38 Vth International Brick Masonry Conference

11-2. Trattamento di Elementi in Laterizio eon Resine Silieoniehe Prof. Ing. Paolo BertÍ

Venezia

ABSTRACT

The study of the aggressive salts has been very important with reJerence to the waliing restoration techniques, it is particularly important to underline the eJfects they produce on the brickwork, on the ways of recognizing them and on the laboratory methods used to reduce and prevent the damages provoked by them.

Trattamento di elementi componenti le murature (mattoni ecc.) al fine di aumentare le caratteristiche relative alie resistenze meccaniche e all' aggressione agli agenti inquinanti. Esperienze su materiali componenti le murature aI fine di prevenire attivazioni di sali solubili dovute a risalita di umidità caPiliare ottenuta mediante impreg­nazione sotto vuoto o non con resine siliconiche in solventi bassobollenti.

Esperienze in murature vecchie per il fissaggio dei maggiori gruppi salini, solfati, nitrati, cloruri responsabili di sfaldamenti; bloccaggio di caPillarità di risalita mediante impregnazione degli elementi di murature con resine polimerizzanti; esperienze con resine a catena molecolari variabile.

Lo studio dei sali aggressivi si e dimostrato di particolare importanza in riferimento alie tecniche di restauro delle murature, in particolare si porrà l'accento sugli effetti che essi producono, sulle modalità di riconoscimento e sui metodi usati in laboratorio per ridurre e prevenire i danni da essi provocati.

I materiali da costruzione, in particolare gli elementi in laterizio, contengono vari tipi di sali. Sebbene la maggior parte di essi siano solubili in acqua, soltanto pochi alio stato naturale sono igroscopiei, eià significa che, mentre tutti i sali hanno la proprietà di assorbire maggiori o minori quantità di acqua, solo quelli igroscopiei sono in grado di assorbire il vapore atmosferico . L'importanza di eià relativamente aI restauro di pietre e murature risiede nel fatto che in assenza di sali igroscopiei e possibile operare un isolamento aI fine di evitare I'assorbimento d'acqua da parte dei sali non igroscopici permettendo comunque loro di cedere acqua all'atmosfera. In presenza in vece disali igroscopiei tali metodi di isolamento si dimos­trano inefficaci in quanto questi ultimi trasmettono il vapore assorbito e convertito in acqua ai sali non igros­copiei, consentendo quindi il mantenimento dello stato di soluzione. Le opere murarie subiscono in varia misura due tipi di aggressione: la prima, dovuta all'ambiente esterno e quindi legata soprattutto aI grado di inquinamento; la seconda, che si manifesta solitamente dopo periodi di tempo piu lunghi, e dovuta all'assorbimento per risalita capillare dell'acqua che trasporta can se dei sali in solu­zione e che attiva quelli già presenti. L'umidità presente nelle murature e in uno stato di continuo movimento. Secondo Kieslinger, ci sono due tipi diversi di movimento dei sali entro l'acqua: unmovimento ascendente verticale e un movimento di espansione verso la superficie esterna.

Percià i sali vengono trasportati daI suolo entro le mur­ature non opportunamente isolate ed in fine alie superficie esterne. I sali che diffondono hanno la tendenza a pro­pagarsi anche su superfici molto ampie.

11 ritmo di diffusione e comunque influenzato dall'azione capillare con il risultato che la zona superiore del materiale colpito mostra una maggiore concentrazione di sali con conseguente umidità. Nei materiali in cui l'azione capillare e ristretta, come in certe pietre molto compatte, i sali sono

distribui ti piu uniformemente. Questo fenomeno spiega perche tal volta nelle murature emergenti daI suolo lo zoc­colo di base e asciutto mentre aI di sopra ci sono zone umide.

Danni dovuti all'aggressione degli agenti atmosferici ed inquinanti:

1) L'anidride carbonica (C02), disciolta nell'acqua piovana, reagisce con la calcite del materiale da cos­truzione formando prodotti solubili e quindi lisciviati dall'acqua; si viene cosi ad abbassare I'indice di abra­sione e col tempo avviene uno sgretolamento del materiale da costruzione.

2) L'anidride solforosa (S02), presente nelle odierne atmosfere urbane, transforma anch'essa la calcite in gesso idrato (Ca S04.2 H 20) che e molto piu solubile in acqua deI sale precedente.

3) Gli ossidi di azoto, e stato dimostrato, hanno anch'essi degli effetti negativi , ma le reazioni con i materiali da costruzione sono ancora quasi scono­sciute. Pare portino, con I'intervento di batteri nitri­ficanti, a nitrati di sodio e potassio (Na e KN03)

deliquescenti. 4) 11 doruro di sodio, (Na CI), soprattutto nelle zone

marittime, proveniente in sospensione nell'airi, forma dei solfati di sodio (Na2S04) corrosivi ed altamente igroscopici.

5) I sali accrescono la concentrazione ionica della super­ficie e fanno si che le eventuali efOorescenze siano molto piu solubili di quanto non lo siano normal­mente.

6) Molti sali non igroscopici lo diventano quando sono combinati con dei sali igroscopici : e il caso dei doruri in presenza dei solfati.

7) La penentrazione dell'acqua nelle porosità ed un suc­cessivo congelamento porta a sgretolamenti superfi­ciali e ad una riduzione delle caratteristiche meccan­iche. Ne consegue che I'azione combinata di tutti questi agenti aggressivi porta ad un dilavamento deI legante minerale lasciando la pietra sottostante esposta ad ulteriori e nuovi attacchi.

Session lI, Paper 2, TraUamento di Elementi in Laterizio con Resine Siliconiche 39

Danni alie costruzioni attribuibili all'acqua proveniente dai terreno per risalita capillare:

1) Danni estetici causati da aree piu o meno estese ad elevata umidità che trattengono lo sporco.

2) Danni dovuti alia perdita di isolamento termico, per cui sono necessari maggiori consumi energetici per mantenere le condizioni iniziali.

3) Danni di natura igienica, per cui I'elevata umidità favorisce la cresci ta di colonie micotiche con conse­guente diffusione nell'ambiente delle spore e delle micotossine. Nei casi peggiori si puo avere anche un lento sgretolamento del materiale edile.

4) Danni dovuti all'azione dirompente di aleuni sali idrosolubili presenti nel materiale edile che vengono transportati sulla superficie e che distruggono la struttura dei pori dei materiale edile.

Questi ultimi sono sempre di gran lunga e piu dannosi. Nell'impossibilità di trattare distintamente tutti i sal i pre­senti nelle murature, verrano presi in esame tre importanti gruppi: il gruppo dei solfati, dei nitrati , e dei doruri.

Gruppo dei SOLFATI:

Si tratta dei gruppo plU Importante e piu comune. I solfati, come e noto, sono i sali dei acido solforico (H2SO.). Poiche il 6% della crosta terrestre e composto di solfati, essi si trovano frequentemente in tutti i tipi di materiali di base per costruzione, ai loro stato naturale. Questi sol­fati alio stato latente sono per lo piu idroscopici, e possono assorbire grandi quantità di acqua. I sali che piu comune­mente si trovano nelle murature in laterizio sono i solfati di magnesio (che sono anche i sali maggiormente presenti a livello di superficie) seguiti da quelli di sodio e di caleio che , avendo una minore tendenza ai movimento, restano ali 'interno dei materiale. Ia maggior parte dei danni provocati alie murature sono causati dai solfati del acido solforico. L'acido carbonico che pure si trova molto spesso nell'atmosfera non e molto nocivo poiche i suoi sali, i car­bonati, non sono ne igroscopici ne facilmente solubili in acqua. Molti solfati hanno un grado di solubilità tale, per cu i, a temperatura normale, sono in uno stato costante di soluzione e ricristallizzazione. 11 cambiamento di volume che ne consegue porta ad una variazione di tensione interna dei materiale colpito e quindi alia sua disgrega­zione. Come esempio del grado di cambiamento di volume che puo verificarsi diremo che il sodio puo assorbire con una umidità relativa atmosferica dei 75% fino a 10 mole­cole d'acqua e quindi aumentare il proprio volume fino ai 40%. Non si deve trascurare il fatto che i solfati in forma solubile, raggiungono rapidamente il punto di condensa­zione superficiale, che non e necessariamente identico a quello della superficie esterna, che si puo altresi trovare nella "sottosuperficie". Se il punto di condensazione e nella superficie esterna dell'intonaco, si verificherà lo sbricio­lamento de lia superficie. Se esso e nella "sottosuperficie" si verificherà la distruzione dei materiale stesso, soprat­tutto nelle zone soggette ai gelo. Considerando che non si puo ricorrere in prima analisi a prove di laboratorio, la conoscenza dell'azione dei solfati e della fisica dei materiali puo aiutare all'identificazione dei medesimi. 11 loro cos-

tante cambiamento di volume e la variazione di pressione nei materiali colpiti porta come già detto ad una tensione interna variata. Le indicazioni ti piche dei danni dei solfati sono:

a) corrosione de lia superficie sotto forma di "sabbia" o sgretolamento dei materiale, sollevamento delle pit­ture dalla superficie, distacco dello intonaco dalla muratura

b) distruzione dei materiale colpito, sempre unito alia corrosione superficiale.

E' importante ricOI'dare che le zone colpite non mostra no necessariamente i segni dell'umidità, poiche nel caso dei solfati l'acqua viene immediatamente restituita ali 'atmosfera (evaporazione).

Gruppo dei NITRATI:

I nitrati, sono i piu rari dei sali presenti nelle murature, ameno che non vi siano nelle prossimità di esse depositi di sostanze organiche. Molti di essi sono igroscopici, una importante eccezione e il nitrato di potassio. Aleuni nitrati contengono acqua di cristalizzazione quando e precipitata da una soluzione acquosa, infatti uno o piu molecole d'acqua formano parte della struttura cristallina dei mate­riale solido. I nitrati dell'acido nitrico si posso no trovare nel suolo soprattutto come KNOa e NaNOa, in grandissima quantità. Come gruppo essi sono i piu solubili di tutti i sali metallici . I materiali da costruzione, ricavati da zone in cui si trovano i sali sopra descritti molto spesso conten­gono nitrati latenti. L'uso dell'acido nitroso (HB02) e nitrico (HNOa) nei fertilizzanti puo causare I'inquinamento atmosferico. I nitrati o I'acido nitrico (che si trasforma in nitrati) contenuti nei globuli di vapore, penentrano nelle superficie esterne delle murature dopo che il vapore si é condensato. Si deve mettere in evidenza che questo tipo di contaminazione si verifica soprattutto nelle zone rurali. Gli effetti dei nitrati , specialmente quello di calcio, sono dannosissimi. Essendo in grado quest'ultimo di assorbire grandi quantità di acqua e di convertire il vapore in acqua, esso cristalizza nel suo stato solubile a 25°C e ad una umidità relativa atmosferica di circa 50%, condizioni che si verificano spesso in Italia. Non e solo il cambiamento di volume, che e comunque considerevole, che causa danni, ma anche l'alta capacità di immagazinare acqua che rende il materiale colpito vulnerabile ai gelo. Bisogna ribadire che I'eccessiva quantità di acqua che puo essere assorbita dai niu'ati porta alia saturazione di altri sali e all'attivazione dei nitrati latenti. L' esistenza dei nitrati nelle murature non si prova facilmente senza esami di laboratorio. Comu­nique, come per i solfati, certi danni possono essere con­siderati indicativi della loro presenza. L'indicazione piu importante e la concentrazione di nitrati attivi in piccole striscie da 10 a 50 cm di larghezza che talvolta attraversano I' ed ificio.

Puo anche mostrarsi in singole zone raramente larghe. In ogni caso il danno provocato e grave ed il materiale viene distrutto. L'area sotto quella colpita dai nitrati e di solito asciutta, e se non vi e presenza di solfati o doruri, solida. E' della massima importanza fare attenzione all 'area ai di sopra della zona colpita, questa sembrerà

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ombreggiata a causa dei nitrati ed altri sali sul punto di essere attivati.

Gruppo dei CLORURI:

Questi tipi di sali sono di solito limitati alie zone costiere e su terreni di origine lagunare. Nelle aree summenzionate i doruri si trovano spesso in forma latente nei materiali grezzi. E' interessante notare che i doruri, alio stato natu­rale , non sono igroscopici, ma lo diventano quando si com­binano con altri sali soprattutto solfati . NaCI Alio stato igroscopico puo assorbire grandi quantità di acqua e vapore. Esso cristalizza a 25°C e ad una umidità atmos­ferica relativamente bassa dei 30%, a questo stadio esso abbandona rapidamente I'umidità. Poiche non si manifes­tano spesso umidità atmosferiche cosi basse, non si hanno grandi danni dovuti a cambiamenti di volume. 11 vero danno e causato dalla presenza di grandi quantità di acqua nelle murature che possono essere usate per rendere attivi altri sali e produrre quindi effetti nocivi alie persone che vivono in tali ambienti. L'assenza di danni evidenti in materiali che presentano un elevato grado di umidità, ma nei quali non esiste umidità di risalita, indica la presenza dei doruri . Quando i doruri cristalizzano, i cristalli sono visibili e di sapore salato. Dopo aver preso in considera­zione i principali gruppi salini e gli effetti che essi provo­cano sulle murature, riportiamo qui di seguito in ordine di tempo la serie di sperimentazioni eseguite sia in cantiere che in laboratorio, che hanno permesso di formulare alcune ipotesi sui trattamenti piu opportuni a cui dovreb­bero essere sottoposte le murature da restaurare ai fine di evitare quanto detto. Si opero in cantiere su alcuni edifici le cui murature assorbivano acqua per capillarità dai ter­reno. Ci si accorse che, dopo aver interrotto il flusso dell'acqua di ris ali ta capillare, sia con barriere chimica che meccanica, I'azione disgregatrice dei sali aggressivi contin­uava anche dopo l'asciugamento delle murature. A questo punto si pose il problema dello studio dei comportamento dei sali igroscopici in relazione all'umidità contenuta nell'aria. Si penso allora di intervenire fisicamente nella struttura dei mattone e delle malte ai fine di impedire ai vapore d'acqua di attivare i sali igroscopici. La causa agente e quindi sempre I'acqua che puo fare sia da veicolo che da attivatore ai sali, come nel caso degli agenti atmos­ferici. Sembrerebbe quindi che per impedire questi feno­meni sia sufficiente predudere il passaggio dell'acqua nel materiale edile mediante trattamenti della superficie e sbarramenti orizzontali. E' possibile impedire, o quanto meno ridurre, I'assorbimento d'acqua pur mantenendo integra la struttura delle opere murarie con trattamenti siliconici. Le superfici trattate con silicone acquistano una forte resistenza ad essere bagnate conservando intatte le loro caratteristiche originali di permeabilità all-aria, ai vapore acqueo e, ai contrario, dei consolidamenti con res­ine, non ne modificano il peso specifico ed il coefficiente di dilatazione. Sono stati valutati alcuni composti, siliconici e di diversa natura, per determinarne l'idoneità allo impiego sia per il trattamento di superfici e sia come impregnanti per sbarra menti orizzontali. 11 metodo di prova adottato e la "prova di esplosione" (DIN 52III,ASTM .... ), per questo sono stati impiegati cubi di

Vth lnternational Brick Masonry Conference

laterizio, cemento ed arenaria; i campioni sono stati scelti con cura in modo che varie serie fossero fra di loro il piu omogenee possibile. Questi cubi di 4cm di spessore sono stati immersi su tutte le facce per un minuto nei vari com­posti da valutare. I provini sono poi stati lasciati a ri poso per 3 settimane in modo da dare la possibilità a prodotti di reazione di completare I'indurimento. I cubi sono stati in fine posti per 16 ore alia profondità di Icm in una soluzione satura di solfato di sodio (NaZS04) a 21°C; sono stati quindi asciugati in stufa per 4 ore a 100°C e raf­freddati in essicatore per 4 ore. Si e poi ripetuta J'operazione, denominata "cambio", su un'altra faccia. L' e ffe tto esplosivo e basato sulla caratteristica dei solfato di sodio di cristalillare fino a 32,7 °C con 10 molecole di acqua, ma a temperature superiori in forma anidra. Se il sale anidro vien a contatto con acqua cristallizza aumen­tando notevolmente di volume formando il sale decaidrato (Na2S04 + H20). Questo aumento di volume provoca I'instaurarsi, all'interno della pietra, di sollecitazioni tali che causa alla fine lo sbriciolamento della pietra stessa. Processi di cristallizzazione similari avvengono anche in natura. I cubetti sono stati trattati con i sottoelencati impregnanti e sono stati preparati diversi campioni per ogni trattamento giacche, anche se due pietre fossero stac­cate, dallo stesso blocco, potrebbero dare risultati discor­danti; inoltre ad ogni serie di prove e sempre stato inserito un campione senza trattamento. Valutazioni qualitative e quantitative universalmente valide sono azzardate, a causa della eterogeneità dei campioni; i numeri di cambi neces­sari per ar ri vare alia rottura dei provino si ripetono com­unque con periodicità e soltanto con lievi scostamenti .

N° I) Con il numero uno, e sempre stato contraddis­tinto il cubetto, nei tre materiali, senza alcun trat­tamento. Le prove in bianco sono sempre le prime a cedere e passano dai 3-5 cidi per il laterizio ad una decina per l'arenaria; il cemento si colloca in valori intermedi.

N° 2) Sui campioni contrassegnati con questo numero e stato applicato un impregnante a base di metil­si liconato di sodio. L' effetto idrorepellente si svi­luppa dopo una reazione chimica con I'anidride carbonica dell'aria arrivando alla formazione di una resina siliconica secondo il seguente schema: OH OH

I I

2CH" - Si - ONa + CO, + H,O -> 2CH" - Si - OH + Na,CO" I I

OH OH

OH I

nxCH" - Si - OH - n H,O ---,>

I OH

OH I

OH I

CH" - Si - O - Si - CH " I I

O O I I

HO - Si - O - Si - OH I I

CH" CH"

I gruppi Si-O-Si, mostrano una grande affinità alla struttura quarzosa dei materiali da costru­zione e i radicali metilici (CH~) che sono respon­sabili dell'idrorepellenza e si rivolgono all'esterno.

La presenza dei sodio peggiora la resistenza alla cristallizzazione ed ha la tendenza a dare

Session lI, Papel' 2, TmUamento di Elementi in Laterizio con R esine Siliconiche 41

colorazioni biancastre piu dell'analogo siliconato potassico. I provini esplodono dopo una decina di cambi per il laterizio ed una ventina per la arenaria, il cemento rimane in un numero di cambi intermedio.

N° 3) Su questi cubi e stato applicato metilsiliconato di potassio; rispetto ai sali di sodio presenta nume­rosi vantaggi: piu resistenza ai gelo e forma il carbonato di potassio piu favorevole del sodio in fase di cristallizzazione; anche dai punto di vista dell'esplosione migliora di qualehe cambio la rot­tura dei provini.

N° 4) Su questi cubi e stato applicato propilsiliconato di potassio (-C3 H 7 ai posto di CH3) . Ha dimostrato una resistenza agli aleali piu elevata e un effetto idrorepellente piu precoce. Rappresenta un lieve miglioramento rispetto ai trattamento N° 3 soprattutto sul campione di cemento.

N° 5) Su questi cubi, per il trattamento, e stato impie­gato silano metossi-funzionale il cui vantaggio consiste nella possibilità di reazione con il mate­riale edile e nella buona profondità di infiltra­zione dei composti basso molecolari. I cubi di laterizio esplodono dopo 15-16 cambi, i cubi di cemento dopo 20 e quelli d'arenaria dopo 24-25.

N° 6) Questi cubi sono stati trattati con una resina sili­conica a basso punto di fusione (P.F.). Nella pra­tica le resine siliconiche hanno il vantaggio di non generare sali di reazione e di poter essere appli­cate a piu riprese e di resistere quasi subito alie precipitazioni atmosferiche. Le resine a basso P.F. hanno l'inconveniente di rammollire con il caldo e di rendere appiccicosa la superficie con conse­guente ritenzione dello sporco; anche la stabilità alealina di questa resina e risultata essere non molto elevata . La resistenza ai cambi dell'arenaria risulta essere leggermente migliorata rispetto alia prova N° 5,al contrario il laterizio ed il cemento hanno raggiunto i 20-21 cambio

N° 7) Questi cubi sono stati trattati con una resina sili­conica non appiccicosa particolarmente trattata, ad alta resistenza agli aleali e con elevata capacità di penetrazione. In aitre prove di laboratorio questa resina h a dimostrato anche un'ottima

resistenza ai raggi UV; anche se con il "test di esplosione" non si riesce a differenziare di moi to questa resina dalle precedenti prove pratiche di applicazioni la fanno preferire alie precedenti fin ora valutate. Con questa resina, come con la pre­cedente, i risultati ottenuti sui tre materiali ten­dono ad uniformarsi e sfiorano i 30 cambio

N° 8) L'impregnazione di questi cubi e stata fa tta con un rinforzante per pietra a base di esteri dell'acido silicio e metiltrietossisilano, che si dis­tingue per una profondità di penetrazione ele­vata; grazie alia presenza del metiltrietossisilano il prodotto consolida e rende idrorepellente il materiale trattato con una reazione che dura circa 2'0 gg. Questo impregnate sottoposto ai "test di esplosione" dà dei risultati analoghi ai tratta­mento N° 7, ma non dobbiamo dimenticare che la funzione di questo prodotto e anche quella di consolidare la struttura minerale, ciõ lo rende soprattutto adatto alie construzioni già deterio­rate, effetto che gli impregnanti fin ora valutati non hanno.

N° 9) L'impregnazione di questi cubi e stata fatta con idrossido di bario Ba (OHh per la proprietà dei bario di sostituirsi ai caleio nella calei te e nel gesso, o ai sodio e ai potassio nei rispettivi solfati, formando dei carbonati e solfati di bario o anche composti di carbonati e solfati di caleio-bario meno solubili. Dopo pochi cicli i cubi esplodono e apparentemente non ne ricavano nessun mig­lioramento sensible rispetto alia prova in bianco.

Con i material i delle prove 6, 7, 8, si sono impregnate pareti in mattoni che presentavano forti fenomeni di deterioramento a seguito di aggressioni saline dei tre gruppi combinati. I risultati , a distanza di tre-quattro mesi sembrano confermare le prove di laboratorio nel senso che le emorescenze saline si sono bloccate dopo qualche giorno, e a tutt'oggi non si sono ulteriormente manifestate. Ciõ sembra confortare le scelte fin 'ora fatte , comunque ulteriori ricerche e sperimentazioni sono in corso ai fine di dare una ris posta sicura e definitiva a questo quesito cosi importante per la conservazione dei patrimonio artistico culturale.