Innovative conservation techniques for bio-deteriorated and soiled ornamental stone in urban areas: laser versus plasma vapour cleaning

Abstract

This project aims to investigate the application of two innovative technologies - laser cleaning and plasma treatment for the conservation of limestone materials in urban environment, the Batalha Monastery, one of the most iconic monuments in Portugal was used as a case study. The thesis is divided into two parts. The first part (chapters 1-3) describes the stone, the degradation processes and their causes. The second (chapters 4-6) investigates the effectiveness of stone cleaning with plasma and laser technologies, proposing a method of preserving limestone by deposition of SiOx films. In particular, chapter 1 focuses on the mineralogical-petrographic characterization of the limestones used in the construction and restoration of the monastery, identifying the quarries. Chapter 2 characterizes the orange surface patinas present on the facades and on architectural reliefs of the monastery, identifying the mechanisms of formation. Chapter 3 investigates the nature of the microbial colonization of the monastery's limestones, revealing the process of formation, and the synergistic contribution of urban pollution in the biodegradation processes of stone monuments. Chapter 4 reports the results of plasma treatments on limestone tablets subjected to accelerated microbial colonization, evaluating their ability to inhibit bio-deterioration. Chapter 5 reports the results of treatments with four types of lasers with different irradiation modes used for ablating the lichen crust present on the limestone of the monastery, as well as for the cleaning of stone tablets exposed on the roof of the monument, comparing their efficacy and safety. Chapter 6 evaluates the effectiveness in terms of stone protection from environmental attack by pollutants and biological agents of the surface deposition by plasma of a thin-film of SiOx on limestone samples. Preliminary results show how the SiOx film helps protect it from acid rain and slows down bio-colonization processes, by forming a resistant coating on the stone surface; Resumo: Técnicas Inovadoras de Conservação para Pedra Ornamental Bio-deteriorada e Suja em Áreas Urbanas: Limpeza de Vapor a Laser versus Plasma. Este projeto visa investigar a aplicação de duas tecnologias inovadoras - limpeza a laser e tratamento por plasma - para a conservação de materiais calcários em ambiente urbano, utilizando o Mosteiro da Batalha, um dos monumentos mais emblemáticos de Portugal, como caso de estudo. A primeira parte (capítulos 1-3) descreve os materiais pétreos, os processos de degradação e as suas causas. A segunda parte (capítulos 4-6) investiga a eficácia das técnicas de limpeza de pedras com tecnologias de plasma e laser, propondo um método de preservação de calcário através da deposição de películas protetoras de SiOx. Em particular, o capítulo 1 incide sobre a caracterização mineralógico-petrográfica dos calcários utilizados na construção e restauro do mosteiro, identificando as pedreiras originais. O capítulo 2 caracteriza as pátinas de cor laranja, presentes nas fachadas e nos relevos arquitetónicos do mosteiro, identificando os respetivos mecanismos de formação. O capítulo 3 investiga a natureza da colonização microbiana dos calcários do mosteiro, revelando o processo de formação correspondente e demonstrando a contribuição sinérgica da poluição urbana nos processos de biodegradação dos monumentos pétreos. O capítulo 4 relata os resultados dos tratamentos com plasma em provetes de calcário submetidos à colonização microbiana acelerada, avaliando a sua capacidade de inibir a biodeterioração. O capítulo 5 relata os resultados de tratamentos com quatro tipos de lasers com diferentes modos de irradiação utilizados para a ablação da camadas de liquen presentes no calcário do mosteiro, bem como para a limpeza das superficies de pedra expostos no telhado do monumento, comparando eficácia e segurança. O capítulo 6 avalia a eficácia em termos de proteção da pedra contra o ataque ambiental por poluentes e agentes biológicos da deposição superficial por plasma de um filme fino de SiOx em amostras de calcário. Os resultados preliminares mostram como o filme SiOx, ao formar um revestimento resistente na superfície da pedra, ajuda a protegê-la da chuva ácida e retarda os processos de biocolonização; Riassunto: Tecniche innovative di conservazione per pietre ornamentali biodeteriorate e sporche nelle aree urbane: pulizia laser contro vapore plasmatico Questo progetto mira a indagare la applicazione di due tecnologie innovative – pulizia laser e trattamento al plasma, per la conservazione di materiali lapidei calcarei in ambiente urbano utilizzando come caso studio il Monastero di Batalha, uno dei monumenti più iconici del Portogallo. La tesi è divisa in due parti. La prima parte (capitoli 1-3) descrive i materiali lapidei, i processi di degrado e le loro cause. La seconda parte (capitoli 4-6) indaga l'efficacia di tecniche di pulizia della pietra con tecnologie al plasma e al laser proponendo un metodo di conservazione della pietra calcarea tramite deposizione di film protettivi di SiOx. In particolare, il capitolo 1 si concentra sulla caratterizzazione mineralogica-petrografica dei calcari utilizzati nella costruzione e nel restauro del monastero, individuandone le cave di provenienza originali. Il capitolo 2 caratterizza le caratteristiche patine superficiali di colore arancione presenti sulle facciate e e su rilievi architettonici monastero, individuandone i meccanismi di formazione. Il capitolo 3 indaga la natura della colonizzazione microbica dei calcari del monastero, svelandone il processo di formazione, e rivelando il contributo sinergico dell’inquinamento urbano nei processi di biodegrado dei monumenti in pietra. Il capitolo 4 riporta i risultati di trattamential plasma su tavolette calcaree sottoposte a colonizzazione microbica accelerata, valutandone la capacità di inibire il bio-deterioramento. Il capitolo 5 riporta i risultati di trattamenti con quattro tipologie di laser con diverse modalità di irradiazione utilizzati per l'ablazione della crosta lichenica superficiale presente sulla pietra calcarea del monastero, nonché per la pulizia di tavolette di pietra esposte sul tetto del monumento, comparandone l’efficacia e sicurezza. Il capitolo 6 valuta l'efficacia in termini di protezione della pietra dall’attacco ambientale da parte di agenti inquinanti e biologici della deposizione superficiale tramite plasma di un film sottile di SiOx su campioni di pietra calcarea. I risultati preliminari mostrano come il film di SiOx, formando un rivestimento resistente sulla superficie della pietra, contribuisca a proteggerla dalle piogge acide e ne rallenti i processi di bio-colonizzazione.