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AGM for Cultural Heritage – Materiali di nuova generazione per il restauro dei Beni Culturali: nuovo approccio alla fruizione

AVVISO PON RI 2014-2020 RICERCA INDUSTRIALE E SVILUPPO SPERIMENTALE 12 AREE SPECIALIZZAZIONE

 

Progetto “AGM for Cultural Heritage – Materiali di nuova generazione per il restauro dei Beni Culturali: nuovo approccio alla fruizione”

CUP  B56C18000900008 

RNA-COR 605363

Codice progetto: ARS01_00697

Responsabile scientifico: Prof. Piero Baglioni

 

Presentazione del progetto

Il progetto AGM for CuHe: Advanced Green Materials for Cultural Heritage - Materiali di nuova generazione per il restauro dei Beni Culturali: nuovo approccio alla fruizione è finalizzato a sviluppare nuove strategie per la conservazione dei Beni Culturali attraverso la produzione, il collaudo e l'introduzione nel mercato di materiali e tecnologie eco-compatibili e intelligenti per il restauro di edifici monumentali. I termini eco-compatibili e intelligenti sono riferiti rispettivamente all'utilizzo di materiali e materie prime riciclate. Il contesto in cui verrà sviluppato il progetto è caratterizzato da un'alta densità di patrimoni culturali, anch'essi elencati nella Lista del Patrimonio dell'UNESCO, che rappresentano importanti attrazioni turistiche.

AGM for CuHe vuole contribuire a valorizzare e aumentare la fruibilità del patrimonio culturale sviluppando un turismo consapevole e partecipato attraverso un effetto virtuoso che parta dalla progettazione e sviluppo di materiali di nuova generazione che consentano interventi di restauro e di recupero del patrimonio culturale con un approccio moderno e multidisciplinare.

 

La prima fase del progetto, nell’ambito dell’OR1 dello stesso (OR1-Progettazione  sviluppo e caratterizzazione di materiali innovativi eco-friendly per il restauro) è focalizzata sulla progettazione, sviluppo e caratterizzazione di geopolimeri. Nell’ottica della promozione di un’economia circolare i suddetti geopolimeri saranno ottenuti principalmente a partire da materiali di recupero e di riciclo.

 

 

Alcuni esempi dei geopolimeri ottenuti

 

La parte del progetto sviluppata presso l’unità operativa dell’Università degli Studi di Firenze progetto, si occupa inoltre, in questa prima fase, anche della progettazione, dello sviluppo e della caratterizzazione di consolidanti e protettivi innovativi. In questo ambito, la ricerca mira ad ottenere formulazioni polifunzionali, ecosostenibili e a basso costo, per il trattamento d i grandi superfici. L’effetto di consolidamento sarà combinato con gli effetti derivanti da specifiche funzionalizzazioni quali la resistenza all’irraggiamento e all’attacco biologico. Sono in corso di sviluppo nanomateriali a base di ossidi, idrossidi e carbonati per la funzionalizzazione di protettivi che, a loro volta verranno sottoposti a cicli di invecchiamento accelerato con l’obiettivo di verificare la stabilità chimica e fotochimica dei materiali compositi ottenuti. La valutazione delle prestazioni sarà eseguita mediante tecniche spettroscopiche e di microscopia elettronica, integrate con l’analisi delle proprietà superficiali (bagnabilità, capillarità, permeabilità).

 

Al momento, presso i laboratori di ricerca dell’Università degli Studi di Firenze, sono in corso analisi chimiche degli elementi in traccia dannosi per la salute e l’ambiente mediante ICP-MS sui seguenti campioni:

1) Sedimenti argillosi;

2) Ceneri vulcaniche del Monte Etna attualmente considerati rifiuti speciali;

3) Tufi palagonitizzati;

4) Sedimenti utilizzati nei differenti periodi storici;

5) Scarti non pericolosi derivanti da attività̀ edili (C&D) ed industriali presenti sul territorio regionale.

 

Sulla base di questi dati, integrati con quelli ottenuti dagli altri partner, verranno selezionate 10 materie prime idonee alla sperimentazione di geopolimeri, quindi seguirà̀ la progettazione e lo sviluppo di formulazioni per la realizzazione dei geopolimeri.

 

Aggiornamento - ottobre 2019

Il progetto AGM for CuHe: Advanced Green Materials for Cultural Heritage - Materiali di nuova generazione per il restauro dei Beni Culturali: nuovo approccio alla fruizione è finalizzato allo sviluppo di nuove strategie per la conservazione dei Beni Culturali attraverso la produzione, il collaudo e l'introduzione sul mercato di materiali e tecnologie eco-compatibili per il restauro di edifici monumentali.

Il contesto in cui il progetto si sviluppa è caratterizzato da un'alta densità di patrimoni culturali elencati nella Lista del Patrimonio dell'UNESCO, che rappresentano importanti attrazioni turistiche. AGM for CuHe vuole dunque contribuire alla valorizzazione e fruizione del patrimonio culturale sviluppando un turismo consapevole e partecipato attraverso un effetto virtuoso che parta dalla progettazione e dallo sviluppo di materiali di nuova generazione che consentano interventi di restauro e di recupero del patrimonio culturale con un approccio moderno e multidisciplinare.

 

Nell’ambito dell’Obiettivo OR1 del progetto (OR1-Progettazione, sviluppo e caratterizzazione di materiali innovativi eco-friendly per il restauro), la prima fase (Attività RI 1.1, luglio 2018-agosto 2019) è stata incentrata sulla progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione di geopolimeri. Nell’ottica di promozione di un’economia circolare le materie prime dovevano essere principalmente di recupero; a tale scopo i materiali originariamente selezionati erano:

1) Sedimenti argillosi;

2) Ceneri vulcaniche del Monte Etna attualmente considerati rifiuti speciali;

3) Tufi palagonitizzati;

4) Sedimenti utilizzati nei differenti periodi storici;

5) Scarti non pericolosi derivanti da attività̀ edili (C&D) ed industriali presenti sul territorio regionale.

Su tali materiali, presso i laboratori di ricerca dell’Università degli Studi di Firenze, sono state condotte indagini scientifiche per valutarne l’idoneità come materie prime per la produzione di geopolimeri. In particolar modo è stata determinata:

• l’eventuale presenza di elementi in traccia dannosi per la salute e l’ambiente attraverso analisi ICP-OES

• la reattività chimica attraverso prove di rilascio condotte in ambiente alcalino (determinazione della fase solubile ed analisi ICP-OES di alluminio e silicio)

Sulla base dei risultati ottenuti, integrati con quelli degli altri partner, sono state selezionate 10 materie prime per la sperimentazione di geopolimeri. I geopolimeri prodotti sono stati successivamente caratterizzati da un punto di vista geotecnico attraverso la determinazione della resistenza a compressione monoassiale e della resistenza a flessione sotto carico concentrato.

Attualmente è in corso la fase RI 3.2 (agosto 2019 – dicembre 2019) dell’Obiettivo OR3 (OR3-Modellizzazione dei processi e degli interventi di restauro e di recupero), che prevede la verifica della compatibilità dei prodotti sviluppati verso i supporti materici di monumenti ed edifici del patrimonio culturale. Nello specifico dovrà essere valutato il comportamento di consolidanti e protettivi selezionati (applicati su materiali lapidei) attraverso test di invecchiamento accelerato. In particolare saranno misurate le modificazioni del colore, la formazione di sottoprodotti secondari dannosi, le variazioni della resistenza agli sforzi meccanici, la perdita di massa e la durata del potere protettivo. A tale scopo saranno effettuate indagini spettroscopiche (FTIR e UV-Vis), colorimetriche e microscopiche, nonché lo studio delle caratteristiche fisico-meccaniche dei campioni attraverso prove di permeabilità, capillarità, imbibizione totale, resistenza alla compressione e al taglio.

 

Aggiornamento - maggio 2020

Nell’ambito del progetto AGM for CuHe: Advanced Green Materials for Cultural Heritage - Materiali di nuova generazione per il restauro dei Beni Culturali: nuovo approccio alla fruizione, l’Università degli Studi di Firenze, nei suoi laboratori di ricerca del Dipartimento di Scienze della Terra (DST) e del Dipartimento di Chimica “Ugo Schiff”, ha condotto indagini scientifiche su materie prime e geopolimeri per valutarne le caratteristiche chimiche e meccaniche.

I principali risultati sperimentali fin qui ottenuti sono qui riportati:

• analisi ICP-OES di materie prime (DST): tali analisi sono state condotte sulle potenziali materie prime per la realizzazione dei geopolimeri al fine di indagare l’eventuale presenza di elementi in traccia dannosi per la salute e l’ambiente. Sono stati analizzati 57 campioni di cui sono state valutate le concentrazioni di As, Cd, Pb e Hg; i valori sperimentali ottenuti sono stati confrontati con quelli riportati nella “Tabella 1 dell’allegato 5 alla parte IV, titolo V” del Decreto Legislativo n. 152 del 3 aprile 2006 “Testo Unico recante le Norme in Materia Ambientale (TUA)”. In nessun campione sono stati riscontrati livelli di As, Cd e Hg sopra i limiti di legge, ed un solo campione è risultato essere oltre i limiti per il contenuto in Pb
• leaching e ICP-OES di materie prime (Dipartimento di Chimica): nel corso di queste prove è stato testato il comportamento di 11 campioni di potenziali materie prime per la realizzazione di geopolimeri in ambiente basico. Sulla base della percentuale di fase solubile determinata in seguito al trattamento lisciviante e della quantità di Si e Al disciolti in essa è stato possibile concludere che la reattività dei campioni esaminati non sia elevata
• resistenza a compressione e flessione di geopolimeri (DST): questa prove hanno permesso di valutare il carico minimo unitario per provocare la rottura di provini in seguito a sforzi di compressione e flessione. I risultati ottenuti su 12 geopolimeri hanno evidenziato comportamenti meccanici molto differenziati per geopolimeri ottenuti con procedure diverse

Attualmente sono in corso ulteriori prove su altre materie prime e geopolimeri (per un totale di 42 campioni) per verificarne le proprietà meccaniche ed il comportamento in seguito a leaching test in ambiente acido.

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The project 

The project AGM for CuHe: Advanced Green Materials for Cultural Heritage - New generation materials for Cultural Heritage restoration: new approach to fruition is focused on the development of new strategies for the conservation and fruition of Cultural Heritages by the production, testing and introduction in the market of eco-friendly and smart materials and technologies for the restoration of monumental buildings. The terms eco-friendly and smarts are referred to the use of waste recycled raw materials and tuneable products, respectively. The context in which the project will be developed is characterised by a high density of Cultural Heritages, also listed in the UNESCO Heritage List, representing relevant touristic attractions.

AGM for CuHe is focused on the valorization and to the increase of the availability of Cultural Heritage by developing a virtuous and mindful tourism that start from the design and the development of innovative materials that allow the conservation and the recovery of Cultural Heritage through a modern and multidisciplinary approach.

The first part of the project, in the frame of the OR1 (OR1-Set up and development and characterization of innovative eco-friendly materials for conservation) is focused on the set up, development and characterization of innovative geopolymers. In order to promote a circular economy, the raw materials for the preparation of these geopolymers are obtained mainly from recycled and waste materials.

 

 

 

Some examples of the geopolymers obtained

 

The project is focused on the development and characterization of nanostructured composite materials to be used for the consolidation and protection of historical and valuable stone artifacts, both natural and artificial. This research aims to find polyfunctional novel formulations, eco-sustainable and not expensive, for the treatment of large stone surfaces. The consolidation effect will be combined with specific functionalizations such as irradiation and biological attack resistance. approach. Oxides, hydroxides, carbonates will be considered for the functionalization of the protective films. These will be applied on mock-up samples and artificially aged. The evaluation of the treatment effectiveness will be carried out using spectroscopic techniques and electron microscopy, and with the analysis of the surface properties (wettability, capillarity, permeability, and others).

 

 

At the moment, in the research labs of the University of Florence some samples of different recovery materials are been analyzed through ICP-MS in order to obtain informations about the presence of traces of elements potentially injurious for the health. These samples are:

1) Clay deposits;

2) Volcanic ashes from Monte Etna actually classified as hazardous waste;

3) Tuffs palagonitizzati;

4) Deposits used in diff;

5) Not dangerous waste materiald from construction and/or industrial activity in Sicily.

 

On the basis of these data, that will be integrated with the ones obtained from other partners of the project, 10 raw materials will be selected for the preparation of innovative geopolymers.

 

Update - October 2019

AGM for CuHe: Advanced Green Materials for Cultural Heritage - New generation materials for Cultural Heritage restoration: new approach to fruition is a project focused on the development of new strategies for the conservation of Cultural Heritage by the production, testing, and introduction into the market of eco-friendly and smart materials and technologies for the restoration of monumental buildings.

This project is developed in a context characterized by a high density of Heritage Sites, listed in the UNESCO Heritage List, which are relevant tourist attractions. As a result AGM for CuHe aims to the valorization and availability of Cultural Heritage by designing innovative materials for the conservation of Cultural Heritage with a modern and multidisciplinary approach that might promote a virtuous effect and therefore the development of a conscious tourism.

 

Within the project objective OR1 (OR1-Set up, development, and characterization of innovative eco-friendly materials for conservation), the first part (RI 1.1, July 2018 - August 2019) focuses on the design, development, and characterization of geopolymers. In order to promote circular economy, raw materials are recycled and waste ones; for this reason selected raw materials had been:

1) Clay deposits;

2) Volcanic ashes from Monte Etna actually classified as hazardous waste;

3) Palagonite tuffs;

4) Deposits used in different historical ages;

5) Not dangerous waste from construction and/or industrial activity in Sicily.

 

Such materials were analysed in research laboratories of the Università degli Studi di Firenze in order to assess their suitability as raw materials for the production of geopolymers. Scientific investigations concerned:

• the possible presence of dangerous traces elements by means of ICP-OES

• chemical reactivity in alkaline environment through leaching tests (assessment of the soluble phase and ICP-OES analysis of Al and Si)

According to scientific results, in agreement with the ones from other project partners, 10 raw materials were selected for geopolymers experimentation. Thereafter geopolymers underwent a geotechnical characterization by assessing their uniaxial compressive strength and flexural strength.

 

At the moment the phase RI 3.2 (August 2019 – December 2019) of the project objective OR3 (OR3-Modeling of processes and restoration interventions) is in progress. This phase is focused on the analysis of the compatibility of developed consolidants and protective products towards substrates of artistical and architectonical interest (mainly stone materials). The behaviour of selected materials will be studied focusing the attention on artificial ageing tests. Changes in colour, formation of dangerous by-products, variations in the resistance to mechanical stresses, mass losses, and the treatments duration will be evaluated. To this aim spectroscopic analysis (FTIR and UV-VIS), colorimetry, and microscopy will be performed; laboratory samples will also undergo tests for the determination of their permeability, capillarity, total imbibition, and compressive and shear strength.

 

Update - May 2020

 

The project AGM for CuHe: Advanced Green Materials for Cultural Heritage - New generation materials for Cultural Heritage restoration: new approach to fruition is carried out by the University of Florence in two of its research laboratory: the Earth Sciences Department (DST) and the Department of Chemistry “Ugo Schiff”. Such laboratories performed scientific analysis on both raw materials and geopolymers in order to assess their chemical and mechanical properties.

The main experimental results obtained up to now are here reported:

• ICP-OES analysis on raw materials (DST): such analysis were performed on selected materials to be possibly used for geopolymers production so as to assess the presence of traces elements harmful to health and environment. The content in As, Cd, Pb e Hg was evaluated for 57 samples; experimental data were compared with the ones reported in the Table 1 of the Attachment n. 5 to Part IV, Titulus V, of the legislative decree n. 152/2006 “Testo Unico recante le Norme in Materia Ambientale”. No sample showed levels of As, Cd, and Hg above the legal limits; only one sample was above the legal limit established for Pb
• leaching tests and ICP-OES on raw materials (Department of Chemistry): 11 samples subjected to leaching tests in an alkaline environment and their chemical behaviour was tested. According to the experimental percentage of soluble phase and its content in Si and Al a scarce reactivity of analysed samples was assessed
• mechanical resistance to compression and flexion of geopolymers (DST): these tests let to evaluate the minimum unit load applied to break samples. Experimental results on 12 geopolymers pointed out different mechanical response for geopolymers realized by means of different procedures

Currently further tests on other raw materials and geopolymers (42 samples) are in progress so as to assess their mechanical features and their response to acid leaching tests.