Origine ed evoluzione dei principali materiali naturali ed artificiali in uso nel patrimonio storico. Classificazione, proprietà ed impieghi dei materiali nei beni culturali. Analisi dei principali meccanismi fisici e chimici del degrado dei materiali e dei metodi utilizzati per prevenirne il deterioramento. Tecniche diagnostiche per la caratterizzazione dei materiali antichi e valutazione dei risultati diagnostici ai fini del recupero e della conservazione dei materiali.

Materiali nei beni culturali
Introduzione al corso. Informazioni generali sul corso. Concetto di restauro. Materiali negli edifici storici. Degrado dei materiali. Principali cause di degrado dei materiali, agenti fisici, chimici e biologici. L'importanza della conoscenza per la conservazione. Protezione e intervento.

Materiali leganti
Definizione dei materiali leganti. Classificazione dei materiali leganti. Meccanismi di consolidamento. Leganti naturali nella storia. Bitume. Fango, argilla e terra cruda. evoluzione dei materiali leganti "artificiali". Gesso: materia prima, combustione delle materie prime e morfologia dei cristalli. Emiidrato α, Emiidrato β. Altre trasformazioni durante la combustione. Preparazione dell'impasto. Proprietà del gesso. Applicazioni del gesso. Calce aerea: storia. Materia prima. Cottura: antica fornace da calce. Cottura della calce aerea. Fornace da calce. Spegnimento della calce viva. Spegnimento con acqua stechiometrica e con eccesso di acqua. Invecchiamento del grassello di calce. Resa del grassello di calce. Stesura della calce aerea. Indurimento e carbonatazione. Il ciclo della calce. Ruolo della sabbia. Calcinelli: grumi di calce non reattiva. Calce aerea: usi e applicazioni. Tecnica pittorica dell'affresco. Evoluzione storica dell'affresco. La struttura dell'affresco. Ruolo della sabbia per l'affresco. Degrado degli affreschi. Malte di calce idraulica. Pozzolana e altri materiali pozzolanici. Polvere di mattoni, polvere di tufo, zeoliti. Ulteriori materiali cementizi. Metodi per la valutazione dell'attività pozzolanica. Calce idraulica naturale (NHL). Produzione, spegnimento e posa in opera. Idraulicità.
Cemento Portland. Cemento: produzione. Forni e cottura. Nomenclatura della chimica del cemento. Clinker Portland. Composizione del clinker Portland. Finezza del cemento. Separazione meccanica. Granulometria laser. Metodo Blaine. Posa in opera di prodotti cementizi. Idratazione degli alluminati. Idratazione dei silicati. Meccanismo di indurimento. Sviluppo delle resistenze meccaniche. Calore di idratazione. Porosità del cemento idratato. Porosità capillare. Permeabilità del cemento. Malte di calce idraulica. Pozzolana e altri materiali pozzolanici. Materiali pozzolanici naturali. Polvere di mattoni, polvere di tufo, zeoliti. Calce idraulica naturale (NHL). Produzione, spegnimento e posa in opera. Classificazione e idraulica NHL. Cementi misti. Eliminazione della portlandite. Cementi misti: classificazione. Cementi pozzolanici. Materiali cementizi supplementari: ceneri volanti e fumi di silice. Proprietà principali. Cementi di scoria. Scorie d'altoforno. Proprietà e applicazioni dei cementi di scoria. Il calcestruzzo dei Romani. Esempio di calcestruzzo romano: il Pantheon. Calcestruzzo armato nell'architettura moderna. Calcestruzzo moderno. Durabilità del calcestruzzo. Confronto: calcestruzzo antico e moderno. Altri componenti del calcestruzzo. Aggregati: origine, funzione e caratteristiche. Acqua di miscelazione e additivi.
Geopolimeri. Introduzione ai geopolimeri. Definizione e storia dei geopolimeri. Produzione dei geopolimeri. La chimica del processo. Struttura geopolimerica. Parametri di processo. Confronto tra geopolimeri e cemento. Calcestruzzo geopolimerico. Progettazione della miscela geopolimerica. Proprietà dei geopolimeri. Principali applicazioni dei geopolimeri. Geopolimeri nell'arte e nella decorazione. Operazioni di restauro, malte per fissaggio e ricostruzione. Geopolimeri nel consolidamento di opere in terra cruda.

Materiali ceramici
Materiali ceramici. Materiali ceramici tradizionali. Storia della ceramica. Classificazione della ceramica. Processo di produzione. Principali componenti del corpo ceramico. Materie prime. Struttura delle argille. Plasticità delle argille. Riempitivi: sabbia silicea e chamotte. Fondenti: carbonati e feldspati. Materie prime complementari: smalti e smalti. Tecniche di applicazione degli smalti. Tecniche di formatura. Stato secco, plastico e di barbottina. Essiccazione dei materiali ceramici. Cottura. Reazioni durante la cottura. Temperature di cottura di diversi materiali ceramici. Mattoni. Evoluzione storica dei mattoni. Diversi tipi di mattoni. Mattoni cavi in ​​argilla.

Materiali metallici
Introduzione ai materiali metallici in architettura. Materiali metallici nella storia. Classificazione dei metalli. Applicazioni dei metalli nel campo del restauro. Ancore di testa in ferro. Applicazioni dei metalli nel restauro: cerchi in ferro. Dal ferro all'acciaio. Leghe metalliche. Acciai e ghise. Acciai: classificazione. Acciai al carbonio. Acciai legati. Acciai inossidabili. Acciai inossidabili: meccanismo. Acciai inossidabili: applicazioni nel restauro. Applicazioni dell'acciaio: utilizzo di tiranti nel restauro statico e nel consolidamento del terreno. Trefoli di acciaio. Acciai resistenti all'usura (COR-TEN). Acciai resistenti all'usura: applicazioni in architettura e nel restauro. Ghisa. Ghisa: applicazioni in architettura. Metalli e leghe non ferrose. Principali proprietà e utilizzo. Alluminio: proprietà e applicazioni. Applicazioni dell'alluminio nel restauro e nell'architettura. Proprietà del rame. Applicazioni del rame in architettura. Principali proprietà del titanio. Titanio: applicazioni in architettura e nel restauro. Applicazioni del titanio nell'arte. Applicazioni del titanio: leghe a memoria di forma. Utilizzo di SMAS nel restauro. Applicazioni del titanio: cementi fotocatalitici.
Degrado dei materiali del patrimonio culturale
Umidità negli edifici storici
Ruolo della porosità e dell'acqua nei fenomeni di degrado dei materiali del patrimonio costruito. Porosità e umidità nei materiali da costruzione. Degrado della muratura. Porosità: aperta e chiusa. Cause di degrado della muratura. Acqua e tipi di umidità. Umidità di risalita. Capillarità: Forze in azione. Umidità di risalita: meccanismo. Umidità di condensa. Umidità di costruzione. Umidità meteorica o di infiltrazione. Umidità accidentale. Umidità da rilevato. Effetto dell'umidità sulla muratura. Tecniche di intervento per l'umidità. Tecniche di intervento architettonico. Sistemi passivi per la rimozione dell'acqua nella muratura. Sistemi di rimozione dell'acqua: drenaggio e cavità. Sistemi attivi: barriere fisiche. Metodo di costruzione. Metodo meccanico. Sistemi attivi: barriere chimiche. Barriera orizzontale con iniezioni di formulati chimici. Iniezioni con effetto idrofobico. Caratteristiche dei formulati chimici. Sistemi per l'evacuazione dell'acqua contenuta nelle pareti. Sifoni e intonaci macroporosi. Elettrosmosi. Tecniche di intervento contro l'umidità da argini.

Degrado dei materiali storici
Degrado dei materiali. Cause fisiche, chimiche e biologiche del degrado. Degrado chimico delle malte storiche: gesso e calce aerea. Degrado chimico delle malte idrauliche (calce e pozzolana). Degrado chimico delle malte moderne. Effetto delle acque di dilavamento. Attacco solfatico esterno (ESA). Degrado chimico dei materiali lapidei: arenarie, marmi. Degrado fisico dei materiali: cause interne ed esterne. Effetto delle sollecitazioni localizzate. Espansioni termiche. Assorbimento d'acqua. Formazione di ghiaccio e cristallizzazione dei sali. Formazione di ghiaccio: meccanismo. Cristallizzazione dei sali. Principali tipi di sali. Cristallizzazione dei sali: meccanismo e localizzazione. Efflorescenze e subflorescenze.

Degrado del calcestruzzo armato

Il degrado del calcestruzzo armato. Corrosione delle barre di armatura in acciaio. Carbonatazione del calcestruzzo. Valutazione sperimentale della profondità di carbonatazione. La cinetica del processo di carbonatazione. Condizioni massime di pericolo per la corrosione delle barre. Penetrazione dei cloruri. Valutazione della profondità di penetrazione del cloruro. Attacco solforico della matrice cementizia. Reazione alcali-silice (ASR). Parametri che influenzano la reazione. Strategie per la mitigazione della reazione. Cicli di gelo-disgelo. Meccanismo di degradazione. Prevenzione. Lisciviazione da parte delle acque di ruscellamento.

Degradazione dei materiali ceramici
La degradazione dei materiali ceramici. Degradazione correlata alla tecnologia di produzione. Degradazione correlata ad agenti esterni. Cause fisiche, chimiche e biologiche. Degradazione dei rivestimenti vetrosi. Lisciviazione e corrosione degli smalti. Restauro di manufatti ceramici. Consolidamento, pulitura, assemblaggio e incollaggio, integrazione e ricostruzione, decorazione. Il restauro della grande lastra del servizio Este-Gonzaga.

Consolidamento di pietre naturali
Consolidamento di pietre naturali. Trattamenti di consolidamento: definizione e obiettivi principali. Consolidanti organici e inorganici. Metodi di applicazione dei consolidanti. Consolidanti inorganici. Latte di calce e bicarbonato di calcio. Idrossido di bario. Alluminati di metalli alcalini. Consolidanti organici. Resine acriliche. Cocktail di Bologna. Resine epossidiche. Resine fluorurate. Consolidanti siliconici. Silani. Silossani. Consolidanti siliconici: consolidanti inorganici. Silicato di etile. Silicati alcalini.

Tecniche diagnostiche per la caratterizzazione dei materiali storici

Diagnostica non distruttiva
Tecniche diagnostiche non distruttive. piano diagnostico e di intervento. Stato di conservazione dei manufatti architettonici. Diagnostica. Fase 1: Indagini preliminari. Fase 2: Indagini diagnostiche. Fase 3: Risultati sperimentali. Prove diagnostiche non distruttive (NDT). Termografia. Meccanismo e campi di applicazione. Telecamera termica. Auscultazione sonica. Indagini ultrasoniche. Meccanismo e campi di applicazione. Magnetometria: meccanismo. Endoscopia. Sclerometria. Meccanismo e strumentazione di prova.

Diagnostica distruttiva
Diagnostica distruttiva. Tecniche diagnostiche distruttive. Analisi di laboratorio. Campionamento. Strumenti per il campionamento. Metodi di prelievo dei campioni. Preparazione dei campioni. Sezioni sottili. Studio petrografico di una malta. Sezioni sottili: problemi di durabilità e forma degli aggregati. Analisi elementare. Analisi porosimetrica. Porosità: tipo, geometria e dimensione dei pori. Porosità: metodi di misurazione. Metodi di misurazione della porosità: metodi indiretti. Analisi termica. Calorimetria differenziale (DSC). Procedura e risultati. Analisi termica differenziale (DTA). Procedura. Esempio di DTA. Applicazioni DTA. Analisi termogravimetrica (TGA). Procedura e applicazioni TGA. Analisi termogravimetrica (TGA): applicazioni nei beni culturali. Analisi termodilatometrica (TDA). Procedura e applicazioni TDA. Diffrazione dei raggi X (XRD). Raggi X. XRD: principio. Il generatore di raggi X. Diffrattogramma. Applicazioni XRD. Caso studio: analisi di due campioni di intonaco prelevati dall'edificio della canonica di Pisa. Risultati delle analisi TGA e XRD.