Patinated steels for built heritage : characterisation and restoration

Patinated steels are ferrous alloys which main characteristic is the natural or artificial development of a patina, defined as layers of corrosion products. The most diffused patinated steel is weathering steel, which applications go from civil engineering to built heritage. Its diffusion is principally due to the protectiveness of its patina against atmospheric corrosion, which decreases the maintenance costs and provides an appealing vintage look to its surface. However, specific environmental and design conditions must be met to generate a protective patina (wet/dry cycles, low exposition to pollutants as Cl- and SO42-, good ventilation, absence of interstices or water stagnation areas). In the absence of the correct conditions, the patina appears poorly protective and may lead to problematics as surface heterogeneities and wash-out of corrosion products (due to rain and condensation). The latter is a serious issue in the built heritage conservation context since it produces rust stains on the surrounding historical materials. Stainless steel, characterized by its passivity due to a nanometric film of protective oxides (as Cr2O3) growing on its surface, could overcome the washout problematic. However, it may suffer of localized corrosion (pitting or crevice corrosion), and it may contrast the historical surrounding materials due to its shiny and not aged look. To overcome these problematics, it may be covered with an opaquer and protective finishing, the Peltrox® finishing (nanometric layer of chromium and nickel oxides) on stainless steel. Weathering steel corrosion behavior has been studied extensively [1–3], while fewer data are present on the restoration guidelines to follow when it is vandalized or damaged [4]. Instead, the Peltrox® finishing, which can be coated with a layer of polymerized silicon (called antacid), has never been investigated by the scientific community. This thesis has as main objective to characterize both materials, weathering steel and the Peltrox® finishing, coated with antacid or not, applied on stainless steel. The aims of the characterization are different: for the weathering steel the focus was on the intervention in case of vandalism (spray paint and scratches), while Peltrox® finishing, with and without antacid, was characterized to assess its durability and the impact on the stainless steel’s corrosion behaviour. As a whole, this work allowed to gain knowledge about the surface inhomogeneities presented by a natural weathering steel patina, which affect its corrosion behaviour and the effectiveness of restoration interventions. For the Peltrox® finishing, it was verified that its presence improves the corrosion resistance of the stainless steel alloy to which its applied. In addition, no significant decay of the finishing was observed after accelerated rain ageing

Gli acciai patinati sono leghe ferrose la cui caratteristica principale è lo sviluppo naturale o artificiale di una patina, cioè degli strati di prodotti di corrosione. Le applicazioni di tali acciai sono svariate, dall’ambito dell’ingegneria civile al campo del patrimonio costruito. Il principale motivo del largo impiego degli acciai patinati è la presenza di una patina protettiva contro la corrosione atmosferica, che diminuisce i costi di manutenzione del materiale, e conferisce un apprezzabile aspetto vintage alla superficie. Tuttavia, affinché la patina sia protettiva, è necessario rispettare delle specifiche ambientali e progettuali (cicli di asciutto/bagnato, minima esposizione ad inquinanti come cloruri (Cl-) e solfati (SO42-), presenza di ventilazione ed assenza di interstizi o zone di ristagno dell’acqua). Nell’assenza di tali accorgimenti, la patina perde in parte la propria capacità protettiva provocando svariate problematiche, tra cui inomogeneità superficiali e il rilascio dei prodotti di corrosione (a causa di pioggia e/o condensa). Il rilascio (o colatura) dei prodotti di corrosione è una problematica molto seria nel campo della conservazione del patrimonio costruito, a causa della creazione di macchie di ruggine sui materiali storici posti a contatto con l’acciaio patinato. Gli acciai inossidabili, caratterizzati da un film nanometrico di ossidi protettivi (come Cr2O3) che rendono passiva la loro superficie rispetto alla corrosione atmosferica, potrebbero risolvere la problematica del rilascio di prodotti di corrosione. Nonostante ciò, gli acciai inossidabili possono soffrire di fenomeni di corrosione localizzata (pitting o crevice) e porsi in contrasto con i materiali storici circostanti a causa della loro superficie lucida e non invecchiata. Al fine di sormontare queste problematiche, gli acciai inossidabili possono essere ricoperti tramite una finitura più opaca e protettiva come la finitura Peltrox® (uno strato nanometrico di ossidi di cromo e nickel). La resistenza alla corrosione atmosferica degli acciai patinati è stata largamente studiata in letteratura [1–3], mentre c’è una carenza di indicazioni per quanto riguarda gli interventi di restauro da eseguire in caso di atti vandalici o altre forme di degrado [4]. Al contrario, la comunità scientifica non ha mai studiato la finitura Peltrox®, il quale può anche essere rivestito tramite uno strato di silice polimerizzata (tale coating viene chiamato antiacido). L’obiettivo principale di questa tesi è la caratterizzazione di entrambi i materiali, ossia gli acciai patinati e la finitura Peltrox®, rivestita o meno dall’antiacido, applicata su acciaio inossidabile. Gli scopi delle caratterizzazioni sono differenti. Per gli acciai patinati lo studio ha mirato agli interventi da effettuare in caso di vandalismo (tramite vernice spray o graffi), mentre la finitura Peltrox®, con o senza strato di antiacido, è stata caratterizzata al fine di stimare la sua durabilità e l’impatto sull’acciaio inossidabile in termini di resistenza a corrosione. Nel complesso, questo lavoro è stato utile per apprendere che le inomogeneità superficiali della patina naturale sugli acciai patinati possono condizionare il loro comportamento a corrosione e l’efficacia degli interventi di restauro. Inoltre, riguardo la finitura Peltrox®, è stato verificato che la sua presenza migliora la resistenza a corrosione della lega di acciaio inossidabile sottostante ad essa. Infine, a seguito di invecchiamento accelerato tramite pioggia, la finitura superficiale non ha presentato segni di deterioramento significativi.