calce spenta La reazione è esotermica rilascia quindi calore Il prodotto finale è idrossido di calcio chiamato calce spenta o idrata o grassello se la quantità d’acqua è superiore a quella usata per ottenere l’idrato. Le condizioni, le modalità, la temperatura, la granulometria il rapporto acqua/calce che vengono utilizzate durante lo spegnimento esercitano influenza sulle caratteristiche della calce e ciò è responsabile della varietà dei prodotti che si ottengono e dei difetti presenti nelle malte. 11 ENRICO GRECO, PHD  MALTE QUALITÀ DELLA CALCE AEREA Dipende da: Presenza di impurità nei calcari di partenza; Dimensioni dei granuli cristallini nella roccia di partenza; Temperatura di cottura; Accuratezza nello spegnimento; Attenzione nell’evitare carbonatazione precoce; Tipo di combustibile usato. Si distinguono: Calci grasse = derivano da cottura calcari puri a grana fine, sono più plastiche e si mescolano meglio con la sabbia e danno malte omogenee che si mettono in opera facilmente. Calci magre = derivano da cottura calcari impuri (dolomie, calcari silicei, calcari argillosi, marmi a grana grossa ecc.). Poco adesiva, ruvida granulosa, minor resa. 12 ENRICO GRECO, PHD  MALTE MALTA DI CALCE AEREA (impasto di calce + sabbia + H2O) Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O L’indurimento è lento (dall’esterno verso l’interno) determinando resistenze sempre maggiori nel tempo 1 mese = 5-10 Kg/cm2 2-3 settimane = 60-70% di calce è carbonatato l’indurimento completo si ha dopo alcuni anni La presa lenta può essere uno svantaggio ma anche un vantaggio perché consente alle murature notevoli deformazioni plastiche che vanno a vantaggio della stabilità PRECAUZIONI: Sabbia non troppo fine per assorbire il ritiro ed avere porosità adeguata; Varia granulometria dell’aggregato a seconda dell’utilizzo; La presa è favorita utilizzando granulometria polimodale o almeno bimodale; Utilizzare molta acqua per bagnare le murature ed evitare l’assorbimento da parte di queste dell’acqua di impasto; Umidificare la malta per evitare carbonatazioni superficiali; Evitare la messa in opera per T < 0°C. 13 ENRICO GRECO, PHD  VANTAGGI E SVANTAGGI DELLE MALTE DI CALCE AEREA Caratteristiche: Indurimento lento che procede dall’esterno verso l’interno. Svantaggi: - presa lenta - basse caratteristiche meccaniche - sensibilità al gelo - poco durevole in ambienti umidi. Vantaggi: - presa lenta consente di adattarsi plasticamente alle deformazioni strutturali - assenza di sali solubili. 14 ENRICO GRECO, PHD  MALTE LEGANTI A GESSO Il gesso è il primo legante prodotto dall’uomo il suo uso nasce nel Vicino Oriente: Cultura Egizia: è stato usato come rinzaffo dei blocchi della piramide di Cheope; come intonaco bianco di supporto per opere pittoriche (Palazzo del Faraone a Tebe 1400-1300 a. C.); come stucco a fini scultorei (Busto di Nefertiti); Cultura Cretese: pavimentazioni, basi di colonne, rivestimenti parietali; Cultura Greca: frontoni dei templi arcaici dell’Acropoli di Atene; Cultura Etrusca: Tomba dei Rilievi a Cerveteri, Tomba Francois a Vulci; Cultura Romana: stucchi della Casa dei Grifi sul Palatino; ambulacri del Colosseo; volte stuccate della Villa Adriana; Cultura Islamica: con lo stucco a gesso si ha una delle forme più alte di espressione artistica. 15 ENRICO GRECO, PHD  FORMAZIONE LEGANTE A GESSO Si ottiene per la cottura della “pietra di gesso”o selenite CaSO4  2H2O Processo: 130°C CaSO4  2H2O → CaSO4  0.5 H2O + 1.5 H2O (Emidrato) Ci sono due forme di emidrato  e  che si formano a seconda delle differenze di tensione di vapore tra gesso e ambiente esterno. 170-200°C CaSO4  0.5 H2O → CaSO4 + 0.5 H2O (Anidrite o gesso anidro) L’anidrite solubile viene usata anch’essa come legante, ha elevata porosità e perciò fortemente reattiva con l’acqua. 16 ENRICO GRECO, PHD  PRESA E INDURIMENTO DEL LEGANTE GESSO CaSO4  0.5 H2O + 1.5 H2O → CaSO4  2H2O La cristallizzazione del biidrato dà luogo alla formazione di lunghi cristalli aghiformi il cui intrecciarsi determina l’irrigidimento della pasta (tempo presa tra 7-40 minuti) Nel processo di indurimento si distinguono 4 fasi: - Solubilizzazione delle fasi anidre (emidrato e anidrite) con formazione di soluzione satura che precipita; all’inizio il biidrato non ben cristallizzato è poco stabile - Solubilizzazione del biidrato sotto forma di germi di cristallizzazione; - Crescita dei germi di cristallizzazione con sviluppo di cristalli di biidrato; - Diminuzione velocità indurimento per scomparsa delle fasi anidre. 17 ENRICO GRECO, PHD  MALTE La quantità di acqua necessaria per l’impasto è del 60-75% del peso del gesso; maggiore è l’acqua maggiore è la fluidità ma minore la resistenza a compressione. L’indurimento del legante a gesso avviene con aumento di volume Ciò può essere vantaggioso nel caso in cui il gesso sia destinato a stuccature, stampi ecc., ma in realtà si verificano due effetti contrastanti. 1. Una contrazione iniziale 2. Espansione della massa dovuta ai cristalli che si accrescono in modo disordinato durante indurimento. I manufatti in gesso non sono adatti per essere posti in ambienti umidi, data la solubilità elevata del gesso, ma l’aggiunta di resine acriliche, ureiche, acetoviniliche può far aumentare le caratteristiche meccaniche e di resistenza all’umidità. 18 ENRICO GRECO, PHD  MALTE DI GESSO (Impasto di gesso + aggregato + H2O) 1. L’uso di sabbia come aggregato serve soltanto ad aumentare la resa in volume del legante, ma non apporta alcun miglioramento alle sue qualità. 2. L’uso di pomice, vermiculite, perlite con resine ureiche e sughero danno caratteristiche di coibentazione termica ed acustica. Vantaggi della malta a gesso 1. aderisce a quasi tutti i materiali da costruzione (scabrosi o porosi); 2. ha un rapido indurimento; 3. leggera. Svantaggi: 1. al calore si sgretola per disidratazione; 2. in luoghi umidi perde consistenza; 3. viene solubilizzata dall’acqua; 4. se poste a contatto con manufatti metallici in ambienti umidi si determina la corrosione per presenza di ioni SO42-. 19 ENRICO GRECO, PHD  LEGANTI IDRAULICI I leganti idraulici sono in grado di indurire e far presa in ambienti molto umidi o sott’acqua in assenza di aria. Tra questi vengono classificate: Le calci idrauliche (denominazione usata solo a partire dal XIX secolo) I cementi moderni realizzati alla fine del 1800 20 ENRICO GRECO, PHD  LEGANTI IDRAULICI Calci idrauliche Le Calci idrauliche possono essere realizzate da cottura di rocce calcareo-marnose (calcari con argilla tra 6-20%), l’argilla è in grado di garantire proprietà idrauliche in quanto ricca di silice ed allumina. OPPURE Possono essere realizzate con calci aeree + additivi idraulicizzanti secondo UNI 10924 definiti materiali a comportamento pozzolanico anch’essi ricchi di silice ed allumina quindi in grado di garantire proprietà idrauliche. 21 ENRICO GRECO, PHD  MALTE Materiali a comportamento pozzolanico: Pozzolana Pomice Cocciopesto/chamotte (ceramica, laterizi, ecc.) Argilloscisti, caolino, allume Scorie metallurgiche (di fabbro o fonderia) Tutte queste sostanze conferiscono proprietà idraulicizzanti in quanto ricche di silice ed allumina attive, che permettono la formazione di idrosilicati di calcio e alluminati di calcio idrati. La pozzolana è costituita per es. da silico alluminati il cocciopesto è costituito da silice ed allumina allo stato cristallino facilmente combinabile col calcio Le scorie contengono silice ed allumina attive 22 ENRICO GRECO, PHD  FORMAZIONE DELLA CALCE IDRAULICA Cuocendo un calcare con argilla otteniamo una calce magra Se la temperatura è più alta di quella di un forno a calce aerea (> 900° C) e il contenuto di argilla maggiore allora si ottiene una calce idraulica Il prodotto di cottura non è più costituito solo da CaO, ma anche dai prodotti di reazione di questo con i costituenti dell’argilla (silice ed allumina) cioè da: silicati ed alluminati (e ferriti) di calcio i quali sono i costituenti con proprietà idrauliche 23 ENRICO GRECO, PHD  INDICE DI IDRAULICITÀ L’idraulicità della calce IDRAULICA è legata alla presenza dei costituenti iniziali, cioè calcare, argilla (o composti idraulicizzanti), viene quindi espressa in: 𝑆𝑖𝑂2 + 𝐴𝑙2 𝑂3 + 𝐹𝑒2 𝑂3 %𝑤 𝐼= 𝐶𝑎𝑂 + 𝑀𝑔𝑂 %𝑤 In base al valore di tale indice le calci idrauliche sono così suddivise: Calce Indice Idraulicità % Argilla Tempi di presa Debolmente idraulica 0.10-0.16 5-8 15-30 gg Mediamente idraulica 0.16-0.31 8-15 7-11 gg Propriamente idraulica 0.31-0.42 15-19 4-7 gg Eminentemente idrauliche 0.42-0.50 19-22 4 gg Calci limite (Cementi 0.50-0.65 22-27 4 gg normali) 24 ENRICO GRECO, PHD  MALTE DI CALCE IDRAULICA (Impasto di calce idraulica + aggregato + H2O) PRESA ED INDURIMENTO Presa ed indurimento avvengono oltre che per esposizione all’aria anche in acqua. Tale proprietà è dovuta alla formazione di composti silico-alluminati idrati di calcio e alluminati idrati di calcio e ferro (per idratazione dei silicati, alluminati e ferriti di calcio formatisi durante la cottura) praticamente insolubili in acqua e dotati di proprietà cementanti. Le caratteristiche della calce idraulica dipendono quindi dalla quantità di minerali argillosi presenti nella roccia di partenza o dalla quantità di additivi idraulicizzanti aggiunti. 25 ENRICO GRECO, PHD  MALTE A PIÙ LEGANTI O BASTARDE Con il termine malte bastarde vengono indicate malte ottenute dal mescolamento di più leganti, in proporzioni diverse, in modo da ottenere un impasto capace di conservare le proprietà dei singoli leganti e presentando, in taluni casi, il vantaggio economico di poter unire a materiali costosi quelli di prezzo minore senza avere svantaggi tecnici. calce aerea + gesso ed eventualmente aggregato sabbioso o pozzolana calce aerea + calce idraulica si ottiene un impasto che mantiene le caratteristiche finali di entrambi i leganti poiché oltre a formare una superficie finemente porosa, fa presa e indurisce anche in presenza di strutture murarie umide. cemento e calce idraulica oppure calce idrata, in proporzioni mai perfettamente definite, in genere un uguale percentuale di cemento e calce idraulica, con l’aggiunta o meno di calce aerea pari al 20% del volume totale. Queste malte venivano usate per intonaci, in ambienti particolarmente esposti alle piogge, spesso a seconda del tipo di finitura richiesto si aggiungeva aggregato sabbioso grossolano o fine. 26 ENRICO GRECO, PHD  INTONACI Secondo la normativa UNI-10924 si definisce intonaco un rivestimento murale con funzione di protezione e finitura superficiale, costituito da uno o più strati applicati in sequenza che si possono differenziare per funzione, caratteristiche fisiche, composizione, ambiente ecc.. Composizione Funzione malta = legante + aggregato + acqua. 1. I strato: ancoraggio detto rinzaffo, malta più grossolana; Esistono intonaci a: 2. II strato: arriccio, più denso, di consistenza fine che determina 1. gesso livellamento; 2. legante idraulico 3. III strato: finitura, sottile con malta con aggregato finissimo; 3. calce aerea 4. Lisciatura: aspetto superficiale (fatto con pialletto di legno, strofinacci o ferri di forma convessa). 4. stucchi (calce aerea + marmo) Tecnica di lisciatura 27 ENRICO GRECO, PHD  FLOS TECTORII 28 ENRICO GRECO, PHD  FLOS TECTORII 29 ENRICO GRECO, PHD  AFFRESCO Antica tecnica pittorica per dipingere su superfici di grandi estensioni e dare un maggior effetto visivo: stendere colore sull’intonaco “a fresco” = affresco Colore: Impiego di pigmenti a base di terre colorate o ossidi metallici stabili all’effetto decolorante della calce. Le tinte sono stemperate in acqua e levigate contro una lastra di marmo per mezzo di una spatola per togliere i grumi. Viene data in una mano a passate orizzontali con pennelli a setole animali. Quando si colora, la crosta deve essere “in tiro” così che il pigmento venga assorbito durante il processo di presa ed Preparazione muro: indurimento. 1. rinzaffo 2. arriccio I pigmenti inglobati nei cristalli carbonatici durante la fase di 3. finitura : grassello di calce ottima con indurimento, danno all’affresco colori brillanti aggregato molto fine di sabbia silicea. La finitura deve essere stesa solo nella quantità che si può pitturare in una giornata di lavoro 30 ENRICO GRECO, PHD  TIPOLOGIE E FUNZIONI DELLE MALTE Malte per muratura: Malte per posa di rivestimenti: Malte con caratteristiche particolari: 1. allettamento 1. pavimenti 1. resistenti a umidità 2. riempimento 2. pareti 2. impermeabilizzanti Malte per intonaci 3. altri elementi architettonici 3. pigmentate 4. Isolanti. Malte per usi particolari: Malte per decorazioni: 1. stuccature 1. a spessore 2. sigillature 2. a rilievo 3. stilature 3. statuarie 4. riintegrazioni 4. strutturali (periodo decò e liberty) 31 ENRICO GRECO, PHD  FENOMENOLOGIA DEL DEGRADO DELLE MALTE Per il degrado dei materiali lapidei naturali ed artificiali (e questo è il caso delle malte) vengono chiamati in causa fattori esterni o ambientali e fattori interni. Nel caso delle rocce i fattori interni sono quelli composizionali, nel caso delle malte i fattori interni sono considerati ANCHE quelli tecnologici. La maggior parte delle fenomenologie di degrado si esplica in presenza di acqua Tale capacità è in stretta relazione con la quantità ed il tipo di pori dell’insieme legante-aggregato. LA POROSITA’ E’ INFLUENZATA DA: - quantità di acqua di impasto; - rapporto legante/aggregato; - tipo di aggregato; - tipo di legante; - modalità di posa in opera e stagionatura. 32 ENRICO GRECO, PHD  Palazzo Te a Mantova Quantità di legante malta magra Cupola Duomo Firenze malta grassa 33 ENRICO GRECO, PHD  Palazzo Steri-Palermo Selezione dell’ aggregato granulometria bimodale Terme romane Fiesole agglomerato ben classato 34 ENRICO GRECO, PHD  Torre Vanga (Trento) Forma dell’aggregato granuli arrotondati Tursi (MT) granuli angolosi 35 ENRICO GRECO, PHD  Duomo Prato Distribuzione dell’aggregato aggregato mal distribuito Cupola Duomo Firenze aggregato ben distribuito 36 ENRICO GRECO, PHD  Torre Vanga-Trento Orientazione dei granuli Campanile Duomo Pietrasanta 37 ENRICO GRECO, PHD  Torre Vanga-Trento Composizione dell’aggregato aggregato carbonatico Cupola Duomo Firenze sabbia silicea 38 ENRICO GRECO, PHD  Chiesa di Santa Maria della Pietà a Composizione dell’aggregato Squillace, granuli biotitici Rocca di Pietracassa-val d’Era aggregato di frammenti serpentinitici 39 ENRICO GRECO, PHD  Pompei-Insula IX, granuli di roccia Composizione dell’aggregato vulcanica cristallina 600 mm 600 mm Pompei-Insula IX, cristalli di pirosseni di origine vulcanica 40 ENRICO GRECO, PHD  Composizione dell’aggregato Campanile Duomo Pietrasanta granuli metamorfici 600 mm Pompei-Insula IX frammenti di scorie vulcaniche 41 ENRICO GRECO, PHD  Composizione dell’aggregato Duomo Orvieto aggregato gessoso Rocca di Radicofani (SI) frammento di malta di reimpiego 42 ENRICO GRECO, PHD  Composizione aggregato Terme romane di Fiesole malta di impermeabilizzazione a cocciopesto 43 ENRICO GRECO, PHD  Rocca di Radicofani(SI) Struttura del legante legante a struttura microsparitica Statua dell’Appennino di Giambologna, Pratolino (FI), legante a struttura micritica 44 ENRICO GRECO, PHD  Montarrenti (SI), Tipo di legante legante magnesiaco Cupola Duomo Firenze, legante debolmente idraulico 45 ENRICO GRECO, PHD  Borgo Medievale di Torino, pietra Tipo di legante artificiale di Casa Cuorgné, legante idraulico cemento Portland 46 ENRICO GRECO, PHD  Reazione legante-aggregato Campanile Duomo di Pietrasanta bordo di reazione con laterizio Ponte di Augusto a Narni bordo di reazione con selce 47 ENRICO GRECO, PHD  Sainte Baume (Provenza) Ricristallizzazioni cristallizzazioni di idromagnesite Terme romane di Fiesole riprecipitazione calcitica 48 ENRICO GRECO, PHD  Fenomeni di “silicizzazione” in malte romane Carsulae, rivestimento cisterna Spello (PG) 49 ENRICO GRECO, PHD  Duomo di Prato Resti di cottura resto di cottura di Pietra Alberese Cupola Duomo Firenze resto di cottura di Pietra Alberese 50 ENRICO GRECO, PHD  Resti di cottura Chiesa di Santa Maria della Pietà a Squillace, calcare parzialmente cotto Campanile Duomo di Pietrasanta resti di cottura di marmo 51 ENRICO GRECO, PHD  Statua dell’Appennino di Giambologna, Grumi di legante Pratolino (FI), Palazzo Te a Mantova 52 ENRICO GRECO, PHD  Chiesa di Santa Maria della Pietà a Grumi di legante Squillace Montarrenti (SI) 53 ENRICO GRECO, PHD  Cupola Duomo Firenze Difetti fessure da ritiro Cappella Tornabuoni, Basilica di Santa Maria Novella (FI) porosità per eccesso di acqua d’impasto 54 ENRICO GRECO, PHD  Montarrenti (SI) disgregazione Difetti in un grumo Torre Vanga a Trento, fessure da ritiro in un grumo 55 ENRICO GRECO, PHD