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n occasione dell'Anno Internazionale del Pianeta Terra e della XVIII Settimana della Cultura Scientifica, presso il Dipartimento di Scienze della Terra al Campus universitario dell’Ateneo di Parma, il 6 Maggio 2008 si è tenuto un Convegno per l’inaugurazione della Mostra “Carrara, il Marmo nella Storia”, rimasta aperta sino a fine Maggio. La mostra, realizzata dal Politecnico Federale di Zurigo, dove è stata esposta nella primavera del 2006, in collaborazione con l'Università di Parma, l'Università di Pisa e con l'Internazionale Marmi e Macchine di Carrara, ha inteso celebrare questa roccia che, formatasi nelle Alpi Apuane milioni di anni fa, ha conquistato il mondo come prezioso materiale da costruzione e per la realizzazione di opere d'arte. I temi trattati nei 22 pannelli esposti hanno riguardato l'origine geologica della roccia, lo sfruttamento storico delle cave e l'attuale distretto estrattivo, come pure hanno spaziato dall’applicazione del marmo nell'arte, nell'architettura e nell'industria fino alla sua storia più recente che risale al tempo degli Etruschi. Inoltre, sono stati esposti campioni dei diversi tipi di marmo di Carrara, attualmente estratti dalle cave. È stato un evento unico che ha visto il contributo di vari esperti in questo campo. La raccolta evidenzia alcune memorie presentate nel corso del Convegno, ampliate dagli Autori per un aggiornamento più approfondito e pubblicate sulle edizioni di Diamante Applicazioni & Tecnolgia n° 53, 54, 55.

Indice Introduzione alla geologia e ai marmi delle Alpi Apuane

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Introduction to Apuan Alps geology and marbles di/by Giancarlo Molli, Università di Pisa

Il distretto estrattivo delle Alpi Apuane

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The extractive district of the Apuan Alps di/by Gianfranco Di Battistini, Università di Parma

I minerali dei marmi delle Alpi Apuane - Parte I

Pag.12

Minerals of the marbles of the Apuan Alps - Part I di/by Paolo Orlandi, Università di Pisa

I minerali dei marmi delle Alpi Apuane - Parte II

Pag.18

Minerals of the marbles of the Apuan Alps - Part II di/by Paolo Orlandi, Università di Pisa

Il marmo in architettura verso un uso consapevole - Parte I

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Marble in architecture towards its reliable use - Part I di/by Gianni Royer-Carfagni, Università di Parma

Il marmo in architettura verso un uso consapevole - Parte II Marble in architecture towards its reliable use - Part II di/by Gianni Royer-Carfagni, Università di Parma

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Relazione presentata al convegno: “Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma

Introduzione alla Geologia e ai Marmi delle Alpi Apuane GIANCARLO MOLLI - UNIVERSITÀ DI PISA DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA

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e Alpi Apuane sono conosciute in tutto il mondo per i marmi che in questa regione vengono estratti da più di duemila anni. La presenza di marmi, in particolare dei famosi marmi bianchi di Carrara è il risultato di una peculiare storia geologica che contraddistingue le Alpi Apuane dai rilievi limitrofi Dell'Appennino. Dal punto di vista geologico le Alpi Apuane rappresentano una finestra tettonica in cui sono esposte le unità geometricamente più basse dell’Appennino Settentrionale. Questa catena, parte del sistema orogenico Alpino, è il risultato della deformazione terziaria del margine continentale italo-adriatico, su cui sono sovrascorsi frammenti (le Unità Liguri) di un dominio oceanico che ha separato durante il Mesozoico la Paleoeuropa dall’Africa. Le rocce osservabili nelle Alpi Apuane sono testimoni della storia geologica di un settore di superfi-

cie terrestre conosciuto nella letteratura geologica come dominio Toscano. Circa 240-250 milioni di anni fa il paesaggio generale della regione sarebbe apparso molto diverso dall'attuale. Una catena montuosa realizzata durante un precedente ciclo orogenico, quello Ercinico, era stata ormai quasi completamente smantellata, l'ambiente che mostrava condizioni climatiche semi-aride era di tipo continentale e solo localmente marino con sviluppo di ridotte piattaforme carbonatiche. Depositi di questo tipo ed età sono osservabili nelle Alpi Apuane (Formazione di Vinca e Verrucano s.l. comprendente i marmi Ladinici del M.Brugiana) sovrapposti a rocce più antiche filladi, scisti porfirici e porfiroidi già deformati durante la precedente storia ercinica (basamento pre-Mesozoico) (Fig.2). Successivamente in seguito a processi estensionali a

Introduction to Apuan Alps Geology and Marbles GIANCARLO MOLLI - UNIVERSITY OF PISA DEPARTMENT OF EARTH SCIENCES

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he Apuan Alps are known in the whole world for marbles which in this region are extracted since more than two thousand years. Marble presence, Fig.1 Panoramica del bacino marmifero di Carrara General wiew of tha Carrara marble basin in particular of the celebrated Carrara white marbles is the result of a peculiar geological history which marks the Apuan Alps from the limitrophe reliefs of the Apennines. From the geological point of view, the Apuan Alps represent a tectonic window where the geometrical lowest units of the northern Appennines are exposed. This chain part of the Alpine orogenic system is the result of the tertiary deformation of the continental Italian-Adriatic margin on which fragments have been over written (Liguria Units) of an oceanic domain which separated Paleo-Europe from Africa during Mesozoic. The rocks which can be observed in the Apuan Alps are witnesses of the geologic history of a sector of earthly surface known as Tuscan domain in the geologic literature. About 240-250 Ma ago the region general landscape would have appeared very different from the present, an older mountain chain realized during a previous orogenic cycle, the Hercynian one, was almost completely dismantled by that time, the environment which showed semi-dry climate conditions was of continental type and only sea locally with development of reduced carbonatic platforms. Deposits of this type and age can be observed in the Apuan Alps (Vinca and Verrucano s.l. Formation comprising

scala regionale le condizioni si sono modificate infatti l'ambiente continentale é stato sostituito da un ambiente di mare basso e le condizioni climatiche tropicali calde, comparabili con quelle attualmente presenti in Florida, Golfo Persico e Mar Rosso, permisero l'instaurarsi di una piattaforma carbonatica molto estesa e testimoniata nelle Apuane dai depositi triassici delle Dolomie conosciute localmente come Grezzoni. L'ambiente era tutt'altro che perfettamente omogeneo, l'attività tettonica realizzava locali depressioni testimoniate da sedimenti di mare più profondo mentre alti morfologici potevano arrivare anche all'emersione e a essere sottoposti a smantellamento con produzione di materiali detritici. Esempi di questa articolazione ed evoluzione della piattaforma carbonatica sono osservabili confrontando i sedimenti di tetto dei Grezzoni nell'area centrale e orientale delle Apuane (Brecce di Serravezza) con quelli coevi di mare più profondo della zona occidentale (marmo nero di Colonnata). Il perdurare di condizioni di mare basso con temperature sub-tropicali permise l'istaurarsi di una nuova piattaforma carbonatica giurassica (200-180 Ma) da cui sono derivati la gran parte

dei marmi apuani. In questa piattaforma erano distinguibili sub-ambienti con caratteristiche deposizionali differenti - barriere coralline, piane costiere interessate da correnti di marea, depressioni più profonde in cui si accumulavano detriti provenienti da aree più rilevate che in ultimo sono responsabili di una parte della variabilità osservabile all'interno dei marmi Apuani. Dalla fine del Lias (180 Ma fa) il dominio Toscano e la piattaforma carbonatica allora realizzata cominciò ad approfondirsi progressivamente in seguito a processi estensionali a scala regionale precursori dell'apertura di una area oceanica posta ad occidente del dominio Toscano - la Tetide Ligure - per cui iniziarono a depositarsi sedimenti di mare sempre più profondo; i “Calcari selciferi”, Diaspri (metaradiolariti) e “Scisti sericitici” testimoniano appunto questa evoluzione del margine continentale. Le condizioni paleotettoniche di margine passivo sono rimaste più o meno stabili fino a circa 30 milioni di anni fa quando, in seguito alla chiusura dell'oceano Ligure il margine fu coinvolto nella collisione continentale con la placca europea rappresentata dal blocco Sardo-Corso. Durante la collisione conti-

M.Brugiana Ladinian carbonatic platform (200-180 marbles) superimposed to Ma) from which a great part phyllites, porphyroids and of Apuan marbles were porphyritic schists more derived. ancient rocks already In this platform sub-environdeformed during the previments were distinguishable Fig.2 Sequenza stratigrafica generale delle Alpi Apuane General stratigraphic sequence of the Apuan Alps unit ous Hercynian history with different deposit charac(pre-Mesozoic basement) teristics - coral barriers, (Fig.2). coastal planes interested by tide stream, deeper depresSubsequently owing to extensional processes at a sions where detritus piled up coming from higher areas regional scale conditions have been modified, the contiwhich are responsible of a part of observable variability nental environment has been substituted by a low sea at the end inside the Apuan marbles. conditions, warm tropical climatic conditions comparable From the end of Lias (180 Ma ago) the Tuscan domain with those present in Florida, Persian Gulf, Red Sea at and the carbonatic platform realized at that time started the present time allowed to establish of a very wide carprogressively to become deeper owing to extensional bonatic platform and testified in the Apuan Alps by the processes at a regional scale precursory of opening of triassic deposits of Dolomite locally known as Grezzoni. an oceanic area placed at the West of the Tuscan The environment was anything but perfectly homogedomain - Ligurian Thetis - due to which started to deposit neous, the tectonic activity realized local depressions always deeper sea sediments, the "lime-stones containtestified by more deep sea sediments while high moring flint-stone", Jasper (meta-radiolarites) and “Sericitic phological ones could arrive also at emersion and to be Schists” testify precisely this evolution of the continental subjected to dismantling with the production of detrital edge. Palaeotectonic conditions of passive margin materials. Examples of this articulation and evolution of remained more or less stable up to about 30 Ma years the carbonatic platform are observable comparing roof ago when, owing to closing of Ligurian ocean, the marsediments of Grezzoni in the central and eastern area of gin was involved in the continental collision with the Apuan Alps (Serravezza Breccia) with those coeval of European plaque represented by Sardinian-Corsican more deep sea of the western zone (Colonnata black block. During the continent/continent collision the Tuscan marble). The lasting low sea conditions with sub-tropical margin was subdivided into different tectonic units, temperatures allowed the establishing of a new Jurassic deformed at different crustal levels i.e. in different physi-

nente/continente il margine Toscano è stato suddiviso in diverse unità tettoniche, deformate a differenti livelli crostali cioé in differenti condizioni fisiche di temperatura e pressione. Nella regione delle Alpi Apuane, sono tradizionalmente distinte, tre unità tettoniche principali, dall'alto verso il basso: a) la Falda Toscana caratterizzata da una successione sedimentaria comprendente termini dal Trias superiore all’Oligocene-Miocene inferiore. Questa unità è caratterizzata da un’evoluzione deformativa sviluppata in condizioni metamorfiche di grado molto basso (T ≤ 250/280 °C). Si tratta cioé di una porzione del margine toscano rimasta a livelli strutturali relativamente superficiali durante tutta la storia deformativa; b) l'Unità di Massa comprendente litotipi Paleozoici e Triassici che affiorano al margine sud-occidentale del massiccio a partire da Bedizzano fino a sud di Pietrasanta; c) “Autoctono Apuano Auct” o meglio unità della Apuane che caratterizza la gran parte del nucleo metamorfico. Questa unità è costituita da un basamento paleozoico (metasedimenti e metavulcaniti) e da una sequenza metasedimentaria Permo - triassica/oligocenica; Le condizioni metamorfiche di picco (cioè massime) registrate dalle unità di Massa e delle Apuane sono stimate attorno a 350-450 °C per pressioni tra 6-8 Kb

(equivalenti a profondità tra 18-30 km). Sulla base delle caratteristiche deformative nelle unità metamorfiche delle Alpi Apuane sono riconosciuti strutture attribuibili a due eventi tettonici principali: ❒ l'evento tangenziale o D1, collegabile alla collisione continentale. Durante questo evento, in cui si realizza la messa in posto delle unità tettoniche, le rocce osservabili nelle Alpi Apuane, sono state portate in profondità all'interno della crosta, fortemente deformate e trasformate in rocce metamorfiche; ❒ l'evento tardivo o D2, a cui sono associate strutture che deformano quelle realizzate precedentemente ed accompagnano la progressiva esumazione cioé la risalita delle unità metamorfiche verso la superficie; Sulla base di datazioni radiometriche (metodi K/Ar, Ar/Ar e tracce di fissione) alla storia deformativa D1 è attribuibile un età compresa tra 27 e 20 Ma. Mentre il passaggio delle unità metamorfiche al di sotto della temperatura di circa 120 °C (circa 3-4 Km di profondità) è stimato tra i 4 e 2 Ma. Il complesso cammino dei volumi di rocce all'interno della crosta è registrato nelle strutture di deformazione e nelle associate mineralizzazioni ora osservabili nelle Alpi Apuane. Tra le strutture deformative più spettacolari le pieghe, presenti dalla scala metrica alla scala pluri-chilometrica, sono responsabili della distribuzione spaziale dei livelli di marmi nel territorio (Fig.3).

Fig.3 Sezione trasversale generale delle Alpi Apuane; in azzurro i marmi General cross section across the Apuan Alps: in light blue marbles

cal temperature and pressure conditions. In the Apuan Alps region three main tectonic units are traditionally distinguished, from the top to the bottom: a) the Tuscan nappe characterized by a sedimentary succession comprising borders from the superior Trias to the inferior Oligocene-Miocene. This unit is characterized by a deformative evolution developed in metamorphic conditions of a very low degree (T ≤ 250/280 °C). It is namely a portion of the Tuscan margin remained at structural levels relatively superficial during all the deformative history; b) the Massa Unit comprising Palaeozoic and Triassic lithotypes which appear on the surface at the SouthWestern margin of the massif starting from Bedizzano up to the South of Pietrasanta; c) the "Apuan Autochthon" or better the Apuan unit which characterizes the most of the metamorphic nucleus. This unit is constituted by a Palaeozoic (metasediments and metavulcanites) basement and by a Permo-Triassic to Oligocene metasedimentary sequence. The pick (i.e. maximum) metamorphic conditions recorded by the units of Massa and Apuan Alps are valuated about 350-450°C for pressions between 6-8 Kb (equivalent to depths between 18-30 km).

On the base of deformation characteristics in the metamorphic units of the Apuan Alps structures are recognized attributable to two main tectonic events: ❒ the tangential event or D1, linkable to the continental collision. During this event, in which the setting of the tectonic units is realized, the rocks observable in the Apuan Alps, have been carried deeply into the crust, strongly deformed and transformed into metamorphic rocks; ❒ the late event or D2, to which structures are connected which deform those realized previously and accompany the progressive unearthing i.e. the going up again of the metamorphic units towards the surface. On the base of radiometric dating (K/Ar, Ar/Ar methods and fission traces) to the deformative history D1 an age comprised between 27 e 20 Ma can be given. While the passage of the metamorphic units under about 120 °C temperature (about 3-4 km depth) is valuated between 4 e 2 Ma. The complex way of rock volumes inside the crust is recorded in the deformation structures and in the associated mineralizations now observable in the Apuan Alps. Among the most spectacular deformative structures the folds, present from metric scale to plurikilometric scale, DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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I marmi delle Alpi Apuane In termini generali, sulla base delle caratteristiche mesoscopiche nelle Alpi Apuane possono essere distinti tre tipi principali di marmi: 1) marmi massicci e/o bandati prevalentemente bianchi con o senza “vene” grigio chiare e/o scure, lenti o “spots” in questo gruppo rientrano per esempio le varietà merceologiche degli statuari, dei bianchi s.l., dei venati; 2) brecce monogeniche o poligeniche, “in situ”, matrice-supportate o clasto-supportate (es. arabescati); 3) marmi grigi (es. bardigli e nuvolati).

A questi tre tipi principali di marmi possono essere collegate le più di quindici differenti varietà merceologiche commerciali estratte nelle Alpi Apuane. Studi pubblicati (vedi bibliografia) associano le differenze principali nell’aspetto mesoscopico di base alla loro posizione ed ambiente deposizionale all’interno della piattaforma carbonatica retica e soprattutto liassica. A questa differenziazione e variabilità originaria del “protolite” (cioè della roccia originaria) si sovrappone, a produrre una variabilità mesoscopica, la storia deformativa che può produrre stati di strain finito locale variabile da zona a zona e che possono portare in litotipi non omogenei (per es. le brecce) ad una importante variabilità di ornamentazione testimoniata ad esempio dal tipo e dalla forma di allungamento dei clasti nelle brecce marmoree che si collega appunto alla forma ed al tipo di ellissoide della deformazione o strain finito. A questa variabilità mesoscopica si sovrappone un terzo tipo di variabilità rappresentata dal carattere microstrutturale dei marmi che è funzione di due fattori principali: 1) caratteristiche composizionali del litotipo: es. contenuto di fillosilicati e/o altre fasi mineralogiche diverse dalla calcite, minerale costituente fondamentale (presente in quantitativi maggiori del 90%); 2) relazione tra processi deformativi e termici a scala regionale e storia deformativa/ter-

are responsible of the spatial distribution of the marble levels in the territory (Fig.3).

Apuan Alps marbles In general terms, on the base of mesoscopic characteristics in the Apuan Alps can be distinguished into three main marble types: 1) massive and/or striped marbles mainly white with or without clear grey and/or dark "veins", lens or "spots", in this group are classified e.g. the market varieties of statuary, of white s.l., of with veined; 2) monogenic or poligenic breccia, “in situ”, matrix-supported or clasto-supported (e.g. decorated with arabesques); 3) grey marbles (e.g. bardiglio and cloudy); More than fifteen market and commercial varieties can be linked to these three main marble types quarried in the Apuan Alps. Published studies (see bibliography) associate the main differences in the basic mesoscopic aspect to their position and depositional environment inside the carbonatic Rhetian and moreover Liassic platform. To this originary differentiation and variability of “protolith” (i.e. originary rock) is superimposed to produce a mesoscopic variability,

Fig.4 Tipi base di microstrutture dei marmi di Carrara in sezione ultrafine con luce polarizzata Main microstructural types of Carrara marbles in ultrathin section. Cross polarized light

mica locale. Sintetizzando il risultato di ricerche ancora in corso all’interno dei marmi apuani è possibile distinguere tre tipi base di microstrutture illustrate in Fig.4. Il primo tipo o “tipo A”: si caratterizza per una microstruttura granoblastica poligonale (“foam” o “a schiuma”), una granulometria media variabile tra circa 150 e 350 µm, una forma dei cristalli quasi isometrica ed una orientazione cristallografica preferenziale (LPO) debole. Un secondo tipo microstrutturale o “Tipo B”: comprende marmi che evidenziano tracce più o meno importanti di rielaborazioni dinamiche del microfabric tipo A. Questi marmi si caratterizzano per la presenza di limiti granulari non rettilinei, ricristallizzazioni dinamiche di calcite a grana più fine della calcite originaria e orientazioni cristallografiche (LPO) più forti. Un terzo tipo microstrutturale o “Tipo C” caratterizza alcune varietà di marmi più o meno puri (es. varietà merceologiche tipo Calacatta e Zebrino) e localmente marmi grigi tipo bardiglio e nuvolato. La caratteristica microstrutturale distintiva è rappresentata da una evidente orientazione di forma (SPO) orientata ad angoli variabili, in genere bassi da 0 a 10-30° rispetto alla foliazione principale. Ognuno dei tipi microstrutturali di base presenta una certa variabilità es. nella granulometria, nel tipo di limiti intergranulari e nel tipo di orientazione cristallografica preferenziale fattori che si combinano a dare proprietà fisico-meccaniche e differenti gradi di propensione ai fenomeni di alterazione.

Bibliografia

the deformative history which can produce finished local strain states variable from zone to zone and which can generate unhomogeneous lithotypes (i.e. breccia) to an important variability of ornamentation testified e.g. by the type and by the elongation form of the clastic in marble breccia (which connects precisely to the form and to the ellipsoid type of deformation or finite strain). To this mesoscopic variability is superimposed a third type of variability represented by the marble micro-structural character which is function of two main factors: 1) lithotype compositional characteristics: i.e. fillosilicate and/or other mineralogical phases different by calcite, fundamental mineral component (present in quantities higher than 90%); 2) relation between deformation and thermal processes at a regional scale and deformation/thermal local history. Synthetizing the result of researches till now in progress inside Apuan marbles three basic micro-structure types can be distinguished illustrated in Fig.4. The first type or “A type”: it is characterized by a polygonal micro-structure grain-blastic (“foam”), a medium grain size variable between about 150 and 350 µm, a near isometric crystal shape and a weak preferential crystallographic orientation (LPO). A second micro-structural type or “B type”: it comprises marbles which show less or more important traces of dynamical reprocesses of the micro-fabric A type.

These marbles characterize for the presence of granular not linear borders, calcite more fine than the originary calcite and stronger crystallographic orientations dynamical re-crystallizations (LPO). A third micro-structural type or “C type” characterizes some less or more pure marble varieties (e.g. Calacatta and Zebrino commercial varieties) and locally grey marble bardiglio and cloudy type. The distinctive micro-structural characteristic is represented by an evident shape orientation (SPO) oriented at variable angles, generally low from 0 to 10-30° as regards the principal branching. Each of the basic micro-structural types presents a certain variability e.g. in grain size, intergrain border types and preferential crystallographic orientation, factors which combine to give physical-mechanical properties and different degrees of propensity to alteration phenomena.

Barsotelli M., Fratini F., Giorgetti G., Manganelli del Fà C. & Molli G. 1999. Science and Techonolgy for cultural heritage, 7(2), 115-126. Carmignani L., Giglia G. & Kligfield R. 1978. J. Geol., 86, 487-504. Carmignani L. & Kligfield R. 1990. Tectonics, 9 (6), 12751303. Carmignani L. 1985. Litografia Artistica Cartografica, Firenze, Italia. Carmignani L., Conti P., Fantozzi P, Mancini S. Massa G., Molli G. & Vaselli L. 2007. Geoitalia, 21, 19-30. Coli M. & Fazzuoli M. 1992. Atti Tic. Sc. Terra, 35, 43-60. Elter P. 1975. Boll. Soc. Geol. Fr., 7 (XVII), 956-962. Fellin M.G., Reiners P.W., Brandon M.T., Wüthrich E., Balestrieri M.L., Molli G. 2007. Tectonics, 26, TC6015, doi. 10.1029/2006TC002085. Leiss B. & Molli G. 2003. Jour. Struct. Geol., 25, 649-658. Meccheri M., Molli G., Conti P., Blasi P. & Vaselli L. 2007. Z. dt. Ges. Geowiss., 158/4, 719-735. Molli G. & Heilbronner R. 1999. Geol. en Mijnb., 78, 119126. Molli G., Giorgetti G. & Meccheri M. 2000. Geol. Journ., 35, 251-264. Molli G. & Meccheri 2000. Boll.Soc. Geol. It. 119,379-394. Molli G., Conti P., Giorgetti G., Meccheri M. & Oesterling N. 2000. Jour. Struct. Geol., 11/12, 1809-1825. Molli & Vaselli 2006. Geol. Soc. Am. Sp. Pap.,414, 79-93.

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Relazione presentata al convegno: “Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma

Il Distretto Estrattivo delle Alpi Apuane GIANFRANCO DI BATTISTINI - UNIVERSITÀ DI PARMA DOCENTE DI PETROGRAFIA APPLICATA DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA

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l Distretto estrattivo delle Alpi apuane, ubicato nella Toscana nord-occidentale, raggruppa l’insieme dei bacini marmiferi compresi entro e al margine della dorsale delle Alpi apuane. L’intero Distretto ricade amministrativamente nelle province di Massa Carrara e Lucca ed è un punto di riferimento dell’attività estrattiva nel mondo. Si sviluppa su un’area vasta allungata in direzione SE-NO per oltre 30 km ed in direzione W-E per una larghezza di circa 12 km. Complessivamente però gli affioramenti di marmi, interessanti da un punto di vista merceologico, raggiungono solo una estensione di 70-80 km2 (Fig.1). Il Distretto delle Alpi apuane comprende quattro comprensori estrattivi: Comprensorio della Lunigiana (Apuane settentrionali, L), Comprensorio di Carrara e Massa (Apuane occidentali, C e M), Comprensorio della Versilia (Apuane meridionali, V), Comprensorio della Garfagnana (Apuane orientali, G). All’interno di ciascun comprensorio possono essere distinti bacini marmiferi ovvero aree in cui si riscontra la maggior concentrazione di cave in funzione delle zone d’affioramento degli orizzonti marmiferi produttivi. Nel Comprensorio della Lunigiana possiamo ricordare i Bacini di Monte Sagro e Equi Terme-Casola. Nel Comprensorio di Carrara sono presenti quattro bacini marmiferi: Bacino di Colonnata, Bacino di Fantiscritti-Miseglia, Bacino di Torano, Bacino di Pescina Boccanaglia. Un bacino di minor estensione è quello di Massa, annoverato generalmente insieme a quello di Carrara, dove l’attività estrattiva attualmente viene effettuata in una decina di cave. Nel comprensorio della Versilia l’attività estrattiva ricade nei comuni di Seravezza e Stazzema entrambi in provincia di Lucca. In particolare si ricorda il bacino di M. Altissimo con due cave importanti quella di Cervaiole (a SE dell’Altissimo) e Cava La Buca a Est. Il Comprensorio della Garfagnana è ubicato nella parte nord orientale delle Alpi apuane, nei pressi degli abitati di Gramolazzo, Minucciano ed Ugliancaldo. Comprende i bacini marmiferi di Arnetola, Acqua bianca, Orto di Donna, Boana e Vagli. La produzione di marmo nell’intero Distretto, riferita al 2004, è circa 1.200.000 tonnellate annue di cui 900.000 tonnellate nel solo comprensorio di Carrara che risulta essere quello a maggior produttività (Tabella 1).

L’attività estrattiva nel comprensorio di Carrara nel tempo L’attività estrattiva del marmo apuano nel Comprensorio di Carrara viene fatta risalire all’epoca

Fig.1 Il Distretto estrattivo delle Alpi Apuane The extractive district of the Apuane Alps

romana e precisamente dopo la fondazione della colonia romana di Luni avvenuta nel 177 a.C., anche se studi recenti a carattere mineralogico - petrografico condotti su manufatti funerari attestano un impiego del marmo apuano in età pre-romana. Questa attività è attestata, oltre che da cave romane ubicate nel fondovalle del bacino di Colonnata, di Miseglia e di Torano, da ritrovamenti archeologici quali le “tagliate romane”. Nella parte posteriore del blocco da abbattere, saldata al resto del giacimento, veniva praticata una trincea, la tagliata, profonda quanto l’altezza del blocco che si voleva estrarre e con una larghezza tale da consentire agli scalpellini di effettuare lo scavo con mazzetta e scalpello o con piccone (Fig.2). L’escavazione avveniva con metodi e utensili molto semplici e con gran dispendio di tempo ed energie per ottenere risultati modesti: era essenzialmente un lavoro manuale. Vengono di seguito schematicamente riportate le fasi di lavorazione succedutesi nel tempo.

Comprensori Quarry areas

Tonnellate Tons (t)

%

Carrara

915,000

75

Massa Lunigiana

90,000 89,000

7 7

Garfagnana Versilia

83,000 51,000

7 4

Totale Total

1,228,000

100

Tab.1 Fonte: Meccheri et al. (2007) After Meccheri et al. (2007)

The Extractive District of the Apuane Alps BY

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GIANFRANCO DI BATTISTINI - UNIVERSITY OF PARMA - PROFESSOR OF APPLIED PETROGRAPHY DEPARTMENT OF EARTH SCIENCES

he extractive district of the Apuane Alps, which is located in the north western Tuscany, includes all the marble quarry areas of the Apuane Alps and surroundings. The whole district is located in the Massa Carrara and Lucca provinces and represents one of the most important extractive district in the world. It covers a large area extending for more than 30 km and for about 12 km SE-NW and in W-E respectively. However, the marble outcrops, useful for marketing, only cover 70-80 km2 (Fig.1). The extractive district of the Apuane Alps includes four quarry areas: Lunigiana area (Northern Apuane, L); Carrara and Massa area (Apuane, C and M); Versilia area (Southern Apuane, V); Garfagnana area (Eastern Apuane, G). Each area may be divided in quarry basins of minor rank, where the number of quarries depends on the extension of the marble-bearing horizons. In the Lunigiana area, the most important basins are Monte Sagro and Equi Terme-Casola. Four marble basins are located in the Carrara area: - Colonnata - Fantiscritti-Miseglia - Torano - Pescina Boccanaglia. The less extended basin is the Massa basin. It belongs to the Carrara and Massa area and only includes about ten quarries. In the Versilia area, the extractive activity is located in the Seravezza and Stazzema territories (Lucca province). In particular, the Mt. Altissimo basin, which includes two

important quarries (Cervaiole at SE and Cava La Buca at E), is noteworthy. The Garfagnana district is located in the north eastern part of Apuane Alps, close to the villages of Gramolazzo, Minucciano and Ugliancaldo. It includes the Arnetola, Acqua Bianca, Orto di Donna, Boana and Vagli basins. During 2004, the marble production in the whole district was about 1,200,000 t. 900,000 t in the Carrara area, which is the most productive area (Table 1).

Extractive activity in the Carrara area during the time In the Carrara area, a relevant activity of marble extraction is dated back to the Roman age, after the foundation in 177 B.C. of the Roman colony of Luni. Recent mineralogical-petrographic studies carried out on funerary artefacts attest the use of Apuane marble during pre-Roman age. In addition to the identification of Roman quarries in the lower valley of the Colonnata, Miseglia and Torano basins, the extractive activity is attested by archeological discoveries such as the “tagliate romane”. On the back side of a block, still connected to the main rock, a deep cut was done, the so called "tagliata". The cut was as deep as the height of the block to be extracted and very narrow but sufficiently large to allows hammer and chisel or pick excavation by a man (Fig.2). Excavation was essentially a manual work, which was done using simple tools; it needed a large loss of time and energy to obtain, in any case, modest results. The evolution of the working methods for the extraction are schematically reported below.

Fig.2 Museo del marmo di Fantiscritti: ricostruzione di una “tagliata romana” Reconstruction of the Roman “tagliata”. Museum of the marble at Fantiscritti

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Lavorazione manuale: in età romana e almeno fino al 1800. Esplosivo: verso la fine del 1700 iniziarono le prime escavazioni per mezzo dell’esplosivo che diventarono sistematiche nel 1831 con l’introduzione della miccia a lenta. Gli effetti prodotti dalle esplosioni furono devastanti: il marmo si frantumava sino a risultare di scarso valore commerciale. Questa tecnica accelerò le operazioni di scavo ma provocò un aumento considerevole dei detriti di scarto. I blocchi di maggior dimensione venivano riquadrati ancora a mano sul piazzale di cava. Lavorazione manuale + taglio con perforazione pneumatica. Filo elicoidale: la vera rivoluzione nella tecnica estrattiva si ebbe con il filo elicoidale introdotto a Carrara nel 1895; con questo procedimento si potevano effettuare tagli di grandi dimensioni con il minimo spreco di materiale utile. Filo diamantato: fu introdotto nel 1978-79 ed ancora oggi è in uso sia per il taglio primario che per la riquadratura dei blocchi in cava. Tagliatrice a catena diamantata: viene utilizzata principalmente per il taglio primario del marmo (Fig.3).

Tipologia delle cave L’attività estrattiva si è sviluppata nel tempo in cave di diversa tipologia: 1- Cave a cielo aperto; 2- Cave in galleria; 3- Cave in sottotecchia. 1) Le cave a cielo aperto comportano l’escavazione

mono una tipica forma ad anfiteatro in cui la coltivazione avviene su più gradini partendo dall’alto verso il basso. Tra le cave di versante merita di essere ricordata la cava Polvaccio, ubicata nel bacino di Torano, ancora oggi famosa per essere stata scelta da Michelangelo per l’approvvigionamento dei marmi da utilizzare per molte delle sue opere. È qui che nel 1497 venne per la prima volta a scegliere i marmi per la Pietà; sempre secondo gli studiosi fu ancora in questa cava nel 1505 per un lungo periodo di tempo in quanto necessitava di un grande quantitativo di materiale per la realizzazione del sepolcro del papa Giulio II (Fig.5). ❒ Cave a fossa o pozzo: appaiono come degli imbuti a sviluppo verticale e si realizzano quando sono stati raggiunti i limiti della concessione. La coltivazione procede ribassando sempre più la quota del piazzale di cava. 2) Cave in galleria: abbastanza diffuse, diventano delle vere e proprie gallerie che si diramano all’interno della montagna; si creano enormi camere il cui soffitto viene sorretto da pilastri di marmo che vengono abbandonati. 3) Cave in sottotecchia: abbastanza diffuse, possono essere l’inizio di una galleria e mantengono questo nome finché la profondità dello scavo è tale da permettere alla luce naturale di filtrare ed illuminare il cantiere di lavoro.

Ravaneti L’attività estrattiva nel comprensorio di Carrara ha prodotto nel corso degli anni un quantitativo imponente di scarti di lavorazione che, riversati lungo i versanti della montagna adiacenti alle aree di cava, costituiscono delle vere e proprie discariche chiamate “ravaneti” (Fig.6). Si è stimato che in una cava di marmo la resa in materiale commerciabile è il 35%

Fig.3 Bacino di Torano: taglio basale di una bancata di marmo mediante tagliatrice a catena diamantata Torano basin: basal cutting of a marble bed by diamond chain cutting machine

a giorno del materiale e possono essere distinte in: ❒ Cave culminali: sono abbastanza rare e sono ubicate sulle cime delle montagne di cui viene asportato proprio il crinale (Fig.4). ❒ Cave di versante: sono le più diffuse, sono ubicate sui fianchi della montagna e generalmente assu-

Fig.4 Bacino marmifero di Colonnata: cava culminale o di vetta Colonnata marble basin: summit type quarry

del materiale scavato e quindi per una produzione annua di 1.000.000 di tonnellate di marmo si accu-

Manual working: during the Roman age, at least up to 1800 AD. Explosive: the beginning of excavation by using explosive is dated back to the end of 1700; this method became systematic starting from 1831. The effect produced by explosions was impressive: marble was broken down with consequent lowering of its marketing value. This technique accelerated excavation but generated a considerable increase of waste matter. The largest blocks were squared by hand on the quarry yard. Manual working and pneumatic drilling.

Fig.5 Bacino marmifero di Torano: cava di versante (Polvaccio) Torano marble basin: slope quarry (Polvaccio, the Michelangelo’s quarry)

Fig.6 Ravaneti nel bacino marmifero di Colonnata "Ravaneti" (Waste deposits) in the Colonnata marble basin

Helicoidal wire: the true revolution in the extractive technique took place at Carrara in 1895 with the introduction of the helicoidal wire. Large blocks may be produced by this process with small loss of useful material. Diamond wire: it was introduced in 1978-79. It is still used for both main cut and block squaring in the quarry. Diamond chain cutting machine: it is used mainly for marble main cutting (Fig.3).

Type of marble quarries Extractive activity was developed during the times in quarries of different types: 1) Open quarry; 2) Underground quarry; 3) “Sottotecchia” (vertical wall of rock) quarry. 1) The open quarries involve excavation of material at open air; they can be divided as follows: ❒ Summit type quarry: it is rather rare and located on the top of mountains from which the summit and/or the ridge are removed (Fig.4). ❒ Slope type quarry: it is the most common. This type of quarry is located on mountain sides; generally it assume a typical amphitheatre shape; the exploitation starts from the top and proceeds toward the bottom. Among the slope type quarries, the

Polvaccio quarry, which is located in Torano basin, is noteworthy. It is famous because selected by Michelangelo for some important works. Michelangelo visited the area the first time in 1497 with the aim of choosing marbles for the Pietà. According to many scholars, he visited again this quarry in 1505 and stayed there for a long time because he needed a large quantity of marbles to realize the tomb of the Pope Julius II (Fig.5). ❒ Ditch/shaft type quarry: funnel-shaped excavations developed vertically and until the limit of the concession. The cultivation proceeds progressively by lowering the quarry yard height. 2) Underground quarry: rather common, it develops into true tunnels which branch inside the mountain; huge rooms are created with ceiling supported by marble pillars. 3) "Sottotecchia" quarry: rather common, it is a quarry intermediate between the surface and underground quarry.

“Ravaneti” (Waste deposits) The extractive activity in the Carrara area produced a huge quantity of working waste deposits, which when poured along mountain sides near the quarry areas, are called “ravaneti” (Fig.6). An approximate estimation suggests that in a marble quarry the marketable material is 35 % of the total excavated material; therefore, during the year, about 2,000,000 t of working waste are added to the “ravaneti” for a marble block production of 1,000,000 t. Each active quarry has its own "ravaneto"; up to 630 active, inactive and dismantled "ravaneti" have been mapped; they are part of Apuane Alps landscape since a long time. It is noteworthy that the less stable recent “ravaneti” represent a main source of hydrogeological problems; Figura 6- Ravaneti nel bacino marmifero di Colonnata. actually, they give origin to importantColonnata landslide events Figure 6- “Ravaneti” can (Waste deposits) in marble-yielding basin. with mass transports of detrital material. DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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mulano 2.000.000 di tonnellate di scarti di lavorazione che vanno ad incrementare i detriti dei ravaneti. Ogni cava attiva ha il proprio ravaneto; in tutto il distretto sono stati cartografati ben 630 ravaneti tra quelli attivi, inattivi e dismessi da molti anni; fanno parte ormai da tempo del paesaggio delle Alpi apuane. Va sottolineato che quelli recenti, perché più instabili, rappresentano una delle principali fonti di dissesto idrogeologico in quanto possono provocare importanti eventi franosi rappresentati da trasporti in massa di materiale detritico.

Petrografia e chimismo I marmi apuani sono rocce calcaree ricristallizzate per azione metamorfica ed aventi una composizione chimica e mineralogica omogenea. Analisi chimiche effettuate su campioni di marmi bianchi apuani appartenenti al comprensorio estrattivo di Carrara hanno evidenziato un elevato contenuto di carbonato di calcio (CaCO3) oscillante tra il 95% ed il 99% (Tabella 2). I marmi apuani possono quindi essere ritenuti un materiale naturale isotropo di composizione monomineralica (calcite); da un punto di vista microstrutturale risultano caratterizzati da una struttura granoblastica poligonale associata ad un processo di ricristallizzazione statica o xenoblastica associata a processi di ricristallizzazione dinamica. In considerazione della composizione chimica l’ingente quantitativo di materiale di scarto costituente i ravaneti è risultato una georisorsa primaria per la produzione di carbonato di calcio. A Carrara sono presenti industrie che lavorano i prodotti di scarto del marmo per produrre carbonato di calcio (sotto forma di polveri a granulometria 0-2 mm e granulati 2-20 mm) molto richiesto sul mercato in ragione di una vasta gamma di utilizzi.

generalmente non compromette la qualità del prodotto. ❖ Terza qualità: materiale scadente sia per le ridotte dimensioni dei blocchi estraibili che per difetti legati alla grana, al colore ed alle venature. I difetti strutturali sono quelli legati alla struttura del giacimento e cioè al suo grado di fratturazione. Si suole distinguere 3 tipi di difetti da fratture: ◆ peli: fessure con disgiunzione netta, aperte ed evidenti; ◆ peli furbi: fessure della lunghezza di pochi millimetri rilevabili solo quando si bagna il materiale; ◆ peli ciechi: pelo occulto rilevabile soltanto ad avvenuta segagione del blocco. Questa terminologia era corrente già nel Cinquecento; sappiamo che Michelangelo pretendeva dai fornitori che i marmi fossero “senza peli, vivi e non cotti, bianchi netti e belli” e che provenissero dal Polvaccio. Tra gli altri difetti si annoverano “taroli” cavità millimetriche (fino a 5 mm), irregolarmente distribuite e “tarme” fino a 15 mm, occasionalmente reperite nei blocchi di marmo e calcare.

Materiali lapidei ornamentali I materiali lapidei ornamentali (Norma UNI 8458) comprendono tre categorie commerciali: graniti, marmi e pietre. Il termine commerciale di marmo raggruppa tre tipi di rocce: ■ Rocce metamorfiche carbonatiche ■ Rocce sedimentarie ■ Rocce metamorfiche ultrafemiche. Questa semplificazione è resa possibile in quanto tutte risultano essere rocce naturali, compatte e lucidabili, usate nella decorazione ed in edilizia, principalmente consistenti di minerali con una durezza compresa tra 3 e 4 della scala di Mohs,

Tab.2 Analisi chimiche di marmi bianchi prelevati nel bacino di M.Sagro (Zucchi et al., in stampa) Chemical analyses of white marbles from Mt.Sagro basin (Zucchi et al., in press)

Produzione blocchi Obiettivo primario della produzione di una cava sono i blocchi, per i quali assumono importanza il volume e la forma. La condizione ottimale viene conseguita con blocchi a forma di parallelepipedo regolare e di cubatura attorno ai 6-8 m3. Va considerata anche la qualità del materiale prodotto sia per quanto riguarda i blocchi che i semilavorati. A tal proposito si distinguono tre gradi di qualità: ❖ Prima qualità: assenza di difetti cromatico-dimensionali-tessiturali. ❖ Seconda qualità: comparsa di qualche difetto che

quali la calcite, la dolomite o il serpentino. I marmi possono essere estratti, lavorati e impiegati con le stesse tecniche. Il controllo della qualità del materiale lapideo si rivela sempre più necessario data la globalità del mercato che non permette più di fare ricorso solo all’esperienza. Per questo le rocce ornamentali commercializzate in Italia sono di solito accompagnate da una scheda di qualificazione tecnica contenente tutti gli elementi per una caratterizzazione fisica e meccanica esauriente. Inoltre i prodotti lapidei, per poter circolare liberamente nell’ambito dell’UE, dovranno essere provvisti del marchio CE. Il marchio CE viene apposto a cura e sotto la responsabilità del produttore e serve come garanzia per gli acquirenti.

Petrography and chemistry

Ornamental stone

The Apuane marbles are carbonate rocks (limestone and minor dolostone) which re-crystallised under metamorphic conditions. Chemical analyses carried out on white marbles belonging to Carrara extractive area give 95-99 wt % CaCO3 (Table 2). Therefore the Apuane marbles can be considered as a homogeneous natural material consisting of calcite. Marbles have granoblastic structure, related to static re-crystallization, or xenoblastic structure, related to dynamic re-crystallization processes. Because of its quite pure (CaCO3 component) composition, the huge waste material of the "ravaneti" constitutes a very important geo-resource. At Carrara there are several industries which work marble waste for calcium carbonate production (powder, 0-2 mm in size; granulated material 2-20, mm in size). Because of its frequent use, this material is widely requested for marketing.

The ornamental stones (UNI 8458) comprise three different trade categories: granites, marbles and stones. The commercial definition of marble includes three different stone types: ■ Carbonate metamorphic rocks ■ Sedimentary rocks ■ Ultramafic metamorphic rocks. All these materials are used in decoration and building, and consist of minerals, such as calcite, dolomite or serpentine with hardness 3-4 of the Mohs scale. All the commercial marbles may be extracted and worked by the same techniques. The quality control of the stone material is more and more necessary because of the global marketing, which does not allow to only rely on the experience. For these reasons, the technical features of the ornamental rocks are attested by appropriate documents, which report exhaustive physical and mechanical data. Moreover the stones which circulate in the EU, must report the CE kite-mark. The CE mark is used as a quality guarantee for the buyers.

Block production

A quarry produces blocks, for which volume, shape and stone quality assume great importance. The best production consists of regular blocks (parallelepipedon shape) of about 6-8 m3. Three different degree of quality may be defined: ❖ First quality: chromatic and textural defects are not present. ❖ Second quality: some minor defects appear; they, however, do not compromise the product quality. ❖ Third quality: blocks of small size with grain, colour and vein defects. The structural defects are related to fractures. Three different types of defects related to fracturing are recognised: ◆ “peli” (“hairs”): open and evident small cracks; ◆ “peli furbi”: cracks few millimetres in lenght, which may be recognised when material is wet; ◆ “peli ciechi”: cracks which may be recognised only after block sawing. This terminology was already used in the sixteenth century. We know the Michelangelo’s request to his marble suppliers: the marbles must be "without “peli”, “vivi” (i.e. without incipient grain disgregation) and not “cotti” (i.e. with incipient grain disgregation), white and beautiful" and coming from the Polvaccio quarry. Further defects, consisting of Fig.7 Taroli, cavità millimetriche (a sinistra) e tarme cavità a morfologia ellittica fino a 15 mm irregularly scattered millimetric di lunghezza (a destra), sulla superficie del marmo del David (foto M. Giamello) cavities which occasionally occur in "Taroli" (left) and “tarme” with elliptical shape (right) on the David surface (photograph by M. Giamello) marble and limestone blocks, are "taroli" (up to 5 mm) and "tarme" (“moths”) (up to 15 mm).

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Relazione presentata al Convegno: “Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma

I Minerali dei Marmi delle Alpi Apuane PAOLO ORLANDI - UNIVERSITÀ DI PISA DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA

P

er oltre duemila anni le cave di marmo presenti alle spalle della città di Carrara hanno fornito un marmo bianco di eccezionale qualità per gli scultori ed una quantità di affascinanti minerali per i collezionisti. Più recentemente la ricerca, con il ritrovamento di interessanti campioni di minerali, si è estesa a tutto l’affioramento di marmi del complesso metamorfico apuano ed, in particolare, agli affioramenti marmiferi presenti alle spalle della città di Massa e della Versilia. I minerali presenti nei marmi sono quasi del tutto invisibili a coloro che non li vogliono vedere; ovvero a coloro che non vi pongono particolare attenzione. Infatti, i minerali che si trovano, per così dire, nascosti all’interno di cavità e fratture del marmo costituiscono dei difetti per il marmo stesso; per questo motivo essi vengono accuratamente evitati sia in cava dai cavatori al momento della coltivazione, sia dai commercianti e ovviamente dagli utilizzatori. Al contrario i collezionisti di minerali sono molto attenti a ricercare con assiduità questi difetti della massa marmorea, difetti che, invece, celano al loro interno tesori naturalistici unici e, come tali, apprezzati da collezionisti e studiosi di tutto il mondo. Questi tesori sono costituiti, talvolta, da splendenti pluricentimetrici diafani cristalli di quarzo ialino, di rara bellezza e purezza, altre volte da ricercatissimi cristalli di rare specie mineralogiche, dalle forme e colori più

Albite, cristallo tabulare vitreo incolore (ialino); 3 mm, cava La Facciata, Carrara Albite, tabular uncoloured vitreous crystal (hyaline); 3 mm, La Facciata quarry

varie che, purtroppo, sono apprezzabili soltanto con l’ausilio di un buon microscopio a causa delle loro generali piccole dimensioni. Giovanni D’Achiardi, uno dei pionieri della ricerca mineralogica, nel 1905 così scriveva su questo argomento: “I marmi delle Alpi Apuane contengono molti minerali, sia disseminati all’interno della loro massa calcarea che ospitati all’interno di cavità”. Nello stesso anno Arturo Giampaoli scriveva: “Le cavità ritenute presenti nei marmi bianchi della lente superiore raggiungono il loro più grande sviluppo nei marmi bianchi della lente inferiore, dove i minerali accessori sono distribuiti in modo sparso”. Da queste parole si può capire la ragione del fascino dei minerali delle cavità dei marmi delle Alpi Apuane: la loro matrice, candida come neve, l’estrema limitatezza dei minerali che, per questa ragione, sviluppano quasi esclusivamente cristalli isolati, spesso colorati, piuttosto che aggregati confusi di cristalli. Numerose specie mineralogiche, ed in particolare il quarzo e la calcite, hanno attratto da secoli l’attenzione dei naturalisti che, periodicamente, hanno pubblicato i risultati delle loro osservazioni e scoperte; le tappe principali di questo percorso di conoscenza sono state le seguenti: 1597 – Agostino Del Riccio segnala per primo la presenza di cristalli di quarzo. 1820 – Ettore Repetti descrive sette specie minerali (la maggior parte delle quali incluse nella massa marmorea piuttosto che all’interno Dolomite, aggregato selliforme di cristalli romboedrici madreperlacei; 1,5 cm; cave delle cavità). Gioia, Carrara / Dolomite, aggregate of rhombohedral pearly luster crystals; 1,5 cm; Gioia quarries, Carrara 1872 – Antonio D’Achiardi descrive sette mine-

Minerals of the Marbles of the Apuan Alps BY

PAOLO ORLANDI - UNIVERSITY OF PISA - DEPARTMENT OF EARTH SCIENCES

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or more than two thousand years marble quarries located behind the town of Carrara gave a white marble of exceptional quality for sculptors and a quantity of amazing minerals for collectors. More recently search and discover of interesting samples of minerals extended to all the marble outcrops of the Apuan metamorphic complex and particularly marble outcrops located behind the town of Massa and Versilia. Mineral contained inside marbles are almost all not visible to whom that do not like to see them; or to whom that do not devote particular attention to them. In fact minerals are, it could be said, concealed inside marble cavities and fractures which constitute defects for the same marble, which are accurately avoided both in quarry by the quarrymen, for this reason, at the moment of extraction and by sale men and obviously by users. On the contrary mineral collectors are very careful and look for these defects of marble mass assiduously, defects which on the contrary conceal inside them unique naturalistic treasures in nature appreciated by collectors and scientists of the

In the same years Arturo Giampaoli wrote: “The cavities considered located inside white marbles of the superior lens reach their most large development in the white marbles of the inferior lens where additional minerals are distributed in a loose way”. From these words it is possible to understand the reason of the fascination of minerals of Apuan Alps marble cavities: their matrix, white like snow, the extreme scarcity of minerals which, for this reason develop almost exclusively insulated crystals, often coloured, more than confused crystal aggregates.

Fluorite; cristallo cubico zonato di colore violaceo; 1 cm; cave Madielle, Massa / Fluorite; cubic violaceous colour crystal; 1 cm; Madielle quarries, Massa

Fluorite, cristallo cubico incolore; 2 cm; cave Gioia, Carrara Fluorite, uncoloured cubic crystal; 2 cm; Gioia quarry, Carrara

whole world. Sometimes these treasures are made by bright multi-centimetric crystals of hyaline quartz of rare beauty and purity, other times by highly searched crystals of rare mineralogical species with the most various shapes and colours which unfortunately are appreciable only with the aid of a good microscope due to their general small dimensions. Giovanni D’Achiardi, one of the pioneers of the mineralogical research on this topic, wrote in 1905 as follows: “Apuan Alps marbles include many minerals both disseminated inside their calcareous mass and sheltered inside cavities”.

Several mineralogical species, and particularly quartz and calcite, attracted the attention of naturalists from centuries, who published the results of their observations and discoveries periodically; the principal stages of this knowl edge way were the followings: 1597 - Agostino Del Riccio pointed out the presence of quartz crystals. 1820 - Ettore Repetti described seven mineral species (the most of which included inside marble mass more than inside cavities). 1872 - Antonio D’Achiardi described seven minerals of the cavities and different others of marble mass. 1911 - Giovanni D’Achiardi gave a complete description of 16 minerals inside cavities and others of marble mass, in his many memories. 2005 - Paolo Orlandi, after and more than 30 year study and tens of specific publications, describes more than 120 different minerals discovered inside cavities of which three discovered for the first time in nature. These three new mineralogical species have been named: DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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rali delle cavità e diversi altri della massa del marmo. 1911 – Giovanni D’Achiardi, nelle sue plurime memorie, dà una descrizione completa di 16 minerali nelle cavità ed altri della massa del marmo. 2005 – Paolo Orlandi, in seguito ad oltre 30 anni di studio e decine di pubblicazioni specifiche, descrive oltre 120 minerali diversi rinvenuti all’interno delle cavità, di cui tre scoperti per la prima volta in natura. Queste tre nuove specie mineralogiche sono state chiamate: carraraite, in riferimento alla principale località di rinvenimento, zincalstibite, in conseguenza della sua composizione chimica e zaccagnaite in onore di Domenico Zaccagna, vecchio geologo che per primo studiò la geologia di questa regione. Studi di geologia strutturale, datazioni radiometriche, studi petrografici, termometrici e chimici Gesso, cristalli prismatico-tabulari, vitrei incolori; 3 cm; cave Gioia, Carrara Gypsum, prismatic-tabular uncoloured vitreous crystals; 3 cm; Gioia quarries, Carrara hanno stabilito che il processo che ha determinato l’apertura delle cavità all’interno della cristallizzavano all’interno delle cavità, in condizioni massa marmorea è iniziato circa 20 milioni di anni fa, ambientali sempre diverse. Questo processo di cristallizquando il marmo si trovava nelle profondità della crosta zazione è stato lunghissimo e si è protratto fino ai giorno terrestre, sormontato da una coltre di altre rocce dello nostri, con la cristallizzazione di minerali di alterazione di spessore di circa 15-18 chilometri. In quella situazione la fasi mineralogiche preesistenti. massa del marmo si trovava ad una temperatura di circa Dato che i grandi cristalli di minerali sono rari e facil400°C e sottoposta ad una pressione di circa 5-6 Kbar. mente osservabili direttamente all’interno delle cavità, Iniziava allora un processo di tettonica distensiva che esse sono l’indizio principale per la loro ricerca. avrebbe portato al sollevamento dei marmi ed ad una Le cavità non sono rare, ve ne sono di diverse forme e progressiva diminuzione delle condizioni di pressione e dimensioni: quelle più frequenti sono di forma tubolare, di sezione irregolare, con diametro medio di 10 centimetri, lunghe anche decine di metri, caratterizzate da allargamenti e restringimenti come una…filza di salsicce. Queste sono le fessure più promettenti per la

Gesso, cristallo prismatico vitreo incolore (ialino); 4 cm; cave Gioia, Carrara / Gypsum, prismatic vitreous uncoloured crystal (hyaline); 4 cm; Gioia quarry, Carrara

temperatura. L’apertura delle cavità avrebbe richiamato all’interno delle cavità stesse fluidi idrotermali che permeavano la massa del marmo. Con un progressivo e lentissimo sollevamento, la temperatura dei fluidi diminuiva costantemente e numerose specie mineralogiche

Pirite, cristallo ottaedrico di colore giallo e lucentezza metallica; 5 mm; cava Val Bona, Carrara / Pyrite, octahedral yellow crystal with metal brilliance; 5 mm; Val Bona quarry, Carrara

carraraite, in reference to the main location of discover, as said, can reach 5-6 cm sometimes in the directions of zincalstibite, in consequence of its chemical composition and the larger development. Other common minerals are fluozaccagnaite in honour of Domenico Zaccagna, old geologist rite, rutile, pyrite and few others which can be discovered. who studies firstly the geology of this region. The majority of the crystals of the more than hundred Studies of structural geology, radiometric datings, petrographpresent mineralogical species can be discovered, except ic and thermometric and also chemical studies, allowed us to exceptional samples, in crystals of dimensions slightly establish that the process, which led to cavities opening larger than millimetric. inside marble mass, started about 20 million years ago While the most common minerals and which give origin to when marble was located inside the depth of earth crust the largest crystals are generally uncoloured and vitreous, surmounted by a covering of other rocks of about 15-18 km the rarest mineralogical species are often characterized by thickness. In that situation marble mass was at about 400°C bright colours and by spectacular geometrical temperature and pressurized at about 5-6 kbar pressure. crystalline shapes. But also the most common minerals A relaxing tectonic process started at that time which would have their fascination: e.g. quartz can be discovered in have led to marble raising and to a progressive reduction of Figura 5- Bacino marmiferocrystals di Torano: of cava versante (Polvaccio) uncoloured and vitreous a di "crystalline" limpidity, pressure and temperature conditions. Cavity opening would Figure 5Marble-yielding Torano basin: side quarry of hexagonal prismatic cell; it was the mineral(Polvaccio). which have attracted hydrothermal fluids inside the same cavities which permeated marble mass. With the progressive and very attracted firstly the attention of researchers and the quarrymen themselves, for the remarkable dimensions of slow raising fluid temperature decreased constantly and crystals but moreover for the aesthetics of the individuals several mineralogical species crystallized inside cavities in implanted on the snow-white marble matrix. always different environmental conditions. This crystallization process was very long and lasted until our Albite and adularia are the two feldspars present inside days with the crystalcavities; the first one lization of minerals of gives origin to tabular alteration of preuncoloured and vitreous existent mineralogical crystals, the second one phases. Due to the to squat prismatic scarcity of large mineral uncoloured and vitreous crystals easily observor milky crystals. able directly inside The two mineralogical cavities, cavities are the species originate to main indication for aesthetic epitactic mineral search. associations very very Cavities are not rare, looked for. there are cavities of Calcite is the main different shapes and constituting mineral of dimensions: the most the same marble, small frequent ones are of calcite crystals cover all tabular shape, of the cavities; inside these irregular section, 10 cm cavities sometimes average diameter, also tens of meters long, larger calcite crystals Quarzo, cristallo ialino 3 cm; cave Gioia, Carrara characterized by develop sometimes Quartz, hyaline crystal; 3 cm; Gioia quarries, Carrara enlargements and characterized by narrowings as...a string scalenohedric habit other times rombohedric. of sausages. Generally gypsum originates prismatic elongated These are the most promising cracks for mineral search; uncoloured crystals of vitreous luster, very soft, while there are others corresponding to spathic calcite masses and flourite, generally uncoloured, but also violaceous or pink others planar, very squashed, crack shaped. can be found as usually cubic crystals. Dolomite is the last Quarrymen avoid all these cavities types with great attention species, among those more common, which is found as which constitute severe defects for marble blocks. crystals and aggregates of crystals of dimensions also Fortunately for collectors and scientists of these minerals it is multi-centrimetric of little remarkable, generally white practically impossible that quarrymen could avoid to pull down colour with light ivory nuances or greenish and pearly defective marble masses, during digging works. luster. The other two mentioned minerals, which can be These blocks will useless for marketing and cutting of large found also in crystals of multi-centrimetric dimensions, are slabs and therefore they will be thrown away and left in the huge depositories (ravaneti) which each quarry has and which rutile and pyrite which show different colours and luster from the before described ones. Rutile presents in prismatcharacterize the landscape of this part of Apuan Alps.

Effectively minerals of this position are not very common and notwithstanding the great attention which collectors devote in search of these minerals, it is not rare that also the most meticulous searcher did not find even one proper sample to put in his collection after a whole searching day. The most common mineralogical species are quartz, gypsum, of course calcite, dolomite and feldspars, which,

ic crystals, also very elongated and thin, of bright red colour, other times brown, while pyrite is of a typical yellow colour and bright metallic luster; the most common aspect of the crystals of this last mineralogical species is the cubic habit and the pentagondodecahedric one.

Figura 6- Ravaneti nel bacino marmifero di Colonnata. Figure 6- “Ravaneti” (Waste deposits) in marble-yielding Colonnata basin.

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ricerca di minerali; ve ne sono altre in corrispondenza di masse di calcite spatica ed altre planari, molto schiacciate, a forma di fessura.

incolori di una limpidezza “cristallina”, di abito prismatico esagonale. Per le notevoli dimensioni dei cristalli ma, sopratutto, per l’esteticità degli individui impiantati sulla nivea matrice marmorea, il quarzo certamente ha attirato per primo l’attenzione dei ricercatori e degli stessi cavatori. Albite e adularia sono i due feldspati presenti all’interno delle cavità, il primo dà origine a cristalli tabulari vitrei incolori, il secondo a

Quarzo, cristallo ialino; 1 cm; cave Gioia, Carrara Quartz, hyaline crystal; 1 cm; Gioia quarries, Carrara

I cavatori evitano con molta attenzione tutti questi tipi di cavità che costituiscono gravi difetti per i blocchi di marmo. Fortunatamente per i collezionisti e gli studiosi di questi minerali è praticamente impossibile che i cavatori possano evitare di abbattere, durante i lavori di scavo, masse di marmo difettosi. Questi blocchi saranno inutilizzabili per il commercio ed il taglio di grandi lastre; pertanto, verranno gettati ed abbandonati negli imponenti ravaneti che ogni cava possiede e che caratterizzano il paesaggio di questa parte delle Alpi Apuane. In effetti i minerali di questa giacitura non sono molto comuni e, nonostante la grande attenzione che i collezionisti pongono nella loro ricerca, non è raro che anche il ricercatore più meticoloso non trovi neppure un campione decente da mettere nella propria collezione dopo un’intera giornata di ricerca. Le specie mineralogiche più comuni, che possono talora raggiungere i 5-6 centimetri nella direzione di sviluppo maggiore, sono il quarzo, il gesso, naturalmente la calcite, la dolomite ed i feldspati. Altri minerali comuni che si possono rinvenire in cristalli centimetrici sono la fluorite, il rutilo, la pirite e pochi altri. La maggioranza dei cristalli delle oltre cento specie mineralogiche presenti si rinviene, salvo campioni eccezionali, in cristalli di dimensioni poco più che millimetriche. Mentre i minerali più comuni, che danno origine ai cristalli più grandi, sono generalmente incolori e vitrei, le specie mineralogiche più rare sono spesso caratterizzate da colori sgargianti e da spettacolari forme cristalline geometriche. Anche i minerali più comuni hanno il loro fascino: il quarzo ad esempio si rinviene in cristalli vitrei

Rutilo, intreccio di cristalli aciculari; 2 mm, Ponti di Vara, Carrara Rutile, interlacement of needle-shaped crystals; 2 mm, Ponti di Vara, Carrara

tozzi, prismatici cristalli vitrei incolori o lattescenti. Le due specie mineralogiche danno origine ad estetiche associazioni epitattiche molto ricercate. La calcite è il minerale costituente mineralogico principale del marmo stesso, minuti cristalli di calcite tappezzano tutte le cavità; all’interno di queste talora si sviluppano cristalli di calcite più grandi caratterizzati, talora, da abito scalenoedrico, altre volte romboedrico. Il gesso generalmente dà origine a cristalli prismatici allungati incolori e di lucentezza vitrea, molto teneri, mentre la fluorite, generalmente incolore, ma anche violacea o rosa, si rinviene in cristalli di solito cubici. La dolomite è l’ultima specie, tra quelle più comuni, che si rinviene in cristalli ed in aggregati di cristalli di dimensioni anche pluricentimetriche, di colore poco appariscente, generalmente bianco con lievi sfumature avorio o verdastro e lucentezza madreperlacea. Gli altri due minerali citati, che si rinvengono anche in cristalli di dimensioni pluricentimetriche, sono il rutilo e la pirite; presentano colori e lucentezze diverse da quelli precedentemente descritti. Il rutilo si presenta in cristalli prismatici, anche molto allungati e sottili, di colore rosso vivo, altre volte bruno, mentre la pirite è di un colore tipico giallo e di una lucentezza viva metallica; l’aspetto più comune dei cristalli di quest’ultima specie mineralogica è l’abito cubico e quello pentagonododecaedrici.

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Relazione presentata al Convegno: “Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma

I Minerali dei Marmi delle Alpi Apuane - Parte II PAOLO ORLANDI - UNIVERSITÀ DI PISA DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA

minerali più rari, che di solito si rinvengono in cristalli di dimensioni molto minute, hanno tuttavia un loro fascino, sia per gli studiosi che per gli amatori dilettanti, prima di tutto per la loro intrinseca rarità ed inoltre per l’esteticità morfologica determinata da colori sgargianti che contrastano sul candore della massa marmorea che li ospita e per le forme cristalline geometriche spettacolari, caratteristiche queste apprezzabili meglio con l’aiuto di un buon microscopio binoculare che consenta di ottenere almeno 20 - 40 ingrandimenti. I minerali che più di altri caratterizzano le cavità dei marmi delle Alpi Apuane appartengono alla classe dei solfuri e tra questi quattro sono le specie mineralogiche che più di altre sono tipiche di questa giacitura: sfalerite, wurtzite, sulvanite e colusite. Sfalerite e wurtzite sono due fasi mineralogiche polimorfe di composizione chimica ZnS. La sfalerite cristallizza nel sistema cubico ed infatti il tetraedro è la forma e nello stesso tempo l’abito più comune con il quale questo minerale si presenta all’interno delle cavità dei marmi. Sono stati rinvenuti cristalli di sfalerite anche centimetrici. Le caratteristiche principali dei cristalli di sfalerite sono la perfezione e la semplicità morfologica dei cristalli, la loro nitidezza e trasparenza nonché i caldi colori che variano dal giallo al rosso al bruno attraverso mille sfumature. I cristalli con abito semplice tetraedrico sono particolarmente diffusi nelle cavità dei marmi del bacino

Sfalerite in epitassia con colusite, 2 mm; cava La facciata, Carrara Sfalerite in epitaxia with colusite, 2 mm; La Facciata quarry, Carrara

Azzurrite cristalli tabulari (1,5 mm); cave Gioia, Carrara Azzurrite tabular crystals (1,5 mm); Gioia quarries, Carrara

di Torano mentre quelli di colore rosso sono più comuni nelle cave della zona di Fantiscritti e presentano abiti mal definiti e facce curve. I cristalli, quasi sempre geminati secondo la legge dello spinello, sono costituiti dall’associazione tra due o più individui cristallini quasi sempre in abito tetraedrico; comunissime le associazioni epitattiche con altre specie mineralogiche tra le quali la wurtzite, la sulvanite, la colusite e l’enargite. In queste associazioni epitatiche le diverse specie mineralogiche associate mettono a comune uno o più elementi di simmetria loro propri costruendo edifici geometrici bizzarri e fantastici nonché iper reali ed obbedienti a precise leggi cristallografiche e geochimiche. L’altra fase del solfuro di zinco presente nelle cavità del marmo è la wurtzite, che si presenta generalmente in cristalli piramidali o/e prismatici esagonali obbedendo così alle leggi di simmetria che vedono questa specie mineralogica cristallizzare nel sistema esagonale. Il colore varia da rosso cupo a bruno; le dimensioni variano da sub-millimetriche a quasi centimetriche; comuni le associazioni parallele di cristalli piramidali. Sui cristalli di wurtzite si rinvengono in epitassia cristalli si enargite, calcopirite e greenokite. Tutte le specie mineralogiche concresciute in epitassia sia sulla sfalerite che sulla wurtzite sono di cristallizzazione posteriore alle due specie che li ospitano. Sulvanite e colusite sono due solfuri o per meglio dire due solfosali contenenti vanadio; entrambi sono rari in natura mentre qui nelle Alpi Apuane sono relativamente diffusi in particolare nella cava Val Pulita posta a cavallo tra i

Minerals of the Marbles of the Apuan Alps - Part II BY

PAOLO ORLANDI - UNIVERSITY OF PISA - DEPARTMENT OF EARTH SCIENCES

T

he most rare minerals, which usually can be found as very small size crystals, have nevertheless a fascination, both for scientists and amateurs, first of all for their rarity and moreover for the morphologic beauty determined by the bright colours which are in contrast with the whiteness of the marble where they are settled, and for the spectacular geometrical crystalline forms, appraisable with the aid of a good binocular microscope in order to obtain at least 20 - 40 magnifications. Minerals characterizing Apuan Alps marble cavities belong mainly to the class of the sulphides. Among these, the mineralogical species which more than others are typical of this occurrence are four: sphalerite, wurtzite, sulvanite and colusite. Sphalerite and wurtzite are two polymorphous phases of ZnS. Sphalerite crystallizes into the cubic system and in fact tetrahedral is the form and, at the same time, the more common habit the mineral shows itself inside marble cavities. Centimetric crystals of this sulphide have also

Crystals, almost always geminated, according to the spinel law, are made by the association of two or more crystalline individuals, mainly in tetrahedral habit; epitactic associations, usually with wurtzite, sulvanite, colusite and enargite are very common. The different mineralogical associated species share one or more of their own symmetry elements in these epitactic associations, creating odd, strange and fancy and hyper real buildings accomplishing to precise crystallographic and geochemical laws.

Dravite 2 mm; Brugiana, Massa Dravite 2 mm; Brugiana, Massa

Tetraedrite 3 mm; cave Gioia, Carrara Tetrahedrite 3 mm; Gioia quarries, Carrara

been discovered. The perfection and simplicity of the crystal morphology, clarity and transparency and warm colours, varying from yellow to red to brown through thousands of nuances, are the main characteristics of sphalerite crystals. Crystals with simple tetrahedral habit are particularly widespread in marble cavities of the Torano basin, while the red colour ones are more common in the quarries of the Fantiscritti zone and show not well defined habits and curved faces.

Wurtzite is the other phase of zinc sulphide existing inside marble cavities and usually it is found as pyramidal and/or prismatic hexagonal crystals accomplishing to symmetry laws that make this mineralogical species to crystallize in the hexagonal system. Its colour varies from dark red to brown; its dimensions vary from sub-millimetric to centimetric size; parallel associations of pyramidal crystals are common. Enargite, chalcopyrite and greenockite can be discovered in epitaxia on wurtzite crystals. All the mineralogical species grown together in epitaxia both on sphalerite and wurtzite are of later crystallization than the two hosting species. Sulvanite and colusite are two sulphosalts containing vanadium; both are rare in nature while they are rather diffused here in the Apuan Alps particularly in the Val Pulita quarry, located between Fantiscritti and Torano marble basins in the Carrara marble productive district; from this DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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bacini marmiferi di Fantiscritti e quello di Torano nel distretto marmifero di Carrara; da qui sono pervenuti i migliori campioni al mondo delle due specie nonché quelli di wurtzite. Tra gli altri solfuri la pirite è certamente il minerale più comune ed uno dei primi a cristallizzare all'interno delle cavità; lo si rinviene in quasi tutte le cave, soprattutto in cristalli pentagonododecaedrici fino ad un centimetro di diametro, rari i cristalli ottaedrici, rarissimi quelli con abito cubico che invece sono comuni inclusi all’interno della massa marmorea. Rari alcuni cristalli "ottaedrici" risultanti dall'impacchettamento di tanti minuscoli cristalli cubopentagonododecaedrici. Tra i solfosali di rame predominano i termini di arsenico. L'enargite è il minerale più comune, più raro il suo dimorfo luzonite, ancora più rara la famatinite. Relativamente rara anche la tetraedrite; rarissima la kësterite, solfosale di rame e stagno. Mentre i solfosali di rame presenti in questa giacitura sono essenzialmente di arsenico quelli di piombo sono prevalentemente di antimonio e sono molto più frequenti nel bacino di Seravezza piuttosto che in quello di Carrara. Boulangerite, zinkenite, robinsonite e guettardite sono i più comuni solfosali aciculari e macroscopicamente indistinguibili tra loro; rara la semseyite, rarissima la baumhauerite; mentre della serie jordanite-geocronite sono presenti quasi esclusivamente i termini ricchi in arsenico.

Minerale incognito in corso di studio; La Facciata, Carrara Unknown mineral, study in progress; La Facciata, Carrara

segnalano sporadici ritrovamenti di cristalli di realgar. Uniche per armonia di forme le epitassie di colusite su sfalerite; di wurtzite ed enargite su sfalerite e quelle di adularia su albite. Rari sono gli esempi di cristalli con sviluppo disuguale di facce identiche per simmetria come taluni cristalli cubottaedrici tabulari di galena; didatticamente esemplari alcuni geminati a ginocchio di rutilo, ed altri di bournonite, enargite, sfalerite, galena, pirite, calcite ed albite. L’unico elemento nativo è lo zolfo che si rinviene comunemente anche in cristalli centimetrici con il caratteristico abito bipiramidale. In questa giacitura, accanto ai numerosi solfuri, si osservano localmente numerosi minerali colorati di alterazione che danno origine talvolta

Stronzianite 2 mm; Fantiscritti, Carrara Stronzianite 2 mm; Fantiscritti, Carrara

Tra i solfosali di piombo e rame sono presenti entrambi i termini della serie della bournoniteseligmannite, mentre sono stati osservati solo due solfosali di bismuto, la cosalite e l’aikinite, entrambi nelle cave di Val Bona. Rarissimi i solfuri di arsenico; l’orpimento, relativamente comune nelle cave del distretto versiliese è qui quasi del tutto assente mentre si

Volbortite e malachite pseudomorfe di sulvanite, 2mm; Val Bona, Carrara Pseudomorphlogical volbortite and malachite of sulvanite, 2 mm; Val Bona, Carrara

location came the best samples in the world of the two commonly also in centimetric crystals with its typical species and those of wurtzite. bipyramidal habit. Fluorite and anatase, for their typicity of Pyrite certainly is one of the most common mineral in the crystalline habit, can be reminded among the several marble cavities and it is one of the first phases to crystalexisting species for the clearness and variability of crystal lize in the vugs; it can be found in almost all the quarries. colours. More than for their beauty and museological In the cavities, pyrite habit is usually pentagonododecavalue, these minerals offer unreachable examples for the hedric, with crystals up to one centimeter in diameter, teaching of mineralogy and solid state crystallography, as while it is rarer in octahedric crystals and extremely rare in well as they are very useful material for the study of cubic habit. On the contrary, pyrite crystals embedded in unknown or very rare phases and for the understanding of the marble are very often cubic. the genetic processes that led to their formation. Some octahedral crystals are rare, resulting from the In this framework, the small crystal size of the minerals packaging of many small cubic-pentagonal-dodecahedral found in the vugs of Apuan marble, instead of being an crystals. Arsenical terms are the most common among obstacle to the study of their geometrical and crystalloFigura characteristics, 5- Bacino marmifero is di Torano: cavaelement di versantewhich (Polvaccio) copper sulphosalts. Enargite is the most common chemical the main allows Figure 5Marble-yielding Torano basin: side quarry (Polvaccio). mineral while its dimorphous, luzonite, is more rare. to achieve these results; infact, a general rule in the Famatinite, the Sb-analogue of luzonite, is much more mineralogical world, is that the larger sized crystals are rare. Tetrahedrite is rather rare too but but it has been generally “bad shaped” while smaller ones show better the found in beautiful crystals; këstertite, a copper and tin ideality of crystallography by means of the “perfection” of sulphosalts, is very rare. their shapes, making intuitive some abstract concepts of While copper sulphosalts existing in this occurrence are crystallography such as crystalline lattice, coordination mainly arsenic-rich polyhedrons, and terms, the lead ones evidence the associaare mainly made tion of symmetry antimoniferous and elements peculiar to are much more each mineral. frequent in Seravezza So the epitactic relationbasin than in the ship of colusite over Carrara one. sphalerite, wurtzite and Boulangerite, zinkenenargite over sphalerite ite, robinsonite, and the epitaxias of guettardite and adularia over albite moëloite are the most crystals, are unique for common sulphosalts shape harmony. of acicular shape and Crystal examples with macroscopically undisunequal development of tinguishable among identical faces are rare, them; semseyite is as in the case of some rare, baumhauerite is galena cube-octahedral very rare. tabular crystals, or some Fluorite, 2mm; Fantiscritti, Carrara They are also present rutile knee-twins, and so Fluorite, 2mm; Fantiscritti, Carrara terms of the jordaniteon. The perfect geomegeocronite series; usually at Seravezza have been try of smaller size crystals is the result of an ordering found As-rich terms (jordanite). Both terms of the bournon- process of the matter aggregated into a homogeneous, ite-seligmannite series exist among lead and copper periodic and three-dimensional structure starting from a sulphosalts, while only two bismuth sulphosalts, cosalite nourishing hydrothermal fluid, in a very slow growing and aikinite, have been observed both in Val Bona process, inside the depths of the crust of the Earth. quarries. Arsenic sulphides are very rare; orpiment, rather common in the quarries of Seravezza zone, is here almost Acknowledgements totally absent while rare findings of realgar crystals are For editorial reasons the names of the several collectors of reported. Several alteration product of the sulphide assem- minerals, who lent their samples for the photographic blages can be locally observed, sometimes in typical images are not shown expressly under each photographs. pseudomorphosis. Sphalerite is commonly alterated into We want to thanks all those who contributed to the hydrozincite, hemimorphite, smithsonite, adamite, or development of the mineralogical researches on this aurichalcite; galena into cerussite; copper sulphides give country always in a fundamental way with their research origin to malachite and azurite; vanadium sulphides and passion. originate volborthite and descloizite while arsenic ones are In particular, hoping not to forget someone, we want to alterated into tyrolite, cornubite, mimetite, lavendulano, remind our friends: Granai Franco, Del Taglia Armando, chalcophyllite, parnauite, and many others; these alteration Simonini Angelo, Del Chiaro Lorenzo, Deri Giuliano, Salini products can be found in fractures interested by the circuAndrea, Cassettari Bigaranidi Emilio, Dalia Andrea. Figura 6- Ravaneti Amedeo, nel bacino marmifero Colonnata. lation of late hydrothermal fluids and/or surface waters. Figure 6- “Ravaneti” (Waste deposits) in marble-yielding Colonnata basin. Sulfur is the only native element which can be found, DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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a tipiche pseudomorfosi. In livelli di marmo fratturati, interessati da circolazioni più o meno profonde di fluidi idrotermali tardivi e di acque superficiali, la sfalerite è

condotto alla loro formazione. In questo contesto le minute dimensioni dei cristalli delle specie mineralogiche rinvenute all’interno delle cavità dei marmi apuani, invece di essere state un ostacolo all’evidenza delle caratteristiche geometriche, cristallografiche e strutturali delle fasi mineralogiche rappresentate, sono state invece l’elemento principale che ha consentito il raggiungimento di questo risultato. È infatti una regola generale nella natura

Celestina, 2 mm; cava Fantiscritti, Carrara Celestina, 2 mm; Fantiscritti quarry, Carrara

comunemente trasformata in idrozincite, hemimorfite, smithsonite, adamite o auricalcite; la galena in cerussite; i solfuri di rame in malachite e azzurrite; quelli di vanadio in volbortite e descloizite; quelli di arsenico in tyrolite, cornubite, mimetite, lavendulano, calcofillite, parnauite e molti altri. Tra le altre numerose specie presenti ricordiamo per la limpidezza e per la variabilità di colori dei cristalli la fluorite e, per la tipicità dell’abito cristallino, l’anatasio. Al di là dell’esteticità, del valore museologico

Wurtzite, 1,5 mm; Carrara Wurtzite, 1,5 mm; Carrara

mineralogica che i cristalli di dimensioni più grandi siano generalmente “mal formati” a differenza di quelli di dimensioni più minute che illustrano meglio, attraverso la “perfezione” dei loro abiti, l’idealità dello stato cristallino, rendono intuitivi alcuni concetti astratti della cristallografia quali i reticoli cristallini, i poliedri di coordinazione ed evidenti le associazioni di elementi di simmetria propri in ciascun cristallo. La perfetta geometria dei cristalli più minuti sono il risultato di un processo di ordinamento della materia aggregatasi in una struttura ordinata omogenea e periodica a partire da un fluido idrotermale nutriente, in un processo di crescita lentissimo, all’interno delle profondità delle crosta terrestre.

Ringraziamenti

Enargite 1,5 mm; Carrara Enargite 1,5 mm; Carrara

e collezionistico, questi minerali hanno offerto esempi ineguagliabili per la didattica della mineralogia e della cristallografia dello stato solido, nonché sono stati materiale utilissimo per lo studio di fasi sconosciute o rare e per la comprensione dei processi genetici che hanno

Per ragioni editoriali i nomi dei numerosi collezionisti di minerali che hanno prestato i loro campioni per le immagini fotografiche non sono riportati espressamente sotto ogni singola fotografia. Vogliamo qui ringraziare tutti loro che con la loro ricerca e la loro passione hanno contribuito sempre in maniera fondamentale allo sviluppo delle ricerche mineralogiche su questo territorio. In particolare, nella speranza di non dimenticarne qualcuno, vogliamo qui ricordare gli amici: Granai Franco, Del Taglia Armando, Simonini Angelo, Del Chiaro Lorenzo, Deri Giuliano, Salini Andrea, Cassettari Amedeo, Bigarani Emilio, Dalia Andrea.

Relazione presentata al Convegno: “Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma

Il Marmo in Architettura Verso un Uso Consapevole GIANNI ROYER-CARFAGNI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, DELL’AMBIENTE, DEL TERRITORIO E ARCHITETTURA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA

P

artendo dallo studio del singolare fenomeno di imbarcamento della facciata in marmo della Casa della Finlandia di Alvar Aalto, a Helsinki, si prende in esame il fenomeno di degrado del marmo conseguente alla decoesione granulare dei granuli costituenti di calcite. Si mostra che variazioni termiche di appena pochi gradi, anche se uniformemente distribuiti nel campione, sono in grado di produrre, a livello microscopico, la decoesione granulare la quale, a livello macroscopico, si manifesta come degrado della resistenza meccanica, dilatazione permanente del materiale, aumento della porosità aperta. L’attitudine al degrado delle varie quantità di marmo di Carrara vengono posti in correlazione con la forma dei grani di calcite, la cui disposizione a livello micro strutturale può variare fra i casi limite di tessiture omoblastiche e xenobla-

stiche. Prendendo in esame parametri geometrici comunemente usati nella computer vision, si propongono indici di forma che permettano di passare da una classificazione qualitativa della tessitura ad una descrizione quantitativa, e si mostra come tali parametri possono essere posti in buona correlazione con l’attitudine al degrado. In particolare, marmi a tessitura xenoblastica risultano in generale più resistenti delle varietà omoblastiche. Da questo studio si ricava una spiegazione della decoesione granulare e dell’imbarcamento della facciata della Casa della Finlandia, presa come esempio paradigmatico e, più in generale, modalità per determinare l’idoneità di un dato marmo per poter essere consapevolmente usato all’esterno, nonché contromisure pratiche per prevenire il degrado dei rivestimenti di marmo.

Marble in Architecture Towards Its Reliable Use GIANNI ROYER-CARFAGNI DEPARTMENT OF CIVIL ENVIRONMENTAL ENGINEERING AND ARCHITECTURE, UNIVERSITY OF PARMA

tarting from the study of the peculiar warping of the panels forming the façade of Alvar Aalto’s Finland Hall in Helsinki, the phenomenon of marble degradation due to granular decohesion of the constituent calcite grains is considered. We show that just a few degrees temperature increase, even when uniformly distributed inside the specimen, can produce, at the microscopic level, the granular decohesion which, at the macroscopic level, is revealed by a decay in the mechanical strength, a permanent dilatation and an increase of the open porosity. The attitude towards degradation of the various qualities of Carrara marbles is correlated with the shape of the calcite granes, whose microstructural arrangement can vary between the two borderline cases of homoblastic and xenoblastic textures. Taking into account geometric parameters commonly used in computer vision, shape coefficients are proposed which allow to pass from a qualitative to a quantitave description of the mosaic texture, and such parameters are shown to be correlated with the attitude towards degradation. In particular, xenoblastic marbles are more resistant than the homoblastic qualities. From this study an explanation of the granular decoesion and the warping phenomena of Finland Hall façade, taken as a paradigmatic example, are obtained. More in general, methods to determine the suitability of a given marble for its reliable use outdoors and practical countermeasure to prevent the degradation of marble claddings are proposed.

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1. Introduzione Una possibile definizione di Architettura è quella che la considera la disciplina avente come scopo la progettazione dello spazio: in architettura, il marmo deve pertanto essere inteso come elemento che definisce e delimita lo spazio, con proprietà funzionali, strutturali ed estetiche. I manufatti in marmo che si trovano in un edificio sono molteplici, e vanno dai pavimenti e rivestimenti, alle decorazioni, alle strutture come colonne e capitelli. Negli edifici moderni la funzione strutturale si è persa, ma il marmo continua ad essere molto usato nella costruzione dell’involucro, ovvero nelle facciate, nei parapetti e nei rivestimenti esterni. Purtroppo, soprattutto quando usato all’esterno, il marmo può presentare nel tempo notevoli inconvenienti. Diversi sono stati gli insuccessi dei quali due casi paradigmatici sono sicuramente stati l’AMOCO Building di Chicago e la Casa della Finlandia di Alvar Aalto a Helsinki. Il primo è un alto edificio inizialmente completamente rivestito in marmo di Carrara dal quale, senza apparente preavviso, alcuni pannelli si staccarono cadendo da più di 300 metri di altezza. Per questo motivo, e tenuto conto del possibile pericolo, il rivestimento è stato poi completamente sostituito con granito bianco. La caratteristica principale del palazzo di Helsinki, a dire il vero uno dei simboli della Finlandia, è che questo è completamente rivestita di marmo bianco. Tuttavia, nel corso degli anni, i pannelli di rivestimento hanno mostrato un singolare fenomeno di incurvamento. I pannelli sono stati sostituiti nel 1999 con altri di marmo bianco di Carrara per rispettare la concezione originale dell’edificio di Alvar Aalto,

1. Introduction One of the possible definitions of Architecture is that it is the discipline whose purpose is the design of space. “Marble in Architecture” means that marble is conceived of as the element that defines and delimits space, with functional, structural and aesthetic characteristics. There are many articles made of marble that can be found in buildings or other architectural works, ranging from floors, wall facings, ornaments, structures like columns and capitals. In the modern building the structural role is lost, but marble is still being used extensively in the construction of the envelope, that is in façades, balustrades and external facings. Unfortunately, when in contact with external environment, marble may show in the long run noteworthy inconveniences. There have been a certain number failures, of which perhaps the most famous and representative are the cases of the AMOCO building in Chicago, and Alvar Aalto’s Finland Hall in Helsinki. The first one is a tall building at the beginning completely covered with Carrara marble; it happened that a few panels of the cladding suddenly fall down from a height of more than 300 meters. Because of this, and taking into account the possible danger, the cladding was later completely substituted with white granite. The main characteristic of the building in Helsinki, indeed one of the symbols of Finland, is that it is completely clad by white marble. The panels of the façades showed a strange and

ma anche questi stanno evidenziando lo stesso fenomeno di imbarcamento. Inconvenienti dello stesso tipo si sono verificati anche in altri edifici, soprattutto in quelli esposti ad un clima particolarmente rigido. Per questo, molti studiosi pensano che l’uso del marmo all’esterno, in diretto contatto con gli agenti ambientali, debba essere evitato e che, pertanto, altri materiali, quali ad esempio il granito, gli debbano essere preferiti. Lo scopo della presente nota è quello di cercare di mostrare che una tale dichiarazione, dal tono così apodittico, non è del tutto corretta. Il marmo di Carrara è un materiale meraviglioso, che può essere usato anche all’esterno a patto di farne un “uso consapevole”, da programmare in fase di progettazione. Più precisamente, ci sono delle qualità di marmo di Carrara che sono adatte per uso esterno ed altre che non lo sono. È un compito del progettista dell’involucro quello di selezionare fra i vari tipi di marmo quello più adatto e di proporre al cliente la varietà più idonea per l’uso specifico. In questa nota si cercherà di chiarire il significato di “uso affidabile”, e per questo il punto di partenza è fornito dalle conclusioni di un complesso progetto di ricerca, finanziato congiuntamente dalla città di Helsinki e dalla Comunità europea, avente per oggetto lo studio del degrado della facciata della Casa della Finlandia. Vengono presentati risultati sperimentali, motivati alla luce di un modello micro strutturale, che permettono di valutare le possibili cause di degrado nell’edificio di Helsinki e di fornire, al tempo stesso, criteri oggettivi per la selezione consapevole di quelle qualità di marmo in grado di resistere nel tempo agli ambienti aggressivi.

somehow intriguing bowing phenomenon, uniformly distributed in the whole building. In 1999 the old panels where substituted with new ones still made of marble in order to maintain the original concept of the building imagined by Alvar Aalto. However, the new panels have started again to bow. Accidents like these occurred in other buildings, especially to those exposed to very cold climate. Because of the occurred problems, many experts in natural building stones believe that the use of marble in cladding or, more in general, its external use in direct contact with the environmental agents, has to be avoided. The purpose of this note is to try show that such an apodictic statement is not completely correct. Marble, and in particular Carrara marble, is a wonderful material that may be safely used outside, provided a reliable use of it is made starting from the design phase. More precisely, there are qualities of Carrara marble that are suitable for outdoor use and some others that are not. It is a task of the designer of the envelope to select those qualities that appear to be the most appropriate, proposing to the customer suitable solutions. In this paper, an attempt is made to clarify what this “reliable use” consists in. Starting from the results of long research project jointly supported by the City of Helsinki and the European Community, whose task was to study the degradation phenomena of Finland Hall’s façade, experimental results are presented which, corroborated by a microstructural motivated model, allow an insight about the possible causes of degradation of the

2. Il caso paradigmatico della Casa della Finlandia, a Helsinki La Casa della Finlandia, progettata nel 1962 da Alvar Aalto come sala da concerto e centro congressi, è stata completata nel suo primo blocco nel 1971. Tuttavia, la sua costruzione non è stata ultimata fino al 1975, quando a questo è stata aggiunta un’ala per le conferenze. L'intero edificio è ricoperto da una facciata di marmo bianco composto da lastre rettangolari in marmo di due diverse dimensioni, le più piccole circa 45 cm x 150 cm, le più grandi di circa 85 cm x 150 cm, tutte sui 3 cm di spessore. Il materiale, apparentemente lo stesso per tutta la facciata, fu fornito da un’azienda italiana. Uno strano e interessante fenomeno ha iniziato a manifestarsi appena pochi anni dopo il completamento dell’edificio: le lastre di marmo hanno gradualmente mostrato la tendenza all’imbarcamento di tipo concavo (Royer-Carfagni, 2000), tanto che alla fine il rialzo dei bordi verso l'esterno è arrivato ad essere anche 3-4 centimetri (Fig.1). Questo imbarcamento fuori piano è apparso più o meno omogeneo su ciascuna delle facciate dell’edificio, anche se è stato più pronunciato su alcune facciate rispetto ad altre. In particolare, il fenomeno è risultato meno marcato sulla facciata Nord e più vistoso su quella rivolta a Sud-Est. Praticamente non vi è stata traccia di imbarcamento di tipo convesso.

Le lastre rettangolari sono ancorate da 4 perni di pochi millimetri di diametro, che penetrano in fori praticati sul bordo delle lastre a circa un terzo dell’altezza dei pannelli. Tale ancoraggio permette un certo gioco fra perno e foro, mentre l’accoppiamento fra i pannelli è stato predisposto con una fuga opportuna; per questo, fenomeni di instabilità Euleriana possono essere esclusi dalle possibili cause dell’imbarcamento. Inoltre, dato che l’imbarcamento è omogeneo in ciascun campo di facciata, sebbene vari da campo a campo, tale fenomeno non può essere attribuito ad un difetto casuale del materiale che avrebbe, invece, causato un incurvamento distribuito senza un ordine preciso. Molti studi hanno cercato di spiegare questo fenomeno. Rayleigh è stato forse il primo a studiare con metodo scientifico la flessione del marmo (Rayleigh, 1934), arrivando alla conclusione che l'incurvamento in alcuni tipi di marmo può essere riprodotto riscaldando ripetutamente il campione in un forno. Più di recente, Widhalm et al. (Widhalm, 1996) hanno effettuato esperimenti che hanno dimostrato come un allungamento uniforme permanente possa essere prodotto per riscaldamento in lastre di marmo; il fenomeno dell’incurvamento, tuttavia, è risultato più difficile da riprodurre. Winkler sottolinea la necessità di un alto tasso di umidità per far curvare le lastre (Winkler, 1994, 1996), mentre una meticolosa ricerca sperimentale eseguita dalla Finlandese VTT

monument in Helsinki and furnish, at the same time, objective criteria for the reliable selection of marble qualities able to withstand aggressive environments.

than others: it was somewhat less marked on the approximately northern-facing side, while most conspicuous on that side exposed to South-East. Fig.1 La casa della Finlandia a Helsinki (Giugno 1998). Hardly any trace of convex Particolare dell’incurvamento delle lastre / Finland Hall in Helsinki bowing could be found. (June 1998), with evidence of bowing of the marble panels 2. The paradigmatic The rectangular slabs are case of Alvar Aalto’s anchored by 4 pins, a few millimeters in diameter, that Finland Hall in Helsinki penetrate into holes drilled in the side borders of the slabs, approximately at one third the panels’ heights. Finland Hall, designed by Alvar Aalto as a concert and Such anchorage allows a certain clearance between hole congress hall in 1962, was completed in its first, original and pin, and panel coupling was executed with a suitably layout in 1971. However, its construction was not large gap between any two adjacent panels, so that finalized until 1975, when the conference wing was buckling instability can be ruled out as the cause of added. The entire building is covered by a white marble bowing. Moreover, since all the slabs in the same field of façade made two different types of rectangular marble the façade appeared bowed to the same degree, and slabs, the smaller ones approximately 45 cm x 150 cm, since this degree slightly varies from field to field, it and the larger ones about 85 cm x 150 cm, all approximately 3 cm thick. An Italian supplier provided the seems that the phenomenon cannot be attributed to an intrinsic defect of the material, which would have caused material, seemingly the same throughout the façade. randomly varying warping throughout the façade. An intriguing phenomenon started to occur just a few years after the monument’s completion: the marble slabs Many studies have tried to explain this phenomenon. Lord Rayleigh was perhaps the first to study the bending exhibited a tendency towards concave bowing of marble scientifically (Rayleigh, 1934) and realized that (Royer-Carfagni, 2000), and eventually the marblethe bowing could be reproduced by repeatedly heating panels’ edges protruded outward up to 3-4 cm (Fig.1). some particular stone varieties in an oven. The occurrence of such out-of-plane rising appeared More recently Widhalm et al. (Widhalm, 1996) performed more or less homogeneous within each side of the experiments which proved that permanent elongation building, though it was more pronounced on some sides DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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Fig.2 Porzione di marmo ricavata da una lastra posta all’interno della Casa della Finlandia: a) ingrandimento 200x b) ingrandimento 1500x Portion of marble from a slab located in the interior of Finland Hall: a) 200x Magnification b) 1500x magnification

Fig.3 Microfotografia della superficie della facciata (faccia convessa imbarcata): a) ingrandimento 75x b) ingrandimento 500x Micrograph of the façade’s surface (concave bowed portion): a) 75x magnification b) 500x magnification

Fig.4 Microfotografia della porzione interna della lastra, appena sottostante la superficie esterna concava: a) ingrandimento 75x b) ingrandimento 1000x Micrograph of the slab’s inner portion, just underlying the concave bowed surface: a) 75x magnification b) 1000x magnification

Fig.5 Microfotografia della superficie interna convessa delle lastre imbarcate della facciata: a) ingrandimento 500x b) ingrandimento 5000x Micrograph of the convex inner surface of the bowed slabs in the façade: a) 500x magnification b) 5000x magnification

Fig.6 Analisi WDS in linea dei grani di solfato di calcio nella Fig.5 (a) Ingrandimento della regione di interfaccia fra i grani (b) In-line WDS analysis of the calcium sulphate grains in Fig.5 (a) Magnification of the interface region between adjacent grains (b)

(Mustonen, 1993) attribuisce la causa del degrado all’attacco di piogge acide. Osservando sezioni sottili di materiale tratte dalla facciata, Bouineau e Perrier hanno riconosciuto un generale “allentamento” della coesione del marmo (Bouineau e Perrier, 1995), che si manifesta col distacco dei granuli di calcite che costituiscono la microstruttura materiale: i grani rimangono integri ma distaccati, come se fosse venuto meno il legante che li univa. In effetti, il marmo della Casa della Finlandia mostra la classica tendenza a frantumarsi come una zolletta di zucchero (sugaring), in quanto può essere ridotto in una polvere di monocristalli di calcite con la semplice pressione delle dita. Questa caratteristica è comune a molti altri casi documentati di carenza strutturale nelle costruzioni in marmo (Franzini, 1995). Il punto chiave per la comprensione del fenomeno consiste nel prendere in esame la microstruttura del materiale. Le caratteristiche microscopiche del marmo usato per la Casa della Finlandia Hall sono state riconosciute impregnando piccole porzioni di materiale con una resina epossidica di colore rosso ed osservando sezioni sottili di questa miscela con un microscopio ottico. Con questa procedura, le interfacce tra i grani, se aperte e occupate dalla resina, appaiono evidenziate dal colore rosso (Boineau e Perrier, 1995). Tuttavia, questo metodo permette osservazioni limitate per livello di ingrandimento, non consente l'esame della superficie esterna delle lastre e, cosa più grave, può considerevolmente disturbare l’integrità dei campioni. Un più sofisticato programma di ricerca è stato condotto più di recente con l'obiettivo di selezionare la migliore qualità di marmo da utilizzare per il restauro

can be produced by uniformly heating marble slabs; the bowing phenomenon, however, could be only partially reproduced. Winkler stresses the need for moisture for marble slabs to buckle (Winkler, 1994, 1996), and intensive experimental research performed by the Finnish VTT (Mustonen, 1993) invokes acid-rain attack as the phenomenon’s cause. Observing thin sections of stone drawn from the façade, Bouineau and Perrier recognized a generalized loosening of rock cohesion (Bouineau & Perrier, 1995) caused by detachment of the marble’s constituent calcite grains one from the other: the grains remain integral, but it looks as if the cementing material between them has simply disintegrated. In effect, Finland Hall’s marble presents this classical tendency, called «sugaring», and can be reduced to a monocrystalline calcite powder with the pressure of a finger. This feature is common to several other documented cases of structural deficiencies in marble constructions (Franzini, 1995). The key point in understanding the phenomenon is consideration of the material underlying microstructure. The characteristic microscopic features of Finland Hall’s marble was recognized by impregnating small portions of the material with a red-coloured epoxy resin and observing thin sections of this mixture with an optical microscope. By this procedure, the interfaces between the grains, whenever open, appear highlighted by the red resin (Boineau & Perrier, 1995).

della Casa della Finlandia (Royer-Carfagni, 2000). Le analisi sono state effettuate su diversi campioni prelevati dalla facciata, utilizzando il microscopio a scansione elettronica (SEM). Lo stato del materiale integro, prima che il degrado prendesse piede, è stato valutato esaminando una lastra di marmo intatto, situata all'interno dell’edificio. La lastra era apparentemente fatta dello stesso materiale utilizzato per la facciata esterna. Le immagini al SEM, illustrate nella Fig.2, mostrano un assemblaggio compatto dei grani costituenti, di diametro variabile da 0.1 mm a 0.4 mm, assemblati in una microstruttura tipicamente omoblastica. In particolare, la Fig.2b mostra ad elevato ingrandimento un nodo della tessitura, in cui non si riconoscono evidenti segni di distacco. La superficie concava di una lastra imbarcata, situata sull’ala Sud del fabbricato, è invece riportata nella Fig.3. Questa è la superficie esterna della facciata esposta direttamente alle azioni di pioggia e vento. Sono chiaramente riconoscibili in queste immagini i segni di degrado superficiale, probabilmente causati da un attacco di tipo chimico. Rimuovendo con cura lo strato superficiale, è stato possibile osservare quella porzione di marmo immediatamente sottostante la superficie esterna della lastra (ad una profondità dell'ordine di 23 diametri granulare). La Fig.4 rappresenta queste porzioni, la cui caratteristica principale è senza dubbio la decoesione fra grano e grano (la Fig.4b è un particolare). Tuttavia, all’interno non è stata trovata traccia dell'attacco chimico visto in Fig.3. Le immagini della Fig.5 rappresentano l’altra faccia, quella convessa, della

stessa lastra di marmo imbarcata. Questa faccia è quella che è stata in diretto contatto con il materiale spugnoso dei pannelli isolanti posti nell’intercapedine fra la struttura dell’edificio e l’involucro. Nel materiale isolante sono state trovate tracce di solfati, dovute probabilmente all’impregnazione con le piogge acide, molto comuni in Finlandia. Infatti, anche se le fughe tra i pannelli di marmo sono completamente sigillate con silicone bianco (per scopi architettonici), la facciata non era impermeabile alla pioggia, dato che l’acqua poteva percolare da altre aperture. Quel che è peggio, il sigillante sulle fughe aveva l’unico effetto di limitare la circolazione di aria nell’intercapedine tra la costruzione e la facciata. Ad ingrandimento di 5000x (Fig.5b), la presenza di cristalli di solfato di calcio è chiaramente evidente perché riconoscibile dalle dimensioni (≈1-5 µm) e dalla forma oblunga. La presenza di zolfo in questi grani è confermata dalla scansione a diffrazione d’onda (wave diffraction scanning WDF) effettuata lungo la linea marcata in Fig.6. Una più dettagliata osservazione delle immagini rivela che le tracce di solfati risultano limitate allo strato superficiale per uno spessore di pochi diametri di grano, sia sulla superficie esterna che interna del pannello; il che indica che l'aggressione chimica deve essere considerata un fenomeno di superficie. A dire il vero, le tracce di solfato di calcio sono evidenti su entrambe le superfici, ma forse più evidenti sulla superficie interna che su quella esterna delle lastre (Fig.3), forse a causa dell’effetto pulente della pioggia e del vento. In ogni caso, quando l’analisi WDS è effet-

However, this method allows observations only at limited magnifications, it does not allow consideration of the slabs’ outer surfaces and, worse, may disturb the samples’ integrity to a considerable extent. A more sophisticated research program was conducted with the aim of selecting the best quality of marble for Finland Hall restoration (Royer-Carfagni, 2000). Analyses were performed on various samples taken from the façade using the scanning electron microscope (SEM). The primitive state of the material before any degradation took place was examined in an undamaged marble slab situated in the interior of the building. The slab was seemingly made of the same material as that used for the external façade. The SEM images presented in Fig.2 illustrate portions of this specimen exhibiting a compact assemblage of grains from 0.1 mm to 0.4 mm in diameter assembled in a typical homoblastic texture. In particular, Fig.2b shows high magnification of a texture node where no apparent detachment is present. The concave surface of a bowed slab located on the southern wing of the building is instead presented in Fig.3. This coincides with the outer surface of the façade directly exposed to the action of rain and wind. Evident signs of superficial degradation, probably due to chemical attack, are clearly recognizable in these pictures. Carefully removing the very outermost layer, it was possible to observe that portion of the

marble located just below (at a depth of the order of 2-3 grain diameters) the outer surface of the slab. Fig.4 depicts such portions, whose main feature is the very pronounced calcite-crystal grain decohesion (Fig.4b, in particular). However, the chemical attack seen in Fig.3 was not found inside the specimen. The micrographs in Fig.5 represent the other, convex bowed, surface of the same marble slab. This was in contact with the spongy-material insulation panels located in the air space between the building and its cladding. Traces of sulfates were found in the insulation, and it is our impression that this material could have been imbued with acid rain, very common in Finland. In fact, although the joints between the marble panels were completely sealed with a white plaster (for architectural purposes), the façade was not water-proof, since rain could surely seep in from other openings. What is worse, the effect of this seal was to limit air circulation between the building and façade. At 5000x magnification (Fig.5b), the presence of calcium sulphate crystals is clearly evident. These are immediately recognizable by their characteristic size (≈ 1-5 µm) and oblong shape. The presence of sulfur in these grains is also confirmed by wave diffraction scanning (WDS) performed along the marked line in Fig.6. Close observation of the pictures reveals that the presence of traces of calcium sulfate crystals is limited

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Fig.7 Esempio di imbarcamento dovuto al rilascio di autotensioni residue Example of bowing due to internal stress release

Fig.8 Microfotografie al SEM di un marmo di Carrara fratturato. (a) Fratture transgranulari; (b) Fratture intergranulari SEM micrograph of fractured Carrara Marble. (a)Transgranular fracture; (b) Intergranular fracture

Fig.9 Correlazione fra la resistenza a flessione del materiale e l’imbarcamento delle lastre in marmo (Mustonen, 1993) Correlation between strength parameters and bowing of marble slabs (Mustonen, 1993)

σ-f) per un marmo di Carrara di tipo A: Fig.10 Diagrammi sforzo-freccia (σ i) condizioni naturali [nat]; ii) dopo 3 cicli termici da -20°C a +100°C [100]; iii) dopo 1 ciclo da -20°C a + 180°C [180]; iv) dopo 22 cicli da -20°C a + 40°C [20-40] / Stress-displacement (σ-f) diagrams for type-A Carrara marble: i) natural conditions [nat]; ii) after 3 thermal cycles from -20°C to +100°C [100]; iii) after 1 cycle from -20°C to + 180°C [180]; iv) after 22 cycles from 20°C to + 40°C [20-40]

tuata su uno strato sub-superficiale del materiale, i risultati sono simili a quelli della Fig.6b, indipendentemente che la zona sia sulla parte interna od esterna della facciata. Tracce di solfati sono quasi trascurabili, ma la concentrazione è chiaramente più alta all’interfaccia fra grano e grano. Questo potrebbe essere un segno della percolazione di pioggia acida all'interno del materiale ma, per le ragioni che verranno esposte più avanti, si può forse anticipare che la penetrazione dei solfati è la conseguenza, piuttosto che la ragione di essere, del fenomeno stesso di decoesione granulare. Talvolta, l’imbarcamento di pannelli in marmo è attribuito al rilascio di autotensioni residue interne originate dalle pressioni tettoniche. La Fig.7 rappresenta l’imbarcamento di una lapide tombale in marmo prodotta dal suddetto fenomeno. Due caratteristiche sono evidenti: in primo luogo, l'imbarcamento è irregolare, lungi dall'essere così uniforme come nella Fig.1; in secondo luogo, soprattutto in prossimità del bordo della lastra, sono evidenti delle macrofessure. Da questo si può presumibilmente concludere che il rilascio di auto tensione residue sia da escludere tra le possibile cause per il fenomeno osservato nella Casa della Finlandia. D'altra parte, quello che sembra essere senza dubbio il fenomeno più caratteristico del caso Finlandese è la decoesione dei granuli di calcite cristallina che costituiscono le lastre di marmo. Si deve osservare che, in generale, se il marmo è rotto con uno scalpello (Dal Pino et.al., 1999) o con l'applicazione diretta di una trazione, le fratture risultano eminentemente transgranulari, come

to within a few grain-diameters’ depth from both external faces of the panel surface - a finding which would indicate that chemical aggression should be considered a surface phenomenon. As a matter of fact, calcium sulfate traces are more evident in proximity of the internal surface than in proximity of the external surface of the façade (Fig.3). This is probably due to natural washing effects where it is directly exposed to the actions of rain and wind, but the signs of chemical attack remain very evident. Indeed, when WDS analysis is performed on an inner portion of the material, images similar to Fig.6b result, regardless of whether the sample was close to the internal or the external surface of the façade. Traces of sulfates are almost negligible, but as a peculiar feature, the concentration is clearly the highest at grain boundaries. This is a sign that acid rain may penetrate inside the material. However, from the results of this research that will be exposed later on, we may conjecture that sulfate penetration is a consequence, rather than the reason, of granular decohesion itself. Sometime, the warping of marble panels is attributed to the release of the internal, self-equilibrated, state of stress originated by tectonic pressure. Fig.7 represent the warping of a marble gravestone produced by the aforementioned phenomenon. Two features are evident: first, the warping is irregular, far from being as uniform as that of

rappresentato nella Fig.8a. Per confronto, il tipico aspetto di una frattura intergranulare, vale a dire della decoesione, è stato riportato nella Fig.8b.

3. L’effetto delle azioni termiche sul marmo La decoesione dei granuli di calcite può non solo produrre il piegamento del marmo, ma anche ridurre drasticamente le proprietà meccaniche macroscopiche del materiale. La Fig.9, tratta da (Mustonen, 1993), riassume i risultati di una lunga serie di osservazioni sperimentali sul rivestimento della Casa della Finlandia, dal suo anno di completamento (1971) fino al 1990. Il grafico illustra lo sviluppo della freccia massima nelle lastre imbarcate in funzione del tempo; a questa deformazione è chiaramente correlata la riduzione della resistenza a flessione del materiale. Un simile decadimento della resistenza a flessione può essere facilmente riprodotto per mezzo di condizionamenti termici. Come esempio, si riportano alcuni risultati presi da (Royer-Carfagni, 2000), che si riferiscono a prove di flessione su tre punti eseguite su marmo bianco di Carrara secondo ASTM C880. Al fine di riprodurre il processo naturale di danneggiamento, le prove sono state eseguite su materiali i) in condizioni naturali; ii) dopo 3 cicli termici da -20°C fino a +100°C; iii) dopo 1 ciclo da -20°C a +180°C; iv) dopo 22 cicli da -20°C a +40°C (ogni ciclo è

stato completato in un periodo di cinque ore). Per ciascuno di queste quattro serie di test, sono stati considerati tre campioni per ogni tipo di materiale. I diagrammi che correlano il massimo sforzo nominale di flessione (MPa) con la freccia massima (mm), così come ottenuti nelle prove, sono giustapposti nella Fig.10 per un particolare tipo di marmo bianco di Carrara, di seguito denominato "tipo A" per evitare nomi commerciali. I quattro grafici si riferiscono a campioni che hanno subito i cicli termici di cui sopra, qui indicati rispettivamente con [Nat], [100], [180], [20-40]. Il degrado prodotto dalle azioni termiche è davvero evidente, ma tale predisposizione non è comune a tutti i tipi di marmi. La Fig.11 riporta per esempio i risultati di test simili effettuati su un altro tipo di marmo bianco di Carrara, di seguito denominato "materiale C". Questo mostra chiaramente una migliore capacità di sopportare cicli termici. È ben noto che la decoesione granulare può essere prodotta, sia naturalmente o artificialmente, da cause di varia natura ma, comunque, di natura meccanica piuttosto che chimica. Un esempio è quello dei sali solubili, che possono penetrare in soluzione all’interno di fessure intergranulari pre-esistenti ed aprirle, a causa dell’aumento di volume dovuto al processo di cristallizzazione quando il solvente evapora. Un altro esempio è quello della ripetizione di cicli di carico (prove

Fig.1; second, macro1990. The graph shows scopic cracks are evident, the development of σ-f) per un marmo di tipo C sottoposto a Fig.11 Diagrammi sforzo-freccia (σ especially at the slab sagging of the bowed flessione su tre punti: i) condizioni naturali [nat]; ii) dopo 3 cicli termici da border. From this, albeit marble with advancing -20°C a +100°C [100]; iii) dopo 1 ciclo da -20°C a + 180°C [180]; iv) dopo 22 cicli da -20°C a + 40°C [20-40] / Stress-displacement (σ-f) diagrams for type-C tentatively, it may be age, and clearly marble under 3P bending: i) natural conditions [nat]; ii) after 3 thermal cycles concluded that internal correlates this effect to from -20°C to +100°C [100]; iii) after 1 cycle from -20°C to + 180°C [180]; iv) after 22 cycles from -20°C to + 40°C [20-40] stress may ruled out the reduction of the among the causes of the material’s flexural warping of Finland Hall’s strength. panels. On the other hand, what appears to be the most A similar decay of flexural strength can be surely peculiar phenomenon in the degradation of the Finnish reproduced by means of thermal treatments. monuments is the particular decohesion of the calcite As an example, we report some qualitative results taken crystal granules constituting the marble slab. from (Royer-Carfagni, 2000), which refer to three-point Observe that, in general, if marble is broken with a bending tests performed on Carrara white marble chisel (Dal Pino et.al., 1999) or by the direct application according to ASTM C880. In order to reproduce the of tensile stress, fractures become eminently natural damage process, the tests were performed on transgranular, as represented in Fig.8a. For comparison, materials i) under natural conditions; ii) after 3 thermal the typical aspect of intergranular fracture, i.e., the cycles from -20°C to +100°C; iii) after 1 cycle from -20°C granular decohesion, has been reported in Fig.8b. to +180°C; iv) after 22 cycles from -20°C to +40°C (each cycle was completed in a five-hour period). For each of these four series, three specimens were 3. Effects of thermal actions on marble Calcite grain decohesion can not only produce bowing of considered per material type. Representative diagrams correlating the nominal bending stress (MPa) with the the marble, but also drastically reduce the macroscopic flexural sag (mm) obtained in the tests are juxtaposed in mechanical properties of the material. Fig.9, taken from Fig.10 for a particular type of Carrara white marble, here (Mustonen, 1993), summarizes the results of a long referred to as “type A” in order to avoid commercial series of experimental observations on Finland Hall’s names. The four graphs refer to materials having cladding, from the year of its completion (1971) up to

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di fatica), in cui la causa è da attribuire questa volta all’anisotropia elastica della calcite che costituisce i grani (Royer-Carfagni e Salvatore, 2000). Tuttavia, le cause principale della decoesione granulare sono classicamente le variazioni di temperatura (RoyerCarfagni, 1999a), da qui il termine «marmo cotto» utilizzato per secoli dai cavatori di Carrara per indicare qualsiasi marmo che presenti ridotta resistenza meccanica. Questo effetto, come si vedrà poi, è dovuto ad anisotropia della dilatazione termica della calcite, e può essere prodotto da un aumento di temperatura di pochi

gradi, anche se distribuiti in modo uniforme in tutto il corpo (Royer-Carfagni, 2004). Dal momento che la decoesione granulare è sempre accompagnata dall’apertura di fessure intergranulari, le sue conseguenze a livello macroscopico dovrebbero essere l’aumento di volume e, di conseguenza, una dilatazione permanente. L’imbarcamento delle lastre di marmo della Casa della Finlandia potrebbe, quindi, essere spiegato assumendo un gradiente del livello di decoesione granulare attraverso lo spessore della lastra, che provoca un diverso allungamento fra le fibre interne ed esterne. Le ragioni per le quali il livello di decoesione granulare dovrebbe variare nello spessore possono essere numerose e qualitativamente diverse. In ogni caso è stato confermato dalle attente misurazioni effettuate in-situ che la temperatura varia tra la superficie interna e la superficie esterna della facciata. Sono state pure notate differenze nel tasso di umidità, che possono anch’esse svolgere un ruolo importante. Per indagare questo fenomeno, è stata eseguita una serie di test utilizzando un dilatometro ad alta sensibilità del tipo rappresentato in Fig.12, in grado di registrare l'espansione del marmo conseguente a variazioni di temperatura (Royer-Carfagni, 2004). Dal momento che la decoesione granulare implica un aumento di volume, la dilatazione permanente può rappresentare un indice della quantità di danno indotto. Sono state considerate diverse qualità di marmo di Carrara. La Fig.13 mostra i risultati per lo stesso tipo A di marmo della Fig.10. I campioni sono stati sottoposti a cicli quasi-statici di temperatura che variavano approssimativamente da -50°C a +55°C, mentre la

Fig.12 Apparato sperimentale per i test dilatometrici Experimental apparatus for dilatometric tests

Fig.13 Dilatazione media in funzione della temperature per un marmo di tipo A. Primo e secondo ciclo / Average strain as a function of temperature for A-type Marble. First and second cycle

undergone the aforementioned thermal cycles, here referred to as [Nat], [100], [180], [20-40], respectively. The degradation produced by thermal treatments is really evident, but such a sensitivity is not common to all types of marbles. Fig.11 reports the results of similar tests for another type of Carrara white marble, here referred to as “material C”, which clearly shows a better attitude to withstand thermal cycles. It is well known that granular decohesion can be produced, either naturally or artificially, by causes of various nature acting through mechanical, rather than chemical, mechanisms. One example is that of soluble

salts, which may penetrate deeply and cause expansion of pre-existing transgranular cracks due to a volume increase during the process of crystallization, when the solvent evaporates (Franzini, 1995). Repetition of load cycles (fatigue tests) is another example; this time the effect being due to elastic anisotropy of the constituent calcite grains (RoyerCarfagni & Salvatore, 2000). However, temperature variations are the most well known cause of granular decohesion (Royer-Carfagni, 1999a), hence the term «marmo cotto» (i.e. baked marble) used for centuries by quarrymen in Carrara to denote any marble presenting poor mechanical properties. This effect is due to the anisotropy of the thermal expansion of calcite, and can also be produced by temperature rises of just a few degrees uniformly distributed throughout the body (Royer-Carfagni, 2004). Since granular decohesion is always accompanied by opening of intergranular cracks, volume increase and a consequent permanent dilatation should be its counterparts at the macroscopic level. Marble bowing in Finland Hall could thus be explained assuming a gradient of the decohesion level through the slab thickness, which induces a different elongation between the internal and the external fibers. The reasons why the granulardecohesion level should vary through the slab thickness may be numerous and different in type. In any case, careful in-situ measurements have demonstrated that temperature may vary between the

loro dilatazione veniva continuamente registrata dall’apparato sperimentale. Cinque diverse fasi possono essere riconosciute nella risposta del materiale. La prima, indicata con (a) nella Fig.13, corrisponde al primo incremento di temperatura, da t=+20°C (temperatura ambiente) a t=+55°C. Si deve qui notare la crescita superlineare della dilatazione termica, che dovrebbe essere confrontata con la pendenza della linea retta riportata a fianco, che corrispondente alla dilatazione media della calcite pura (α=12·10-6 °C-1). La maggiore espansione del composito (il marmo) rispetto al componente (la calcite) può essere attribuita allo sviluppo di fessure. Le osservazioni al SEM hanno mostrato che queste sono di tipo intergranulare,come quelle della Fig.8b. La fase di raffreddamento può essere convenientemente distinta in tre tratti: la fase (b), da t=+55°C a t=+30°C; la fase (c), da t=+30°C a t=-40°C; la fase (d), da t=-40°C a t=-50°C. La differenza principale tra (b) e (c), è che il grafico in (b) è pseudo orizzontale, mentre l'inizio di (c) è marcato da un improvviso cambiamento della pendenza. Questo comportamento può essere spiegato supponendo che il contatto con attrito tra i grani impedisca il recupero istantaneo della deformazione. La dilatazione inversa (contrazione) inizia solo all'inizio della fase (c), e poi progressivamente rallenta al diminuire della temperatura, come logico attendersi. Questo particolare comportamento può essere una conferma del fatto che la dilatazione accumulata durante la prima fase (a) dovrebbe essere, almeno in parte, attribuita allo scorrimento dei grani gli uni rispetto agli altri. Il carattere distintivo della fase (d)

consiste invece nel fatto che, abbassando ulteriormente la temperatura al di là di un certo limite, il materiale si espande piuttosto che contrarsi ulteriormente. Questa fase può essere correlata con la rottura dei legami intergranulari dovuti all’incongruenza della deformazione termica fra grano e grano, con conseguente apertura di fessure. Infine, se a questo punto la temperatura è aumentata di nuovo, il materiale inizia a espandere ancora una volta, entrando nella fase (e). Il carattere distintivo della (e) è che la pendenza del corrispondente grafico è quasi parallela a quella di fase (b), un segno evidente, nella nostra interpretazione, del ruolo significativo svolto dall’attrito interno. La fase (e) termina a t≈+30°C. È importante notare che se il ciclo si fosse fermato a temperatura ambiente (t=+20°C), il marmo avrebbe mostrato una dilatazione permanente significativa. I cicli successivi proseguono con le stesse caratteristiche, ripercorrendo le cinque fasi appena discusse. Alcuni commenti sono tuttavia necessari. Prima di tutto, si noti che la pendenza dei grafici che fanno riferimento alle fasi (b) e (e) va lentamente crescendo; il che potrebbe indicare che l’attrito interno diminuisce nel corso dei cicli, probabilmente a causa dell’usura delle superfici di contatto fra i grani. In secondo luogo, l'inizio della fase (a), caratterizzata da una crescita dello strain superlineare con la temperatura, si sposta verso destra nel corso cicli. Ad esempio, da circa 33°C nel 2° ciclo diventa circa 42°C al 9° ciclo. È ancora più importante notare che, come è evidente nella Fig.13, l'aumento di volume che si verifica nelle fasi (d) diminuisce con il numero di cicli.

inner and outer surface of the façade due to the building internal heating; differences in the humidity level, also confirmed by measurements, might as well play an important role. To investigate this phenomenon, a series of tests was performed using a high-sensitivity dilatometer of the type represented in Fig.12, able to record the expansion of marble consequent to temperature variations (Royer-Carfagni, 2004). Since granular decohesion implies volume increase, the permanent dilatation may represent an index of the amount of damage produced. Different qualities of Carrara marbles were considered. Fig.13 shows the results for the same A-type marble of Fig.10. Specimens were subjected to quasi-static thermal cycles varying from approximately -50°C up to +55°C and their dilatation continuously recorded by the experimental apparatus. Five different phases can be recognized in the material response. The first one, in Fig.13 referred to as (a), corresponds to the first temperature increment, from t=+20°C (room temperature) to t=+55°C. Notice the superlinear growth of thermal strain, which should be compared with the slope of the straight line also drawn in the Figure, corresponding to the theoretical average dilation of pure calcite (α=12·10-6 °C-1). The greater expansion of the composite (marble) with respect to the component (calcite) can be attributed to the development of cracks. SEM investigations show that these are intergranular in type as in Fig.8b.

The cooling stage can be conveniently distinguished into three branches: phase (b), from t=+55°C to t=+30°C; phase (c), from t=+30°C to t=-40°C; phase (d), from t=-40°C to t=-50°C. The main difference between (b) and (c) is that the graph in (b) is pseudo-horizontal, whereas the beginning of (c) is indicated by a sudden change in the slope. This can be explained assuming that the frictional contact among the grains prevents an instantaneous recovery of the strain. Reverse sliding starts only at the beginning of phase (c) and then gradually slows down, as logically expected, when the temperature is further decreased. This may be a confirmation that the dilatation accumulated during phase (a) should be, at least partially, attributed to sliding of the grains. The distinguishing character of phase (d) consists in the fact that, lowering the temperature beyond a certain limit, the material expands rather than further contracting. This phase can be correlated with the breaking of intergranular bonds subsequent to the incongruent granular contraction at low temperatures, and the consequent opening of cracks. Finally, if at this point temperature is increased again, the material starts to expand once more, entering phase (e). The distinguishing character of (e) is that the slope of the corresponding graph is almost parallel to that of phase (b), an evident sign, in our interpretation, of the significant role played by friction. Phase (e) ends at t≈+30°C. It is important to notice that if the cycle had stopped at DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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Questa è una caratteristica tipica del fenomeno di dandamente ad ogni ciclo. Questi esperimenti mostrano neggiamento. Più alto è il numero di cicli termici al che, in generale, variazioni termiche bilaterali sono più quale il campione è stato sottoposto, minore è il nume- pericolose di variazioni unilaterali. Al fine di indagare la ro di legami che possono essere ulteriormente rotti se possibile influenza dell’umidità, sono stati condotti viene eseguito un nuovo ciclo. Infatti, i legami più degli esperimenti anche su campioni bagnati. deboli si rompono subito nei primi cicli, mentre nei cicli I diagrammi per lo stesso tipo A di marmo delle successivi restano da rompere i legami più resistenti Figg.13 e 14, ma ora in condizioni bagnate, sono ripor(Royer-Carfagni, 1999b). tati nella Fig.15. La differenza che maggiormente risalLa dilatazione permanente può essere prodotta anche ta rispetto a prima è che, adesso, nella prima fase, da variazioni termiche unilaterali. denominata ancora (a), si produce una dilatazione La Fig.14 rappresenta, ad esempio, la risposta dello molto più grande rispetto al campione secco di cui alla stesso tipo A di marmo quando la sua temperatura è Fig.13. Inoltre, anche la dilatazione a temperature variata nei limiti da +20°C a -35°C (le due figure si molto basse, chiamata nuovamente fase (d), è molto riferiscono rispettivamente ai cicli 1-2 e 45). Ancora una volta, analogamente alla fase (d) di Fig.13, si nota una caratteristica espansione quando la temperatura scende al di sotto di un certo limite. Tuttavia, come Fig.14 Dilatazione media in funzione della temperature per un marmo di tipo A. Cicli termici fra t=+20°C e t=-35°C. la Fig.14b conCicli n. 1-3 (a) e n. 4-6 (b) ferma, tale Average strain as a function of temperature for A-type Marble. Thermal cycles between t=+20°C and t=-35°C. Cycles n. 1-3 (a) and n. 4-6 (b) effetto diminuisce molto rapi-

room temperature (t=+20°C), marble would have shown a significant permanent dilatation. In further cycles the strain follows a similar characteristic trend, where all the five aforementioned phases can again be recognized. A few comments are however necessary. First of all, the slope of the graphs referring to phases (b) and (e) goes slowly increasing, an indication that the internal friction diminishes with ongoing cycles, probably do to the smoothening out of the contact surfaces. Secondly, the beginning of phases (a), characterized by superlinear growth of strain with temperature, is shifted rightwards with ongoing cycles. For example, it was around 33°C in the 2nd cycle; it becomes around 42°C at the 9th cycle. What is even more important is that, as it is clear also from Fig.13, the volume increase occurring in phases (d) diminishes with cycling. This is a characteristic of ongoing damage. The higher is the number of thermal cycles the specimen has undergone, the lower is the number of bonds that can be broken if a new cycle is performed. In fact, roughly speaking, if the weakest bonds have already been broken in the previous history, the strongest bonds are the ones that remain active (Royer-Carfagni, 1999b). One-sided thermal variations may as well produce a permanent dilatation. Fig.14 represents, for example, the response of the same A-type marble when its temperature is varied from +20°C to -35°C (the two pictures refer to cycles 1-2 and 4-5 respectively).

Again, similarly to phase (d) in Fig.13, we notice a characteristic expansion when the temperature is decreased beyond a certain limit. However, such contribution decreases very quickly at each cycle, as Fig.14b confirms. These experiments show that, in general, two-sided thermal conditioning may be more dangerous than one-sided variations. In order to investigate the influence of moisture, wet sample were also tested. The diagrams for the same A-type marble of Figs.13 and 14, but now in wet conditions, are reported in Fig.15. What should be noticed here is the first phase, again referred to as phase (a), which produces a much larger dilatation than for the dry sample in Fig.13. Correspondingly, also the dilatation at very low temperatures, called again phase (d), is much less than in Fig.13. This is an evidence that the effect of humidity is that of facilitating the relative sliding of the grains. In rough words, we may say that humidity acts as a “lubricant”. These considerations, especially those concerning humidity, may only be considered conjectural at this time. It is however expected that at least some of the questions mentioned will be clarified by further studies. In summary, we can affirm that thermal variations can produce granular decohesion similar to that observed in Finland Hall façade and produce, at the macroscopic level, the permanent dilatation of marble.

meno pronunciata che in Fig.13. esterno. Questo spiegherebbe il tipico incurvamento Questo comportamento indica che l'effetto dell’umidità della Fig.1. è probabilmente quello di facilitare lo scorrimento La misurazione della dilatazione permanente prodotta relativo dei grani. In parole povere, potremmo dire che da cicli termici può anche essere un test efficace per l'umidità agisce come un “lubrificante”. valutare la vulnerabilità delle diverse qualità di marmo. Queste considerazioni, in particolare quelle riguardanti La Fig.16 rappresenta, in scala semi-logaritmica, la l'umidità, debbono essere al momento considerate a dilatazione permanente in funzione del numero di cicli livello di massima, ma si prevede che vari punti possatermici effettuati da -50°C a +55°C, condotti su tre no essere chiariti da studi successivi. In sintesi, si può diverse qualità di marmo. È degno di nota che tali graaffermare che le variazioni termiche possono produrre fici siano praticamente rappresentabili con linee rette. un fenomeno di decoesione granulare simile a quello Di conseguenza, la pendenza di ciascun grafico può osservato nella Casa rappresentare un indice della Finlandia e produrdella tendenza del re, a livello macroscopimateriale al danneggiaco, la dilatazione permento: le pendenze più manente del marmo. piccole corrispondono ai In questo studio è stato materiali meno vulneraconsiderato l’effetto delbili (Royer-Carfagni l’umidità, che agisce 2004). come un lubrificante e Il motivo per cui varie può accelerare l'accuqualità di marmo di mulo di dilatazione perCarrara, a prima vista manente. uguali, si comportano in È molto probabile che la modo diverso fra loro differenza di condizioni verrà mostrato nella termo-igrometriche tra prossima sezione, parle superfici interne ed lando della disposizione esterne dell’involucro in dei cristalli a livello marmo possa essere microstrutturale. responsabile di una Fig.15 Dilatazione media in funzione della temperature. Marmo di diversa dilatazione del tipo A in condizioni bagnate. Primo e secondo ciclo Average strain vs. temperature. A-type Marble in wet conditions. materiale fra interno e First and second cycle

In this study, we have evidenced the effects of humidity, which acts as a lubricant and may accelerate the accumulation of permanent strain. It is very probable that differences in the thermo-hygrometric conditions between the Fig.16 Dilatazione permanente in funzione del numero dei cicli (scala inner and the outer semilogaritmica) per tre diverse qualità di marmo di Carrara. Cicli effettuati surface of the façade fra -50°C e +55°C / Permanent dilatation vs. number of cycles (semi-logarithmic scale) for three different qualities of Carrara marble. may be responsible of a Cycles performed between -50°C and +55°C different dilatation of the inner and outer material fibers. This would explain the bowing represented in Fig.1. Measuring the permanent dilatation produced by thermal cycling may also be a an appropriate test to assess the vulnerability of different marble qualities. Fig.16 represents, in semi-logarithmic scale, the measured permanent dilatation as a function of the number of thermal cycles from -50°C to +55°C performed on three different marble types. It is noteworthy that such graphs are, approximately, represented by straight lines. The slope of each graph may thus be an index of the material attitude to damage: smaller slopes correspond

to more durable materials (RoyerCarfagni 2004). The reason why different qualities, apparently equal, behave differently has to be found, as will be shown in the next Section, in the microscopic arrangement of the crystals.

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Relazione presentata al Convegno: “Carrara, il Marmo nella Storia”, Maggio 2008, Parma

Il Marmo in Architettura Verso un Uso Consapevole - 2a Parte GIANNI ROYER-CARFAGNI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, DELL’AMBIENTE, DEL TERRITORIO E ARCHITETTURA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA maggiore embricatura dei grani nelle varietà xenoblastiche, la decoesione granulare è certamente più favorita nelle omoblastiche che in quest’ultime. A parziale conferma di ciò, si osservi che le linee a pendenza più bassa in Fig.16 (Diamante A&T n°44) corrispondono proprio a marmi xenoblastici. Dal momento che lo studio, almeno fin’ora, ha suggerito che la tessitura dei grani può essere una delle maggiori caratteristiche per la qualificazione del materiale, si propone qui un semplice metodo per descrivere le proprietà microstrutturali della tessitura sulla base di parametri quantitativi di classificazione per la forma geometrica dei grani, quali l’area A, il perimetro P o lo scheletro S, parametri usati principalmente nel campo della ricostruzione delle immagini e computer vision. Naturalmente altri parametri, come ad esempio il fattore di Paris, potrebbero essere scelti come indicatori della forma, ma qui la scelta viene limitata ai tre precedenti.

1a Parte pubblicata in Diamante A&T n°44 1. INTRODUZIONE 2. IL CASO PARADIGMATICO DELLA CASA DELLA FINLANDIA, A HELSINKI 3. L’EFFETTO DELLE AZIONI TERMICHE SUL MARMO

4.Caratterizzazione microstrutturale dei marmi Qualsiasi marmo è composto per oltre il 99% da calcite pura, mentre gli altri componenti accessori non hanno praticamente alcuna influenza sulla proprietà meccaniche, anche se sono responsabili di importanti effetti cromatici, come le venature. A livello microscopico, la differenza principale fra i vari tipi di marmo esaminati consiste nella tessitura secondo la quale sono disposti i granuli costituenti, che può variare tra i due casi limite di solito denominati tessitura omoblastica (o granoblastica) e xenoblastica. Le sezioni sottili per le due tipiche tessiture sono rappresentate in Fig.17. Naturalmente, data la

Fig.17 Tessiture omoblastiche (a) e tessiture xenoblastiche dei marmi (b). Sezioni sottili di marmi di Carrara Homoblastic texture (a) vs. xenoblastic texture (b). Thin sections of Carrara marbles

Marble in Architecture Towards Its Reliable Use 2nd Part

GIANNI ROYER-CARFAGNI - DEPARTMENT OF CIVIL ENVIRONMENTAL ENGINEERING AND ARCHITECTURE, UNIVERSITY OF PARMA

1st Part published in Diamante A&T n°44 1. INTRODUCTION 2. THE PARADIGMATIC CASE OF ALVAR AALTO’S FINLAND HALL IN HELSINKY 3. EFFECTS OF THERMAL ACTIONS ON MARBLE

4. Microstructural characterization of marbles Any marble is composed for more than 99% of pure calcite, whereas the other accessory components have pratically no influence on the mechanical properties even if they are responsible of chromatic effects, likewise the veining. The main difference in the examined types consists, at the microscopic level, in the textural arrangement of the constituent calcite grains, which may range between the two extreme cases usually referred to as homoblastic (or granoblastic) and xenoblastic. Thin sections of the two borderline cases of such textures are represented in Fig.17. Of course, due to the higher imbrications, granular decohesion is certainly more favored in homoblastic than in xenoblastic marbles. This is at least partially confirmed by the fact that the line with lowest slope in Fig.16 (Diamante A&T n°44) corresponds to xenoblastic marbles. Since so far the study has suggested that the grain texture may be a major qualifying characteristic, here we propose a simple method to describe the microstructural textures, based on the quantitative classification of the geometric shape of the grains by means of indicators, likewise the grain area A, the perimeter p or

Oltre alla classificazione del materiale, si prenderanno qui in esame anche possibili correlazioni tra i parametri che definiscono la tessitura microstrutturale e le proprietà meccaniche macroscopiche, come la resistenza alla flessione o la porosità. Degli studi recenti hanno infatti dimostrato che molte proprietà del marmo sono una conseguenza della microstruttura. Ad esempio, in (RoyerCarfagni, 1999a) si è evidenziato lo stato di tensione non nullo al quale sono sottoposti i granuli in conseguenza a variazioni termiche uniformemente distribuite nel corpo. Questo stress è originato dalla dilatazione termica anisotropa della calcite che produce l’incongruenza delle deformazioni nel mosaico tessiturale a causa dell’orientamento casuale dei granuli costituenti. In (Royer-Carfagni 1999a) è stato dimostrato che gli stati di tensione più gravosi si stabiliscono sul bordo dei grani, in particolare nei nodi della tessitura dove convergono più di due grani. Più in particolare, si è visto che tanto più aguzzo è lo spigolo del grano, tanto meno pericoloso è lo stato di tensione; questa constatazione potrebbe suggerire che i marmi xenoblastici sono più resistenti rispetto alle qualità omoblastiche. Le indagine sperimentali di altri autori (Franzini, 1983) sembrano confermare questa tendenza. Un ulteriore esempio di correlazione con le proprietà microscopiche è dato dalla risposta dei marmi a sollecitazioni cicliche a fatica (Royer-Carfagni e Salvatore, 2000). Anche in questo caso, i test hanno confermato che i marmi xenoblastici sono, di norma, più resistenti rispetto alle qualità omoblastiche. In conclusione, una caratterizzazione quantitativa delle proprietà microstrutturali può consentire una previsione sulle proprietà meccaniche macroscopiche e, cosa forse più importante, un’indicazio-

ne dell’attitudine naturale al danneggiamento per decoesione granulare (Royer-Carfagni 1999a). L’osservazione di sezioni sottili del materiale (Fig.17) ha proposto le seguenti considerazioni qualitative (Forlani et.al., 2000). Le tessiture omoblastiche contengono grani convessi di varie dimensioni strettamente impacchettati fra loro, mentre i grani che compongono le tessiture xenoblastiche presentano dimensioni simili con molte parti concave. Pertanto, come parametri rappresentativi in grado di descrivere sinteticamente la forma dei grani è naturale considerare l’area A e il perimetro P: infatti, per lo stesso valore di P, l’area A è più piccola per le forme concave rispetto a quelle convesse. Pertanto, il rapporto A/P2 può rappresentare un parametro efficace per la determinazione quantitativa del grado di “omoblasticità”. Si possono però considerare altri parametri caratteristici della forma del grano. In particolare, si può fare riferimento agli indici di forma di solito impiegati nella Computer Vision (CV) (Gonzales & Woods, 1992), sviluppati in particolare per il riconoscimento automatico dei caratteri di testo. Tra i vari indici utilizzati in questo campo si trova infatti il rapporto A/P2, qui denominato compattezza, e la convessità, definita come il rapporto fra l’area A di una figura piana e l’area del suo inviluppo convesso. Un terzo parametro in grado di definire la rugosità del contorno è lo scheletro S (Jain, et al., 1995, Parker, 1997). L’algoritmo numerico utilizzato in questa ricerca trova lo scheletro nel modo seguente. Per ogni punto interno alla figura, si calcola la distanza dai punti di frontiera: se la funzione risultante ha più di un minimo assoluto, in altre parole se almeno due punti della frontiera presentano la stessa distanza minima,

Xenoblastico Xenoblastic

A/P2<0,03

A/S2<0,04

A/(P*S)<0,035

Intermedio Intermediate

0,03
0,04
0,035
Omoblastico Homoblastic

A/P2>0,045

A/S2>0,08

A/(P*S)>0,06

the skeleton s, primarily used in the field of computer vision. There may be other indicators of the form and shape of the grains, an example of which is the Paris Factor, but this has not been considered here. Besides the material classification, we will examine now a possible correlation between the microstructural parameters and mechanical macroscopic properties, likewise bending strength or porosity. Recent studies have in fact evidenced that many material properties may be influenced by the underlying microstructure. For example, in (RoyerCarfagni, 1999a) the resulting state of stress in grains subjected to uniform thermal variations has been considered. This stress is originated by the springing apart of contiguous grains due to the anisotropic thermal expansion of calcite, since the grains are randomly oriented. In (Royer-Carfagni 1999a) it has been shown that the most dangerous state of stress is at the grain borders, in particular at the texture nodes where more than two grains converge at one point. More in particular, the sharper are the grain corners, the less dangerous is the resulting stress, a finding which might suggests that xenoblastic marbles are more resistant than the homoblastic qualities. The experimental investigation of (Franzini, 1983) seems to confirm this trend. Another example is given by the

Tab.1 Intervalli dei parametri di forma per tessiture xenoblastiche, intermedie e omoblastiche Shape-parameter range for xenoblastic, intermediate and homoblastic textures

fatigue response of marbles subject to cyclic uniaxial (Royer-Carfagni e Salvatore, 2000). Also in this latter case, tests have confirmed that xenoblastic marbles are, as a rule, more resistant than the homoblastic ones. In conclusion, a quantitative microstructural characterization can allow a prediction of macroscopic mechanical properties and, what is more important as evidenced in (Royer-Carfagni 1999a), an indication of the material natural attitude to granular decohesion thermal damage. Observation of material thin sections (Fig.17) has suggested the following qualitative considerations (Forlani et.al., 2000). Homoblastic textures contain convex grains of various size closely packed together, whereas grains of almost the same dimensions, mainly concave shaped, form xenoblastic textures. Therefore, it is natural to consider as representative parameters, able to describe the shape of the grains, the area A and the perimeter P. In fact, for the same value of P, the area is smaller for concave than for convex grains. Therefore, the ration A/P2 may give an effective, quantitative parameter of the degree of “homoblasticity”. Other characteristic parameters of the grain shape may be considered. In particular, we may refer to shape indexes usually employed in Computer Vision (CV) (Gonzales & Woods, 1992), developed in particular

allora il punto di partenza appartiene a S. Per figure definite da polilinee, S è composto (Fig.18) da tre diversi tipi di linee: i) bisettrici di angoli acuti, ii) segmenti che sono equidistanti da due lati non adiacenti e iii) archi di parabola (luogo dei punti equidistante da un vertice e da un lato, nel caso sia presente un angolo concavo). In generale, un granulo “grezzo” presenta uno scheletro molto elaborato. Per caratterizzare la forma, sono stati quindi considerati quattro parametri distinti: A/P2, A/S2, A/(P·S) e P/S. Il primo è indicativo della compattezza della figura, il secondo è influenzato dalla rugosità del contorno, mentre il terzo è intermedio tra i due. L'ultimo parametro (P/S) è forse il meno discriminante in quanto, per lo stesso valore di P, figure molto simili posso presentare valori di S molto diversi. Gli indici di forma sono stati calcolati utilizzando la funzione Image Processing disponibile in MATLAB. Il metodo è stato prima testato con figure geometriche semplici e, successivamente, si è passato all’analisi delle forme dei grani osservati al microscopio attraverso sezioni sottili di materiale. Mentre si testava la procedura di elaborazione delle immagini con poligoni semplici, si è notato che forma dello scheletro appariva leggermente diversa da ciò che ci si sarebbe aspettato sulla base della definizione. Molto probabilmente questo è dovuto all’algoritmo numerico con cui S è calcolato: il software estrae lo scheletro con un procedimento di thinning modificato con procedura itera-

tiva. Il tempo di calcolo è ridotto, ma lo scheletro è solo approssimato. In particolare, le piccole protuberanze del contorno sono trascurate dall’algoritmo. Al fine di valutare l'efficacia della classificazione ottenuta con i parametri A/P2, A/S2, A/(P·S) e P/S, sono state considerate 20 qualità di marmo di Carrara, che differiscono non solo per le loro proprietà meccaniche, ma anche per l’orditura microstrutturale. In particolare, sono state considerate 7 varietà di marmo xenoblastiche, 6 intermedie e 7 omoblastiche. Confrontando i risultati dello studio con la classificazione qualitativa riportata in letteratura (Gattiglio et al., 1980), si possono proporre per la classificazione i limiti quantitativi dei parametri riportati nella Tab.1. Il rapporto P/S, come era logico aspettarsi, non appare correlabile. È interessante confrontare le proprietà meccaniche e fisiche di tali marmi, presi di nuovo dalla letteratura tecnica (Gattiglio et al., 1980) con la caratteristica dei loro indici microstrutturali. Nella Fig.19 si riportano la resistenza nominale a flessione σf in funzione del coefficiente di forma A/P2. Si osservi che, in generale, i marmi xenoblastici sono più resistenti delle varietà omoblastiche. Nella stessa figura si riporta anche un’interpolazione lineare dei dati con il corrispondente valore di deviazione quadratica R2, definito come di seguito:

for the automatic recognisame value of P very tion of text characters. similar figures may present Among the various indices very different S. used in this field, we The shape indexes have 2 been calculated using the indeed find A/P , now Image Processing function referred to as compactavailable in MATLAB. ness, and the convexity, We have first tested the defined as the ration Fig.18 Rappresentazione schematica dello scheletro per alcune figure piane Schematic representation of the skeleton of some plane figures method with simple between A and the figure geometrical figures and, convex hull. A third paramsuccessively, we have passes to the analysis of the grain eter able to define the contour roughness is the skeleton S shapes microscopically observed through thin material (Jain, et al., 1995, Parker, 1997). The numerical algorithm sections. Testing the image processing procedure with used in this research finds the skeleton in the following simple polygons, we have noticed that the skeleton shape manner: for each point internal to the figure, the distance appears different from what expect on the base of the from points of the border is calculated. If the resulting funcdefinition. Most likely, this is due to the algorithm from tion has more than one absolute minimum, in other words which S is defined: the software extract the skeleton using if at least two points of the border presents the same minia modified thinning using an iterative procedure. mal distance, then the points belongs to S. For figures defined by polylines, S is composed (Fig.18) by Computing time is reduced, but the skeleton is only approximated. In particular, very little protuberances are three different kinds of lines: i) bisectors of acute angles, ii) neglected by the algorithm. In order to evaluate the effisegments which are equidistant from two non-adjacent ciency of the classification obtained through the paramesides and iii) parabola sectors (equidistant from one vertex and one side, when a concave angle is present). ters A/P2, A/S2, A/(P•S) e P/S, we have considered 20 In general, a rough grain presents a very elaborated skele- marble qualities, differing not only for their mechanical properties, but also for the microstructural layout. ton. Four distinct parameters have been considered for In particular, we have selected 7 xenoblastic, 6 intermedishape characterization: A/P2, A/S2, A/(P•S) and P/S. ate and 7 homoblastic Carrara marbles. Comparing the The first should be indicative of the figure compactness, results of our study with the qualitative classification taken the second is influenced by the contour roughness, while the third is intermediate between the two. The last parame- from the literature (Gattiglio et al., 1980), the quantitative classification for marble textures reported in Tab.1 may be ter (P/S) is perhaps the less discriminating, since for the DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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Fig.19 Resistenza nominale a flessione σf (MPa) in funzione del coefficiente di forma A/P2 Bending strength σf (MPa) vs shape coefficient A/P2

dove N è il numero di elementi Yj della popolazione ed Y è il corrispondente valore medio. Il valore R2≈0.165, piuttosto elevato, indica una ragionevole correlazione tra la resistenza alla flessione ed il grado di “xenoblasticità”. Infatti, in generale i marmi omoblastici sono più deboli di quelli xenoblastici. Le correlazioni ottenute attraverso A/P2, A/S2, A/(P·S) sono molto simili (Forlani et.al., 2000) e non sono state riportate per brevità. Naturalmente, non tutte le proprietà del materiale sono correlabili con i coefficienti di forma microstrutturale. Per esempio, il peso per unità di volume γ, riportato in Fig.20 in funzione del parametro A/S2, non ha chiaramente nulla a che vedere con la disposizione microstrutturale. Ciò è evidenziato dal modesto valore della deviazione quadratica R2≈0.015, anch’esso riportato in figura. Analogamente, si nota una pressoché assenza di correlazione con l’altezza h di resistenza all’impatto. Questo non deve sorprendere perché le fratture dovute all’urto sono principalmente transgranulari, per cui l’influenza della microstruttura è praticamente nulla. Analogamente, non sono state notate correlazioni apprezzabili fra la profondità di abrasione a e i parametri di forma A/P2, A/S2, A/(P·S). Una particolare attenzione dovrebbe essere prestata ai grafici della Fig.21, che rappresentano il coefficiente di imbibizione IC. Anche in questo caso, come aspettato, i marmi xenoblastici presentano valori più piccoli di IC dei marmi omoblastici. Inoltre si trova una buona correlazione (R2≈0.5) fra il coefficiente IC e il grado di “omoblasticità” del materiale, e questo forse necessita di una spiegazione. La pratica corrente prescrive che il campione venga asciu-

Fig.20 Peso per unità di volume γ (Kg/m3) in funzione del coefficiente di forma A/S2 Weight per unit volume γ (Kg/m3) vs shape parameter A/S2

proposed. The ration P/S, as expected, cannot be correlated. It is interesting to compare the mechanical and physical properties of such marbles, taken again from the technical literature (Gattiglio et al., 1980) with the characteristic indexes of their microstructural arrangement. In Fig.19 we report the bending strength σf as a function of the shape coefficient A/P2. Observe that, in general, xenoblastic marbles are stronger than the homoblastic varieties. The value of the deviation R2, defined as:

Fig.21 Coefficiente di imbibizione IC (% in peso) in funzione del parametro di forma A/S2 Water adsorption coefficient IC (% in weight) vs.shape parameter A/S2

Fig.22 Resistenza a compressione σC (MPa) in funzione del parametro di forma A/S2 Compression strength σC (MPa) vsshape parameter A/S2

where N is the number of elements Yj of the population and Y is the corresponding average value, is also reported in the graphs in correspondence of the interpolation line, obtained using the least squares approximation. The value R2≈0.165, sufficiently high, indicates a reasonable correlation between bending strength and degree of “xenoblasticity”. In general homoblastic marbles are weaker than xenoblastic marbles. The correlation obtained through A/P2, A/S2, A/(P•S) are very similar (Forlani et.al., 2000) but they have not reported here for the sake of conciseness. Of course, not all the material properties are correlated with the microstructural shape coefficients. For example, the weight per unit volume γ, reported in Fig.20 as a function of

gato a circa 100°C prima di essere immerso in acqua. Ma è stato visto che una tale aumento di temperatura è in grado di danneggiare la microstruttura del materiale provocando la decoesione granulare (Royer-Carfagni, 1999a). Gli esperimenti, corroborati da modelli teorici, hanno confermato che le varietà xenoblastiche presentano una maggiore resistenza verso la decoesione granulare delle varietà omoblastiche. Di conseguenza, si può ragionevolmente affermare che la procedura di prova per la determinazione di IC non sia completamente corretta, dal momento che la porosità aperta misurata dopo il riscaldamento a 100°C non è la stessa di un materiale vergine, ma piuttosto quella indotta dal trattamento termico. In altre parole, l'assorbimento di acqua IC misurato con la procedura attuale appare più una misura della predisposizione del materiale nei confronti della decoesione granulare, piuttosto che una misura assoluta della porosità aperta. In questo senso, i risultati ottenuti fin qui sembrano confermare per via indiretta la validità dell’approccio, ovvero la possibilità di caratterizzare attraverso l’esame microstrutturale molte importanti proprietà del materiale. Considerazioni molto simili a quelle per il coefficiente IC possono essere avanzate per ciò che riguarda il coefficiente di dilatazione termica α (Forlani et.al., 2000). Un ulteriore commento merita il grafico della Fig.22, che riporta la correlazione fra la resistenza nominale a compressione σc e il parametro A/S2 (la correlazione con A/P2, A/S2, A/(P·S) è ancora simile). Al contrario di quello che uno si aspetterebbe, non c’è una correlazione apprezzabile fra σc e i parametri di

forma, come confermato dai valori estremamente bassi della deviazione quadratica (R2≈0.01). Questo è dovuto al fatto che la rottura in compressione (soprattutto quando sono utilizzati campioni cubici) è, di norma, quasi “esplosiva”, con la conseguente apertura di macrofratture. Queste sono principalmente transgranulari e, di conseguenza, l'influenza della microstruttura non può che essere limitata. Analoghe considerazioni valgono per la resistenza a compressione dopo cicli di gelività, per la quale tuttavia si è notato una minore dispersione (R2≈0.05) di quella dei grafici della Fig.22 (Forlani et.al., 2000), una constatazione che potrebbe essere spiegata attraverso la minor resistenza nei confronti del congelamento e scongelamento dei marmi a tessitura omoblastica rispetto alle qualità xenoblastiche. In ogni caso, come tendenza generale, si può concludere che la prova a compressione non è correlata con eventuali differenze a livello microstrutturale. In sintesi, per le 20 qualità diverse di marmo di Carrara prese in esame, si è mostrato che i marmi xenoblastici presentano, nei confronti delle qualità omoblastiche, più alta resistenza a flessione, minore assorbimento d'acqua, più piccoli coefficienti di dilatazione termica, più alto modulo elastico. Altre proprietà meccaniche, come la resistenza a compressione (anche dopo cicli di congelamento e scongelamento), o la resistenza al’impatto, che dipendono principalmente dallo sviluppo transgranulare delle fratture, non sono correlati con i parametri di forma. Tuttavia, una buona correlazione è stata notata con il coefficiente di imbibizione, che è funzione quasi lineare di uno qualsiasi dei parametri di forma A/P2, A/S2 e A/(P·S).

the parameter A/S2, has clearly nothing to do with the microstructural arrangement. This is evidenced by the poor value R2≈0.015 of the deviation, indicated in the same figure. A similarly poor correlation is exhibited by the impact resistance h. This is not surprising because the cracks produced during the impact are mainly long, transgranular (cleavage) fractures, upon which the grain microstructural arrangement can only have a limited influence. Analogously, we cannot notice appreciable correlation between the abrasion depth α and the shape parameters A/P2, A/S2, A/(P•S). A particular attention should be paid to the graphs representing the water adsorption coefficient Ic, reported in Fig.21. Also in this cases, as should have been expected, xenoblastic marbles present smaller values for Ic than homoblastic marbles. For what the water adsorption coefficient is concerned, we notice a very good correlation (R2≈0.5) between the interpolation line and the experimental points, a finding for which an explanation can be proposed. A common practive prescribes that the specimen is dried up at around 100°C before it is merged in water. But we have sufficiently demonstrated that such a temperature level is sufficient to destroy the material microstructure by provoking granular decohesion (RoyerCarfagni, 1999a). Experiments and theoretical modeling have confirmed that xenoblastic textures present a greater resistance towards granular decohesion than homoblastic textures. Consequently, we may reasonably conjecture that this testing procedure is not completely sound, since the

measured open porosity after heating the specimen at 100°C is not the same of a “virgin” material, but rather that induced by the thermal treatment. In other words, the water adsorption Ic, as presently measured, is a measure of the material attitude towards granular decohesion, rather than a measure of the open porosity itself. In this sense, the results here obtained indirectly confirm the soundness of the approach, i.e., the possibility of characterizing through the microstructural examination some significant material properties. Very similar considerations to those for the coefficient Ic can be advanced for what the thermal dilation coefficient α is concerned (Forlani et.al., 2000). A further comment deserves the graph of Fig.22, reporting to the correlation between the compression strength σc and the parameter A/S2 (the correlation with A/P2, A/S2, A/(P•S) are similar). On the contrary to what one might have been expected, there is not an appreciable correlation between σc and the shape parameters, as evidenced by the extremely low values of the variance (R2≈0.01). This is because the compression failure (especially when cubic specimens are used) is, as a rule, almost “explosive”, with the consequent occurring of macrocracks. Fractures are mainly transgranular and, consequently, the influence of the microstructural arrangement is limited. An analogous consideration is valid for the compression strength measured after freezing and thawing cycles, for which we have noticed a lower dispersion (R2≈0.05) than for the graphs in Fig.22 (Forlani et.al., 2000), a finding which could be explained through the less DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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5. Un modello per la decoesione granulare motivato a livello microstrutturale Le osservazioni sperimentali confermano in modo definitivo che pochi gradi di aumento di temperatura, anche se uniformemente distribuito nel campione, sono sufficienti a provocare il progressivo distacco dei granuli di calcite che costituiscono il marmo. Il tratto caratteristico di questo fenomeno è che i grani restano integri, senza tracce di frattura transgranulare, ma piuttosto come se il loro materiale cementante fosse andando progressivamente distruggendosi (Fig.8b). Si ricorda che le possibili spiegazioni del fenomeno di decoesione granulare sono tradizionalmente ricondotte a tre possibili cause: i) l’attacco chimico-fisico di cloruri e solfati (Winkler 1994); ii) l'azione meccanica dei sali solubili che, penetrando in soluzione, possono ampliare le fessure nelle quale sono percolati con l’aumentare del loro volume quando il solvente evapora (Franzini, 1995); iii) le variazioni termiche, che possono provocare una stato di autotensione all'interno del materiale (Royer, Carfagni, 1999a). Particolari condizioni igrometriche possono, ovviamente,

Fig.23 L’assemblaggio dei grani di calcite nel modello agli elementi finiti The assemblage of calcite grains in the FEM model

Fig.24 Deformazione di origine termica in: (a) granuli di calcite orientati a scacchiera; (b) granuli di calcite iso-orientati / Thermal strains in: (a) the chessboard-oriented calcite grains; (b) the iso-oriented calcite grains

avere un effetto sinergico con le altre cause. Nonostante non ci sia ancora accordo unanime, la nostra esperienza personale sembra suggerire, in linea di massima, che gli agenti i) e ii) hanno una importanza secondaria, almeno per l’esempio paradigmatico della Casa della Finlandia. In ogni caso, l’esame del curioso fenomeno di imbarcamento che si è verificato anche in altri edifici, dimostra che l’attacco chimico si limita alla crosta superficiale e praticamente nessuna traccia di sali solubili può essere trovata all'interno della lastra, nonostante segni evidenti di decoesione granulare. Pertanto, d'ora in poi l’attenzione verrà concentrata sugli effetti delle variazioni termiche, proponendo un modello semplice, motivato a livello microstrutturale, che possa fornire una spiegazione del processo di degrado in marmi sottoposti a variazioni termiche. In questa interpretazione, le cause della decoesione granulare sono attribuite all’anisotropia della dilatazione termica della calcite. La calcite cristallizza nel sistema romboedrico e, come risultato di questa asimmetria, il suo coefficiente di espansione termica è maggiore nella direzione dell’asse ottico che ortogonalmente a questo. Di conseguenza, dato che i grani di calcite nel marmo sono di solito orientati in modo casuale, qualsiasi aumento della temperatura, anche se uniforme, può produrre una dilatazione che può diventare congruente solo a prezzo di una deformazione elastica dei grani contigui, dando origine ad un sistema interno di tensioni autoequilibrato. In un modello qualitativo, che riproduca senza ridondanze tutte le caratteristiche essenziali del fenomeno, si immagina il marmo composto da un certo numero di cristalli di calcite identici, in stato piano generalizzato di tensione o di deformazione. A rigore, sono necessarie

resistance towards freezing and thawing of xenoblastic marbles with respect to the homoblastic qualities. In any case, as a general tendency, we can conclude that the compression test in not correlated with possible differences at the microstructural level. In summary, for the 20 different qualities of Carrara marble considered, we have shown that xenoblastic marbles present higher flexural strength, smaller water absorption, smaller coefficient of thermal dilatation, higher elastic modulus, than the homoblastic qualities. Other mechanical properties, likewise the compression strength (even after freezing and thawing cycles) or the impact-test resistance, which mainly depend on the development of transgranular microfractures, are not correlated with the shape parameters. However, a very good correlation has been noticed for the coefficient of water absorption, which increases almost linearly with the values of any of the shape-parameters A/P2, A/S2 and A/(P•S).

5. A microstructural motivated model for granular decohesion

Fig.25 Relazioni costitutive per gli elementi di tipo n (a) e per gli elementi di tipo s (b) / Constitutive relationship for the n-type elements (a) and the s-type elements (b)

Experimental observations have provided a wealth of evidence that just a few degrees’ temperature increase, even when uniformly distributed in the specimen, are sufficient to provoke the progressive detachment of the calcite granules of which marble is constituted. The characteristic feature of the phenomenon is that the grains remain integral, hardly showing any traces of transgranular cleavage

21 costanti elastiche per rappresentare l'elasticità della calcite, ma qui si suppone, almeno in prima approssimazione, che il materiale sia omogeneo e elasticamente ortotropo. Analogamente, si suppone l’ortotropia termica rispetto alle stesse direzioni di simmetria elastica. Pertanto, facendo riferimento ad un particolare sistema ortogonale di assi (x1, x2), le relazioni costitutive per il materiale qui considerato possono essere scritta nella forma seguente:

dove σij and εij (i,j=1-2) rappresentano le componenti di tensione e di deformazione rispettivamente, mentre ∆t denota l’aumento di temperatura. Per ciò che riguarda i moduli elastici e i coefficienti di espansione termica, assumendo x2 orientato in direzione dell’asse ottico della calcite, si trovano in letteratura (Winkler, 1994) i valori riportati nella Tab.2. Il più semplice assemblaggio di granuli cristallini che può rappresentare convenientemente il fenomeno è presentato in Fig.23. Qui, i grani costituenti di forma quadrata sono identici, ma orientati in modo diverso. In particolare, gli assi locali x1 dei grani indicati con

A sono orizzontali, mentre i grani di tipo B sono ruotati di 90 gradi. La deformazione dell’elemento assemblato conseguente ad una variazione di temperatura, in particolare ad una diminuzione della temperatura, è qualitativamente del tipo rappresentato nella Fig.24a. Le deformate dei grani sono la conseguenza della dilatazione termica anisotropa della calcite che, a causa del particolare orientamento degli assi di ortotropia, produce una distorsione elastica fra grani contigui e la nucleazione di uno stato interno di autotensione. Naturalmente, se tutti i granuli fossero iso-orientati, la deformazione risulterebbe come nella Fig.24b, perché la deformazione risulterebbe congruente fra grani contigui. È interessante notare che ci sono materiali in natura composti da grani di calcite iso-orientati. Un esempio rappresentativo è l’onice, e per tale materiale, coerentemente coi dati della Tab.2, il coefficiente di espansione termica risulta negativo se misurato in direzioni particolari. Per questo tipo di materiali le variazioni termiche non inducono decoesione granulare. Naturalmente, per passare da una previsione qualitativa ad una quantitativa, è fondamentale saper modellare le forze coesive di interfaccia fra grani contigui. Da un punto di vista sperimentale questa valutazione è difficilissima. Qui, in via approssimata, le forze di interfaccia sono simulate con elementi truss, molto più corti del diametro del grano, caratterizzati da una relazione costitutiva elastica non-lineare,

Tab.2 Valori dei parametri elastici e dei coefficienti di espansione termica per il modello di calcite / Values of the elastic parameters and coefficients of thermal expansions for modeling the calcite response

fracture, but rather look as if their cementing material had been gradually destroying. We recall that possible explanations of the decohesion phenomenon essentially involve three different possible causes: i) the chemical-physical attack of sulfates and chlorides (Winkler 1994); ii) the mechanical action of soluble salts which, penetrating in a solution, increase their volume when the solvent evaporates and may expand existing cracks (Franzini, 1995); iii) thermal variations, which may cause a self-equilibrated state of stress inside the material (Royer-Carfagni, 1999a). Particular hygrometric conditions may, of course, have a synergetic effect with the other causes. Despite a universal agreement has not been found yet, our personal experience seems to suggest, albeit tentatively, that the agents i) and ii) have a side importance, at least for the paradigmatic case of Finland Hall. Examination of the curious bowing phenomenon occurred in a number of other monuments, shows that chemical attack is confined to the superficial crust and hardly any trace of soluble salts can be found inside the slab, despite the evident signs of granular decohesion. We will now focus our attention on the effects of thermal variations and we will propose a simple micromechanically motivated model, which can provide an explanation of the degradation process in marbles subjected to thermal changes. In our interpretation, the causes of decohesion are attributed to the anisotropy of the thermal expansion of calcite. Calcite crystallizes in the rhombo-

hedric form and, as a result of this asymmetry, its coefficient of thermal expansion is greater in the direction of the optic axes than at right angle to that. Consequently, since the grains of marble are usually randomly oriented, any temperature increase, even if uniform, may produce the springing apart of contiguous grains, resulting in a self-equilibrated state of stress. In order to present a qualitative model, which without redundant hypotheses reproduces all but the basic features of the phenomenon, we consider a marble portion composed of a certain number of identical calcite grains in generalized plane stress or plane strain. Rigorously speaking, 21 elastic constants are necessary to represent the elasticity of calcite, but here we will assume, at least as a first order approximation, that the material is elastically homogeneous and orthotropic. Analogously, we will assume thermal orthotropy with respect to the same directions of elastic symmetry. Therefore, referring to a particular orthogonal system of axes (x1,x2), the constitutive relations for the material here considered can be written in the form:

where σij and εij (i,j=1-2) represent the components of stress and strain respectively, whereas ∆t denotes the temperature increase. For what the elastic moduli and coefficients of thermal expansion is concerned, if x2 is DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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strain softening. Gli elementi truss sono di due tipi diversi indicati per comodità con le lettere n e s. Gli elementi n sono ortogonali al bordo dei grani, mentre gli elementi s sono inclinati a 45°, formando così le diagonali di una ideale struttura reticolare. È chiaro che, al prim’ordine, gli elementi s modellano la risposta dello strato di contatto nei confronti delle azioni taglianti. La relazione costitutiva per le barre di tipo n è rappresentata nella Fig.25a. La pendenza del ramo di compressione, indicato con Kn, è stata calcolata per essere paragonabile con l’elasticità della calcite stessa al fine di riprodurre le forze di contat-

Fig.26 Componenti di sforzo normale (a) tangenziale (b), corrispondenti a ∆t =- 60°C / Normal (a) and shear (b) components of stress corresponding to ∆t = - 60°C

Fig.27 Sezione sottile del marmo di tipo V, con grani formati da cristalli geminati (a). Deformazione dell’assemblaggio dei grani di tipo V per ∆t = - 60°C, spostamenti amplificati 100 volte (b) Thin section of type V marble, with grains formed by geminated crystal (a). Deformation of the grain assemblage of V-type grains for ∆t = - 60°C, displacements 100 x magnified (b)

oriented in the direction of the optic axis of calcite, we assume from the Literature (Winkler, 1994) the values reported in Tab.2. The simplest assemblage of crystal granules that can conveniently represent the phenomenon is presented in Fig.23. Here, the constituent squareshaped grains are identical, but are differently oriented. In particular, the local x1 axis of those grains labeled with an A letter is horizontal, whereas the B grains are rotated of 90°. The deformation of the assemblage consequent to a temperature variation, in particular for a temperature decrease, is qualitatively of the type represented in Fig.24a. The resulting grain shapes are the consequence of the anisotropic thermal expansion of calcite which, because of the particular orientation of the orthotropy axes, produces the springing apart of contiguous grains and the nucleation of an internal stress state. Of course, if all the grains were oriented in the same direction, the resulting deformation would have been as in Fig.24b, because now the deformation of contiguous grains would perfectly fit together. It is interesting to notice that there are materials in nature composed of iso-oriented calcite grains.

to quando i grani vengono premuti insieme. Per quanto riguarda la risposta a trazione, i parametri di riferimento sono rappresentati dal carico e dalla deformazione di picco, Fpn e εpn, e dalla deformazione ultima εun. Questi parametri sono stati calcolati a partire dalle prove di trazione diretta (Cattaneo & Rosati, 1999) discusse in (Iori & Royer-Carfagni, 2001), qui non riportate per brevità, nelle quali assumendo che la tensione sia uniforme nel provino è possibile stimare Fpn e misurare sia εpn che εun. La corrispondente energia di frattura è stata confrontata con il valore specifico ottenuto con una procedura sperimentale alternativa (Belletti et al. 2000). La relazione costitutiva per gli elementi di tipo s è invece rappresentata nella Fig.25b. Per simmetria si tratta di una funzione dispari dello strain per la quale i parametri corrispondenti, εps e εus, sono stati presi, in prima approssimazione, uguali a εpn e εun. Si è assunto inoltre che Fps=Fpn. Questa procedura non è molto coerente da un punto di vista scientifico, ma adesso l’obiettivo consiste principalmente nella riproduzione del fenomeno della decoesione granulare, piuttosto che nella precisa calibrazione quantitativa del modello. Per la corretta determinazione dei vari parametri saranno necessari programmi sperimentali più raffinati. Le Figg.26a e 26b riportano la tensione di contatto normale e tangenziale corrispondente alla simulazione di Fig.24a. Tali valori sono stati calcolati supponendo che il carico assiale negli elementi della travatura reticolare sia distribuito uniformemente sulla porzione di competenza del bordo del grano. In generale, nell’ipotesi di piccole deformazioni, gli elementi di tipo s sono responsabili delle azioni taglianti,

Onyx is a representative example and for such a material, consistently with the data in Tab.2, the coefficient of thermal expansion is negative when measured in particular directions. For such materials, thermal variations do not to induce granular decohesion. Of course, in order to pass from a qualitative to a quantitative prediction, it is fundamental to model the interface cohesive forces between any two contiguous grains. From an experimental point of view, this is a formidable task that can be only partially completed. Albeit tentatively, the interface contact forces are simulated by truss elements, much shorter than the grain diameter, obeying to an elastic, non-linear, softening constitute relation. The bars are of two different types and, for convenience, will be referred to using the labels s and n. Elements n are placed at right angle to the grain boundaries, whereas the s elements are at 45° with respect to them, forming the diagonal of an ideal truss. It is clear that, to the first order, the s-elements model the contact layer response to shear actions. The constitutive relationship for the n-type bars is represented in Fig.25a. The slope of the compression branch, indicated with Kn, has been calculated to be comparable to the elasticity of calcite itself, in order to reproduce the contact forces when grains are pressed together. Representative parameters for what the tensile response is concerned are represented by the peak load and peak strain Fpn and εpn and by the ultimate strain εun. These parameters have been calculated from direct tensile tests (Cattaneo & Rosati, 1999) described in (Iori & Royer-Carfagni, 2001), here not reported for the sake of conciseness. Assuming that the stress is uniformly distributed across the crack surface, it has then been possible to

mentre sia gli elementi s che gli elementi n contribuiscono alla componente normale. Commentando per prima la Fig.26a, si nota che la risultante delle tensioni che agiscono su ciascuno dei lati del grano sono nulle. Si nota inoltra che la porzione centrale di ciascun lato è compressa, mentre le tensioni sono di trazione in prossimità degli spigoli dei grani, in particolare in quelle direzioni dove il materiale si deforma maggiormente. Il diagramma delle azioni taglianti, riportato nella Fig.26b, è rappresentato per simmetria da una funzione dispari. È interessante notare che, a parte una piccola porzione centrale, gli sforzi taglianti si sviluppano su tutto il bordo. Questo non è sorprendente in quanto è evidente dalla Fig.24a che la dilatazione termica anisotropa induce lo “scorrimento” relativo dei grani al quale si oppone la resistenza al taglio dello strato di interfaccia. Il decadimento dell’azione tagliante in prossimità degli spigoli dei grani è dovuto al cedimento di alcuni degli elementi di tipo s, che entrano nel ramo strain softening (Fig.25b). In particolare, il cedimento si realizza prima negli elementi diagonali che collegano fra loro gli spigoli dei grani in prossimità del nodo della tessitura. Tale zona, come risultata chiaro anche dalla Fig.24a, è di solito il punto più “critico” dell’assemblaggio. Un caso interessante è quello di un particolare marmo, di seguito denominato di tipo V, di cui una sezione sottile è rappresentata nella Fig.27a. La particolarità di questo materiale è che ciascun grano componente risulta formato da cristalli geminati di calcite. Un schema-modello può essere ottenuto con la stessa disposizione a scacchiera della Fig.23, con la differenza che ora ogni grano è formato da elementi orientati a

scacchiera, mentre nel caso precedente ogni grano era costituito da elementi iso-orientati ed erano i grani ad essere disposti a scacchiera. Ne consegue che la risposta di ogni grano è, in media, isotropa. La simulazione numerica corrispondente al caso del marmo di tipo V è rappresentata in Fig.27b, dove le differenze con le simulazioni di Fig.24a-b è sono immediatamente riconoscibili. In particolare, l’interfaccia fra grano e grano non è sottoposta a tensione. Va detto che questo tipo V di marmo ha mostrato un eccellente comportamento nei test dilatometrici nel senso che la dilatazione permanente è risultata trascurabile, mentre la deformazione media variava quasi linearmente con la temperatura. In conclusione, nonostante tutte le approssimazioni introdotte che rendono ogni considerazione valida solo a livello qualitativo, il modello appare in grado di riprodurre le caratteristiche di base della decoesione granulare per effetto delle variazioni termiche. La simulazione numerica indica che, in accordo con l’analisi elastica approssimata di (Royer-Carfagni, 1999a), le condizioni più critiche di tensione si verificano al bordo dei grani, il che giustifica la natura intergranulare piuttosto che transgranulare delle fessure. Inoltre, le concentrazioni di sforzo si manifestano negli spigoli dei grani, in prossimità dei nodi della tessitura micro strutturale. Tali concentrazioni producono il cedimento degli elementi truss vicini (che modellano lo strato d'interfaccia), che simulano il danneggiamento delle forze coesive che tengono uniti i granuli tra loro. In particolare, si può dedurre che il meccanismo di rottura è principalmente dovuto alle sollecitazioni taglianti che, in modo analogo all’apertura in modo II delle fessure, producono

estimate Fpn and to measure both εpn and εun. The corresponding fracture energy, has been compared with the specific fracture energy obtained with an alternative experimental procedure (Belletti et al. 2000). The constitutive relationship for the s-type elements is instead represented in Fig.25b. This is an odd function in the strain and the corresponding parameters εps and εus have been taken, as a first order approximation, equal to εpn and εun. Besides, we have taken Fps=Fpn. We understand that this procedure is not scientifically sound, but our aim here consists mainly in reproducing the phenomenon of granular decohesion, rather than presenting a precisely-calibrated quantitative model. More refined experimental techniques will be necessary for the proper determination of all these representative parameters. For a representative grain, Figs 26a and 26b represent the normal and tangential components of contact stress for the simulation of Fig.24a. Such values have been calculated assuming that the axial load in the truss elements is uniformly distributed upon an appropriate portion of the grain boundary. In general, since we assume that both strains and local rotations are small, the s-type members are responsible of the shear stress, whereas both s and n-type members contribute to the normal component. Commenting first Fig.26a, we notice that the resultant of the normal stress acting on each one of the sides of the grain is practically zeroed. We also observe that, in general, the central portions on each side is compressed whereas tensile stresses act in proximity of the grain corners, particularly in the direction where the material shrinks the

most. The shear stress diagram, reported in Fig.26b, is, by symmetry, represented by odd functions. It is interesting to notice that, apart from a small central portion, important shear stresses are present on the whole grain boundary. This is not surprising since it is clear, observing also Fig.24a, that the anisotropic thermal expansion induces the relative “sliding” of continuous grains, which is opposed by the shear resistance of the interface layer. The decay of the shear stress on the horizontal sides of the grain, in proximity of the grain corners, is due to the yielding of some of the s-elements there located, which enter the softening branch (Fig.25b). In particular, yielding is in general achieved in the diagonal truss members connecting the corners of the grains at a texture node. Such point, as it is clear also from Fig.24a, is usually the “critical” point of the assembly. An interesting case is that of a very particular marble type, here referred to as type V, whose thin sections are represented in Fig.27a. The peculiarity of this is that each constituent grain is formed by geminated crystals. A schematic model may be obtained with the same chessboard assembly of Fig.23, with the difference that here each grain is formed by diversely chessboard-oriented elements, while in the former cases each grain was formed by equally oriented elements and the chessboard arrangement was formed by the constituent grains. It follows that the response of each grain is, in the average, isotropic. The numerical simulation corresponding to the case of V-type marble is represented in Fig.27b, where the differences with the simulations of Figs.24a-b is immediately detectable. In particular, the grain-to-grain interface is not DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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lo scorrimento relativo del bordo dei grani. Come ultima osservazione, il modello indica che se si assumono leggi costitutive per l’interfaccia coesivo del tipo considerato, le variazioni di temperatura negative sono più pericolose di quelle positive perché producono maggiori sforzi di trazione. Questo risultato fornisce una possibile spiegazione del perché, come confermato dalla esperienza, il marmo si deteriora più marcatamente negli edifici esposti ai climi freddi piuttosto che ai climi caldi.

6. Discussione e conclusioni 6.1. DEFINIZIONE E SPIEGAZIONE DELLA DECOESIONE GRANULARE E DELL’IMBARCAMENTO DELLA FACCIATA DELLA CASA DELLA FINLANDIA, PRESA COME ESEMPIO PARADIGMATICO Il degrado della facciata in marmo della Casa della Finlandia, come discusso nella sezione 2, è certamente causato dalla decoesione granulare. Le indagini microscopiche al SEM hanno dimostrato senza dubbio che i granuli di calcite si staccano l’uno dall’altro, senza alcun segno di frattura transgranulare. Molte sono le cause che possono produrre la decoesione granulare. Quel che è certo è che le variazioni termiche, anche se distribuite in modo uniforme in tutto il corpo, sono in grado di produrre un tipo di danno che presenta le stesse caratteristiche microscopiche dei danni osservati sulla facciata della Casa della Finlandia. Le indagini al SEM evidenziano infatti i segni caratteristici della decoesione granulare: fratture intergranulari e distacco dei grani. I test effettuati hanno fornito ampia prova che gli agenti atmosferici, come ad esempio l'umidità e le piogge acide, possono avere un’azione sinergica con le variazioni di temperatu-

stressed. It should be mentioned that V-type marbles showed excellent response in the dilatometric tests in the sense that permanent dilation was negligible and the specimen showed a thermal strain varying almost linearly with temperature. In conclusion, despite all the approximations introduced which render any consideration valid only at the qualitative level, the model appears capable of reproducing the basic features of the granular decohesion damage due to thermal actions. The numerical simulation shows that, in agreement with an approximate analytical solution discussed elsewhere (Royer-Carfagni, 1999a), the stress state is the most critical at the grain borders, thus justifying the intergranular, rather than transgranular, nature of fractures. Moreover, stress concentrations appear at the grain corners, in proximity of the texture nodes. Such concentrations produce the yielding of the neighboring truss elements (modeling the interface layer), an indication of ongoing damage in the cohesive bonding between the grains. In particular, we can infer that the collapse mechanics is due to shear stresses which, similarly to mode II fracture, produce the relative sliding of the grain boundaries. As a final remark, the model indicates that, as a consequence of plausible constitutive laws for the cohesive interface layer, negative temperature variations are more dangerous than positive variations because they are associated with larger tensile stress. This finding provides a possible explanation of why, as confirmed by experience, marble deterioration is more pronounced in monuments exposed to cold rather than warm climates.

ra, accelerando il processo di degrado. In particolare, l'umidità facilita lo scorrimento relativo dei grani componenti, accelerando l'eventuale rottura del legame di interfaccia. Per passare da una descrizione qualitativa ad una quantitativa sono tuttavia necessari ulteriori studi. L'attitudine nei confronti della decoesione granulare varia comunque da marmo di marmo. La ricerca ha sempre mostrato che, di norma, la quantità di danno indotta attraverso il condizionamento termico è maggiore nei marmi a tessitura omoblastica che in quelli a tessitura xenoblastica. La ragione di questo comportamento è stata illustrata nella sezione 4, quando si è discussa la correlazione tra la tessitura dei grani e le proprietà meccaniche, e nella sezione 5, per mezzo di un modello semplice motivato a livello microstrutturale. In pratica, la resistenza offerta dalla maggior connessione dei contorni frastagliati dei grani xenoblastici è certamente superiore a quella offerta dalle qualità omoblastiche. Uno dei risultati forse più interessanti di questo studio è che il tipo di mosaico formato dalla tessitura microstrutturale è una delle principali caratteristiche di qualificazione per selezionare marmi in grado di resistere nel corso degli anni. Le prove dilatometriche, brevemente discusse nella sezione 3, hanno mostrato che, a livello macroscopico, la decoesione granulare produce una dilatazione permanente del campione, il cui ammontare dipende fortemente dal tipo di condizionamento termico. In particolare, tanto più grande è l’intervallo di temperatura e più alto il numero di cicli, tanto maggiore è la dilatazione risultante. La presenza di umidità può accelerare il processo di degrado. Pertanto, vi sono motivi per ritenere che l'imbarcamento dei pannelli della facciata sia dovuto ad un

6. Discussion and conclusions 6.1. DEFINITION AND

EXPLANATIONS FOR GRANULAR DECOHESION

AND BOWING OF THE FAÇADE PANELS OF

FINLAND HALL, TAKEN AS

A PARADIGMATIC EXAMPLE

The degradation experienced in Finland Hall façade, as discussed in Section 2, is certainly due to marble granular decohesion. SEM microscopic investigation have shown with no doubt that the calcite constituent grains detach the one from the other, with no sign of transgranular fracture. Many are the causes which can produce granular decohesion. What is certain is that thermal variations, even when uniformly distributed throughout the specimen, can produce a kind of damage that presents the same microscopic characteristics of the damage observed in Finland Hall façade. SEM investigations have in fact evidenced the characteristic signs of granular decohesion: intergranular fractures and grain detachment. Our tests have provided a wealth of evidence that weathering agents, such as humidity and acid rain, may have a synergetic action with temperature variations, accelerating the degradation process. In particular, humidity facilitates the relative sliding of the constituent grains, accelerating the eventual rupture of the interface bonding. In order to pass from a qualitative to a quantitative description, further studies are however necessary. The attitude towards granular decohesion varies from marble to marble. Our research has always shown that, as a rule, the amount of damage introduced through thermal conditioning is greater in homoblastic than in xenoblastic marbles. The reason for these has been explained in

gradiente del livello di decoesione granulare nello spessore del marmo. Le attente misurazioni effettuate in-situ hanno confermato che le condizioni termo-igrometriche sono diverse tra la superficie interna e quella esterna delle lastre della facciata. Tale differenza è risultata, a dire il vero, molto maggiore di quello che era stato stimato. Confrontano i risultati delle prove dilatometriche con le effettive condizioni termo-igrometriche rilevate in-situ, si può calcolare che tali differenze possono essere sufficienti per provocare l'imbarcamento dei pannelli in marmo. L’imbarcamento può anche essere provocato dal rilascio delle tensioni interne indotte dall’azione millenaria delle pressioni tettoniche ma, secondo noi, in questo caso i sintomi sarebbero alquanto diversi da quelli osservati nella Casa della Finlandia. Inoltre, l’aggancio e la giunzione fra i pannelli di marmo non sembra avere un’apprezzabile influenza sul fenomeno di imbarcamento. Le fotografie dei pannelli degradati della vecchia facciata (Fig.1) mostrano chiaramente che ci sono porzioni di lastra completamente libere da qualsiasi vincolo e che tuttavia si imbarcano secondo una superficie a doppia curvatura. Tale curvatura può essere spiegata solo ipotizzando un incremento isotropo della dilatazione superficiale, anche se in misura diversa tra le superfici interna ed esterna. Analogamente, le dimensioni del pannello non modificano sensibilmente la curvatura della lastra deformata. Naturalmente, a parità di curvatura, il conseguente spostamento fuori piano della lastra sarà proporzionale alla sua estensione, ma questo è soltanto un aspetto formale. Non vi sono pertanto ragioni per giustificare come il danneggiamento per decoesione granulare

potrebbe essere influenzato dalle dimensioni del pannello, dal momento che questo è il risultato di un processo fisico completamente indipendente. Comunque, lo spessore del pannello può influenzare il fenomeno di imbarcamento per due motivi. Da un lato, più spesso è il pannello, maggiore è l'isolamento termico che presenta. Di conseguenza, pannelli spessi aumentano le differenze termo-igrometriche tra le superfici interna ed esterna del rivestimento, che possono indurre un tasso diverso del processo di degradazione fra le due superfici. Siccome l’incurvamento è dovuto al gradiente di danneggiamento, da questo punto di vista, sono da preferire lastre sottili. D’altra parte, per le stesse differenze di deformazione permanente fra interno ed esterno, la curvatura che ne consegue è inversamente proporzionale allo spessore del pannello. Secondo questa logica, i pannelli sottili dovrebbero essere evitati. Nonostante questi aspetti non siano stati studiati a fondo, si può tuttavia ritenere ragionevolmente che il primo e il secondo effetto più o meno si compensino, per lo meno per spessori dell'ordine di 2-4 cm. D’altra parte, la ventilazione della facciata ha una grande influenza sul fenomeno di imbarcamento, in quanto può incrementare le eventuali differenze in termini di condizioni termo-igrometriche fra l'interno e l'esterno del rivestimento. In particolare, una ventilazione poco efficiente potrebbe produrre temperature più alte e, in più, un tasso maggiormente elevato di umidità nell’intercapedine di ventilazione. D’altra parte, una ventilazione troppo efficace potrebbe produrre il risultato opposto. In altre parole, vi sono motivi per ritenere che il grado d’incurvamento e, in alcuni casi, anche la direzione di

Section 4, when discussing the correlation between grain texture and mechanical properties, and in Section 5, by means of a microstructural motivated model. In practice, the connection resistance offered by the wiggly grain contours of xenoblastic marbles is certainly greater than that offered by the homoblastic qualities. One of the most interesting results of this study is that the mosaic texture is one of the major qualifying characteristics to select marbles able to endure other the years. The dilatometric experiments, briefly discussed in Section 3, have demonstrated that granular decohesion produces, at the macroscopic level, a permanent dilatation of the specimen. The amount of permanent dilatation is strongly dependent upon the type of thermal conditioning. In particular, the larger the temperature intervals and the higher the number of cycles, the greater the dilatation results. The presence of humidity may accelerate the degradation process. Therefore, there are reasons to believe that the warping of the façade panels is due to a gradient of the granular decohesion level through the marble thickness. Careful in-situ measurements have confirmed that the thermal-hygrometric conditions are different between the inner and the outer surface of the façade slabs. Such difference is much greater than we would have expected. Comparing the results of dilatometric tests with the thermal-hygrometric condition measures in situ, it can be calculated that such differences may be sufficient to provoke warping of the marble panels. Bowing can also be produced by the release of internal stress stored in marble portions due to millenary tectonic

pressures. However, in our opinion, the symptoms are quite different from those noticed in Finland Hall. Moreover, fixing and joining of the marble panels does not seem to have a consistent influence on the bowing phenomenon. The photographs of the warped panels of the old façade clearly show that also slab portions completely free from any constraint bent in a double-curvature surface. Such a curvature can be explained only assuming an isotropic dilatation, though different between the inner and the outer surfaces. Similarly, panel size do not alter sensibly the resulting curvature of the deformed slabs. Of course, assuming the curvature to be constant, the resulting sag will be proportional to the slab width and height, but this is a matter of appearance only. There are no reasons to justify why the granular-decohesion damage should be affected by the panel size, since it results from a completely independent physical process. However, panel thickness may influence bowing for two reasons. On the one hand, the thicker is the panel, the greater is the thermal insulation it presents. Consequently, thick panels increase the thermal-hygrometric differences between the inner and outer surfaces of the cladding, thus producing a different rate in the degradation process. Since warping is due to damage gradient through the panel thickness, from this point of view thin slabs are preferable. On the other hand, for the same differences of permanent-elongation between inner and outer surfaces, the resulting curvature is inversely proportional to the panel thickness. Following this second rationale, thin panels should be avoided. Despite these aspects have not been DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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incurvamento (concava o convessa) potrebbe dipendere dall’efficienza della ventilazione. Il cedimento meccanico dei pannelli danneggiati è piuttosto insidioso perché, purtroppo, sintomi macroscopici della decoesione granulare sono difficili da trovare. Il fenomeno di danneggiamento è molto lento ma, alla fine, come conferma l'esperienza con la vecchia facciata, il marmo si riduce quasi ad aggregato incoerente di granuli di calcite con resistenza meccanica quasi nulla, che può essere ridotto in polvere con la semplice pressione delle dita. Naturalmente, delle prove distruttive possono rivelare il decadimento delle proprietà meccaniche, ma ad occhio nudo non è possibile valutare alcun segno del progredire della decoesione granulare. Da questo punto di vista l’imbarcamento può essere un utile indicatore di progressione del danno, ma ci potrebbero essere anche casi (ad esempio quando entrambe le superfici delle lastre sono nelle stesse condizioni termo-igrometriche) nei quali il danno non è accompagnato da incurvamento. In questi casi la rottura potrebbe verificarsi in modo imprevisto, con i rischi che tutti possiamo immaginare. 6.2.MODI

DI DETERMINARE L’IDONEITÀ DI UN DATO MARMO PER IL

RIVESTIMENTO DI UNA FACCIATA

La resistenza del materiale cementante che lega i granuli di calcite costituenti sembra essere il principale parametro che caratterizza l’attitudine del marmo alla decoesione granulare. Naturalmente, una valutazione di tale resistenza può essere eseguita solo per via indiretta e, pertanto, il principale campo di applicazione della attività sperimentale di questa ricerca è nella definizione di procedure convenienti per una tale misura.

fully investigated, we believe that the first and second effects more or less compensate one another, at least for thickness of the order of 2-4 cm. On the other hand, the façade ventilation has a primary influence on the bowing phenomenon, since it may increase possible differences in the thermal-hygrometric conditions between the inner and the outer surfaces of the cladding. In particular, scarcely efficient ventilation might produce higher temperature and, what is more, higher humidity in the ventilation gap. On the other hand, very effective ventilation might produce the opposite result. In other words, there are reasons to believe that the bowing degree and, in some cases, even the direction of bowing (convex vs. concave) might depend upon the efficiency of the ventilation. Failure mechanism for damaged panels is rather subtle. Unfortunately, macroscopic signs of granular decohesion are hard to find. The damaging action is very slow, but eventually, as the experience with the old façade confirms, marble reduces to an almost inconsistent aggregate of granules, with almost zero mechanical resistance and that can be reduced to powder with the simple finger pressure. Of course, destructive tests can reveal the decay of mechanical properties, but no signs of progressing granular decohesion can be noticed with the naked eye. From this point of view, warping can be a useful indicator of damage progression, but there might be also cases (for example when both slab surfaces are in the same thermo-hygrometric conditions) where damage is not accompanied by bowing. In this case, failure might unexpectedly occur, with the risks we can all imagine.

Di solito, tanto più sofisticate sono le prove, tanto più affidabili sono i risultati ottenibili, ma occorre sempre cercare un compromesso tra fattibilità e precisione. Di conseguenza, sono stati proposti vari test che forniscono una caratterizzazione a diversi livelli di accuratezza. Le prove di trazione diretta (Iori & Royer, 2001) sono efficaci, ma difficili da eseguire e richiedono un’apparecchiatura molto sofisticata, sebbene siano le sole che permettano la valutazione diretta della resistenza media delle forze coesive che cementano i grani fra loro. Indicazioni ulteriori possono essere ottenute dalla valutazione dell’energia di frattura, ad esempio con prove di flessione su travette pre-fessurate (Belletti et. al., 2000), che consentono una buona caratterizzazione dei vari materiali: ancora una volta marmi a microstruttura xenoblastica mostrano i valori più alti dell’energia di frattura. Anche le prove con il dilatometro (Royer-Carfagni, 2004) possono chiaramente evidenziare la predisposizione del marmo verso la decoesione granulare. Queste costituiscono probabilmente la soluzione migliore quando si richiede una precisa, anche se non completa, caratterizzazione del materiale. Questa ricerca ha inoltre evidenziato come, in generale, le prove di compressione non siano adatte per la caratterizzazione del materiale. Infatti, in questo caso, la natura transgranulare delle fratture che accompagnano la rottura non consente una valutazione della connessione tra i grani. Quando ci si possono permettere solo test standard, fra tutte le prove meccaniche quella che sembra essere la più adatta è la prova di resistenza a flessione, possibilmente corredata dalla registrazione del corrispondente diagramma carico-freccia. Le prove di flessione possono

6.2 ASSESSMENT OF THE

SUITABILITY OF A GIVEN MARBLE

FOR FAÇADE CLADDING

The resistance of the cementing forces that connect the calcite constituent granules appears to be the leading parameter characterizing marble attitude towards granulardecohesion damage. Of course, the evaluation of such a resistance can only be performed indirectly. Therefore, the principal scope of the experimental activity of this research has been the definition of convenient procedures for such a measurement. Usually, the more sophisticated the tests, the more reliable results can be obtained, but a compromise should be searched between practicability and accuracy. Consequently, various tests, providing a characterization at different levels of accuracy, have been proposed. Direct tensile tests (Iori & Royer, 2001) are effective, but difficult to perform and require a very sophisticated apparatus, although they are the only tests that permit a direct measure of the average resistance of the cohesive forces cementing the grains together. A further indication can be obtained through the evaluation of the fracture energy using bending tests on pre-cracked beams (Belletti at.al., 2000), which allow a good characterization of the various materials: again xenoblastic-texture marble show the greatest value of the fracture energy. Moreover, dilatometric tests (Royer-Carfagni, 2004) clearly represents the attitude of marbles towards granular decohesion. They probably constitute the best solutions when a precise, though not complete, characterization is required. This research has also highlighted that in general compression tests are not suitable for material characterization. In fact, in this case, the trangranular nature of fractures that

dare anche un’indicazione approssimativa dell’energia di vergini con quelli ottenuti su campioni condizionati termifrattura del materiale che, tuttavia, dovrebbe essere con- camente. Il condizionamento termico da adottare (vale a trollata con test più raffinati quando si richiede una magdire il numero di cicli termici e gli intervalli di temperatugior precisione. La ricerca ha comunque sempre mostrato ra) dovrebbe essere codificato. Possiamo riassumere in l'importanza fondamentale della tessitura microstrutturauna tabella (Tab.3) riepilogativa una possibile scheda tecle dei grani. Si sottolinea quanto sia irrinunciabile un nica per la certificazione del materiale, nella quale si forcontrollo di questa caratteristica attraverso, ad esempio, nisce anche una possibile indicazione del condizionamenl’osservazione microscopica del materiale in sezioni sottito termico da adottare nei test. Si consiglia in ogni caso li. In tutti i test che sono stati svolti, in Tab.3 accordo con i risultati ottenuti indiTipo di marmo / Marble type: …………………. pendentemente in altri laboratori, i Tessitura: (xenoblastica o omoblastica) / Texture: (xenoblastic or homoblastic) marmi a tessitura A/P2=…., A/S2=….. xenoblastica hanno quasi sempre dimoCampioni condizionati dopo 20 cicli da Campioni vergini - 40°C a + 40°C Conditioned samples Test strato una migliore Unconditioned samples after 20 cycles from - 40°C to + 40°C resistenza rispetto a quelli a tessitura Resistenza alla flessione omoblastica. .... .... Bending strength Ultimo ma non meno importante, Assorbimento d’acqua .... .... al fine di valutare Water adsorption l’attitudine del Porosità aperta materiale nei con.... .... Open porosity fronti della decoeDilatazione permanente dopo 3 cicli da sione granulare è - 40°C a + 40°C fondamentale, in .... .... Permanent Dilatation after 3 cycles ogni prova, confronfrom - 40°C to + 40°C tare i risultati ottenuti su campioni

accompanies compression failure does not permit any evaluation of the connection among the grains. When only simple experiments are allowed, evaluation of the bending strength, possibly recording the material response during loading, appears to be the most suitable of all standard mechanical tests. Bending tests give a rough indication of the material fracture energy, which should however be controlled thorough more refined tests when more accuracy is required. The research has always showed the fundamental importance of the grain textural arrangement. We emphasize that a control of this parameter through the microscopic observation of material thin sections is unavoidable. In all the tests we have performed, in agreement with the results independently obtained in other laboratories, xenoblastic-textured marbles have nearly always showed better resistance than the homoblastic ones. Last but not least, in order to assess the material attitude towards granular decohesion, it is fundamental in any test to compare the results on virgin specimens with those performed on thermally deteriorated samples. The thermal treatment to be used (i.e., number of thermal cycles and temperature intervals) should be codified. We may summarize in a recapitulary table (Tab.3) a possible technical card for the material classification. Indication of a possible treatment for thermal-conditioning is also reported. 6.3 PRACTICAL COUNTERMEASURES

FOR PREVENTING THE FAILURE

OF THE MARBLE CLADDING

For what the prevention of marble-cladding failure is

concerned, two issues should be distinguished: i) monitoring an existing marble façade, in order to avoid any possible risk; ii) making predictions about the façade “remaining life”. The continuous control of the actual health-state of a façade should not be limited to observation of possible bowing. In fact, recall that the subtlest failure may occur without bowing. In-lab tests have provided a wealth of evidence that granular decohesion can be produced by thermal conditioning without any evident sign of bowing and, as a matter of fact, we have already remarked that warping should be attributed to possible differences in the thermal-hygrometric conditions between the two faces of the cladding. Effective monitoring can of course be performed through destructive testing, i.e., detection of possible decay in the bending strength already furnishes an indicative parameter. However, just a SEM analysis of very little portions carved from the façade should be sufficient to immediately recognize possible signs of granular decohesion. The results obtained in other laboratories, at least so far, advise against the use of non-destructive tests like ultrasonic measurements, which furnish insignificant indications. Other types of non-destructive testing, for example sclerometer measurements, have not been considered in this research. Making predictions is a much more difficult task. In our research, the most appropriate test from which some type of prediction can presumably be drawn appears to be the dilatometric test. Measuring the permanent dilatation produced by thermal cycling may also be an appropriate way to assess the DIAMANTE Applicazioni & Tecnologia

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di utilizzare sempre campioni asciutti nelle prove. Infatti, le prove dilatometriche della sezione 3 hanno dimostrato che l’effetto principale dell’umidità è quello di accelerare, piuttosto che originare, il processo di decoesione granulare termicamente indotto. Di conseguenza, ogni volta che si è interessati a classificare i materiali per confronto, piuttosto che a valutare la loro resistenza in termini assoluti, è importante che tutti i campioni siano nelle stesse condizioni di partenza (vale a dire tutti asciutti o bagnati). D’altra parte, il livello di umidità può variare nel corso del condizionamento, soprattutto quando sono coinvolti notevoli sbalzi termici. Riteniamo pertanto che il miglior compromesso sia quello di utilizzare sempre campioni asciutti. 6.3 CONTROMISURE

PRATICHE PER PREVENIRE IL CEDIMENTO DEI

RIVESTIMENTI DI MARMO

Per ciò che riguarda la prevenzione del cedimento dei rivestimenti di facciata in marmo, si dovrebbero distinguere due questioni: i) il monitoraggio delle facciate esistenti, al fine di evitare ogni possibile rischio; ii) la previsione della “vita residua” della facciata. Il continuo controllo dell’effettivo stato di salute di una facciata non dovrebbe essere limitato all’osservazione di possibili fenomeni di imbarcamento, in quanto il cedimento più insidioso può avvenire senza imbarcamento. La prove di laboratorio hanno infatti fornito ampia prova che la decoesione granulare può essere prodotta dal condizionamento termico senza alcun segno evidente di incurvamento e, come si è già osservato, l’incurvamento delle lastre dovrebbe essere attribuito ad eventuali differenze nelle condizioni termo-igrometriche tra le due facce del rivestimento. Un controllo efficace può essere eseguito tramite prove distruttive: ad esempio, un parametro significativo consiste nell’individuare possibili segni di degrado nella resistenza alla flessione.

vulnerability of different marble qualities. In particular, we have noticed that, for the same temperature intervals, there is a linear correspondence between the permanent dilatation and the logarithm of the number of thermal cycles. The slope of each graph may thus represent an index of the material attitude towards damage: smaller slopes correspond to more durable materials. The important of this assumed linearity is that only a few tests are necessary to make long term predictions. In other words, knowing the thermal-hygrometric conditions at both sides of a façade and analyzing in-lab the permanent expansion of marble in response to thermal cycling, it should be possible to make an estimation of the progression in time of the granular decohesion level. Unfortunately, this aspect of the research is only at its initial stage and, in particular, the effects of humidity have still to be analyzed in depth. For this reasons, further studies are needed to achieve a better quantitative description of the phenomena.

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Tuttavia, anche una semplice analisi al SEM di piccolissime porzioni di materiale prese dalla facciata dovrebbe essere sufficiente per riconoscere subito i sintomi della decoesione granulare. I risultati ottenuti in altri laboratori, almeno finora, sconsigliano l'uso di prove non distruttive come le misurazioni con ultrasuoni, che non danno risultati significativi. Altri tipi di prove non distruttive, come per esempio misurazioni con lo sclerometro, non sono state considerate in questa ricerca. Fare previsioni è molto più difficile. Nella nostra ricerca, il test più appropriato dal quale poter trarre qualche sembra essere quello effettuato col dilatometro. La misurazione della dilatazione permanente prodotta da cicli termici può anche essere un modo adeguato per valutare la vulnerabilità delle diverse qualità di marmo. In particolare, abbiamo notato che vi è una corrispondenza praticamente lineare tra la dilatazione permanente e il logaritmo del numero di cicli termici eseguiti a parità di intervallo di temperatura. La pendenza del grafico corrispondente può quindi rappresentare un indice dell’attitudine del materiale al danneggiamento: piccole inclinazioni corrispondono ai materiali più durevoli. L’importanza della linearità di tale comportamento è che solo poche prove sono necessarie per fare previsioni a lungo termine. In altre parole, dalla conoscenza delle condizioni termo-igrometriche su entrambi i lati di una facciata ed analizzano in laboratorio la dilatazione permanente del marmo in risposta a cicli termici, dovrebbe essere possibile fare una previsione della progressione nel tempo del livello di decoesione granulare. Purtroppo, questo aspetto della ricerca è solo nella sua fase iniziale e, in particolare, gli effetti di umidità devono ancora essere analizzati in dettaglio. Per poter passare ad una descrizione più quantitativa dei fenomeni sono auspicabili ulteriori studi.

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