Miscele saline negli agenti atmosferici della pietra

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13306 (2023) Citare questo articolo

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L'erosione delle pietre dovuta al sale è stata attribuita alle pressioni esercitate da cicli ripetuti di cristallizzazione all'interno dei pori. L'umidità relativa (RH) è un fattore chiave per i processi di dissoluzione e cristallizzazione. Nonostante la prevalenza di miscele di sale negli ambienti naturali, la maggior parte del lavoro sperimentale si è concentrato sui singoli sali. Pertanto, l’identificazione della composizione della miscela salina e del loro comportamento è necessaria per comprendere gli agenti atmosferici. I calcoli termodinamici vengono utilizzati per analizzare diverse migliaia di miscele saline realistiche trovate nella pietra esposta alle intemperie. Identifichiamo due tipi comuni di miscele e il loro comportamento. Da almeno 85 specie di sale teoricamente presenti, vengono identificati 14 sali comuni che si verificano più frequentemente e vengono discussi i loro punti critici di umidità relativa. Questi risultati hanno implicazioni di vasta portata per la comprensione dei processi di alterazione del sale e per orientare la progettazione della ricerca sperimentale sull’alterazione della pietra.

Il comportamento delle miscele saline è un'importante causa di degrado e accumulo di umidità nei materiali porosi1,2. Sono state condotte indagini sull'argomento per comprendere i processi chemio-meccanici, come dettagliato da Flatt et al.3. Tuttavia, la maggior parte degli studi si concentra sui singoli sali4,5,6,7,8,9,10,11, trascurando il fatto che i sali spesso esistono in miscele e si comportano in modo diverso rispetto ai singoli sali12,13,14,15,16, 17,18,19,20,21,22,23. Questo comportamento è il motore principale del decadimento ed è causato da cicli di cristallizzazione e dissoluzione innescati dalle condizioni ambientali. L'umidità relativa (RH) o la temperatura (T) alla quale può avvenire la cristallizzazione critica viene quindi determinata dalla composizione della miscela.

Per illustrare la complessità delle miscele saline realistiche e i cambiamenti nel comportamento del sale, viene utilizzato il seguente caso di studio. Viene studiato il contenuto di sale di un calcare in decomposizione nel sito del patrimonio mondiale, Phare de Cordouan, in Francia. Invece del solo cloruro di sodio (salgemma), che ha un'umidità relativa di cristallizzazione pari a circa il 75% (20 °C), è stata trovata una complessa miscela di sali, simile ai risultati descritti da Prokos24. La composizione della miscela fa sì che l'alite cristallizzi a un'umidità relativa inferiore, qui intorno al 65% (20 °C). Questa variazione influenza la nostra comprensione dei modelli di decadimento ed è cruciale per valutare l’impatto del clima sui cicli di cristallizzazione del sale e sui cambiamenti di fase.

In theory, more than 85 possible salt phases can form when considering ions that might be found in stones, including relatively common ones (e.g., chloride, nitrate, sulfate, sodium, potassium, magnesium, and calcium), and less common ions (e.g., (bi)carbonate, fluoride, phosphate, nitrite, oxalate, ammonium, acetate, and formate)25,26. By limiting focus to common ions, a total of 40 salt phases remain27. Commonly found ions have many origins, a typical example can be found in churches where hundreds of buried human remains directly influence the salt type and content deposited in the stone materials over time. Ions from decomposing organic materials, typical ions in groundwater and other contaminations are transported into porous materials by capillary forces, leading to the crystallization of salts at the drying front, followed by the deposit and further creep of more soluble salts at heights beyond the reach of pure water25,28,29,3.0.CO;2-G ." href="#ref-CR30" id="ref-link-section-d242519422e590_2"> 30,31. Altre tipiche fonti di ioni provengono dai materiali lapidei stessi, dalle interazioni con gli inquinanti atmosferici, dalle infiltrazioni di acqua piovana e dai prodotti utilizzati per la manutenzione o la conservazione dei materiali da costruzione32.

Questa ricerca si concentra sull'identificazione delle comuni miscele di sale presenti nell'ambiente edificato e le classifica in tipologie. L'indagine si basa su un ampio set di dati di misurazioni di ioni per i quali i dati di ioni con carica bilanciata vengono utilizzati come input per la modellazione termodinamica per ricavare risultati del comportamento di cristallizzazione della miscela al variare dell'umidità relativa. Inoltre, per ciascuna composizione della miscela vengono studiati gli intervalli critici di cristallizzazione e dissoluzione dei sali identificati e confrontati con il comportamento di un singolo sale.