03_20140520_Ordine Architetti_Ing.Franzoni

INTERVENTI DI RESTAURO ECOSOSTENIBILI E A BASSO IMPATTO AMBIENTALE SUI BENI CULTURALI E SULL’EDILIZIA
STORICA: PROCEDURE E METODI
Parma, 20 maggio 2014
Sperimentazioni in corso: nuovi
sistemi consolidanti e protettivi
ecosostenibili
Ing. Elisa Franzoni
Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali
Scuola di Ingegneria e Architettura
Alma Mater Studiorum – Università di Bologna
Il concetto di sostenibilità
MATERIALI (ECO)SOSTENIBILI
materie
prime
trasp.
produzione/
lavorazione
trasp.
posa in
opera
vita in
servizio
fine vita
(riuso, riciclo,
smaltimento)
Il concetto di sostenibilità
MATERIALI (ECO)SOSTENIBILI
materie
prime
trasp.
produzione/
lavorazione
trasp.
posa in
opera
vita in
servizio
MATERIALI “BIOCOMPATIBILI”
fine vita
(riuso, riciclo,
smaltimento)
I requisiti dei materiali
Ecosostenibilità/biocomp.
I requisiti dei materiali
Propr. meccaniche
(resistenza, rigidezza)
Durabilità
nell’ambiente
di servizio
Proprietà termoacustiche
Compatibilità con i
materiali esistenti
Costo
Ecosostenibilità/biocomp.
?
Sicurezza (nell’utilizzo,
in caso di incendio,
ecc.)
Qualità estetica
Vincoli sui parametri fisici e
dimensionali (densità,
ingombro, ecc.)
I requisiti dei materiali per il consolidamento e la protezione nel restauro
EFFICACIA
COMPATIBILITA’
DURABILITA’
ECOSOSTENIBILITA’/BIOCO
MPATIBILITA’
Consolidanti per il restauro
materiale consolidante
- materiale polimerico (resina)
- silicati (es. silicato di etile)
- idrossido di bario
- calce e nanocalce
- nanoparticelle (nanosilice)
+
solvente/disperdente
- acqua
- solvente organico (es. alcool, white spirit)
- nessuno
Consolidanti sperimentali
materiale consolidante
- diammonio idrogeno fosfato (DAP)
+
solvente/disperdente
- acqua (solvente)
Consolidanti sperimentali
Si basa sulla formazione di IDROSSIAPATITE (HAP) per reazione tra la calcite della
pietra e una soluzione acquosa di diammonio idrogeno fosfato (DAP) (48 ore circa):
10CaCO3 + 5(NH4)2HPO4 → Ca10(PO4,CO3)6(OH,CO3)2 + 5(NH4)2CO3 + 3CO2 + H2O
L’idrossiapatite ha:
- una minor solubilità della calcite
- una struttura cristallina simile a quella della calcite
- parametri di cella simili a quelli della calcite
L’idrossiapatite è il principale costituente di ossa e denti.
Consolidanti sperimentali
Calcare Globigerina (Isola di Malta)
Consolidanti sperimentali
Pietra di Noto
Pietra leccese
Consolidanti sperimentali
Curve della distribuzione dei pori di un calcare poroso (SS2 = Calcare Globigerina, Malta)
trattato con idrossiapatite (HAP) e silicato di etile (TEOS)
Consolidanti sperimentali
 La soluzione consolidante ha una elevata profondità di penetrazione
 Indurisce rapidamente (ca. 48 ore contro le 4 settimane del silicato di etile)
 Reagisce con la pietra calcarea e rinsalda le lesioni ai bordi di grano, con un buon
effetto consolidante
 No dà sottoprodotti dannosi per la pietra
 Dà luogo a un prodotto finale durevole
 Non altera la porosità della pietra e quindi non ne modifica la permeabilità al
vapore
 Non dà effetti di idrorepellenza e quindi non pregiudica l’applicazione di ulteriori
trattamenti ad acqua
 Il solvente acquoso non è dannoso per la salute degli operatori
 Il prodotto finale è biocompatibile
Protettivi per il restauro
strato di sacrificio
- calce
- calce e cocciopesto
idrorepellente
- silossani
- polimeri fluorurati
Protettivi per il restauro
strato di sacrificio
- calce
- calce e cocciopesto
idrorepellente
- silossani
- polimeri fluorurati
materiali fotocatalitici
- biossido di titanio (TiO2)
La catalisi
Esistono reazioni termodinamicamente favorite (ΔG < 0), ma talmente lente da non
avvenire nella pratica. Il motivo è ogni reazione chimica richiede, per poter iniziare, una
certa energia, detta energia di attivazione (> 0).
Supponiamo che una di queste reazioni sia:
A + B → AB
Un modo per accelerare la reazione è
usare un catalizzatore (C), che non altera
i prodotti finali, ma modifica gli stadi
della reazione, abbassando l’energia di
attivazione.
Ad esempio:
A+B
A + C → A−C (*)
A−C + B → AB + C
* adsorbimento fisico o chimico sui siti attivi del catalizzatore
Il catalizzatore non si consuma nella reazione
A-C + B
AB + C
La fotocatalisi
Il materiale si comporta da catalizzatore quando è esposto alla luce solare.
Un esempio di fotocatalizzatore è il biossido di titanio (TiO2, anatasio).
Il biossido di titanio, nella sia altra forma (rutilo), è ampiamente utilizzato fin dall’inizio
del ‘900, come pigmento bianco nelle vernici, cui conferisce potere coprente.
Il biossido di titanio (TiO2, anatasio)
In presenza di luce (oltre che umidità e ossigeno), è in grado di attivare processi
ossidativi che trasformano alcune sostanze inquinanti (SOx, NOx, composti organici
aromatici e non, polveri fini, ecc.) in composti non dannosi e facilmente dilavabili
(generalmente sali solubili quali solfati, nitrati, ecc.).
Proprietà disinquinanti
Il biossido di titanio (TiO2, anatasio)
Ad esempio, con un rapporto superficie-volume di 10, è possibile realizzare un
abbattimento degli NOx da 300 ppb a 100 ppb in 40’.
Il biossido di titanio (TiO2, anatasio)
In presenza di luce (oltre che umidità e ossigeno), è anche in grado di esercitare
un’azione ossidante che decompone sostanze organiche varie (batteri, sporcizia di
natura organica, ecc.)
Proprietà antisettiche e antibatteriche
Applicazioni
Pavimentazioni “antismog” per arredo urbano (autobloccanti, masselli, ecc.)
Applicazioni
Piastrelle ad azione antisettica
Pitture e vernici per ambienti interni ed esterni
Purificazione delle acque
Cementi al biossido di titanio
Chiesa “Dives in Misericordia” (Roma, Richard Meier)
Cité de La Musique et des Beaux
Arts (Chambery, Yann Keromnès
et al.)
Altre proprietà del TiO2
Sottilissimo
rivestimento di TiO2
“Super-idrofilia”
Vetrate
“auto-pulenti” e
vetri antiappannamento
Altre proprietà del TiO2
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimens. media 10-20 nm) disperse in acqua (1% in peso).
Applicazione a spruzzo su travertino.
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimens. media 10-20 nm) disperse in acqua (1% in peso).
Applicazione a spruzzo su travertino.
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimens. media 10-20 nm) disperse in acqua (1% in peso).
Applicazione a spruzzo su travertino.
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimensione media 10-20 nm) disperse in acqua
Applicazione a spruzzo su elementi
in marmo
(Dipartimento di Matematica,
Bologna, Giovanni Michelucci,
1959-1965)
Dopo alcuni anni dall’applicazione
il biossido di titanio pare ancora
presente.
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimensione media 10-20 nm) disperse in acqua
Applicazione a spruzzo su intonaci
tinteggiati
(Ex-Albergo del Corso, Via S.
Stefano, Bologna, fine ‘700)
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimensione media 10-20 nm) disperse in acqua
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimensione media 10-20 nm) disperse in acqua
Materiali
 intonaco a calce con
cocciopesto
 tinta a calce con pigmenti e
additivi
 nanodispersione di TiO2 in
acqua
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimensione media 10-20 nm) disperse in acqua
Sperimentazioni nel campo del restauro
Campione non trattato
Campione trattato
Il trattamento comporta una diminuzione dell’angolo di contatto e una maggiore
velocità di assorbimento dell’acqua.
Sperimentazioni nel campo del restauro


Campione non trattato
Campione trattato
Il trattamento comporta una diminuzione dell’angolo di contatto e una maggiore
velocità di assorbimento dell’acqua.
Sperimentazioni nel campo del restauro
La permeabilità al vapore rimane sostanzialmente invariata
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimensione media 10-20 nm) disperse in silicato
di etile.
Applicazioni come consolidante con funzione di autopulenza su calcareniti porose.
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimensione media 10-20 nm) in una sospensione
acquosa di polimero acrilico (polimero: 4% in peso, TiO2: 0,3% in peso).
Applicazioni come protettivo autopulente su marmo di Carrara e calcari porosi.
• Ha effettivamente caratteristiche autopulenti e antibatteriche?
• Mantiene l’idrofobicità propria del polimero?
• Ha una sufficiente durabilità?
Sperimentazioni nel campo del restauro
Nanoparticelle di biossido di titanio (dimensione media 10-20 nm) in una sospensione
acquosa di polimero acrilico (polimero: 4% in peso, TiO2: 0,3% in peso).
Applicazioni come protettivo autopulente su marmo di Carrara e calcari porosi.
Dopo 1000 ore di esposizione ai raggi UV, il solo polimero acrilico mantiene la sua
idrofobicità, mentre il polimero caricato col biossido di titanio la perde.
Il biossido di titanio catalizza la
degradazione del polimero!
Sostenibilità e salute
Il biosssido di titanio usato come pigmento è classificato dallo IARC (International
Agency for Research on Cancer) nel gruppo
Group 2B - possibly carcinogenic to humans
“There is inadequate evidence in humans for the carcinogenicity of titanium dioxide.
There is sufficient evidence in experimental animals for the carcinogenicity of
titanium dioxide”
Gli effetti tossicologici del biosssido di titanio di dimensioni nanometriche sono
ancora poco noti, in quanto dipendono da molteplici fattori (forma e dimensione
delle nanoparticelle, ecc.)
L’impatto ambientale della produzione di nano-TiO2 (LCA) è elevato, ma mitigato
dall’azione anti-inquinante del prodotto finito. Studi sulle vetrate auto-pulenti
suggeriscono che il bilancio sia complessivamente positivo.
Grazie per l’attenzione!
[email protected]
DICAM - Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali
Università di Bologna
Via Terracini 28, 40131, Bologna

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