Umidità: Tecniche a Neutralizzazione di Carica per i fenomeni di risalita capillare

Sperimentazioni realizzate nella chiesa di San Giovanni Maggiore a Napoli e nella Basilica di San Simpliciano a Milano

Il problema della risalita capillare è una patologia cronica a lento decorso che si manifesta negli edifici storici e negli edifici di nuova costruzione in assenza di idonei vespai o impermeabilizzazioni dei muri perimetrali. 

Gli interventi sino ad ora applicati hanno dato risultati insoddisfacenti perché agivano tutti sulle conseguenze dell’umidità e non hanno offerto una sicura garanzia di durata nel tempo. Invece la tecnologia a neutralizzazione di carica dell’acqua agisce direttamente sull’acqua presente nel terreno quindi direttamente sulle cause (e non sugli effetti) impedendo alla stessa di muoversi verso i capillari della muratura e di aderirvi (per attrazione di cariche elettriche opposte). 

Nel presente lavoro si analizzano due sperimentazioni di tale sistema, uno nella basilica di San Simpliciano a Milano che ha già evidenziato brillanti risultati, l’altra nella basilica di San Giovanni Maggiore a Napoli, dove si attendono i tempi tecnici per il completamento della sperimentazione. 

Soluzioni tecniche per l’umidità di risalita

Il problema della risalita capillare è una patologia cronica a lento decorso che si manifesta negli edifici storici e negli edifici di nuova costruzione in assenza di idonei vespai o impermeabilizzazioni dei muri perimetrali.

Tale patologia viene spesso sottovalutata e trascurata poiché viene considerata come un problema secondario rispetto ai casi in cui si riscontrano problemi strutturali. Nei casi di umidità di risalita una situazione di iniziale leggero degrado si aggrava lentamente innescando danni rilevanti.

Sino ad oggi gli interventi applicati tradizionalmente sono:

Tabella 1 – Interventi tradizionalmente utilizzati per risolvere il problema di umidità ascendente

Tali sistemi hanno dato risultati parzialmente soddisfacenti perché agivano tutti sulle conseguenze dell’umidità, cioè sulla muratura senza offrire una sicura garanzia di durata nel tempo; invece la tecnologia in questione agisce direttamente sull’acqua presente nel terreno quindi direttamente sulle cause (e non sugli effetti). 

Comportamento standard dell’acqua a contatto con la muratura

È noto che i mattoni, le pietre e le malte sono composti da cristalli di carbonati, silicati, alluminati e ossidi. La matrice solida porosa è quasi sempre costituita da materiali di tipo silicatico. Ciò che accade all’interno della porosità di un comune mattone è assai simile a quello che avviene in un capillare di silice. 

La struttura dei silicati è costituita essenzialmente dal ripetersi nelle tre dimensioni dello spazio degli elementi tetraedrici (SiO₄) _4- aventi gli ossigeni in comune, dando origine, nel caso della silice, ad un reticolo di stechiometria SiO₂.

Le terminazioni del reticolo –(O-) esercitano un’attrazione sulla molecola di H₂O, in cui i due atomi di idrogeno sono legati all'atomo di ossigeno con legame covalente eteropolare, il quale presenta una parziale carica negativa in corrispondenza dell’atomo di ossigeno ed una parziale carica positiva in corrispondenza dell’atomo di idrogeno. 

Per effetto della polarità, le molecole d'acqua tendono ad unirsi. La parte negativa di una molecola d'acqua, l'ossigeno, tende ad avvicinarsi a quella positiva di un'altra molecola d’acqua, l'idrogeno, e così via.

Questo tipo di legame è detto "legame ad idrogeno" o "legame a ponte di idrogeno".

Tutte le superfici in grado di formare il legame a idrogeno, cioè tutte le superfici che mostrano polarizzazione elettrica, dovuta agli atomi di ossigeno e ai gruppi ossidrili, sono detti polari, risultando idrofile perché attraggono le molecole d’acqua. Quando le molecole d’acqua si attaccano alla superficie idrofila, si dispongono in modo tale da formare un continuo ordinato di legami ad idrogeno.

Figura 1 – Silicati, elementi tetraedrici (SiO₄)_4- Figura 2 – Struttura della molecola d’acqua

Normalmente il dipolo dell’acqua e la sua parziale carica positiva sono attratti dalla muratura composta prevalentemente da SiO4 con quattro cariche negative e con l’aiuto della forza di capillarità, riuscirà a vincere la forza peso tanto da spingersi nei condotti capillari della muratura. Questo fenomeno è fortemente influenzato, oltre che dalla tensione superficiale, anche da un ulteriore importante fattore, rappresentato dal doppio strato di Helmoltz associato al potenziale elettrostatico negativo che si instaura per via naturale, sulle pareti interne dei capillari.

A scala microscopica, infatti, la superficie di un materiale contenente silice (componente base della maggior parte dei materiali da costruzione) è carica di un potenziale elettrostatico negativo. Infatti la silice presenta in tutte le sue terminazioni ossigeno, il quale darà carica negativa alla superficie del capillare.

Pertanto, le pareti interne dei capillari, cariche negativamente, tenderanno ad attrarre le molecole di acqua (dipoli di H2O), che risulteranno quindi orientate con il polo positivo verso la parete interna negativa del capillare.

Figura 3 - La superficie dei capillari in forma tetraedrica (SiO₄) attrae le molecole d’acqua

Il doppio strato di dipoli che ne deriva è detto di Helmoltz, in seguito associato a ciò che accade nelle murature, dove una volta disposto il primo filare di molecole d’acqua sull’intera superficie del capillare (orientate con la parte positiva verso le pareti di silice), se ne disporrà un altro grazie ai legami ad idrogeno che si formano nell’acqua:

Figura 4 – Flusso di risalita capillare dell’acqua
Figura 5 – Interruzione flusso d’acqua ed espulsione alimentato dall’evaporazione tramite evaporazione spontanea

Un flusso di risalita capillare alimentato da un’evaporazione in atto dalla superficie della parete movimenta lo strato di Helmholtz. 

Dato che il fenomeno della risalita capillare è fortemente influenzato dall’azione di forze infinitesimali di natura elettrica, può risultare molto più efficace dei sistemi tradizionali stroncare sul nascere le forze all’origine della risalita capillare stessa.

La sperimentazione di recenti tecnologie ha messo in evidenza che il fenomeno può essere contrastato agendo non sugli effetti (grandi) ma direttamente sulle piccole forze che lo alimentano. 

Tecnologia a neutralizzazione di carica dell’acqua

Questo sistema si propone di agire con l’applicazione di un debole potenziale elettrico esterno, inducendo variazioni nella distribuzione delle cariche tra la soluzione acquosa salina che attraversa le pareti, e la superficie solida costituita dalle pareti interne dei microcapillari.

A livello microscopico l’acqua, normalmente, a contatto con la muratura silicea carica negativamente presenta un dipolo, la cui parte positiva è attratta dalla carica negativa della muratura. In questo modo con i successivi legami ad idrogeno che favoriscono il trasporto di altre molecole d’acqua (si crea così il doppio strato di Helmoltz) l’evaporazione movimenta il flusso d’acqua all’interno dei capillari della muratura. 

Le forze in gioco sono per natura infinitesimali ma, come visibile sulle murature danneggiate da tale fenomeno, effetti macroscopicamente rilevanti possono essere provocati anche da forze infinitesimali.

Con la tecnologia a neutralizzazione di carica si impedisce all’acqua di muoversi all’interno delle porosità capillari della muratura e di aderirvi (per attrazione di cariche elettriche opposte) in modo che non si formi quel doppio strato di Helmotz all’interno dei singoli capillari. In questo modo, le molecole d’acqua inerti non sono più attratte dalla muratura e non vi aderiscono, mentre quelle già all’interno della muratura impiegheranno del tempo per evaporare. La forza del sistema è che interrompe la fonte d’acqua; basterà, quindi, prevedere un intervento risanante definitivo pochi mesi dopo l’installazione del sistema, quando cioè sarà evaporata tutta l’acqua presente nella muratura.

L’effetto fisico che ne deriva consiste nella variazione della tensione superficiale, ovvero dell’angolo di contatto all’interfaccia tra liquido e parete solida del capillare, e quindi la variazione della relativa forza di adesione tra le due fasi. 

Il sistema quindi prevede un generatore di deboli onde elettromagnetiche impulsive che al contatto acqua-muratura, neutralizza la capacità delle molecole d’acqua di caricarsi elettricamente, facendo in modo che rimangano neutre e, conseguentemente, non possano più essere attratte per differenza di carica dalle pareti dei capillari della muratura.

La forza di questo sistema è che interrompe alla radice la risalita dell’umidità, ovvero al contatto stesso tra acqua e muratura. 

Da un punto di vista applicativo, questi dispositivi, generalmente grandi quanto una centralina elettrica, vengono collocati in un punto centrale dell’edificio per fare in modo che la sfera del campo magnetico prodotto incida sull’intera zona da risanare. Una volta in funzione, esso inibisce il fenomeno della capillarità, interrompendo così la risalita di nuova acqua attraverso i capillari del muro. L’umidità in eccesso, quella presente già nella muratura al momento dell’installazione del dispositivo, viene quindi espulsa gradualmente tramite evaporazione spontanea, più o meno velocemente a seconda delle caratteristiche della muratura, dei materiali di cui è composto, della quantità d’acqua iniziale presente nel muro, dell’umidità relativa e delle temperature del luogo.

Questo sistema è certamente più efficace rispetto agli altri per una serie di motivi: 

• non invasività: l’intervento è limitato all’installazione di un dispositivo elettrico che rende quasi nullo il dispendio di energie; 
• eliminazione della causa dell’umidità: tutti gli altri interventi tendevano ad eliminare le conseguenze, cioè i danni dell’umidità, non preoccupandosi che all’interno della muratura l’acqua continuava il suo lento ed inesorabile flusso;
• efficacia del sistema: gli interventi descritti in tabella 1 non hanno avuto gli stessi risultati ottenuti rispetto alla tecnologia a neutralizzazione di carica.

La sperimentazione di San Giovanni Maggiore

In collaborazione con l’Università Federico II di Napoli si è iniziata una sperimentazione della tecnologia a neautralizzazione di carica dell’acqua a San Giovanni Maggiore, tra le più importanti chiese basilicali di Napoli.

La progettazione di tale sperimentazione, ancora in corso, segue metodi di seguito descritti che permetteranno di valutare l’umidità della muratura stessa sia in superficie che in profondità. 

Il luogo scelto è il piano della cripta interrato, il quale presenta già ingenti danni dovuti all’umidità di risalita sull’intonacatura e sulla pittura come è possibile vedere nelle foto scattate soltanto un anno dopo i lavori di restauro curati dall’ordine degli ingegneri di Napoli.

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