IL PROBLEMA DELL’UMIDIT DA RISALITA

Risalita dell’acqua e cristallizzazione salina

L’umidit da risalita un fenomeno complesso e del tutto naturale che si verifica quando l’acqua presente nel terreno entra a contatto con il materiale murario. Tale interazione tra acqua e muro innesca forze di risalita che si oppongono alla forza di gravit .

Come conseguenza, l’acqua tende a salire verticalmente nel manufatto (Fig.1). Tuttavia, la sola risalita dell’acqua non l’unico aspetto dell’umidit muraria. Infatti, la formazione di sali nel materiale murario a rappresentare il fulcro del problema, nonché la causa primaria di degrado estetico e danneggiamento funzionale del manufatto. Durante la risalita, l’acqua infatti trasporta elementi chimici che reagiscono con gli elementi già presenti naturalmente nel materiale murario, portando alla formazione di sali.

Formazione del salnitro (Nitrato di Potassio):

1. L’acqua trasporta ammoniaca (NH3) dal terreno.
2. Nel materiale murario presente carbonato di potassio: (K2CO3). 3. L’aria fornisce ossigeno O2.
4. La reazione chimica dei sopracitati elementi forma KNO3=Salnitro.

Principali sali presenti/creatisi nei materiali murari:

Solfati (Solfato di Calcio, Solfato di Potassio, Solfato di Sodio) Cloruri (Cloruro di Sodio, Cloruro di Potassio, Cloruro di Magnesio) Nitrati (Nitrato di Potassio)
Sali complessi (Ettringite, Thaumasite)

I solfati sono caratterizzati da molecole molto piccole e mobili e sono presenti in discreta quantità nel terreno ma soprattutto nei materiali edili (mattoni).

I cloruri sono presenti quasi esclusivamente nei terreni delle zone litoranee ma li ritroviamo spesso come sali di reazione all’interno dei materiali da costruzione e nei leganti (malte, cemento etc.).

I nitrati sono di natura organica e sono presenti, anche in alta percentuale, in quei terreni in cui si sono svolte attività legate all’agricoltura e all’allevamento (concimazione dei terreni, prodotti fisiologici legati agli animali); questi sali sono presenti anche in siti in cui vi siano state sepolture (prossimità delle chiese, cripte etc.).

Thaumasite ed ettringite invece, si formano a causa della combinazione tra i silicati e gli alluminati già presenti nei materiali da costruzione (in particolare nel cemento, in quasi tutte le malte e in presenza di gesso) e i sali presenti nel terreno trasportati dall’acqua ascendente all’interno dei manufatti.

La presenza di sali nel materiale murario rappresenta la causa principale di degrado e danneggiamento, a causa delle loro proprietà di igroscopicità e cristallizzazione. Molti sali infatti sono igroscopici, ossia assorbono efficacemente l’acqua. In questo processo di idratazione, il volume del sale può aumentare notevolmente, fino a 3 o 4 volte. Conseguentemente, anche la pressione esercitata dal sale nel materiale murario aumenta proporzionalmente. In seguito al processo di idratazione, l’evaporazione dell’acqua innesca la cristallizzazione del sale in condizioni di supersaturazione. In tali condizioni si verifica una continua crescita cristallina, e il volume occupato dal sale nel materiale aumenta ulteriormente, assieme alla pressione. Questo processo combinato di idratazione e cristallizzazione, con conseguente aumento di volume e pressione (come rappresentato in Fig.2), porta il manufatto al limite di rottura. Si consideri inoltre che i sali, anche in una sola giornata, possono attraversare molteplici cicli di re-idratazione e ri-cristallizzazione in un processo a fisarmonica, costituendo per il manufatto un vero e proprio martello pneumatico.

La presenza di sali cristallizzati nel materiale murario d luogo a fenomeni di efflorescenza (formazioni saline sulla superficie del materiale) e sub-efflorescenza (formazioni saline al di sotto della superficie del materiale), come da esempio in Fig.3.

La risalita dell’acqua trasporta elementi chimici che reagiscono con quelli già presenti nel muro: formazione di sali.
I sali rappresentano il vero pericolo per il manufatto murario, a causa delle loro proprietà di idratazione e cristallizzazione.

Le proprietà di risalita dell’acqua all’interno del materiale murario hanno la loro origine nelle caratteristiche fondamentali della molecola dell’acqua.

L’acqua una molecola perché un aggregato di 3 atomi: due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno (Fig. 4). Tali atomi sono disposti in configurazione triangolare, ossia i due atomi di idrogeno formano un angolo di circa 104 gradi rispetto all’atomo di ossigeno. A causa di questa geometria, ai due lati della molecola si instaurano una carica parziale positiva (costituita dai due idrogeni) e una carica parziale negativa (costituita dall’ossigeno), dando luogo a un dipolo elettrico. Per questo motivo la molecola d’acqua definita polare.

La polarità dell’acqua ha alcune conseguenze molto importanti. Innanzitutto, le molecole polari, in presenza di un campo elettrico esterno, tendono a orientarsi. Invece le molecole apolari, come per esempio l’anidride carbonica (CO2), non interagiscono con campi elettrici. Tale principio illustrato in Fig. 5.

Inoltre, le molecole d’acqua tendono ad agglomerarsi tra di loro in maniera peculiare, ossia ad orientarsi in modo tale che gli atomi di idrogeno di una molecola possano formare un debole legame a lunga distanza con l’atomo di ossigeno delle molecole vicine. Tale legame detto legame idrogeno, e ha una forza che solo circa il 5% rispetto ai legami tra ossigeno e idrogeni all’interno di una singola molecola (Fig. 6). Nonostante sia molto fragile, il legame idrogeno permette alle molecole d’acqua di agglomerarsi in enormi quantità (migliaia o milioni di molecole). Legami simili si instaurano nel processo di idratazione di ioni salini, quando gli ioni vengono circondati da un agglomerato di molecole d’acqua (Fig. 6).

Le proprietà delle molecole d’acqua sopra descritte sono responsabili per le principali forze di risalita all’interno di materiale murario. In particolare, l’acqua risale e filtra attraverso la struttura muraria per tre diverse ragioni: capillarità, osmosi e differenza di potenziale elettrico presente tra il terreno e la struttura muraria.

Capillarità

La capillarità una delle caratteristiche di risalita dell’acqua: questo fenomeno si verifica quando le forze di adesione, dovute all’interazione tra l’acqua e il materiale circostante, prevalgono sulle forze di coesione, dovute all’interazione tra le diverse molecole d’acqua. Un’esemplificazione del processo di capillarità riportata in Fig. 7. Dalla figura si evince come il predominio delle forze di adesione permette alle molecole dell’acqua di risalire lungo la parete dei capillari. Questo fenomeno tanto più accentuato quanto minore il diametro del capillare stesso. La risalita per capillarità induce la superficie dell’acqua ad assumere la tipica forma a menisco. L’acqua risale per capillarità nelle porosità del materiale murario. Ovviamente materiali più porosi presentano una capillarità più accentuata.

Osmosi

Quando dei sali sono disciolti in acqua, l’acqua definita solvente e il sale soluto. Un tipico processo di osmosi esemplificato in Fig. 8. Immaginiamo che due sezioni di un contenitore siano divise da una membrana semipermeabile, che faccia passare solo il solvente ma non il soluto. Nella configurazione iniziale in figura (pannello a sinistra), il livello dell’acqua uguale da entrambe le parti del contenitore, ma la concentrazione di soluto molto più alta nella parte a destra. In queste condizioni, l’acqua tende a migrare in modo tale da equilibrare la concentrazione di soluto, fino ad ottenere la configurazione mostrata nel pannello a destra. Questa migrazione di solvente verso zone a più alta concentrazione di soluto detta osmosi. Come mostrato in figura, l’osmosi può indurre l’acqua a salire in verso opposto rispetto alla forza di gravit , sempre favorita dalla capillarità, ed una delle cause principali dell’umidit di risalita in manufatti murari. Infatti, Il materiale murario può contenere sali anche in concentrazione maggiore che nel terreno. In queste condizioni, l’acqua tende a salire nel muro per osmosi nei canali capillari. Tuttavia, l’acqua risalita soggetta a evaporazione aumentando cos di nuovo la densità di sale. In questo modo, l’osmosi funziona come una pompa che pesca continuamente acqua dal terreno e la trasporta nel muro.

Differenza di potenziale elettrico

Spesso si misura sperimentalmente una differenza di potenziale elettrico tra il terreno e la struttura muraria. Le cause di questo squilibrio elettrico possono essere molteplici. Per esempio, il materiale murario può avere un pH basico nel caso siano presenti abbondanti quantità di calce, o mattone non refrattario.

In queste condizioni, l’eccedenza di ioni idrossili (OH-) rappresenta una carica totale negativa. Analogamente, il terreno può avere una falda acquifera acida con eccedenza di ioni idrogeno (H+), rappresentando quindi una carica totale positiva. In queste condizioni di differenza di potenziale elettrico, gli ioni salini tendono a muoversi nel potenziale formando una corrente.

Gli ioni positivi (Sodio Na+, per esempio) si muovono verso l’alto trascinando con s le molecole d’acqua a cui sono legati. Per queste ragioni, anche la differenza di potenziale rappresenta un’importante causa di umidit di risalita. Per completezza, facciamo una precisazione: seguendo il ragionamento sopra descritto, ci si potrebbe aspettare anche una corrente discendente di ioni negativi (Cloro Cl-, per esempio), che dovrebbe trascinare umidit verso il terreno. Purtroppo, la corrente discendente di ioni negativi molto minore di quella ascendente per due motivi: primo, gli ioni negativi sono tipicamente più grandi e pesanti di quelli positivi, e quindi hanno minore mobilit ; secondo, le correnti discendenti sono ostacolate dalla risalita capillare.