Complex Pore Geometries in Natural Building Stones: an experimental and theoretical approach for the modeling of porosity changes in natural, degraded and treated calcarenites

Calcarenites are the most widely used natural stones in Sicily as building materials. The comprehension of the degradation style of these natural building stone is of great interest in order to preserve the ancient masonry, especially in the case of relevant Cultural Heritages. A large number of Sicilian monuments are included in UNESCO Heritage List as their special cultural or physical significance. Considering the cultural importance of these ones, smart solutions are required in the perspective of their conservation. In the framework of restoration actions, the complete knowledge of the internal structure of building stones is fundamental in order to estimate durability and prevent degradation processes. Salt growth is a significant cause of damage for natural stones. The effects of the salt weathering are, in addition to the properties of the salt itself and the climatic conditions, strongly related to the structural and textural features of materials. For this reason, an integrate study on petrographic, physical, mechanical and porosimetric proprieties changes due to salts crystallization could be useful to highlight correlation among textural, structural and engineering parameters. Moreover, one of the main problems in conservation field is the use of suitable consolidant and protective treatments able to preserve the masonry, being compatible with the stone substrate and not affecting its aesthetical proprieties. There are numerous tests able to verify the efficiency of consolidant or protective products, mainly devoted to verify their ability to not modify the appearance of stone and its physical proprieties, especially against water; however, particularly in the case of consolidant, one of the most important feature is related to its penetration depth, often difficult to evaluate by using the standard test routines. For aforementioned, this research work is devoted to apply a multi-methodological approach for characterizing and modeling pore structure modifications due to weathering processes in a coarse grained Sicilian calcarenite used as building and replace stones in Sicilian Cultural Heritages (Sabucina Stone), also through fractal models and innovative and non invasive methods. The obtained data on Sabucina stone have been employed for planning conservative treatments devoted to coarse grained calcarenite substrates. Therefore, innovative nanostructured and hybrid consolidant and protective products have been experimented and the results of efficiency tests along with the determination of surface and sub-surface changes due to the treatments are proposed. In conclusion, the applied theoretical and empirical approach has allowed to: highlight the potential of classical and innovative complementary methods in quantifying the structural changes in porous materials due to degradation processes and conservative treatments, explain how they help to facilitate the understanding of stone weathering and validate the use of geometrical models in describing complex pore systems.

Nel panorama dei materiali lapidei naturali utilizzati come pietre da costruzione nell’edilizia storica siciliana, le calcareniti rappresentano uno dei litotipi maggiormente impiegati; testimonianza di ciò è la particolare diffusione di tali materiali nella maggior parte dei Beni di interesse storico e culturale, tra i quali numerosi sono quelli inclusi nella Lista del patrimonio UNESCO. In ragione di ciò, è di prioritaria importanza l’adozione di soluzioni idonee e specifiche per la loro protezione e conservazione. Al fine di programmare e pianificare adeguati interventi di conservazione e restauro è di fondamentale importanza una corretta caratterizzazione delle proprietà fisiche e strutturali dei materiali, avendo queste un’influenza diretta sulla durabilità degli stessi e sull’evoluzione dei processi di alterazione e degrado. La cristallizzazione dei sali rappresenta uno degli agenti maggiormente dannosi nei confronti dei materiali lapidei naturali; nel caso del degrado da sali solubili, l'entità del danno causato è influenzata non solo dalle proprietà chimico-mineralogiche dei sali, ma anche dalle condizioni climatico-ambientali, nonché dalle modificazioni indotte nella struttura e tessitura dei materiali interessati dal processo. Da quanto detto appare chiaro che la valutazione dello stato di conservazione e delle modificazioni indotte dal degrado da sali solubili nei materiali lapidei naturali non può che prevedere l’applicazione di un approccio integrato e multidisciplinare, capace di indagare tutte le proprietà soggette all’azione della cristallizzazione salina, sia quelle prettamente materiche (petrografiche, mineralogiche, chimiche e fisiche), che quelle tecniche (ingegneristiche, meccaniche e micro-strutturali). Altro aspetto di interesse nella conservazione dei materiali lapidei naturali riguarda l’intervento diretto di restauro; deprecabile è l’utilizzo di consolidanti e protettivi senza verificarne la loro compatibilità materica ed estetica con il substrato. A tal proposito, diverse metodologie permettono di valutare l’efficienza e la capacità di questi di non interferire con le proprietà chimico-fisiche del materiale; tuttavia, per i consolidanti, aspetti quali la loro profondità di penetrazione, sono spesso di difficile valutazione attraverso l esecuzione di test standard. Alla luce di quanto detto, il presente lavoro di tesi espone lo sviluppo di un approccio multi-metodologico basato sull’applicazione integrata di metodi classici e innovativi, finalizzato a indagare le modificazioni della struttura porosa indotte dalla cristallizzazione salina nella Pietra di Sabucina, calcarenite grossolana utilizzata come materiale da restauro e da costruzione in Sicilia centro-orientale. Ciò ha consentito l’elaborazione di un modello interpretativo del processo di degrado, descrittivo dell’evoluzione micro-strutturale e tessiturale della roccia e dell’influenza dello stesso sulle sue caratteristiche fisico-meccaniche, nonché funzionale alla scelta delle più idonee modalità di intervento conservativo. La particolare diffusione, nel panorama attuale, di prodotti nanostrutturati, ha indirizzato alla scelta di sistemi ibridi, innovativi, ecocompatibili e ad alta efficienza; in riferimento a ciò, sono state verificate le caratteristiche di compatibilità chimico-fisica ed estetica con il litotipo oggetto di studio e le eventuali modificazioni micro-strutturali e micro-tessiturali indotte nello stesso. L’insieme dei risultati ottenuti ha consentito quindi di verificare le potenzialità dell’applicazione di metodologie complementari, tradizionali e innovative, atte a quantificare e visualizzare le modificazioni strutturali e tessiturali superficiali e sub-superficiali indotte dal degrado e dai trattamenti conservativi nei materiali lapidei naturali, indicando quindi un modus operandi capace di descrivere geometrie complesse attraverso modelli teorici ed empirici.