Il problema della risalita capillare di acqua nelle strutture in calcestruzzo armato

Questo articolo sintetizza i fattori d’influenza principali, legati ai materiali, ambiente e dettagli costruttivi, sulla capacità del calcestruzzo di trasmettere un fronte umido per capillarità.

Questo fronte, quando migra dall’estradosso di un elemento esposto all’umidità all’intradosso, causa cicli di asciutto/bagnato che possono essere la causa scatenante di corrosione indotta da carbonatazione e/o, se le acque permeanti sono clorurate e/o solfatiche, possono provocare corrosione per attacco dei cloruri o attacco solfatico per esempio.

La corretta interpretazione/soluzione del problema sta ovviamente nella comprensione dei fenomeni, qui brevemente discussi, che lo causano, tra cui: la profondità della falda, la natura dei terreni contro cui si getta il calcestruzzo ed il grado di porosità capillare del calcestruzzo.

Per contrastare questi fenomeni occorre quindi tenere l’acqua lontano dal calcestruzzo rendendo, come prima cosa, drenanti i terreni contro cui questo si getta, usando poi calcestruzzi durevoli e, infine, proteggendo l’estradosso degli elementi in calcestruzzo con materiali impermeabili idonei. In assenza di una normativa nazionale organica in Italia (almeno per quanto ci è dato sapere) che tratti del tema specifico è però difficile poter garantire la ripetibilità necessaria dei risultati che dipendono allora molto dall’esperienza del progettista, da linee guide regionali o di associazioni di categoria, etc.

Quindi, come esempio di un approccio integrato, si fanno in questo articolo anche brevi cenni della norma SIA 272 Svizzera che tratta esclusivamente ed esaustivamente del tema delle strutture impermeabili e permette di impostare un sistema razionale e ripetibile per poter progettare e costruire strutture impermeabili sia nel campo delle infrastrutture che nel campo dell’edilizia.

 

Introduzione al problema della risalita capillare

La presenza indesiderata di acqua o umidità in porzioni di strutture che dovrebbero essere asciutte per motivi di durabilità, estetici o altro è una sfida non priva di difficoltà per chiunque si confronti con costruzioni in falda e/o nella fascia di risalita capillare della stessa. Non da ultimo perché una normativa integrata nazionale applicabile su questo tema non ci risulta esista.

A seconda che l’acqua sia in pressione o meno (e quindi sia a pressione ambiente) i suoi meccanismi e la sua velocità di penetrazione variano, ma dipendono essenzialmente dalle medesime proprietà fisiche dei materiali che attraversa, ovvero: permeabilità, diffusività, suzione etc.

In questo breve articolo ci occupiamo soltanto dei fenomeni di trasporto a pressione atmosferica nel calcestruzzo (usato abbondantemente in questi ambiti) e, senza entrare troppo nei dettagli inerenti alla fisica della costruzione possiamo certamente affermare, senza perdere di rigore, che, per avere i presupposti per il movimento di acqua a pressione atmosferica entro un mezzo poroso quale il calcestruzzo, sono necessarie due condizioni:

  • esso deve avere una rete di fessure capillari continue/comunicanti 
  • deve esistere un gradiente non nullo tra una zona ad elevata umidità (di solito il terreno naturale o di riporto contro cui è gettato il calcestruzzo) ed una zona ad umidità minore (l’ambiente interno sull’intradosso di un muro per esempio).

Inoltre, osserviamo che il risultato visibile del trasporto di umidità dall’estradosso all’intradosso di un elemento dipende anche dallo spessore dell’elemento stesso, che quindi va fissato in un valore minimo che potrebbe anche essere superiore a quello dettato da mere esigenze di calcolo strutturale.

È possibile infine affermare che, quando ci si confronta con i temi legati all’umidità di risalita capillare, la impermeabilità del materiale non è assoluta ma, come vedremo più avanti, relativa e dipendente, come definito al punto (b) sopra, dalle condizioni ambientali prevalenti che ci sono all’intradosso dell’elemento strutturale.

 

Il meccanismo semplificato del trasporto di acqua a pressione atmosferica fino al calcestruzzo

La possibilità che si manifestino fenomeni di trasporto per capillarità che possono portare l’estradosso di un elemento in calcestruzzo a bagnarsi è legata al fatto che il calcestruzzo viene gettato di solito contro terreno naturale o di riporto.

Il livello massimo (o minima profondità, rispettivamente) che può raggiungere la falda nella zona di progetto deve essere quindi noto e, in funzione di quanto profonda è la falda e del tipo di terreno, si potrà decidere se adottare sistemi di impermeabilizzazione integrali oppure di optare solo per la protezione contro l’umidità.

L’altezza di risalita capillare dipende dalla granulometria ed uniformità del terreno e varia da una trentina di cm per sabbie grossolane male assortite fino a 250-300 cm per silt sabbiosi.

Per ghiaie sabbiose più o meno bene assortite l’altezza di risalita capillare è trascurabile.

Quindi la decisione, critica, in merito al migliore sistema di prevenzione contro la presenza d’acqua dipende dalla massima altezza di falda, a cui va aggiunta la stima dell’altezza di risalita capillare che dipende, come detto, dalla natura del terreno contro cui si getta il calcestruzzo.

CONSIGLIO

Se si interpongono strati ghiaiosi drenanti tra il terreno naturale (se a grana fine) e l’estradosso del calcestruzzo, si interrompe quindi in modo efficace la risalita capillare, creando accumuli nello strato ghiaioso che funge da polmone e che, una volta saturatosi, può scaricare l’acqua in dreni orizzontali opportunamente localizzati come evidenziato negli schizzi sotto. 

Il problema della risalita capillare

 

Il meccanismo semplificato del trasporto di acqua a pressione atmosferica nel calcestruzzo

La permeazione di acqua di risalita capillare e la diffusione di umidità comportano il degrado di elementi in muratura ed intonaci (per cristallizzazione dei sali per esempio) oppure, nel calcestruzzo armato, creano i presupposti per una ciclicità di esposizione ad ambiente secco/umido che, sul lungo termine, può causare corrosione per carbonatazione. In alcuni casi poi l’acqua, se contaminata da agenti quali cloruri e solfati, può diventare una sostanza molto aggressiva per la durabilità del calcestruzzo armato.

Senza, di nuovo, essere troppo rigorosi possiamo dire che, un contenuto di acqua del calcestruzzo fresco pari a ca. il 25% della massa di cemento, corrisponde all’acqua stechiometrica che si lega in modo indissolubile ai grani di cemento, idratandoli e che può essere liberata solo quando il calcestruzzo indurito è esposto a temperature molto elevate (per esempio durante gli incendi). Questo concetto si esprime dicendo che 0.25 è (circa) il rapporto acqua/cemento (A/C) stechiometrico medio di un calcestruzzo.

Nessuno però, salvo chi lavora con calcestruzzi di resistenza caratteristica di 100 MPa ed oltre utilizza comunemente calcestruzzi in edilizia o genio civile che abbiano valori del rapporto acqua cemento così bassi. Il che significa però che l’acqua di impasto in eccesso rispetto al valore del rapporto di 0.25 è, nel medio e lungo termine, evaporabile.

L’evaporazione di questa acqua dal calcestruzzo ormai indurito lascia una rete di canali comunicanti di larghezza variabile da micron a decimi di millimetro che definiamo come “porosità capillare” (vedi immagini sotto ottenute nel nostro laboratorio su lamine sottili di calcestruzzo analizzate al microcopio in fluorescenza, che è una tecnica ottica per evidenziare la porosità della matrice).

Immagini di porosità capillare del calcestruzzo

 

Questa, insieme alla porosità data dai pori di aria occlusa formatisi per inglobamento accidentale o intenzionale di aria allo stato fresco, forma la porosità totale. La creazione di questa rete di canaletti comunicanti di diametro capillare rende quindi il calcestruzzo simile, da un punto di vista fisico, ad un terreno a grana molto fine e, una volta che sia omogeneamente esposto all’umidità su una faccia, questo fronte può muoversi per suzione capillare nella matrice e percorrere parecchi cm al giorno, spostandosi verso zone a umidità minore per ristabilire un equilibrio.

Tanto maggiore è l’acqua in eccesso al rapporto 0.25, tanto maggiore sarà il volume di pori capillari che si forma quando essa evapora parzialmente dal calcestruzzo indurito. Tenendo conto che un calcestruzzo usato per getti contro terreno in cui la pressione dell’acqua è solo quella atmosferica non dovrebbe superare, secondo il nostro parere, un rapporto A/C di 0.50 comprendiamo come i presupposti per la formazione di una rete capillare più o meno diffusa sono sempre verificati.

Al diminuire del rapporto A/C diminuisce la porosità capillare, come dimostrato dal protocollo sperimentale della norma Svizzera SIA 262/1-A che permette di definire la porosità capillare (altrimenti definita come: tenore di pori di idratazione) come differenza tra la porosità totale e quella occlusa, attraverso una prova abbastanza articolata (ma molto robusta) di suzione a pressione ambiente.

Nella figura sotto (dal nostro archivio) sono riportati gli estratti degli esiti di due prove di assorbimento capillare eseguite nel nostro laboratorio su due calcestruzzi a differente rapporto A/C. Si vede chiaramente che il calcestruzzo a rapporto A/C minore ha anche porosità capillare minore (9.7% contro 16.9%). In generale difficilmente si scende sotto valori in volume di porosità capillare del 10%, anche con calcestruzzi a rapporto A/C minore di 0.40 ed anche con l’uso di aggiunte minerali che possono in parte depositare nuovi prodotti di reazione pozzolanica in esse. La prova evidenzia che, nel passare da un rapporto A/C di 0.50 ad uno di 0.43 si verifica una riduzione del 60% del volume dei vuoti capillari comunicanti, passando da 169 litri per metro cubo (16.9%) a “soli” 97 litri per metro cubo (9.7%). 

prove di assorbimento capillare


Analizziamo brevemente cosa ci dicono i grafici riportati sopra, per esempio nel caso di un vano interrato nei nostri climi.

In estate (umidità elevata assunta per esempio essere 80%) il calcestruzzo con rapporto A/C = 0.50 trasporta acqua per capillarità dall’estradosso solo se la temperatura media del locale all’intradosso è minore di 20°C (quindi praticamente mai, salvo in zone montane);

In inverno (umidità elevata assunta per esempio essere 80%) il calcestruzzo con rapporto A/C = 0.50 trasporta acqua per capillarità se la temperatura media del locale è minore di 20°C (quindi quasi sempre, se il locale non ha riscaldamento come spesso accade);

In estate (stessa umidità) il calcestruzzo con rapporto A/C = 0.43 è impermeabile, indipendentemente dalla temperatura;

In inverno (stessa umidità) il calcestruzzo con rapporto A/C = 0.43 trasporta acqua per capillarità solo se la temperatura media del locale è minore di 2°C (quindi praticamente mai, salvo in zone montane).

risalita-capillare-elementi-ca-5.JPG

Questo esempio conferma, come già anticipato nei paragrafi precedenti, che la capacità di suzione del calcestruzzo non dipende solo da proprietà fondamentali del materiale, ma anche dalle condizioni ambientali in cui si trova.

Nel caso del calcestruzzo con A/C di 0.50 la sua capacità di suzione aumenta in inverno con un grado maggiore rispetto al calcestruzzo con A/C di 0.43.

Come ultima nota su questa prova va evidenziato che i valori di assorbimento capillare espressi in g⁄(m^2∙h)  sono normalizzati ad uno spessore dell’elemento costruttivo di 250 mm, perché questa dimensione è quella minima richiesta dalla norma Svizzera SIA 272 che tratta di strutture impermeabili in calcestruzzo armato e che sarà discussa brevemente più avanti.

Ovviamente non è pensabile diminuire il rapporto acqua/cemento fino ad avvicinarsi a quello stechiometrico, perché la miscela diverrebbe molto costosa da produrre e difficilmente gestibile per via della sua reologia, ritiro autogeno ed estrema rigidezza (che può causare l’insorgenza di fessure per ritiro vincolato larghe e poco spaziate con una densità di armatura convenzionale da edilizia per esempio).

CONSIGLIO

Il consiglio che ci sentiamo di dare a questo punto della discussione è quindi quello di utilizzare prima di tutto calcestruzzi che soddisfino una classe di esposizione XC4 secondo EN 206-1 (A/C <0.50) così da controllare il volume di porosità capillare che si forma.

Inoltre, come di regola dovrebbe essere con il calcestruzzo, è sempre necessaria una buona maturazione ad umido, mirata al controllo della fessurazione da ritiro plastico che forma una rete di fessure superficiali entro cui il trasporto di acqua è fortemente facilitato. 

Quindi, oltre a posare il calcestruzzo contro terreni in partenza drenanti, la seconda importante misura necessaria per contrastare il fenomeno è quella di specificare e mettere in opera calcestruzzi concepiti e maturati in modo tale da minimizzare il volume di fessure capillari.

Ma ovviamente queste misure non saranno mai sufficienti da sole per garantire la assoluta assenza del fenomeno. Questo a causa delle fluttuazioni della qualità del calcestruzzo fornito e posato, ed a causa delle incertezze riguardo alla prevedibilità dei periodi di ritorno della minima profondità di falda e della massima risalita capillare.

Ne è un esempio lampante il plausibile cambiamento dell’ambiente di esposizione a cui è andato soggetto negli anni il condominio di Miami (Florida, USA) che ha causato, crollando per buona parte, la tragica morte di decine di persone il 24.06.21. Sebbene le cause del crollo possono essere molteplici, sicuramente uno dei filoni dell’inchiesta forense sarà mirato anche alla valutazione dell’incremento dei fenomeni atmosferici violenti che si sono rafforzati (per intensità e frequenza) negli ultimi 40 anni sulla costa Est della Florida rendendo le zone interrate costiere (garage, cantine, vani tecnici sotto le piscine, etc.) progressivamente sempre più bagnate da acqua, sempre più salina che ha saturato i terreni circostanti in modo sempre più aggressivo a seguito di eventi estremi.

Dato che negli ‘80 il calcolo dei periodi di ritorno di eventi estremi destabilizzanti per le fondazioni era certamente diverso da oggi, e dato che oggi questo calcolo sarà, ahimè, molto diverso da quello applicabile tra 40 anni viste le non molto rosee proiezioni della comunità scientifica in materia di estremizzazione dei fenomeni climatici, ogni volta che in un sito vi siano rischi legati all’incertezza delle condizioni geotecniche ed ambientali in merito alla presenza di acqua ed alla sua potenziale aggressività, la ridondanza di misure è un obbligo.

Quindi, quando si parla di temi legati alla durabilità, occorre mettere in campo misure ridondanti in modo che, al ridursi dell’efficienza di una nel tempo, l’altra (o le altre) sopperiscano. Misure ridondanti, che combinino calcestruzzo di qualità ed impermeabilizzazione con barriere polimeriche o sintetiche, sono sempre necessarie quando si cerchi la condizione “zero umidità”.

... CONTINUA.

L'articolo continua con la trattazione della Norma Svizzera SIA 272, un esempio di standardizzazione nazionale delle regole dell’arte per produrre strutture impermeabili e con dettagli costruttivi.


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