La risalita muraria
La capillarità è quel fenomeno che causa il trasferimento di liquido nei solidi porosi, attraverso dei vasi di piccolissima dimensione, detti appunto capillari, ovvero simili a capelli. Può essere sia da risalita verticale che da trasferimento orizzontale, e si instaura in maniera spontanea nei materiali che consentono questi movimenti, in funzione della loro porosità. Nei litoidi queste porosità sono sempre presenti, in misura maggiore o minore dipendente da vari fattori. Si tratta di spazi vuoti diffusi nella matrice solida che consentono in determinate circostanze sia il transito che l’accumulo di umidità. La loro forma e la loro disposizione è estremamente variabile e spesso casuale, quindi è ben diversa da quella dei capillari da laboratorio, che invece sono sempre di forma cilindrica, liscia e regolare. Quest’ultima precisazione è importante per valutare ed interpretare correttamente i risultati di laboratorio, che sono molto diversi da ciò che avviene sui materiali in opera. Le porosità sono presenti nei materiali naturali, nonché nei materiali di origine artificiale come il laterizio ed i materiali ceramici, le malte, i calcestruzzi ed i manufatti realizzati dalla loro integrazione.
Con il termine porometria si intende la classificazione dei pori aperti di un materiale in funzione della loro dimensione. Ai fini dell’assorbimento capillare d’acqua, il fenomeno aumenta all’aumentare del numero dei pori, ed al diminuire della loro dimensione. Ai fini invece del trasferimento dell’umidità, questa dipende dal fattore di “tortuosità”, ovvero dalla articolazione di forma e dimensione dei capillari, che è tanto maggiore quanto più questi si discostano dalla forma della linea retta. E’ da notare che un capillare tortuoso è anche più lungo di uno retto, quindi il tempo trascorso per il transito sarà maggiore, e la quantità di vuoti, potenzialmente occupabili da acqua, è anch’essa maggiore.
La porosità, oltre che sulla attitudine del materiale a contenere e trasportare umidità, influisce anche su altre caratteristiche come la densità, la resistenza meccanica, la conducibilità termica, la resistenza al fuoco ed al gelo. Esistono dei prodotti tecnici artificiali come il vetro cellulare o Foamglass, costituiti da una leggerissima schiuma di vetro, dove le porosità sono finemente distribuite nella massa del materiale. La lavorazione realizzata sul prodotto, attribuisce allo stesso delle particolari caratteristiche, ad esempio un ottimo potere isolante termico. Questo materiale pur essendo poroso, è del tutto impermeabile sia all’acqua che al vapore poiché in questo caso le porosità non comunicano fra loro. Il calcestruzzo cellulare autoclavato, noto anche come Gasbeton o Ytong, viene realizzato generando una schiuma di cemento ricchissima di porosità, in questo caso passanti, che oltre a conferire una grande leggerezza ed una notevole capacità di isolamento termico, lo rendono eccezionalmente resistente al fuoco. Nei calcestruzzi cosiddetti “aerati”, le porosità vengono intenzionalmente create per attribuire al materiale una elevata resistenza al gelo, pur se a scapito della sua resistenza meccanica.
L’acqua è sempre presente nei materiali naturali sotto diverse forme, le più note sono:
- acqua di adsorbimento, che viene trattenuta sotto forma liquida negli interstizi dei solidi, e che viene evacuata completamente a temperature superiori ai 100°C.
- acqua di occlusione, contenuta nei pori chiusi del materiale, quindi non mobile.
- acqua di cristallizzazione, contenuta nelle strutture ioniche di composti cosiddetti idrati, delle quali fa parte a tutti gli effetti, in seguito a legami secondari. La sua eliminazione può avvenire solo a temperature molto elevate e comporta la modifica della struttura cristallina del composto.
Il fenomeno della capillarità
Quando un vaso di piccolo diametro aperto alle due estremità, si trova a contatto di un liquido, quest’ultimo tende a risalire al suo interno per effetto di forze di attrazione tangenziali che interagiscono fra la superficie deformata del liquido (menisco) e le pareti del capillare stesso.
E’ opportuno però precisare che il fenomeno reale è molto diverso da quanto viene rappresentato nella teoria.
- Infatti nel primo caso abbiamo una grande varietà di diametri, di dimensioni, di forma e di direzione dei capillari, diversamente dai capillari tutti lisci e verticali da laboratorio.
- Al flusso verticale di umidità nella muratura, si accompagna il trasporto di tale umidità verso le superfici esterne dalle quali poi l’acqua ha modo di evaporare. Mentre la sezione di passaggio dell’acqua di risalita è verosimilmente proporzionale alla sezione orizzontale della muratura, la superficie di evaporazione sarà proporzionale all’altezza del fronte di risalita. Il quantitativo d’acqua apportato alla muratura dipende dal suo spessore, mentre quello evacuato per evaporazione dipenderà dalla altezza della macchia di risalita (fronte). Le condizioni di stazionarietà avvengono dopo molto tempo dall’innescarsi del fenomeno, quando l’umidità ha raggiunto un’altezza stabile. A parità di altri fattori ci si dovrà attendere altezze elevate dei fronti di risalita su murature di elevato spessore ed altezze ridotte su elementi murari meno spessi. Il fenomeno quindi tenderà a stabilizzarsi su un determinato livello, o quota di risalita che rappresenterà l’equilibrio fra la portata media d’acqua in ingresso e quella media evaporativa. Durante il ciclo annuale si avranno delle variazioni dei due parametri, più o meno cicliche, dovute alla maggiore intensità della risalita nel periodo invernale dovuta alla minore temperatura, associata a minore evaporazione in conseguenza di temperature più basse, oltre alla frequente situazione di bagnatura da parte della pioggia sulle murature esterne. Tali circostanze determineranno delle oscillazioni cicliche attorno ad un livello medio annuale. L’altezza di questo livello medio tenderà nel tempo a salire, benché molto lentamente a causa del progredire del fenomeno, della maggiore presenza di sali trasportati dalla risalita e depositati nei capillari a seguito dell’evaporazione. Come già accennato, la maggiore concentrazione ionica di sali solubili induce una più forte intensità del fenomeno di risalita, inoltre la saturazione dei pori dovuta alla precipitazione dei sali in fase solida, tende a ridurre il diametro dei capillari esaltando gli effetti della risalita. L’unico fattore che contrasta la tendenza alla risalita sarà l’effetto evaporativo superficiale della parete. Da quanto riportato, appare evidente come il fenomeno sia di natura progressiva evolutiva.
- Al realizzarsi della condizione di equilibrio, pur se con piccole variazioni cicliche tendenti sul lungo termine all’aumento progressivo della manifestazione, la muratura si troverà a contenere grandi quantitativi d’acqua.
- Il fenomeno della risalita è dapprima molto rapido, e tende a rallentare man mano che il fronte raggiunge altezze più elevate.
- L’altezza massima raggiungibile dal fronte di risalita in condizioni di equilibrio dipende dalla dimensione dei pori, ed aumenta se questi sono molto piccoli.
- Il livello del fronte di risalita sarà diverso sulla superficie esterna rispetto a quella interna. Dove sono presenti dei rivestimenti tali da ridurre sensibilmente o addirittura da impedire l’evaporazione, l’umidità tenderà a salire ancora fino a trovare una nuova condizione di equilibrio fra acqua in ingresso e quella in uscita (equiparazione della portata).
- La condizione di muratura umida ridurrà la capacità di isolamento termico della parete, e se questa si trova a delimitare due ambienti a temperatura diversa, possono crearsi dei conseguenti fenomeni condensativi, sia superficiali che profondi. Per ogni 1% in più di umidità presente sulla muratura, riferita a quella asciutta, si avrà un decadimento del potere isolante termico del 5%.
- Le deposizioni saline tenderanno ad aumentare progressivamente, si avranno quindi danni e rotture da cristallizzazione e ricristallizzazione dei sali, che avvengono con aumento di volume e conseguente sviluppo di enormi pressioni meccaniche all’interno dei pori, o nelle superfici d’interfaccia fra materiali aventi diversi valori di saturazione, come ad esempio laterizio ed intonaco.
- L’incremento di concentrazione dei sali in superficie ed in profondità, aumenterà l’assorbimento igroscopico di umidità dall’ambiente. E’ frequente vedere i muri vecchi saturi di sali, con macchie che divengono più scure durante le giornate umide, indice di maggior presenza d’acqua proveniente dall’ambiente.
La capillarità
La legge di gravità applicata ai vasi comunicanti, stabilisce che il livello liquido rispetto all’orizzontale, si mantenga identico in ogni contenitore, indipendentemente dalla sua forma e dimensione. Questa regola non è applicabile nei vasi di dimensioni molto piccole, detti capillari, ovvero simili a capelli, dove avvengono delle interazioni particolari fra la superficie del liquido e quella delle pareti interne del capillare. Se si osserva il punto di contatto fra il liquido e la parete del contenitore, si vedrà che la superficie del liquido si incurva sulla parete fino a risalire per una certa altezza. Se il diametro del capillare è molto piccolo si osserva che questo effetto riguarda l’intera superficie liquida che si trova così ad essere “tirata su” fino ad una certa altezza sul capillare. Più piccolo sarà il capillare e maggiore sarà l’altezza raggiunta dal livello liquido. Analizziamo ora quali sono le forze che agiscono per determinare questo fenomeno e quali sono le loro leggi di variazione.
Tensione superficiale
Se osserviamo una goccia d’acqua nell’aria o più facilmente una goccia d’olio nell’acqua possiamo notare che la tendenza del liquido è quella di disporsi secondo la forma della sfera, che sappiamo essere il solido che ha la minore superficie esterna rispetto al proprio volume. E’ come se il liquido fosse avvolto da una sacca elastica che esercitando una forza di tensione sulla sua superficie, crea la condizione di stabilità quando il volume è minimo rispetto alla superficie esterna. In realtà lo stato liquido differisce da quello aeriforme perché le attrazioni reciproche esistenti fra le molecole sono tali da esercitare delle vere e proprie forze di coesione. Per vincere tali forze occorre apportare energia sotto forma di calore, aumentando la temperatura e consentendo alle molecole dotate di maggior energia di vincere questa forza e di separarsi dalla superficie liquida sotto forma di vapore
Nei vasi di piccolissime dimensioni come i capillari, le azioni superficiali interessano l’intera interfaccia liquido-aria. La configurazione tipica dell’interfaccia liquido-solido esistente in un capillare di silice contenente acqua, del tutto analogo a quello di un capillare murario, è un menisco concavo. Il mercurio tende invece a “non bagnare” le pareti e a creare un menisco convesso. Un capillare ad esempio di teflon che è notoriamente idrofobico, tenderà a “rifiutare” l’acqua creando anch’esso un menisco convesso.
