Studio dei processi di degrado naturale e simulato in rocce carbonatiche

This research is aimed at the study of the decay products which develop on carbonate stone materials due to several environmental factors. The work has been divided in two different lines of research: a) the first one focusing on the mineralogical-petrographic and geochemical characterization of black crusts collected from stone monuments; b) the second one regarding the experimental study of calcarenite and marble specimens exposed in outdoor environment. The first line of research is concerned with the characterization of twenty-three black crust samples taken out from eight relevant Europeans monuments. A multianalytical approach was used to assess the compositional and textural features of examined crusts, as well as the state of conservation of the underlying stone and the interaction between the substrate and the crusts. On the whole, the results obtained demonstrated that the variability observed for each crust sample can be ascribed to the process itself that leads to the formation of black crusts. It is a complex and dynamic phenomenon that is certainly influenced over time by the different sources of pollution (stationary or mobile) as well as by a number of factors such as: height of sampling, type of substrate, morphology of the surface of the particulate matter deposition, exposure to atmospheric agents, sources of pollution, wash-out and deposition of atmospheric aerosol. In addition, the possibility to analyze the geochemical composition (in terms of trace elements) of black crusts and altered substrates can provide useful information to deeply understand the influence of pollutants in the genesis of such forms of degradation. The second line of research concerned an experimental study aimed at monitoring the decay process that carbonate stone materials undergo over time. The two-year experimentation was carried out through the exposure of Carrara marble, Noto stone and Comiso stone specimens (both un-treated and treated with a nanostructured material) in two different outdoor environments, which are located in two major Sicilian cities, namely Catania and Palermo. Both in the pre- and post- exposition phases, all specimens underwent several analytical investigations that allowed to obtain useful information to clarify several aspects concerning the possible formation of degradation products and the triggering factors. The obtained results allowed to identify the main causes of blackening and "soiling" of carbonate stone materials in the two cities of Catania and Palermo. In addition, tests conducted on samples treated with titanium dioxide have shown that the application of protective products needs to be tested before its use on the surface of monuments of historical - artistic relevance, in order to avoid erroneous and/or ineffective restoration works. The results obtained from this two years - monitoring undoubtedly contributes to the development of a methodology aimed at evaluating the durability of different lithotypes with respect to pollution (mobile and stationary combustion sources) and the efficacy of tested self-cleaning products.

Il presente lavoro di tesi è volto allo studio dei prodotti di degrado che si sviluppano su materiali lapidei di natura carbonatica a causa di diversi fattori ambientali. Il lavoro è stato sviluppato su due distinti filoni di ricerca: a) un primo filone incentrato sulla caratterizzazione mineralogico-petrografica e geochimica di croste nere prelevate dalle superfici di monumenti; b) un secondo filone riguardante, invece, lo studio sperimentale di alcuni provini di marmo e calcareniti esposti in ambiente outdoor. La prima linea di ricerca ha riguardato la caratterizzazione di 23 campioni di crosta nera prelevati da 8 rilevanti monumenti Europei, mediante l utilizzo di un approccio multianalitico utile a valutare l interazione tra il substrato e l ambiente. Tale approccio ha riguardato lo studio dei caratteri composizionali e microtessiturali delle croste e lo stato di conservazione dei substrati lapidei, nonché l interazione di questi ultimi con le soprastanti croste. In generale, i risultati acquisiti da questo primo filone di ricerca hanno dimostrato come la variabilità osservata dai dati ottenuti su ciascun campione di crosta possa essere giustificata dal processo stesso che porta alla formazione delle croste nere, un fenomeno complesso e dinamico che è certamente influenzato nel tempo dalle diverse fonti d inquinamento (fisse o mobili) oltre che da numerosi fattori quali: altezza di campionamento, tipologia di substrato, morfologia delle superfici di deposito del particolato, esposizione agli agenti atmosferici, alle fonti di inquinamento, al wash-out e alla deposizione di aerosol atmosferico. Inoltre, la possibilità di poter analizzare la composizione geochimica, in termini di elementi in tracce, delle croste nere e dei substrati alterati, può fornire risposte utili per comprendere l influenza degli inquinanti nella genesi di queste forme di degrado. La seconda linea di ricerca ha riguardato uno studio sperimentale finalizzato al monitoraggio del processo di degrado cui sono sottoposti nel tempo i materiali lapidei di natura carbonatica posti in opera. La sperimentazione condotta ha previsto l esposizione di provini di marmo di Carrara, pietra di Noto e pietra di Comiso (sia tal quali che trattati con un materiale nano-strutturato) in due diversi ambienti outdoor, ubicati in due importanti città siciliane, Catania e Palermo. Il tempo di permanenza dei provini in ambiente outdoor e di relativo monitoraggio è stato di due anni. Sia nella fase pre-espositiva che in quella post-espositiva, la caratterizzazione è avvenuta mediante l utilizzo di diverse metodologie analitiche, al fine di ottenere informazioni circa le eventuali modificazioni fisiche, chimiche e mineralogiche subite dai provini dopo esposizione prolungata. I dati ottenuti hanno permesso di identificare le principali cause di annerimento e soiling di materiali a composizione carbonatica nei due centri di Catania e Palermo. Inoltre, le prove condotte sui provini trattati con biossido di titanio hanno evidenziato che l applicazione dei formulati deve essere testata prima del suo utilizzo sulle superfici dei monumenti d interesse storico-artistico, allo scopo di evitare interventi di restauro errati e/o privi di efficacia. Il lavoro sviluppato in questi due anni di monitoraggio contribuisce indubbiamente alla messa a punto di una metodologia finalizzata alla valutazione della durabilità di diversi litotipi nei confronti dell'inquinamento (sorgenti di combustione mobili e fisse) e dell'efficacia del prodotto autopulente preso in considerazione.