1. PORO-MECCANICA

L’acqua, come tutti i composti chimici, è caratterizzata da una serie di proprietà fisiche, quali la tensione di vapore, la temperatura di solidificazione, quella di ebollizione, ecc..

I valori di queste proprietà possono cambiare in modo significativo se l’acqua, anziché essere contenuta in un comune recipiente di proporzioni relativamente grandi, viene a trovarsi all’interno di piccole cavità quali possono essere i pori presenti nei materiali da costruzione in calcestruzzo armato. La conseguenza più appariscente di questa variazione delle proprietà fisiche, nel passare da un comune recipiente ad un contenitore costituito da un solido poroso che presenta un sistema di pori di piccole dimensioni, è la risalita capillare dell’acqua all’interno del solido poroso, quale può essere considerata una muratura in pietra ed in calcestruzzo.

La ragione di questa variazione nelle proprietà dell’acqua risiede nel fatto che le sue molecole, allorquando esse si trovano all’interno di un sistema di pori di piccole dimensioni, o tra due superfici di un solido molto vicine tra loro, risentono fortemente dell’attrazione esercitata dalle superfici del solido (1).

La scienza che studia questa particolare branca della termodinamica prende il nome di poro-meccanica. Per un approfondimento di questo argomento si può consultare uno numero speciale della rivista Materials and Structures pubblicato nel 2004 dedicato integralmente alle applicazioni della poro-meccanica al comportamento dei materiali cementizi (2)..


2. ADSORBIMENTO E ASSORBIMENTO DELL’ACQUA

Gli atomi o gli ioni situati sulla superficie di un solido si trovano in una situazione singolare rispetto a quelli situati internamente al solido. Si consideri, per esempio, una distribuzione di atomi eguali tra loro in un piano reticolare (Fig. 1). L’atomo situato sulla superficie in B, ed ancor più quello allocato in A, non sono circondati dagli altri atomi dello stesso piano, come invece risultano essere tutti gli atomi “interni” come, per esempio, quello situato in C. In altre parole, gli atomi “superficiali”, come A e B, non risultano completamente “legati” con gli altri atomi. Essi si trovano, cioè, in una situazione energeticamente “inquieta” e tentano di raggiungere un equilibrio più soddisfacente legandosi anche ad atomi “estranei” quali quello situato in D che si trovano allo stato di vapore e pertanto presentano una certa mobilità. L’atomo (o la molecola) situato in D verrà pertanto attratto dagli atomi superficiali del solido, per esempio in B. Tale fenomeno prende il nome di adsorbimento.

Il fenomeno dell’adsorbimento consiste, quindi, in un’attrazione sulla superficie di un solido degli atomi o molecole che si trovano nello stato di vapore. Il termine “adsorbimento” va distinto da quello di “assorbimento” che riguarda, invece, la penetrazione di un liquido o di un vapore all’interno di un solido poroso o anche la dissoluzione di un gas in un liquido. In altre parole, l’adsorbimento è un fenomeno che riguarda solo la superficie di un solido, mentre l’assorbimento coinvolge, in modo più o meno uniforme, tutta la massa interna.

In generale si distinguono tre tipi di adsorbimento:

• adsorbimento di Van Der Waals: è il più generico, è dovuto a legami solido-vapore relativamente deboli, e si manifesta di solito alle basse temperature in prossimità delle temperature di condensazione del vapore;

• adsorbimento chimico: è dovuto a legami chimici veri e propri a causa dell’affinità di un determinato solido verso gli atomi o le molecole di un certo gas;

• adsorbimento attivato: è un particolare adsorbimento chimico che si manifesta solo a temperature molto alte necessarie per far avvenire una vera e propria reazione chimica tra il vapore e la superficie del solido; questo tipo di adsorbimento riguarda per lo più i fenomeni di catalisi superficiale ed è escluso dai fenomeni di interazione dell’acqua con i materiali delle murature in pietra o mattone e delle strutture in calcestruzzo.

Poiché l’adsorbimento è un fenomeno che avviene sulla superficie del solido adsorbente, ne deriva che minore è la dimensione delle particelle solide del materiale solido, cioè maggiore è la sua estensione superficiale¹, maggiore risulterà la quantità di valore adsorbito per unità di peso di materiale adsorbente.

¹ L’estensione superficiale viene misurata attraverso l’area superficiale specifica espressa come superficie (cm² o m²) per unità di peso (in genere grammo o kg) o più raramente di volume (in genere cm³).

Nel caso dell’adsorbimento di acqua sulla superficie dei solidi, tipicamente presenti nelle murature e nelle strutture in calcestruzzo, si verifica quasi esclusivamente l’adsorbimento di Van Der Waals. Se la pressione del vapore acqueo a contatto con la superficie di un solido è molto bassa, le forze di attrazione della superficie del solido sono in grado di adsorbire un singolo strato di molecole di acqua (strato mono-molecolare). Se, però, la pressione del vapore (p) è prossima alla pressione del vapore (p₀) corrispondente alla condensazione del vapore per una determinata temperatura, allora lo spessore (t) dello strato di molecole di acqua adsorbite cresce.

Per esempio, l’equazione [1] di Halsey correla lo spessore dello strato t (misurato in nm) di molecole adsorbite con il valore assoluto del logaritmo del rapporto p/p₀:

Maggiore è il rapporto p/p₀, maggiore è lo spessore dello strato di molecole adsorbite. Se si esprime lo spessore dello strato t in funzione dell’umidità relativa (UR = 100 p/p₀) si ottengono i valori riportati nella Tabella 1.

3. CONDENSAZIONE CAPILLARE

La pressione del vapore (p₀) in equilibrio con l’acqua liquida ad una certa temperatura (T) è denominata tensione di vapore (Fig. 2). Se il vapore si trova ad una pressione p < p₀, il liquido evapora finché p non raggiunge il valore di p₀.

Se, d’altra parte, si tenta di aumentare la pressione abbassando per esempio il pistone della Fig. 2, il vapore condensa, ma la pressione (p₀) rimane costante. Solo quando tutto il vapore si è condensato nel liquido, l’abbassamento del pistone farà aumentare la pressione a valori di p>p₀.

Per ogni temperatura, esiste un valore di p₀, che rappresenta la massima pressione del vapore a quella temperatura. Per esempio, alla temperatura T₁ , la tensione del vapore èp₀₁ (punto B nella Fig. 3). Se la pressione, alla stessa temperatura T₁, cresce fino a portarsi in A il vapore scompare per condensazione nel liquido. Se invece la pressione, alla temperatura T₁, diminuisce fino a portarsi in C, allora il liquido scompare per evaporazione. Si definisce umidità relativa (UR) il rapporto percentuale tra la generica pressione p₁ del vapore e la tensione di vapore p₀₁ alla temperatura T₁:

Tutta l’area al di sopra della curva della Fig. 3 rappresenta lo stato liquido, così come tutta l’area al di sotto della stessa curva rappresenta lo stato di vapore. I punti situati sulla curva della Fig. 3 rappresentano i valori di T e p₀ in corrispondenza dei quali coesistono il liquido con il vapore.

La curva della tensione di vapore dell’acqua riportata in Fig. 3 si riferisce all’equilibrio liquido-vapore quando l’acqua si trova in un grande contenitore. Se l’acqua si trova all’interno di cavità di piccolissima dimensione, quali i pori dei materiali di una struttura cementizia, la condensazione del vapore in acqua liquida ad una data temperatura si verifica ad una pressione p_'0 minore di p₀, e p_'0è tanto minore di p₀ quanto più piccola è la dimensione della cavità. In altre parole, in una cavità molto piccola la curva della tensione di vapore della Fig. 3 si abbassa, e l’abbassamento è tanto maggiore quanto minore è la dimensione della cavità (Fig. 4): ad una determinata temperatura T₁ , la pressione del vapore in equilibrio con l’acqua liquida è p₀₁ in una grande contenitore; essa diventa p_'01 in una cavità di piccole dimensioni d’, e scende ad un valore ancora più basso p_''01 < p_'01 se la dimensione della cavità diminuisce ancora fino a d” < d’.

Quando l’acqua si trova all’interno di piccole cavità, essa risente fortemente della presenza dalle superfici del solido e quindi la tensione del vapore (che rappresenta, ad una determinata temperatura, la tendenza ad evaporare) diminuisce per effetto dell’attrazione esercitata dalle superfici solide sulle molecole di acqua. Più vicine sono tra loro le superfici solide, più piccola cioè è la dimensione della cavità, minore diventa la tensione di vapore dell’acqua.

Kelvin (1, 2) ha calcolato quale diventa la tensione di vapore p all’interno di un poro capillare, supposto di sezione cilindrica, avente raggio r_c attraverso l’equazione [3] nota come equazione di Kelvin:

dove p₀è la tensione di vapore “convenzionale” in un grande contenitore alla temperatura assoluta T (in °K), R è la cosiddetta costante universale dei gas (8.3 joule • mole^-1°K^-1), σ è la tensione superficiale dell’acqua (72•10^-3 N • m^-1), V è il volume molare dell’acqua (18 • 10^-6 m³/mole), θ è l’angolo di contatto tra l’acqua e la superficie del solido all’interno della cavità.

Il significato dell’equazione di Kelvin è il seguente: in un solido micro-poroso avente pori capillari di raggio variabile, il vapore condenserà alla pressione p (minore di quella “convenzionale” p₀) in tutti i pori di raggio inferiore ad r_c correlato con il rapporto p/p₀ attraverso l’equazione [3]. Oppure: aumentando continuamente la pressione del vapore da zero fino al valore di p, la condensazione capillare all’interno di un solido micro-poroso coinvolgerà progressivamente tutti i pori più piccoli di quello avente raggio r_c.

4. CONDENSAZIONE CAPILLARE ED ADSORBIMENTO

Nell’equazione di Kelvin non si tiene conto che, ad un certo valore di p/p0, il raggio effettivo del poro (r_c) è diminuito in quanto, per effetto dell’adsorbimento del vapore acqueo, si è depositato uno strato di molecole di acqua dello spessore (t) calcolabile con l’equazione [1] di Halsey (Fig. 5).

Pertanto apportando questa correzione, cioè sottraendo t ad r_c, l’equazione di Kelvin diventa la [4], nota con il nome di equazione di Kelvin modificata da Wheeler:

Se il valore di t nella [4] è espresso attraverso la [1], l’equazione di Kelvin modificata da Wheeler diventa:

Tenendo conto che l’UR vale 100 (p/p₀), secondo l’equazione [2], assumendo un angolo di contatto θ = 0°² e quindi cos θ = 1 si può calcolare quale è il raggio (r_c) al di sotto del quale avviene la condensazione capillare nei pori di un solido poroso. Nella Tabella 2 sono mostrati i risultati di questo calcolo alla temperatura (T) di 20°C equivalente a 293°K. La Tabella 2 indica, per esempio, che nei pori capillari con raggio inferiore ad r_c = 2,37 nm il vapore si condensa anche se l’UR è solo del 50%, mentre invece nei pori con raggio di 140 nm pari a 0,14 μm la condensazione avviene con UR del 99%

² Cioè l’acqua bagna “completamente” il materiale da costruzione, pietra, mattone, malta, calcestruzzo.

5. FORMAZIONE DEL GHIACCIO NEI MATERIALI DA COSTRUZIONE ESPOSTI ALL’ACQUA AMBIENTALE

Quando l’acqua solidifica, il suo volume aumenta del 9% e, se essa riempie completamente una cavità di un solido poroso, l’incremento di volume che accompagna la formazione di ghiaccio provoca un aumento di pressione che può arrivare alla distruzione del materiale, soprattutto se il fenomeno del gelo si alterna ripetutamente a quello del disgelo.

L’abbassamento della temperatura al di sotto del punto di gelo è condizione necessaria ma non sufficiente affinché si esplichi l’azione distruttiva in un solido poroso. Infatti, un materiale poroso completamente privo di umidità non subirà ovviamente, alcun danno dall’alternarsi della temperatura intorno al punto di gelo dell’acqua. Quale è, allora, il contenuto di umidità all’interno di un materiale poroso al di sopra del quale la formazione di ghiaccio diventa deleteria? Quale è, cioè, il grado di saturazione³ critico di un materiale poroso, al di sopra del quale l’aumento di volume dell’acqua che accompagna la formazione del ghiaccio (pari al 9% di quello iniziale), può provocare la distruzione del materiale? Se si indica con v il grado di saturazione critico, esso può essere individuato con l’equazione [6]:

³ si definisce grado di saturazione la percentuale del volume di acqua presente nelle cavità di un solido poroso rispetto al volume totale dei pori.

In altre parole, se l’acqua riempie più del 91,7% del volume dei pori, la completa formazione del ghiaccio comporta un volume finale dell’acqua maggiore del volume dei pori: conseguentemente all’interno dei pori vengono indotte delle tensioni che possono arrivare alla rottura del materiale qualora la resistenza a trazione del materiale stesso risulti inferiore alla tensione insorta.

D’altra parte, se il volume di acqua all’interno del materiale è inferiore al 91,7%, la completa formazione di ghiaccio non arriva a far riempire le cavità e pertanto non si generano tensioni.

In realtà, sono stati registrati casi di rottura di materiali porosi anche se l’acqua in essi contenuta era mediamente anche di molto inferiore al 91,7%: la ragione di questo comportamento, apparentemente contraddittorio, è semplicemente dovuta al fatto che l’umidità nei solidi porosi può essere distribuita in modo eterogeneo, e pertanto un grado di saturazione mediamente inferiore al 91,7% non necessariamente significa che in tutte le zone esiste effettivamente lo stesso contenuto di umidità. Infatti, non si può escludere che in alcune zone il contenuto di umidità possa essere anche superiore al 91,7%, provocando così localmente una formazione di ghiaccio distruttiva per il materiale.

Per contro, si sono anche registrati fenomeni di non distruzione del materiale sebbene il grado di saturazione critico fosse uniforme e superiore al 91,7%: nel caso di un materiale meccanicamente molto resistente e poco poroso (per esempio con una porosità inferiore allo 0,5%, come si può verificare in alcune pietre compatte) anche un grado di saturazione superiore a quello critico può non essere sufficiente a distruggere il materiale; infatti, anche se i pochi pori infatti sono pieni di acqua, la formazione di ghiaccio, e la conseguente sollecitazione, può arrivare al massimo a deformare elasticamente il materiale senza però arrivare a provocarne la rottura.

Come si vede, quindi, il degrado connesso alla formazione di ghiaccio in solidi porosi non è un fenomeno facilmente inquadrabile in base alla misura del grado di saturazione determinato su un numero relativamente modesto di provini prelevati da un materiale così eterogeneo come quello presente nelle strutture in calcestruzzo.

6. TEORIA DELLA PRESSIONE IDRAULICA

A complicare ulteriormente il fenomeno del degrado legato alla solidificazione dell’acqua nelle strutture in calcestruzzo contribuisce anche il fatto che la cristallizzazione del ghiaccio non è ovviamente un fenomeno istantaneo: esso si verifica in realtà gradualmente e con una velocità tanto minore quanto più bassa è la velocità di raffreddamento.

Il fatto che i cristalli di ghiaccio si formino mentre ancora coesiste una parte di acqua liquida, comporta che l’aumento di volume provocato dalla formazione dei primi cristalli comprime l’acqua non ancora solidificata spingendola attraverso i canali di pori verso vie d’uscita o cavità vuote. La pressione idraulica (3,4) che così si genera in prossimità dei primi germi cristallini di ghiaccio, è tanto maggiore quanto più difficile è la fuoriuscita dell’acqua liquida non ancora solidificata. Pertanto la probabilità che la pressione idraulica arrivi ad assumere valori così elevati da provocare la rottura del materiale solido poroso dipende, oltre che dalla resistenza a trazione del materiale stesso, anche da quei parametri che influenzano l’entità della pressione idraulica secondo la nota legge di Darcy sintetizzabile con l’equazione [7] illustrata nelle Fig. 6:

dove ΔP è la differenza tra la pressione idraulica che si genera dove si forma il ghiaccio (P₁) e quella atmosferica (P₂); L è il cammino che l’acqua non ancora solidificata deve percorrere fino a fuoriuscire o trovare una cavità vuota che si trova alla pressione atmosferica; A è la sezione dei pori attraverso cui l’acqua liquida viene spinta; dV/dt è il flusso dell’acqua che coincide con l’aumento di volume nel tempo determinato dalla formazione di ghiaccio, che a sua volta dipende dalla velocità con cui il ghiaccio si forma e quindi dipende dalla velocità di abbassamento della temperatura ambientale al di sotto di 0°C; K, infine, è il cosiddetto coefficiente di permeabilità che, a sua volta, dipende non tanto e non solo dalla porosità totale del materiale solido, quanto invece dalla distribuzione dimensionale dei pori: infatti, a parità di volume, un fascio di molti pori di piccola dimensione fa fluire l’acqua più lentamente che non un unico grande poro. Ciò dipende dal fatto che l’attrito che si genera tra l’acqua liquida sospinta dalla formazione del ghiaccio, e la superficie interna dei pori, aumenta all’aumentare della superficie stessa e quindi, a parità di volume, al diminuire della dimensione dei pori.

Alcune conseguenze che derivano dalla teoria della pressione idraulica sono:

• la formazione di ghiaccio provoca tanto più facilmente il degrado del materiale, quanto più rapido è l’abbassamento di temperatura al di sotto di zero: un raffreddamento molto lento di un solido poroso pieno di acqua può addirittura arrivare al miglioramento delle proprietà meccaniche del solido in quanto si verifica un riempimento consolidante del materiale poroso senza che ciò sia accompagnato dall’insorgere di una significativa pressione idraulica a causa del lento incremento di volume dell’acqua nel tempo (dV/dt);

• il degrado connesso con il fenomeno della formazione di ghiaccio dipende anche dalla dimensione degli elementi che compongono un materiale: per esempio, gli aggregati lapidei presentano una probabilità di degrado tanto maggiore quanto maggiore è la loro dimensione, perché con questa aumenta anche il cammino L che l’acqua non ancora congelata deve percorrere per trovare una via di uscita o una cavità vuota presente nella matrice cementizia;

• il degrado provocato dalla formazione di ghiaccio in una struttura esposta alla pioggia e successivamente al congelamento, è maggiore nei materiali porosi ricchi di pori aventi dimensioni comprese generalmente tra 3 e 5 μm: infatti, i pori di dimensione più piccola di 3 μm presentano una maggiore difficoltà nel riempirsi di acqua⁴ , mentre i pori molto più grandi di 5 μm si riempiono più facilmente d’acqua durante la pioggia, ma consentono un rapido drenaggio allorquando il ghiaccio comincia a formarsi e quindi a spingere l’acqua non ancora solidificata verso vie d’uscita o cavità vuote;

• la presenza di cavità vuote, per esempio micro-bolle d’aria di 100 – 300 μm, all’interno di un materiale attraversato da una rete di pori capillari (0,1 – 10 μm), è estremamente benefica nel buon comportamento del materiale nei confronti della formazione del ghiaccio: infatti queste micro-bolle fungono da “vasi di espansione” capaci di ospitare l’acqua liquida sospinta dalla formazione di ghiaccio: cioè consentono di allentare la tensione generata dalla pressione idraulica, riducendo il cammino L che l’acqua deve percorrere per trovare una via d’uscita o una bolla d’aria a pressione atmosferica (Fig. 6);

• perché il calcestruzzo risulti resistente ai cicli di gelo-disgelo, il volume di aria inglobato deve essere tanto maggiore quanto minore è il diametro massimo (D_max) dell’inerte (Fig. 7). Per esempio, in un calcestruzzo con il diametro massimo di 32 mm occorre almeno 5% in volume di aria inglobata per produrre un calcestruzzo resistente ai cicli di gelo-disgelo; se si dimezza la dimensione del diametro massimo dell’inerte, il volume di aria inglobata deve essere almeno 6,5 %.

⁴ Tuttavia, i pori di dimensione minore di 3 μm presentano il fenomeno della condensazione capillare e della risalita capillare tanto più, quanto minore è la loro dimensione: pertanto questi micropori possono riempirsi d’acqua e diventare centri di formazione di ghiaccio anche in assenza di acqua liquida proveniente dall’ambiente (§7).

7. SOLIDIFICAZIONE DELL’ACQUA NEI PORI DELLE COSTRUZIONI IN ASSENZA DI PIOGGIA O DI ACQUA AMBIENTALE

Ci si potrebbe chiedere quale è il comportamento dell’umidità nelle strutture in calcestruzzo in condizioni meteorologiche non piovose ed in ambienti privi di acqua liquida. Anche in queste condizioni relativamente favorevoli, come si dimostrerà, l’umidità può dar luogo alla formazione del ghiaccio se la temperatura si abbassa al di sotto di un certo valore.

Si è già visto (§ 3 e 4), infatti, che l’acqua nei pori di piccolissime dimensioni (meno di 30 nm) presenta un comportamento singolare: in particolare, in un solido micro-poroso, l’umidità relativa UR in corrispondenza della quale avviene la condensazione del vapore acqueo non è del 100% (come si verifica usualmente per l’acqua situata in contenitori di dimensioni “normali”), ma è tanto minore quanto più piccola è la dimensione dei pori in accordo all’equazione [8] di Kelvin-Wheler ricavata dalla [4]:

In un poro di raggio r_c di 23 nm, ammettendo che l’angolo di contatto θ sia zero gradi ed il cos θ = 1, il valore di UR = p/p₀ • 100 per il quale si verifica la formazione di acqua liquida è del 95% (Tabella 2): ciò significa che, pur in assenza di pioggia o comunque di acqua liquida nell’ambiente ma con UR del 95%, il vapore condenserà all’interno della struttura in tutti i pori di raggio inferiore a 23 nm. Ne consegue che l’acqua condensata capillarmente secondo l’equazione [8] di Kelvin-Wheler può dar luogo alla formazione di ghiaccio qualora l’abbassamento di temperatura arrivi ad un valore tale da far solidificare l’acqua.

Tuttavia il comportamento singolare dell’acqua all’interno dei sistemi micro-porosi non si esaurisce nella condensazione del vapore, ma si esplica anche nella formazione di ghiaccio: in altre parole, le molecole di acqua liquida cristallizzano a 0°C in un contenitore di grandi dimensioni; ma a temperature più basse se l’acqua si trova all’interno di un solido micro-poroso, e cioè tra le superfici molto vicine tra loro di un solido, l’abbassamento della temperatura di solidificazione (∆T) è tanto maggiore quanto più vicine sono tra loro le superfici o quanto più piccolo è il raggio del micro-poro. La causa di questo singolare comportamento risiede di nuovo nella influenza delle superfici del solido, entro i cui pori sono allocate le molecole di acqua, sulla distribuzione ordinata che debbono assumere le molecole di acqua per formare i cristalli di ghiaccio: quanto più piccola è la dimensione della cavità entro cui l’acqua liquida è contenuta, tanto più difficile risulterà la formazione dei cristalli di ghiaccio.

Kubelka (4) ha calcolato, attraverso l’equazione [9] di quanto si abbassa la temperatura (ΔT) rispetto a 0°C in funzione della dimensione del raggio del poro:

dove q è il calore latente molare di fusione del ghiaccio (6 KJ/mole), e T è la temperatura in °K (273°C) corrispondente al punto di gelo dell’acqua normale. Applicando l’equazione di Kubelka si può calcolare (Tabella 3) la temperatura alla quale si formano i cristalli di ghiaccio man mano che si riduce il raggio r_c dei pori capillari.

L’esame della Tabella 3, congiuntamente con quello della Tabella 2, indica quali sono i pori dove più probabilmente può congelare l’acqua liquida formatasi per condensazione capillare: in base alla Tabella 2, per esempio nei pori di raggio inferiore a 4 nm la condensa dell’umidità all’interno delle murature può avvenire anche in ambienti relativamente asciutti (UR = 70%); tuttavia, secondo la Tabella 3, la temperatura ambientale che occorre raggiungere per la formazione del ghiaccio, in pori con raggio minore di 4 nm, è molto bassa (-30°C) e può riguardare solo climi straordinariamente freddi; d’altra parte nei pori con raggio superiore a 100 nm, la formazione di ghiaccio avviene anche con raffreddamenti di solo –1°C, ma la condensazione del vapore in questi pori può avvenire solo in ambienti molto umidi (UR ≈ 95%) e quindi in condizioni molto prossime alla precipitazione della pioggia: in tal caso il fenomeno della formazione di ghiaccio cessa di riguardare la cristallizzazione di acqua condensata capillarmente all’interno di strutture non esposte alle piogge o comunque in ambienti privi di acqua.

In sostanza, anche in ambienti relativamente asciutti, per effetto della porosità capillare le strutture in calcestruzzo possono dar luogo alla formazione di acqua liquida che successivamente, sia pure con difficoltà, può congelare; l’intervallo dimensionale dei pori maggiormente coinvolto in questo processo è di 10 – 20 nm. Infatti, nei pori di raggio inferiore a 10 nm occorrono climi straordinariamente freddi per la cristallizzazione dell’acqua (T < -12°C secondo la Tabella 3); d’altra parte, al di sopra dei 20 nm occorrono climi straordinariamente umidi (UR 95%) per la condensazione capillare del vapore. Va inoltre tenuto presente che il congelamento dell’acqua in questo intervallo dimensionale dei pori, ancorché poco frequente per la richiesta di diversi fattori coincidenti, è estremamente pericolosa, giacché è molto difficile per l’acqua non ancora congelata fuoriuscire o trovare una cavità vuota attraverso pori così piccoli (10 – 20 nm), cosicché la pressione idraulica che si genera in prossimità dei primi germi cristallini può raggiungere facilmente valori talmente elevati da distruggere il materiale poroso.

8. RISALITA CAPILLARE DELL’ACQUA NEI SOLIDI POROSI

Un solido nei confronti di un liquido può presentare due diversi tipi di comportamento: esso può essere liofilo (affine al liquido) o liofobo (nemico del liquido): nel caso in cui il liquido sia, in particolare, l’acqua i due termini diventano rispettivamente idrofilo o idrofobo.

Se si considera una superficie piana di solido come un mattone, una pietra, una malta o un calcestruzzo, a contatto con una goccia di un liquido come l’acqua, per la quale mostra un comportamento di idrofilia, l’angolo di contatto θ risulterà minore di 90°C, in quanto la goccia di acqua, per la sua affinità con il solido, tenderà a “schiacciarsi” sulla superficie per estendere al massimo il contatto con il solido (Fig. 8 A).

Se invece dell’acqua, il solido è posto in contatto con il mercurio, per il quale mostra un comportamento di liofobia, l’angolo di contatto θ risulterà maggiore di 90°C, in quanto la goccia di mercurio tende ad assumere una forma pressoché sferica per minimizzare il contatto con la superficie del solido (Fig. 8 B).

Vale la pena subito di precisare che il comportamento idrofilo di un solido può trasformarsi in idrofobo se la superficie del solido viene trattata con uno strato di prodotti che presenta una repulsione per l’acqua: i silani, gli stearati, i grassi, ecc. sono tipici prodotti da impiegare per rendere idrorepellente la superficie di un solido che di per sé sarebbe idrofilo: in tal caso l’angolo di contatto θ, minore di 90° per una superficie di un solido idrofilo (Fig. 8 C), diventa maggiore di 90° per la superficie dello stesso solido rivestita con una pellicola di prodotto idrorepellente (Fig. 8 D).

Una conseguenza della diversa affinità di un solido per un liquido, e viceversa, consiste nel fenomeno della risalita capillare. Un liquido, che mostri affinità per le pareti interne di un tubo immerso in una vaschetta contenente il liquido stesso (come l’acqua per i pori capillari degli usuali materiali da costruzione in una armatura), risale spontaneamente all’interno del tubo (Fig. 9). E’ come se esso fosse spinto da una pressione (P) così calcolabile mediante l’equazione [10] di Washburn:

dove σ è la tensione superficiale del liquido, r_c è il raggio del tubo capillare e θ è l’angolo di contatto.

Nel caso di solidi idrofili, cioè con θ minore di 90°, il cos θ è maggiore di zero e la pressione P risulta positiva: è come se la pressione capillare spingesse “spontaneamente” il liquido all’interno del tubo.

La pressione P che fa risalire il liquido all’interno del tubo è tanto maggiore quanto minore è r_c (cioè quanto più piccola è la dimensione del tubo) e quanto minore è θ (cioè quanto maggiore è l’affinità del liquido per la superficie interna del tubo). La risalita del liquido all’interno del tubo avviene finché, raggiunta un’altezza h, si stabilisce un equilibrio, espresso attraverso la equazione [11], tra la pressione capillare (P) che “spinge” in su e la pressione idrostatica (m · g · h) che “spinge” in giù:

dove m è la massa volumica del liquido e g è l’accelerazione di gravità.

Nel caso di liquidi, come il mercurio, per il quale un solido non presenta affinità, θ risulta maggiore di 90°e pertanto cos θ risulta negativo. Ne deriva che anche il valore di P risulta negativo: ciò significa in pratica, che il mercurio non risalirà “spontaneamente” all’interno del tubo, ma sarà necessario applicare una pressione P sul mercurio per vincere la repulsione del mercurio nei confronti delle superfici interne del tubo (liofobia). La pressione da applicare sarà in tal caso tanto maggiore quanto minore è il raggio del capillare e questo principio viene sfruttato nella porosimetria a mercurio per calcolare il raggio un poro attraverso la misura P che occorre per forzare il mercurio in un solido poroso.


9. RISALITA DELL’ACQUA NELLE MURATURE DALLA FONDAZIONE

La risalita capillare “spontanea” da parte dell’acqua all’interno di un materiale poroso (idrofilo) si verifica nelle murature allorquando queste insistono su una fondazione umida. E’ evidente, almeno in teoria, che la risalita capillare porterà, secondo la [11], l’umidità ad altezze (h) tanto maggiori quanto minore è la dimensione dei pori presenti all’interno dei materiali.

In effetti la risalita capillare (h) non raggiungerà mai i valori teorici previsti dall’equazione [11] in quanto una parte dell’acqua che risale può evaporare, a meno che la muratura non sia rivestita da entrambi i lati da un rivestimento superficiale impermeabile (Fig. 10) .

La conseguenza pratica della risalita capillare dell’umidità all’interno delle murature sono molteplici e tutte negative. Innanzi tutto si registra uno scadente comfort interno laddove l’umidità evapora verso gli interni degli edifici (Fig. 10B). In secondo luogo l’acqua presente nelle murature può congelare d’inverno ed innescare un degrado del materiale in conseguenza della formazione ciclica e distruttiva del ghiaccio. Infine, se l’acqua contiene sali idrosolubili, si possono innescare fenomeni di cristallizzazione salina discussi nel §11.


10. EQUILIBRIO IGROMETRICO FONDAZIONE-MURATURA-AMBIENTE

La massima risalita (h) di acqua per capillarità è ricavabile dalla equazione [11] che nella forma dell’equazione [12] è nota come legge di Jurin:

dove m, la massa volumica dell’acqua, è 1000 kg/m³, g vale 9,81 ms^-1, e σ è la tensione superficiale ed è uguale a 72 · 10^-3 N · m^-1. Per θ = 0 si ottiene:

In base all’equazione [13] si deduce che in un materiale poroso costituito solo da pori con raggio capillare r_c di 1 μm = 1 · 10^-6 m l’altezza di risalita dell’umidità dovrebbe arrivare al massimo a circa 15 m:

La porosità capillare di molti materiali che si trovano nelle varie costruzioni presenta una distribuzione dimensionale dei pori compresi tra 0,1 e 10 μm (Fig. 11), e pertanto per risalita capillare l’acqua potrebbe teoricamente raggiungere un’altezza nella muratura anche oltre 15 m.

In effetti anche in murature costantemente insistenti su un sottofondo bagnato, difficilmente si registrano risalite capillari oltre i 2-3 m. La ragione di questa discrepanza tra teoria e realtà sta nel fatto che accanto al fenomeno della risalita capillare, coesiste, come già si è detto (Fig. 10B), quello dell’evaporazione. Inoltre la risalita capillare richiede del tempo (Fig. 12): inizialmente essa procede con una velocità lineare di circa 2 cm/ora, successivamente la cinetica di risalita è molto più lenta. Tuttavia l’aspetto cinetico del fenomeno è praticamente annullato, dopo qualche anno, laddove, le murature insistono su fondazioni che sono perennemente immerse in acqua; esso deve essere, invece, preso in considerazione laddove la bagnatura delle fondazioni è discontinua o addirittura occasionale.

Ritornando all’influenza dell’evaporazione dell’acqua (dalla parete esposta all’aria) sul contenuto residuo di umidità risalita per capillarità nella muratura, la Fig. 13 illustra quale è un tipico diagramma altezza-umidità in una muratura in cui coesistono la risalita capillare della fondazione e l’evaporazione dell’acqua dalla parete. Si osserva che il contenuto di acqua può raggiungere valori del 20-30% nelle zone basse della muratura fino a circa 1m. Per altezze superiori, l’evaporazione dell’acqua annulla in gran parte l’alimentazione dell’acqua per risalita capillare e si registra una diminuzione brusca del 15-20% fino a circa il 5% nella fascia di muratura tra 1 e 2m di altezza. Per altezze della muratura superiore a 2-3m, il valore dell’umidità residua (a sull’ascissa della Fig. 13) non è tanto dovuto alla risalita capillare, quanto invece alla condensazione capillare ed il valore di a (circa 2-3%) dipenderà ovviamente dall’UR ambientale e dalla dimensione dei pori in accordo alla legge Kelvin-Wheeler secondo l’equazione [5].

12. DISTRIBUZIONE DEI SALI IDROSOLUBILI NELLE MURATURE

Se, come spesso avviene, l’acqua che risale per capillarità contiene dei sali idrosolubili, la distribuzione dl contenuto di questi, in funzione dell’altezza e dello spessore della muratura, sarà fortemente condizionato dal complesso fenomeno risalita capillare-evaporazione. Il contenuto totale dei sali delle murature dipenderà, invece, anche dalla concentrazione originale dei sali nell’acqua di cui la fondazione è satura oltre che dal tipo e dalla quantità dei sali presenti nella muratura.

La distribuzione dei sali idrosolubili in funzione dell’altezza di una muratura è schematicamente mostrata in Fig. 16 (6). Nelle quote più basse (fino a 1 m circa) il tenore di sale tende ad aumentare per effetto delle umidità decrescente (Fig. 14); quindi, raggiunto un massimo di contenuto salino in corrispondenza della zona dove l’evaporazione dell’acqua è massima si registra una progressiva diminuzione del contenuto di sali nelle quote più alte dove la risalita capillare tende ad esaurirsi (Fig. 14).