Fractal model to describe water behavior in porous stones

In the cultural heritage field degradation of stoney materials is a major problem and the main cause is the penetration of water inside the structures. For this reason tests on the material are run in order to understand the amount of water and vapor permeated through the pores during time. In this Thesis work a new model is proposed in order to simulate these phenomena and obtain useful information on the behavior of the stone without running the experiments. The chosen model was firstly developed by Dr. Pia Giorgio, it consists in the reproduction of the stone microstructure using fractal units and starting from the total void fraction of the stone and its pore size distribution. Once the porous network is done the tests are simulated using equations which describe the fluxes of water or vapor inside the pores of different sizes. An accurate analysis of the results obtained points out weaknesses and strength of the model described and gives some fresh insights into further developments.

Nel campo artistico il decadimento delle pietre utilizzate per la costruzione dei monumenti è un problema importante, la causa principale è la penetrazione dell’acqua all’interno della struttura. Per questo motivo sono eseguiti test sui materiali per capire quanta acqua, in fase gas e in fase liquida, permea attraverso i pori nel tempo. In questo lavoro di Tesi è proposto un nuovo modello per simulare tali fenomeni e avere informazioni utili sul comportamento del materiale, in particolare la pietra, senza eseguire prove sperimentali. Il modello scelto è stato sviluppato dal Dr. Pia Giorgio e consiste nella riproduzione delle microstrutture della pietra utilizzando unità frattali, sfruttando come parametri sperimentali la frazione dei vuoti totali della pietra e la distribuzione dimensionale dei pori. Una volta creato il network poroso, i test sono simulati utilizzando equazioni che descrivono i flussi di acqua o vapore all’interno dei pori in funzione alla loro dimensione. Un’analisi accurata dei risultati ottenuti evidenzia i punti di forza e debolezza del modello descritto e fornisce alcune osservazioni su successivi sviluppi futuri.