Caratteri costruttivi dell’edilizia storica - 2 LE MALTE malte composti semifluidi costituiti da uno o più tipi di legante, legante uno o più tipi di aggregato e (spesso) acqua, che tendono a indurire cioè a ‘far presa’ solidificando in base alla loro funzione si possono classificare come malte da: allettamento rivestimento decorazione intonaci rivestimenti murari costituiti da uno o più strati di malta che, tra loro, possono avere composizione differente sono realizzati per rendere omogenea una superficie irregolare proteggere la muratura dagli agenti atmosferici avere una base adatta a ricevere coloriture e decorazioni coloriture composti fluidi costituiti da uno o più leganti, leganti uno o più tipi di pigmento e (talvolta) acqua, che tendono a solidificare formando dei films, più o meno coprenti, con caratteristiche diverse a seconda del tipo di legante in base alla tecnica di stesura si possono classificare come coloriture stese: a fresco a secco malta legante argilla aereo (gesso o calce aerea) idraulico (calce idraulica o cemento) aggregato sabbia (naturale) pietrisco (artificiale) eventuale acqua eventuali additivi leganti sono materiali, per lo più prodotti artificialmente dall’uomo, in grado di passare da uno stato semifluido a uno stato solido ‘legando’ insieme altri materiali argilla, calce, gesso, cemento leganti aerei (gesso, calce aerea) ‘fanno presa’ e induriscono lentamente solo in presenza di aria reagendo con la CO2 atmosferica leganti idraulici (calce idraulica, cemento) ‘fanno presa’ e induriscono non solo in presenza di aria (CO2) ma anche in presenza di acqua perché? calci aeree sono composte da: Ca(OH)2 → indurisce all’aria calci idrauliche sono composte da: Ca(OH)2 + C2S* → indurisce all’aria → indurisce in acqua * Silicato bicalcico, formula rappresentativa di un gruppo di composti come si ottengono? calci aeree dalla cottura di una rocce carbonatiche pure (calcari, calcari dolomitici, dolomie) calci idrauliche naturali dalla cottura di rocce carbonatiche con un contenuto di argilla (dal 5 al 20%) EN 459-1: 2010 12 CL (Calcic Lime) calci aeree di tipo calcico: classificate in base al loro contenuto di ossido di calcio [CaO] DL (Dolomitic Lime) calci aeree di tipo dolomitico: classificate in base al loro contenuto di ossido di calcio [CaO] e di ossido di magnesio [MgO] NHL (Natural Hydraulic Lime) calci prodotte dalla cottura di calcari più o meno argillosi o silicei, con la successiva riduzione in polvere mediante spegnimento con o senza macinazione HL (Hydraulic Lime) calci costituite prevalentemente da idrossido di calcio silicati di calcio e alluminati di calcio prodotti mediante miscelazione di materiali appropriati calce aerea carbonati idrossidi carbonati ossidi calci aeree la calce calcica è “costituita prevalentemente da ossido o idrossido di calcio senza alcuna aggiunta di materiali idraulici e pozzolanici” la calce dolomitica è “costituita prevalentemente da ossido di calcio e di magnesio o idrossido di calcio e di magnesio senza alcuna aggiunta di materiali idraulici e pozzolanici” UNI EN 459-1:2010 16 di 12 come si ottengono dalla cottura (calcinazione) a temperature comprese tra 800 e 1000°C di rocce carbonatiche pure (calcari, calcari dolomitici, dolomie) CaCO3 CaMg(CO3)2 epoca pre-industriale cantiere produzione 1 cavatura della roccia (raccolta) fino a metà ‘800: scavi alla base di grossi massi che diroccavano se possibile, si raccoglievano ciottoli già di pezzatura adatta rocce carbonatiche pure, con argilla <5% in relazione alla qualità, rocce carbonatiche pure, con argilla <5% per dimensione (pietra cavata fino a 10-25 Kg, ciottoli fino a 6-8 Kg) omogeneità di volume nel materiale crudo 2 selezione della pietra 3 cottura della pietra 4 trasporto e vendita delle zolle 5 spegnimento delle zolle combustibile: fascine di legna temperature comprese tra 890 e 940 °C si formano composti ossidi (CaO, MgO) via terra a dorso di mulo (soma da calce circa 127 kg) o con carri (panieri) via mare (con leudi, feluche e battelli) operazione che avveniva in cantiere le zolle frantumate erano innaffiate con abbondante acqua serve a idratare gli ossidi malte d’allettamento malte da rivestimento malte da decorazione 6 utilizzo decomposizione del carbonato (cottura) CaCO3 → CO2 + CaO CALCE VIVA in peso molare 100,09 → 44,01 + 56,08 reazione endotermica (- 42,6 Kcal) + MgO +polverulenta CaO CaMg(CO3)2 → 2CO• 2 superficie in p. mol. 184,41 → 88,02 + 40,30 + 56,08 • colore più chiaro perdita teorica nel caso di materia prima pura e decomposizione totale, in realtà sono sempre presenti piccole quantità di•impurità varie (silice, alluminio...) minore peso • maggiore porosità circa il 52% di volume di pori il volume dei pori è direttamente influenzato da: • reattivit alle fasi liquide composizione della materia prima, temperatura e durata della cottura,àpressione parziale nel forno calcare a temperatura ambiente dilatazione prima della decomposizione inizio della decomposizione superf il vol totale varia poco e il vol dei pori aumenta a decomposizione ultimata il vol totale è invariato e il vol dei pori raggiunge il max se continua la cottura i cristalliti sinterizzano il vol dei pori diminuisce così come il vol totale epoca pre-industriale produzione 1 cavatura della roccia (raccolta) fino a metà ‘800: scavi alla base di grossi massi che diroccavano se possibile, si raccoglievano ciottoli già di pezzatura adatta rocce carbonatiche pure, con argilla <5% in relazione alla qualità, rocce carbonatiche pure, con argilla <5% per dimensione (pietra cavata fino a 10-25 Kg, ciottoli fino a 6-8 Kg) omogeneità di volume nel materiale crudo 2 selezione della pietra 3 cottura della pietra 4 trasporto e vendita delle zolle combustibile: fascine di legna temperature comprese tra 890 e 940 °C si formano composti ossidi (CaO, MgO) via terra a dorso di mulo (soma da calce circa 127 kg) o con carri (panieri) via mare (con leudi, feluche e battelli) operazione che avveniva in cantiere le zolle frantumate erano innaffiate con abbondante acqua e mescolate con marre serve a idratare gli ossidi cantiere 5 spegnimento delle zolle malte d’allettamento malte da rivestimento malte da decorazione 6 utilizzo Rusconi 1590 idratazione degli ossidi (spegnimento) CaO + 2H2O → H2O + Ca(OH)2 CALCE IDRATA (portlandite) 56,08 + 36,04 → 18, 02 + 74,10 in peso molare reazione esotermica (+ 15,3 Kcal) CALCE IDRATA MgO + CaO + 2H2O → Mg(OH)2 + Ca(OH)2 (brucite + p.) 40,30 + 56,08 + 36,04 → 58,32 + 74,10 in peso molare CALCE SEMI-IDRATA MgO + CaO + 2H2O → H2O + MgO + Ca(OH)2 40,30 + 56,08 + 36,04 → 18, 02 + 40,30 + 74,10 in p. molare reazione teorica, in realtà sono sempre presenti piccole quantità di carbonati non decomposti, silicati, … grassello calcico e magnesiaco B 1 μm A 1 μm calce grassa, assorbe molta acqua e cresce di volume durante lo spegnimento calce magra, assorbe poca acqua e cresce poco di volume durante lo spegnimento grassello calcico e magnesiaco idratazione degli ossidi (spegnimento) la reazione sviluppa forte calore e aumento di volume della massa di circa il 10-20% per assorbimento dell’acqua l'elevata temperatura (70-150°C) favorisce la trasformazione di molta acqua in vapore generando all’interno della massa una porosità tanto più elevata quanto più rapidamente avviene lo spegnimento l'acqua deve essere aggiunta un po’ alla volta e occorre rimescolare con cura la massa (acqua:ossidi 3:2 o 3:1) da 2 m3 di calcare si producono 3 m3 di grassello difetti di idratazione reattività alla fase liquida dipende dalla microstruttura dell’ossido: materia prima (CaCO3 puro è molto reattivo) atmosfera presente nel forno durante la cottura (CO2 nell’atmosfera di cottura rende particolarmente reattivo CaO così come H2O rende reattivo MgO) temperatura di cottura (non superiore a 1000°C) tempi di cottura carbonatazione (presa e indurimento) CO2 + H2O → H2CO3 la solubilità della CO2 nell’acqua decresce con l’aumentare dalla temperatura (protezione ponteggi …) Ca(OH)2 + H2CO3 → 2H2O + CaCO3 CALCITE Mg(OH)2 + H2CO3 → 2H2O + MgCO3 MAGNESITE carbonatazione (presa e indurimento) identica composizione chimica della roccia originaria ma con cristalli molto più piccoli la velocità di reazione dipende da: concentrazione di CO2 (in aria 0,03-0,04% in volume) temperatura e umidità spessore e compattezza dello strato la perdita d’acqua per evaporazione causa una contrazione di volume carbonatazione a temperatura costante di 20°C e umidità del 65% la carbonatazione procede alla velocità di 3-5 mm al mese saggio con fenolftaleina, reagente che evidenzia le zone non carbonatate la produzione in città la produzione in campagna cavatura e cernita della pietra aggregato classi granulometriche rocce incoerenti (mm) ciottoli ghiaia sabbia silt argilla da 200 a 63 da 63 a 2 da 2 a 0,063 da 0,063 a 0,002 < 0,002 pietrisco (elementi di forma angolosa) graniglia pietrischetto pietrisco < mm 10 < mm 25 < mm 70 sabbia grossa media < mm 7 < mm 2 fine < mm 1 finissima < mm 0,5 sabbia alluvionale torrentizia fluviale marina è costituite da frammenti di rocce o grani di minerali duri, meccanicamente resistenti e poco alterabili fra i quali il maggior componente è il quarzo in relazione alla posizione geografica e alla situazione geologica si possono avere composizioni molto differenti: se il materiale proviene da siti vicini agli affioramenti primari possono essere presenti anche minerali con caratteristiche meccaniche non ottimali (carbonati, calcescisti, arenarie, …) Scala di durezza dei minerali – Mohs TENERI (si scalfiscono con l'unghia) 1.Talco 2.Gesso SEMI DURI (si rigano con una punta d'acciaio) 3.Calcite 4.Fluorite 5.Apatite DURI (non si rigano con la punta di acciaio) 6.Ortoclasio 7.Quarzo 8.Topazio 9.Corindone 10.Diamante (Carborundum) composizione mineralogica al diminuire della granulometria si concentrano i minerali più duri e tenaci a scapito di quelli meno resistenti che scompaiono gradualmente il quarzo aumenta la sua concentrazione nelle classi dimensionalmente inferiori ma è presente anche nelle classi superiori la mica si concentra nelle classi inferiori ma non si trova nelle classi superiori se non all’interno di grani misti i carbonati si riducono rapidamente dalle classi superiori e possono anche non essere presenti nelle classi inferiori POSSIBILITA’ DI DATAZIONE DELLE MALTE A GENOVA 1: Voltri f XV-i XX sec serpentiniti +, calcescisti +, quarzo, anfiboliti, gabbri Calcari Ofioliti Monte Antola Gruppo di Voltri 2: Sestri f XV-i XX sec serpentiniti +, calcescisti +, quarzo +, basalto, anfiboliti -, gabbri -, calcari dolomitici - 3: Sampierdarena m XV-m XIX sec ofioliti (serpentiniti, basalti) ++, calcari marnosi +, quarzo grosso latteo + 4: Chiapella XIV-XV secolo 5: Ripa XI-XIV sec 6: Marina VIII-XII sec calcari marnosi ++, ofioliti (serpentiniti, basalti), quarzo grosso latteo quarzo fine trasparente ++, calcari marnosi +, ofioliti calcari marnosi +++, quarzo latteo e trasparente + Zone di litorale caratterizzate da diverse associazioni petrografico - mineralogiche 7: Bisagno - Sturla XIX-XX sec calcari marnosi +++, quarzo latteo, argilloscisti 8: Quarto -Nervi ----- calcari marnosi +++, quarzo latteo arenile di Sampierdarena - Ge sabbia marina rocce: serpentini, basalti, calcari marnosi, argilloscisti minerali prevalenti: quarzo (incolore), serpentinite (verde), mica (nera) colore d’insieme grigio morfometria dei grani Raccomandazioni NORMAL 12/83 - Diagramma per l’apprezzamento visivo della forma dei clasti (da W. C. Krumbein, L. L. Sloss – 1979) additivi idraulicizzanti Cocciopesto (laterizi frantumati) Pozzolana rossa o nera (deposito incoerente di lapilli e cenere di origine vulcanica) Caolino cotto / attivato (argilla derivata dalla caolinizzazione di rocce contenti feldspati e prive di ferro) Argilloscisto cotto / attivato (metamorfismo delle argille) Scorie di lavorazione del ferro lavorazioni per gli additivi idraulicizzanti LAVORAZIONE DESCRIZIONE 1 Raccolta o estrazione Raccolta della materia prima (per il cocciopesto e le scorie d’altoforno) o estrazione del minerale argilloso presso le cave di approvvigionamento (per la pozzolana e il caolino) 2 Cottura Trattamento termico della materia prima in un intervallo di temperature comprese tra i 500 e gli 900°C (solo per il caolino) 3 Macinatura Lavorazione che permette di ottenere una polvere di grande finezza (maggiore è la finezza, migliore è la reattività) additivi idraulicizzanti Cocciopesto e pozzolana, per essere utilizzati con scopo idraulicizzante, devono essere macinati molto finemente poiché la formazione dei composti silicatici è limitata alla zona immediatamente vicina alla superficie del grano (interfaccia) Caolino cotto forma un reticolo omogeneo di composti silicatici all’interno della malta POSSIBILITA’ DI DATAZIONE DELLE MALTE A GENOVA T.Mannoni, Analisi di intonaci e malte genovesi. Formule, materiali e cause di degrado, in AA.VV., "Facciate dipinte. Conservazione e restauro", Genova, 1984, pp. 141-149, 195-196. R.Ricci, Composizione e datazione delle malte e degli intonaci in Liguria. Nota 1, in "Archeologia Medievale", XVI (1989), pp. 663-673. R.Ricci, Composizione e datazione delle malte e degli intonaci in Liguria. Nota 2, in "Archeologia dell’Architettura", III (1998), pp. 45-51. LA CARATTERIZZAZIONE DEL LEGANTE E DEGLI ADDITIVI IDRAULICIZZANTI LEGANTI Calce aerea usata ininterrottamente Calce idraulica usata nel XIX e XX secolo Calce selvatica usata in ogni periodo nelle zone isolate dell’entroterra Gesso usato diffusamente solo dopo la costruzione della ferrovia Cemento usato non prima del XX secolo ADDITIVI IDRAULICIZZANTI Cocciopesto usato sempre Pozzolana usata dalla fine del XVI secolo Caolino usato dal Medioevo (opere portuali) calce idraulica principali composti 1) Idrossidi (Ca(OH)2, …) L’idrossido principale è quello di calcio - Ca(OH)2, ma in alcuni casi può essere presente anche l’idrossido di magnesio - Mg(OH)2 Sono presenti in quantità variabile in funzione (inversa) della quantità di composti idraulici presenti Reagiscono con la CO2 dell’aria Formando CaCO3 da luogo alla presa e all’indurimento tipico delle calci aeree principali composti 2) Composti idraulici (C2S, …) Il principale componente è il silicato bicalcico (C2S), ma sono presenti – in quantità nettamente inferiori - anche il silicato tricalcico (C3S), il ferroalluminato tetracalcico (C4AF) e l’alluminato tricalcico (C3A) Sono presenti in quantità variabile, in funzione (inversa) della quantità di idrossidi presenti Il grado di idraulicità di una calce è direttamente legato alla quantità di composti idraulici presenti in questa e, dunque, alla quantità di Si e Al presenti nella roccia di partenza Si e Al devono trovare in uno stato che permetta loro di reagire con gli idrossidi (stato amorfo) Reagiscono con l’H2O usata nell’impasto delle malte Formando il C-S-H e il C-A-H permettono processi di presa e di indurimento tipici delle calci idrauliche presa e indurimento C2S + H2O → C-S-H + CH Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O formazione dei silicati idrati di calcio 1. 2. 3. 4. Dissoluzione della silice in H3SiO4- o H2SiO4-Reazione della silice dissolta con lo ione Ca++ Precipitazione dei primi germi di silicato idrato di calcio Crescita dei cristalli attorno a questi germi La reazione di idratazione delle particelle di silicato bicalcico con l’acqua è favorita se le dimensioni delle particelle sono piccole La reattività in acqua delle calci •La reattività in acqua delle calci idrauliche e idraulicizzate è data dalla presenza dei composti del Si e dell’Al •Più sono presenti tali composti, maggiore è il grado di idraulicità della calce (e minore è il contenuto di Ca(OH)2 libero) L’indice di idraulicità Il grado di idraulicità di una calce può essere espresso con un apposito indice chiamato: indice di idraulicità (I), che corrisponde al rapporto tra i principali componenti dell’argilla e i principali componenti del calcare: I = (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) / (CaO + MgO) Possibili variazioni La quantità di composti del Si e dell’Al varia da prodotto a prodotto a seconda di diversi fattori: •dal tipo di roccia utilizzata (nelle calci naturalmente idrauliche); •dalla composizione della miscela artificiale di carbonati e argille realizzata dal produttore (per le calci idrauliche artificiali); •dalla composizione della miscela di calce aerea idrata e idraulicizzanti realizzata dal produttore (per le calci idraulicizzate). Possibili variazioni La qualità dei composti del Si e dell’Al variano da prodotto a prodotto a seconda di diversi fattori: •dal tipo di calce prodotta (se idraulica o idraulicizzata); •dalla temperatura di cottura della calce (per le calci idrauliche); •del tipo di additivo utilizzato (per le calci idraulicizzate; es.: cemento) Gli effetti delle variazioni La variazione della natura e del quantità dei composti del Si e dell’Al determina: • diverse proprietà chimico-fisiche della calce (e, dunque, della malta); • diversa reattività della calce; •diverse proprietà meccaniche della malta; •diversa colorazione del della calce (e, dunque, della malta). Proprietà chimico-fisiche CALCI COMPOSTI CEMENTI AEREE IDRAULICHE IDRAULICIZZATE Ca(OH)2 +++ + / ++ + / ++ + C2S - ++ / + - + / ++ C3S - -/+ - +++ C3A - - / + (?) - ++ C4AF - - / + (+) - ++ C - - ++/+ - A - - ++/+ - NOTE - I segni “+” servono a fornire un’ un’indicazione di massima della quantità quantità di composto indicato per tipo di legante (+ = scarso; ++ = medio; +++ = abbondante) Proprietà meccaniche St. Astier - Compressive strength (B:A = 1:3) 2 Compressive strength (N/mm) 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0 100 200 300 400 500 600 Days St. Astier - NHL 2 (feebly hydraulic) St. Astier - NHL 3,5 (moderately hydraulic) St. Astier - NHL 5 (eminently hydraulic) 700 800 La scelta delle calci •Negli interventi di restauro in cui è richiesto l’uso di calce idraulica compatibile con i materiali tradizionali è bene scegliere una calce idraulica realizzata cuocendo – a bassa temperatura - calcari impuri di argilla, o una calce idraulicizzata di cui è noto l’additivo; •Il corretto grado di idraulicità di una calce deve essere determinato in base alle caratteristiche dei materiali sui quali si deve intervenire. È bene sapere che •Anche una calce naturalmente idraulica può essere additivata con materiali pozzolanici o a comportamento pozzolanico (che possono essere pozzolana, cocciopesto, ecc., ma anche cemento); •le calci idrauliche sono estremamente sensibili all’umidità atmosferica, per cui è necessario controllare la data di confezionamento o di scadenza del prodotto; •tutte le calci idrauliche hanno una colorazione di fondo (variabile dal giallo chiaro, al marrone chiaro, al grigio chiaro) che può essere più o meno intensa in funzione – anche – del grado di idraulicità. A Genova Nel corso del XV secolo si è generalizzato l’uso dell’intonaco esterno anche se durante tuttomil Medioevo devono essere esistite case intonacate (1270 domus dealbalta de malta) → probabile il legame con la sempre maggiore frequenza di interventi di trasformazione di edifici esistenti stratificazione tecnica, o primaria, degli intonaci singola o duplice stesura nel Quattrocento e nel primo Cinquecento Introduzione della triplice stesura nel 1540 influenza la possibilità di scambio di acqua tra gli strati I intonachino materiali granulometria microstruttura spessore … rinzaffo Il mutuo contatto tra strati con diverse caratteristiche arriccio come funziona un intonaco storico E L’importanza degli strati tecnici La differenziazione degli strati corrisponde alla necessità di variare le proprietà dell’intonaco e garantisce la protezione del corpo dell’intonaco dalla presenza di acqua, attraverso un rinzaffo e uno strato di intonachino capaci di modulare i flussi di umidità dal supporto o dall’ambiente Lo spessore del singolo strato influisce sulla capacità di accumulo dell’acqua Intonaci storici realizzati in condizioni normali La progressiva diminuzione di porosità dei tre strati, dal supporto murario all’esterno, permette un rapido innesco di flusso umido dall’interno verso l’esterno Il primo strato (rinzaffo) ha spessore maggiore e una capacità di assorbimento maggiore rispetto a quella degli altri strati Il secondo strato (arriccio) ha una minore capacità di assorbimento rispetto al primo e minore capacità di accumulo → la differenza nel contenuto di acqua tra primo e secondo strato permette l’innesco del flusso Il terzo strato (intonachino) ha una capacità di assorbimento ancora minore ma ancora una discreta capacità di accumulo → favorisce flussi dall’interno verso l’esterno Intonaci storici realizzati in presenza di umidità Il primo strato (rinzaffo) ha spessore maggiore e una capacità di assorbimento maggiore rispetto a quella degli altri strati → occorrono significative differenze nei contenuti d’acqua tra primo e secondo strato perché si inneschino flussi verso l’esterno Il secondo strato (arriccio) ha una capacità di assorbimento decisamente minore rispetto al primo Il terzo strato (intonachino) ha una capacità di assorbimento maggiore rispetto al secondo → favorisce i flussi dall’interno verso l’esterno e non viceversa, a meno di grandi differenze di contenuto d’acqua Il rinzaffo In entrambi i casi è importante che il primo strato di rinzaffo abbia una buona capacità di accumulo Per aumentare tale capacità veniva inserito nell’impasto cocciopesto, anche in pezzi grossi Microstrutture differenti Negli intonaci storici la granulometria riusulta tendenzialmente spostata verso l’uso di particelle più fini La maggiore presenza di vuoti che consegue a una tale distribuzione porta a strutture più porose che consentono maggiore circolazione di soluzioni nel corso del processo di presa dell’intonaco → migliore carbonatazione anche su alti spessori maggiori scambi tra supporto e ambiente → migliore traspirabilità La fragilità del sistema I sali portati in soluzione dall’acqua nel corpo dell’intonaco possono, in seguito all’evaporazione dell’acqua e alla cristallizzazione, determinare la disgregazione dell’intonaco L’acqua che circola all’interno dell’intonaco, in condizioni di bassi valori termici, diventa ghiaccio aumentando di volume, determinando la disgregazione dell’intonaco Efflorescenze Calce e cemento Infrascatura Intonaco alessiano 1549