Abstract:
La ricerca riguarda lo studio di leganti idraulici impiegati nella muratura storica per la fabbricazione di malte con fini differenti, quali la decorazione, il riempimento, l'allettamento e la fondazione. Attualmente, il cemento Portland e suoi derivati sono l'oggetto principale della ricerca e sviluppo nel campo della scienza dei materiali da costruzione. Tuttavia, l'uso indiscriminato di questi materiali può essere particolarmente dannoso nel restauro della muratura antica. Le proprietà meccaniche e chimico-fisiche delle malte utilizzate per il restauro dovrebbero essere sempre adattate ai materiali da costruzione originali, alle condizioni ambientali, allo stato di conservazione, etc. Le formulazioni corrette possono includere l'addizione di agenti idrorepellenti, regolatori del rilascio di metalli alcalini ed altri additivi specifici. Quindi, lo studio dei materiali originali presenti negli edifici storici dovrebbe fornire la possibilità di elezione dei materiali da costruzione più adatti per la conservazione ed il restauro della muratura antica. Un campionamento esaustivo di malte storiche è stato attentamente portato a termime per lo studio delle proprietà idrauliche di questi materiali. La caratterizzazione delle malte prelevate dall'Arsenale di Venezia (Italia), dalla Capilla de las Ànimas di Santiago di Compostela (Galizia, Spagna), dalla Torre di San Andrés (Tenerife, Spagna), dal sito archeologico di Hierapolis (Turchia), dall'accampamento militare di Petavonium (Spagna) e dalla Cattedrale di La Laguna (Tenerife, Spagna) ha fornito un'ampia panoramica sulle malte storiche utilizzate nel Bacino del Mediterraneo durante vari periodi storici. Le malte storiche sono state classificate secondo le tipologie di fabbricazione, quali:
malte a base di calce aerea per la decorazione (intonaco, altorilievo) o l'allettamento
malte a base di aggregato vulcanico e calce aerea per la decorazione, il riempimento ed elementi
strutturali
malte a base di cocciopesto per la coibentazione di opere idrauliche (cisterne, fontane)
malte a base di cemento Portland per la decorazione (intonaco) ed elementi strutturali (volte,
pilastri). L'indurimento delle malte a base di calce aerea è stato attribuito unicamente alla carbonatazione della calce aerea. D'altra parte, l'idraulicità delle malte a base di aggregato vulcanico e calce aerea e quelle a base di cocciopesto è stata riconosciuta nella presenza di silicati calcici idrati (C-S-H) amorfi o debolmente cristallini. I dati sperimentali rivelano un alto grado di condensazione dei gruppi silanolici (SiOH) dovuto alle condizioni di invecchiamento dei materiali. La morfologia delle fasi C-S-H è diversa da quella incontrata nelle malte a base di cemento Portland, ed intimamente miscelata con i grani di aggregato. Inoltre, è stata messa a punto una procedura a scala di laboratorio per la sintesi di calci idrauliche artificiali. Un trattamento termico a temperature (1000-1100°C) inferiori a quelle impiegate nella fabbricazione del cemento Portland (>1400°C) è stato proposto. La preliminare identificazione di composti cementizi (silicati e alluminati calcici anidri) ha sottolineato che tutti i prodotti trattati termicamente contengono costituenti con proprietà idrauliche riconosciute dalla chimica del cemento. Le fasi cementizie sono larnite ((3-C2S) e mayenite (C12A7) per quanto riguarda la preparazione KL (caolinite/pietra calcarea con rapporto in peso pari a 1:3, 1100°C); larnite ed alluminato tricalcico (C3A) nella preparazione ML (marna calcarea/pietra calcarea con rapporto in peso pari a 6:1);ed infine larnite, hatrurite (C3S) e alluminato tricalcico per quanto riguarda il prodotto commerciale selezionato come confronto (Saint Astier, calce idraulica naturale NHL5). I tre prodotti sono stati utilizzati per la preparazione di malte secondo la normativa europea (European Standard EN 196-1, 1994) e ne è stato studiato il comportamento in condizioni di idratazione controllata (a 20°C e 90% RH). Durante 90 giorni di idratazione, la formazione di silicati calcici idrati (C-S-H) ed alluminati calcici idrati (AFm, hydrogamets) è stata monitorato con l'ausilio di tecniche sperimentali (FTIR, XRD, DSC/TG) e test meccanici sui materiali. I risultati sperimentali rivelano che i C-S-H formatisi si presentano principalmente nello stato di gel con un basso grado di polimerizzazione (come nelle paste di cemento Portland, probabilmente nella forma di dimero). La resistenza meccanica a compressione aumenta nel corso dell'idratazione e la microstruttura si sviluppa con un aumento dell'area superficiale e della quantità di pori (<0.5 µm). L'idratazione di silicati calcici (larnite, hatrurite) a C-S-H è stata riconosciuta come il principale processo responsabile dell'indurimento delle malte testate. :
I risultati precedentemente esposti saranno impiegati per il disegno di nuovi leganti idraulici compatibili con la muratura storica (reverse engineering). Un Brevetto per la sintesi di calci idrauliche a basso contenuto di alcali e magnesio è stato sottoposto dall'Istituto Eduardo Torroja di Scienza della Costruzione (lETcc, Consejo Superior de Investigación Cientifica, Madrid, Spagna) all'Ufficio dei Brevetti
spagnolo.
The research deals with the study of hydraulic binders employed in historical masonry for the manufacture of mortars with several purposes, i.e. decoration, filling, joint, and foundation. Nowadays, the main subject of research and development in construction material science is Portland cement and its derivatives. However, the thoughtless use of these materials can be detrimental in the restoration of ancient masonry. The mechanical and physical-chemical properties of the repair mortars should be always adjusted according to original building materials, atmospheric conditions, state of conservation, etc. The suitable formulations include the addition of water-repelling agents, alkali release regulators and others specific additives. Therefore, the study of the original materials used in historical buildings will help scientists and conservators in choosing the building materials suitable for repairing ancient masonry. An exhaustive sampling of historical mortars was carefully accomplished in order to study their hydraulic properties. The characterisation of mortars collected from the Arsenal of Venice (Italy), the Capilla de las Animas of Santiago de Compostela (Galicia, Spain), the Tower of San Andres (Tenerife, Spain), the archaeological site of Hierapolis (Turkey), the Roman military camp of Petavonium (Spain) and the Cathedral of La Laguna (Tenerife, Spain) provided a wide panoramic on the historical mortars employed in the Mediterranean Basin during various ages. Historical mortars were classified according to their manufacture in the following classes: air-hardening lime mortars, volcanic aggregate/lime mortars, cocciopesto and Portland cement-based mortars. The hardening of airhardening mortars was attributed solely to the carbonation of air-hardening lime. On the other hand, the hydraulicity of volcanic aggregate/lime mortars and cocciopesto was recognised in the presence of amorphous or poorly crystalline C-S-H, which revealed a high degree of condensation of the silanol groups (SiOH) due to the aging conditions. C-S-H morphology was quite different than that encountered in Portland cement-based mortars, and intimately mixed with the aggregate grains. Moreover, a laboratory-scale procedure for the synthesis of artificial hydraulic limes was accomplished. A thermal treatment at temperatures (1000-1100°C) lower than those employed in the manufacture of Portland cement (>1400°C) was proposed. The preliminary identification of the cementitious compounds emphasised that all the heat-treated products contained constituents with recognised hydraulic properties. These phases were larnite (PC2S) and mayenite (C12A7) as concerns KL blend (kaolinite/limestone with mass ratio equal to 1:3); larnite and tricalcium aluminate (C3A) in ML blend (calcitic marl/limestone with mass ratio equal to 6:1); and larnite, hatrurite (C3S) and tricalcium aluminate as regards the commercial product selected for comparison (Saint Astier, NHL5). During 90 days of mortars hardening, the formation of calcium silicate hydrate (C-S-H) and calcium aluminate hydrates (AFm, hydrogarnets) was followed by FTIR, XRD, DSC/TG techniques and material testing. The experimental results attested that C-S-H was mainly in the gel state with a low degree of polymerisation (as in fresh Portland cement paste, likely in the dimeric form). The compressive mechanical strength increased and the microstructure developed to an increase of the surface area and the amount of smaller pores (<0.5 µm). The hydration of calcium silicates to C-S-H was recognised as the process responsible of mortars hardening. The results previously summarised will be employed for the design of novel hydraulic binders compatible with the historical masonry (reverse engineering). A Patent for the synthesis of hydraulic limes was submitted by the Institute Eduardo Torroja of Construction Science (lETcc, Consejo Superior de Investigacion Cientifica, Madrid, Spain) to the Spanish Board of Patents.