DAMAGE PROCESSES ON STONES IN URBAN ENVIRONMENT: FIELD EXPOSURE TESTS AND LABORATORY ANALYSES CONTRIBUTING TO POLLUTION IMPACT EVALUATION

L’inquinamento atmosferico rappresenta uno dei principali fattori di degrado di monumenti e beni architettonici costituiti da rocce carbonatiche, soprattutto in ambiente urbano. Sebbene diversi studi abbiano analizzato gli effetti dell’inquinamento sui materiali lapidei attraverso lo studio di campioni prelevati da edifici storici, test di simulazione in camera climatica e/o in campo e monitoraggio della qualità dell’aria (gas e aerosol) relativa all’ambiente circostante un specifico bene culturale, esistono tuttavia delle lacune riguardo la correlazione quantitativa tra la concentrazione degli inquinanti atmosferici e il danno che possono provocare al substrato lapideo. Vanno inoltre anche considerate le ripercussioni della composizione atmosferica attuale, impoverita di SO2 ma arricchita di NOx e composti organici rispetto al passato. A tal proposito, l’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima del Consiglio Nazionale delle Ricerche (ISAC-CNR) in collaborazione con il Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Ferrara hanno condotto dei test di esposizione in campo di provini lapidei e filtri passivi per 24 mesi in città italiane contraddistinte da situazioni ambientali differenti (Bologna, Ferrara e Firenze) insieme a delle campagne di monitoraggio del particolato atmosferico come approccio non-invasivo per studiare l’impatto dell’inquinamento urbano su rocce carbonatiche. Sono stati scelti come campioni un marmo (Marmo di Carrara) e un calcare (Rosso Ammonitico Veronese) per le loro caratteristiche fisico-chimiche e la loro diffusione come materiali da costruzione e decorazione nell’architettura storica italiana. Gli espositori in metallo galvanizzato sono stati preparati per ospitare i campioni con diversa orientazione (orizzontale, obliqua e verticale) in modo da identificare quanto la posizione possa influire sulla deposizione e rimozione degli inquinanti. I campioni lapidei sono stati levigati ed esposti all’aperto in maniera parzialmente protetta delle precipitazioni in aree affette da intenso traffico veicolare. A intervalli di tempo prestabiliti, sono state utilizzate diverse tecniche analitiche (analisi colorimetriche, IC, EA-IRMS, ESEM-EDX, ICP-MS) per valutare lo stato di degrado dei campioni lapidei esposti mentre le campagne di monitoraggio del particolato atmosferico hanno permesso di confrontare i componenti atmosferici (in termini di ioni solubili e frazioni del carbonio) con quelli che si sono effettivamente depositati sulle superfici lapidee e sui filtri passivi. I risultati dimostrano un trend di soiling crescente nel tempo in tutti i siti, più evidente sui campioni di marmo orizzontali e obliqui. In particolare, sono stati riscontrati un annerimento e un ingiallimento della superficie lapidea in relazione all’accumulo rispettivamente di carbonio elementare (EC) e di carbonio organico (OC) e solfati. L’approccio metodologico scelto ha fornito informazioni relative alla reale deposizione delle frazioni solubili e carboniose per unità di superficie nel tempo così come lo sviluppo della metodologia per la speciazione del carbonio attraverso separazione termica ha consentito di misurare le frazioni di C sulle superfici di degrado senza ricorrere a nessun attacco chimico. Inoltre, l’elevata concentrazione di metalli pesanti nel deposito dei provini lapidei, la prevalenza di OC su EC sia in atmosfera che sul deposito dei campioni lapidei e dei filtri passivi e anche gli ioni solubili (soprattutto Cl- e SO42- sul deposito e NO3-, SO42- e NH4+ nel PM atmosferico) hanno confermato come il traffico veicolare possa influenzare la composizione del particolato atmosferico depositato.

Air pollution constantly threatens the conservation of carbonate stone monuments and built heritage mainly in urban areas. Even if different studies focused on the effect of pollution on stone materials, by analysing samples collected from historic buildings, performing tests in simulation chamber and/or in field and monitoring air quality (gases and aerosol) of the environment surrounding specific cultural heritage, lack of knowledge still remains in the quantitative correlation between the concentration of particular atmospheric pollutants and their damage induced to stone. Furthermore, the possible repercussions on built heritage of the current atmosphere in Western Europe, poorer than in the past of SO2 but richer of NOx and organic compounds, merit consideration. In this regard, the Institute of Atmospheric Sciences and Climate of the National Research Council of Italy (ISAC-CNR) with the Department of Physics and Earth Sciences of the University of Ferrara performed field exposure tests of stone model samples and passive filters for 24 months in Italian cities characterised by different environmental conditions (i.e. Bologna, Ferrara and Florence) associated with particulate matter monitoring campaigns as a non-invasive methodological approach for studying the impact of urban pollution on carbonate stones. Marble (Carrara Marble) and limestone (Verona Red Marble) were selected as model samples as they were widely used as construction and ornamental elements in historic Italian architecture and for their physico-chemical features. Galvanized metallic racks were prepared to host samples with different exposure orientations (i.e. horizontal, oblique and vertical) in order to identify how positioning may reflect on deposition and removal of pollutants. Polished stone samples were exposed outdoor, partially sheltered from the rain wash-out, in areas strongly affected by pollution due to vehicular traffic. At defined time intervals, several analytical techniques (Colorimetric analysis, IC, EA-IRMS, ESEM-EDX, ICP-MS) were used for characterising the state of degradation of the exposed stone specimens while aerosol monitoring campaigns allowed to compare the atmospheric components (in terms of soluble and carbon fractions) with those actually accumulate on samples surface and passive filters. The results demonstrate an increasing trend of soiling over time in all sites, more evident in horizontal and oblique marble samples. In particular, blackening and yellowing processes of stone surface were identified in relation with deposition of elemental carbon (EC) and accumulation of organic carbon (OC) and sulphate, respectively. The adopted methodological approach provided information about the real deposition of soluble and carbon fractions per surface unit over time as well as the development of methodology for carbon speciation by thermally-based separation allowed to measure C fractions in damage layers without any chemical attack. Moreover, the high concentration of heavy metals on stone deposit, the prevalence of OC over EC both in atmosphere and in deposit of stone samples and passive filters as well as soluble ions (mainly Cl- and SO42- in deposit and NO3-, SO42- and NH4+ in atmospheric PM) confirm as vehicular traffic has directly (combustion of fossil fuels) or indirectly (re-suspended dust and de-icing salts) affected the composition of the deposited particulate matter.