UMIDITA’ DA RISALITA CAPILLARE
Uno dei principali problemi riscontrati e studiati negli edifici è la presenza di umidità nella struttura che li compone, in quanto può compromettere la durabilità del patrimonio edilizio, architettonico ed artistico, causando una serie di patologie ed implicazioni economiche tali da ricevere grande attenzione nella ricerca scientifica.
Le origini possono essere di diverso tipo, dalla elevata presenza di acqua nei materiali da costruzione, alla formazione di condensa nella tecnologia costruttiva dell’elemento indagato.
Ne possono derivare danni sia sul comportamento meccanico della struttura, come corrosioni e dissesti, che sul comportamento termico, con crescita di muffe, aumento delle dispersioni di calore ed una riduzione del grado di benessere negli ambienti interni, con conseguente aumento dei rischi sia per la preservazione delle opere, che per la salute umana (allergie, infezioni del tratto respiratorio o asma).
Umidità da risalita capillare
L’umidità da risalita deriva dall’acqua ascendente dal terreno derivante da falda freatica, da acque di scorrimento sotterranee o da acque disperse nel terreno per precipitazioni atmosferiche.
L’acqua risale la struttura capillare dei materiali da costruzione fino ad un’altezza massima, poi spinta da differenza di temperatura e pressione con l’ambiente esterno, migra verso la superficie di evaporazione. Il fenomeno si manifesta su tutti quegli edifici non opportunamente impermeabilizzati alla base, con la formazione di un fronte umido al basamento della muratura, caratterizzato da una distribuzione del contenuto che decresce in altezza, con successivo sgretolamento delle tinteggiature e distacchi degli intonaci.
L’acqua è una sostanza indispensabile per tutte le forme di vita: il nostro corpo, come quello degli altri animali e dei vegetali, è costituito in gran parte proprio da acqua. Inoltre, numerosi organismi vivono in ambienti acquatici: nei mari e nelle acque dolci.
La molecola di acqua H2O è costituita da un atomo di ossigeno a cui sono legati due atomi di idrogeno, dando origine a una struttura tetraedrica. La struttura si presenta quindi come un dipolo elettrico con cariche distribuite in modo sbilanciato: un eccesso di carica negativa verso l’ossigeno, e positiva verso l’idrogeno. Questa molecola presenta un diametro di circa 0.33 nm.
All’interno di una molecola d’acqua si verifica una distribuzione ineguale delle cariche elettriche e l’intera molecola d’acqua presenta quindi una polarità.
Quando una molecola è formata da due soli atomi, non ci sono dubbi sulla sua forma: i due atomi si dispongono nello spazio uno accanto all’altro, lungo una linea retta. Le molecole formate da tre o più atomi possono avere forme complesse. Nella molecola d’acqua, ad esempio, i due atomi di idrogeno non sono disposti in linea retta a 180o uno dall’altro (con in mezzo l’atomo di ossigeno), ma formano con l’atomo di ossigeno un angolo di circa 105o. La molecola d’acqua, quindi, non è lineare, ma angolare. Per comprendere perché le molecole d’acqua non hanno una forma lineare bisogna ricordare che le cariche elettriche dello stesso segno tendono a respingersi. La formazione di un angolo tra gli atomi di idrogeno e quello di ossigeno consente agli elettroni di legame e a quelli che si trovano nel livello energetico piùesterno dell’ossigeno di porsi alla massima distanza reciproca.
Quando due molecole d’acqua si avvicinano, tra le loro regioni che possiedono carica opposta si manifesta una debole forza elettrostatica: tra la parte negativa di una molecola d’acqua (che corrisponde all’atomo di ossigeno) e la parte positiva di un’altra molecola (in corrispondenza dei due atomi di idrogeno), si forma un legame a idrogeno. I legami a idrogeno sono legami intermolecolari e pertanto sono più deboli dei legami di tipo covalente o ionico. Tuttavia, presi nel loro insieme, i legami a idrogeno hanno una forza notevole.
Le proprietà dell’acqua
L’acqua è dotata di proprietà fisiche e chimiche particolari che sono conseguenza dell’esistenza dei legami a idrogeno tra le molecole. Queste proprietà rendono l’acqua un composto unico sulla Terra e indispensabile per la vita.
Nell’acqua liquida i legami a idrogeno durano pochi miliardesimi di secondo, ma fanno sì che in ogni momento la maggior parte delle molecole d’acqua sia legata una all’altra. Questa tendenza delle molecole di acqua a rimanere unite tra loro è detta coesione. Una forza correlata alla coesione è la tensione superficiale, il fenomeno per cui sembra che sulla superficie dell’acqua sia presente una specie di «pellicola» trasparente ed elastica. Le molecole d’acqua, inoltre, a causa delle loro parziali cariche positive e negative, sono in grado di attrarre fortemente le molecole polari e le superfici dotate di carica elettrica. Questa attrazione tra molecole di acqua e di sostanze diverse è detta adesione. È a causa dell’adesione che l’acqua aderisce agli oggetti, bagnandoli.
L’acqua dà luogo anche al fenomeno della capillarità: è in grado, infatti, di muoversi in spazi piccolissimi e risalire lungo tubi sottili. Questa proprietà è il risultato delle interazioni che si stabiliscono tra le molecole d’acqua e tra queste ultime e le molecole delle diverse sostanze con cui vengono a contatto. Grazie alla capillarità le piante assorbono l’acqua con le radici e la trasferiscono a tutte le parti del fusto e delle foglie.
Struttura molecolare dell'acqua
Il contatto tra terreni umidi o strati d’acqua sotterranei (falde freatiche) e materiali porosi determina il fenomeno di risalita capillare all’interno delle murature. L’interazione tra le molecole di un liquido e di un solido, con una predominanza delle forze di adesione rispetto a quelle di coesione, permette alle molecole d’acqua di risalire ed occupare progressivamente il volume dei vuoti, fungendo da vettore per i contenuti salini disciolti in soluzione.
I Sali si depositano allo stato solido all’interno dei pori, con una conseguente saturazione dovuta al continuo deposito, determinando l’insorgere di stati di sollecitazione che producono rigonfiamenti, distacchi e fenomeni di degrado superficiale.
Nei materiali porosi, i meccanismi principali del trasporto dell’umidità sono la diffusione del vapore, la diffusione superficiale (trasporto liquido) e la conduzione capillare.
Capillarità
Il fenomeno fisico della capillarità descrive la capacità di un liquido di muoversi all’interno di un tubo capillare, ossia l’insieme delle interazioni che avvengono fra le molecole di un liquido e un solido, in cui si manifestano forze di coesione, adesione e tensione superficiale.
Le molecole del liquido sono caratterizzate da forze di coesione che le legano tra di loro, per mezzo delle quali possono muoversi senza disperdersi. In prossimità della superficie libera (interfaccia liquido- vapore), le molecole sono soggette alle forze esercitate dalle molecole sottostanti o laterali che determinano un’attrazione verso l’interno del liquido. I liquidi assumono quindi la geometria di una sfera, detta tensione superficiale.
All’interno di un tubo, alle forze coesive si oppongono le forze di adesione esercitate dalle pareti del tubo sulla superficie laterale del liquido; tali forze si formano tra le molecole di acqua, gli atomi di ossigeno e i gruppi ossidrilici sulle superfici dei capillari, comportamento che modifica il pelo libero dell’acqua assumendo un andamento curvilineo detto menisco.
Se le forze di coesione prevalgono su quelle di adesione, la curvatura del menisco sarà convessa (depressione capillare, il liquido è sottoposto ad una pressione verso il basso); viceversa, se le forze di adesione prevalgono su quelle di coesione, la curvatura del liquido sarà concava (innalzamento capillare, il liquido è sottoposto ad una pressione diretta verso l’alto).
Degrado, efficienza, comfort termico
Le pareti degli edifici sono spesso soggette a danneggiamenti nella parte inferiore, in prossimità del suolo, causati dall'umidità. Questa causa può avere diverse origini: infiltrazioni laterali, mancanza di impermeabilizzazione, problema di condensa, oppure problema di risalita capillare di umidità nel muro. Infatti, il fenomeno della risalita dell'umidità per capillarità è il seguente: una parete che subisce disordini dovuti all'umidità si carica positivamente nella sua parte inferiore umida, e negativamente nella sua parte superiore secca (sopra la frangia dell'umidità). Queste due zone con cariche elettriche opposte danno poi origine ad un campo elettrico naturale che esercita una forza di attrazione sulle molecole d'acqua verso la parte superiore della parete. Questo fenomeno è chiamato “impennata osmotica”. Questa spinta osmoticavaria a seconda della natura dei materiali costituenti le pareti.
Si è però notato che nella risalita capillare intervengono non solo la natura dei materiali, ma anche altri fattori legati alla presenza di campi di stimolazione elettromagnetica.
Questi campi sono correnti alternate emesse sotto forma di onde telluriche e provocate dal movimento dell'acqua nel suolo (falde freatiche, sorgenti, corsi d'acqua sotterranei), dalla presenza di faglie geologiche, da frane che mettono a contatto strati di terreno di diversa natura.
I geofisici hanno dimostrato che anomalie nella costituzione geologica del sottosuolo possono provocare un disturbo delle linee di forza misurabili sulla superficie del terreno.
Hanno notato che sopra i corsi d'acqua sotterranei, i laghi sotterranei, le faglie geologiche ci sono anomalie nel campo magnetico terrestre così come un'intensa attività elettromagnetica nelle frequenze basse, frequenze altissime, frequenze ultraalte e fino alle microonde. Notiamo anche, in queste zone, notevoli cariche elettriche nell'aria, nel suolo e nei muri degli edifici.
Nel terreno come nei muri, queste cariche danno origine a correnti elettriche e campi elettrici.
Le correnti d'acqua sotterranee cariche di sali minerali e dotate di proprietà elettrochimiche provocano, circolando attraverso faglie di sabbia, ghiaia e terra, una corrente elettrica misurabile alla superficie del terreno. Questa corrente sarebbe creata dall'asimmetria delle cariche positive e negative delle molecole d'acqua, dalle cariche negative che si attaccano alle particelle nel sottosuolo e dalle cariche positive più piccole che continuano a fluire liberamente.
Il movimento di queste correnti d'acqua, anche alla velocità molto bassa di pochi metri all'ora, provoca correnti elettriche misurabili.
Durante i movimenti più ampi si verifica il rilascio di un campo elettromagnetico nelle alte frequenze dello spettro elettromagnetico, frequenze molto alte, frequenze ultra alte e microonde.
Queste onde elettromagnetiche di elevata intensità danno origine a zone localmente perturbate, dannose per gli esseri viventi, i cui effetti provocano la risalita per capillarità dell'acqua nelle pareti.
La radiazione a microonde e il campo ad onde ultracorte del terreno sono, inoltre, rinforzati dall'effetto dei disturbi elettrici generati dalla corrente sui minerali del terreno e sui materiali costituenti le murature. Questi materiali subiscono una deviazione nei momenti magnetici dei loro dipoli molecolari, solitamente diretti secondo il campo magnetico terrestre.
Quando un edificio è attraversato da questi campi, nelle pareti si formano cariche elettriche. Queste cariche elettriche danno poi origine ad una forza elettromotrice la cui differenza di potenziale è misurabile sulla parete tra il fondo della stessa ed il limite di umidità (frangia di umidità).
Questa forza elettromotrice a sua volta crea un campo elettrico (corrente continua), dando origine ad una forza meccanica diretta dal basso verso l'alto. Questa forza ha l'effetto di "pompare" le molecole d'acqua lungo la parete fino al loro livello di equilibrio.
È per questo motivo che spesso osserviamo che la risalita dell'acqua per capillarità sulle pareti è irregolare (altezza della frangia di umidità), sebbene le pareti siano omogenee per i materiali utilizzati e la natura dei terreni presenti sia identica.
La durabilità del patrimonio costruito e il comfort interno possono essere compromessi dalla presenza di umidità nella struttura. Tale fenomeno deve essere opportunamente indagato per determinarne la causa all’origine e pianificare una strategia di diagnosi, prevenzione e manutenzione.
In questo capitolo, partendo da una prima analisi dei vari modi in cui l’umidità può interagire con il patrimonio costruito, si vuole presentare sinteticamente il fenomeno della risalita capillare, nelle sue manifestazioni e le teorie che lo descrivono, in particolare dal punto di vista fisico e per quanto riguarda gli aspetti elettrici.
Tale manifestazione è particolarmente studiata a proposito dei degradi che ne derivano sugli edifici, con problemi sia alla struttura portante (dissesti meccanici), riduzione dell’efficienza energetica e limitazione del comfort termico.
L’applicazione degli studi teorici alla struttura reale comporta l’analisi di ulteriori parametri intrinseci (materiale, tecnologia costruttiva) ed estrinseci (clima, orientamento) che influenzano notevolmente la risalita, comportando fenomeni più o meno accentuati.
La molecola d’acqua
L’acqua è una sostanza indispensabile per tutte le forme di vita: il nostro corpo, come quello degli altri animali e dei vegetali, è costituito in gran parte proprio da acqua. Inoltre, numerosi organismi vivono in ambienti acquatici: nei mari e nelle acque dolci.
La molecola di acqua H2O è costituita da un atomo di ossigeno a cui sono legati due atomi di idrogeno, dando origine a una struttura tetraedrica. La struttura si presenta quindi come un dipolo elettrico con cariche distribuite in modo sbilanciato: un eccesso di carica negativa verso l’ossigeno, e positiva verso l’idrogeno. Questa molecola presenta un diametro di circa 0.33 nm.
