Ogni materiale impiegato in un determinato ambiente tende inevitabilmente a raggiungere uno stato di equilibrio chimico-fisico con l'ambiente stesso. Il degrado del materiale rappresenta, quindi, l'adattamento del materiale stesso ai cambiamenti dei parametri ambientali, come il microclima e la qualità dell'aria, nonché alle sollecitazioni fisiche e meccaniche.
Questi processi di adattamento comportano inevitabilmente trasformazioni che portano a un rapido cambiamento delle caratteristiche originali del materiale, con conseguenti alterazioni e degradazioni. Inoltre, non si possono trascurare gli effetti legati agli interventi di restauro dei materiali negli edifici storici.
Lo studio dei materiali e delle loro patologie tramite analisi diagnostiche strumentali fornisce una panoramica completa sullo stato di conservazione dell'edificio, includendo informazioni su due macro-ambiti essenziali:
Caratterizzazione chimico-fisica dei materiali presenti nell'edificio, cioè malte e intonaci, lapidei e mattoni e sulle forme di alterazione/degrado identificate;
Studio dei parametri ambientali più rilevanti, come temperatura, umidità relativa, irraggiamento solare, concentrazione di sostanze inquinanti gassose, ecc.
Le principali analisi chimiche, fisiche e mineralogiche-petrografiche dei materiali da costruzione
È importante stabilire chiaramente l'obiettivo di conoscenza che si desidera ottenere attraverso l’impiego di analisi chimiche dei materiali da costruzione, insieme alle analisi mineralogico-petrografiche e meccaniche, al fine di orientare la scelta dei parametri da analizzare e dei metodi analitici più idonei. In generale, per ottenere una caratterizzazione completa dei materiali da costruzione e dei fenomeni di degrado, è necessario condurre indagini di laboratorio su campioni e micro-campioni prelevati dall'edificio.
È evidente che, per un edificio vincolato, è preferibile utilizzare tecniche che richiedano il campionamento di piccole quantità di materiale. Pertanto, le metodologie non invasive che possono essere eseguite direttamente in situ sono da preferire.
Le seguenti metodologie analitiche rappresentano attualmente le tecniche più efficaci e versatili per ottenere una conoscenza esaustiva dei materiali in termini di:
Caratterizzazione chimica
Le tecniche analitiche appartenenti a questo gruppo di analisi consentono di identificare la composizione chimica (elementare e molecolare) del materiali presenti nell'edificio, dei materiali di neo-formazione eventualmente presenti e dei materiali aggiunti intenzionalmente sulle superfici. Tra queste metodologie abbiamo:
XRD, ossia la diffrazione dei raggi X, è una tecnica analitica che viene applicata su materiali frammentati e setacciati (pietre naturali, leganti, etc.). Viene utilizzata per conoscere la composizione del legante delle malte e degli intonaci, per conoscere la composizione dei pigmenti e dei materiali di corrosione;
Cromatografia ionica, è una tecnica che, nel campo dei materiali da costruzione, viene applicata soprattutto per verificare la presenza di ioni salini e determinarne la quantità.
Caratterizzazione mineralogico-petrografica
Sono analisi di tipo ottico, eseguite tramite microscopi specifici per le osservazione su materiali lapidei naturali ed artificiali, in grado di identificare le composizione mineralogico-petrografica del campione così come i prodotti di alterazione delle superfici e dei singoli componenti. Inoltre è possibile definire la natura mineralogica degli aggregati, elemento indispensabile per la scelta della malta più adatta negli interventi di restauro.
All’analisi mineralogico petrografica su Malte e Intonaci dedicheremo il paragrafo finale di questo approfondimento.
Studio della composizione mineralogica e petrografica di malte e intonaci
Nel caso degli edifici storici, è spesso difficile ottenere campioni di dimensioni adeguate per eseguire prove meccaniche. Le informazioni disponibili riguardano principalmente la composizione delle malte e il loro stato di degrado. Le analisi mineralogico-petrografiche delle malte vengono eseguite tramite osservazioni al microscopio stereoscopico in luce riflessa e al microscopio polarizzatore in luce trasmessa.
Analisi dei materiali con microscopio stereoscopico
Il microscopio stereoscopico fornisce una visione tridimensionale dell'oggetto grazie ai suoi due obiettivi distinti. A seconda dello strumento utilizzato, si può ottenere un ingrandimento da 10x a 80x.
Attraverso l'osservazione con il microscopio stereoscopico, è possibile raccogliere informazioni iniziali sul materiale, come:
Caratteristiche morfologiche, dimensioni e forma degli aggregati, dimensioni e forma dei pori, presenza di materiali aggiunti come fibre vegetali, presenza di fessure, etc;
Successione stratigrafica di materiali diversi, ad esempio in caso di intonaci o malte che hanno subito modifiche e integrazioni;
Caratteristiche di adesione e compattazione del materiale, come la sua fragilità, aderenza degli aggregati, presenza di strati di finitura e loro successione;
Segni di degrado.
Tuttavia, l'analisi stereomicroscopica non consente di determinare con certezza la natura del legante o la mineralogia degli aggregati. Queste prime osservazioni sono molto utili per orientare ulteriori analisi, suddividendo i materiali campionati in base alle caratteristiche morfologiche e selezionando quelli più rappresentativi per ulteriori indagini.
Il microscopio stereoscopico è anche utile nel caso di campioni con strati pittorici, consentendo di osservarne la stratigrafia e, in alcuni casi favorevoli, di procedere con la datazione.
Analisi su malte e intonaci tramite microscopio polarizzatore
L'analisi al microscopio polarizzatore utilizza un'apparecchiatura che combina le caratteristiche dello stereomicroscopio con un sistema di polarizzazione della luce, chiamato nicol polarizzatore. Questo strumento consente di determinare l'indice di rifrazione di una sezione del minerale e di identificarne il tipo, sia per materiali lapidei naturali che per aggregati artificiali.
Attraverso lo studio petrografico con il microscopio polarizzatore, è possibile riconoscere inizialmente il tipo di legante e la natura dell'aggregato. Il legante può essere di diversi tipi, come calce (area, idraulica o resa tale mediante additivi), idraulico moderno (cemento, cemento romano, ecc.) o gessoso. L'aggregato può essere classificato in base alla petrografia, all'origine (naturale o risultato di frantumazione), all'arrotondamento, alla sfericità e alla composizione.
Inoltre, durante l'analisi, possono essere riconosciuti diversi tipi di elementi e peculiarità, come ad esempio:
Grumi, chiamati anche calcinelli, presenti all'interno del legante. La presenza di grumi indica un processo di produzione del legante di scarsa qualità che non è stato adeguatamente setacciato dopo l'estinzione.
Additivi. È possibile individuare le cosiddette "aggiunte", come paglia, frammenti di legno, cenere e altri materiali solidi aggiunti alla miscela per migliorarne le proprietà. Alcuni additivi, come oli, uova rosse o chiare, resine, non possono essere identificati senza specifiche analisi chimiche.
Rapporto legante/aggregato, un parametro che viene considerato nelle analisi dei materiali da costruzione e delle malte. Si riferisce alla proporzione tra il legante e l'aggregato presenti nella miscela.
Nel contesto delle malte, il legante è il materiale che tiene insieme gli aggregati, conferendo coesione e resistenza alla miscela. Gli aggregati, d'altra parte, sono i materiali granulari utilizzati nella miscela, come sabbia, ghiaia o pietrisco.
Porosità, per pori con diametro superiore a 10 µm, che può essere classificata con una certa sicurezza in base alle cause che hanno portato alla presenza di aria all'interno del materiale, come eccesso di acqua nella miscela, fessurazioni da ritiro, dissoluzione o fratturazione dovute al gelo, ecc.
Processi secondari o prodotti di alterazione, come dissoluzione e ricristallizzazione di calcite, presenza di gesso cristallizzato.
Conoscere la composizione esatta di una malta consente di riprodurre malte o miscele iniettabili con caratteristiche simili a quelle originali o comunque compatibili, da utilizzare in eventuali operazioni di riparazione.
