La teoria della capillarità descrive una parte dei fenomeni che possono determinare il movimento dell’acqua all’interno dei materiali porosi. Nelle murature reali, tuttavia, il comportamento dell’acqua non dipende da un unico meccanismo e deve essere valutato considerando le caratteristiche dei materiali e le condizioni al contorno.
Come funziona la teoria della capillarità nei materiali porosi
La teoria della capillarità descrive il movimento di un liquido all’interno di pori o condotti di piccole dimensioni attraverso l’interazione tra tensione superficiale, adesione, coesione e caratteristiche geometriche dei pori. Nei materiali da costruzione il fenomeno può contribuire al trasferimento dell’acqua in differenti direzioni, non esclusivamente verso l’alto. Una muratura reale, tuttavia, non è costituita da capillari cilindrici regolari: laterizi, malte, pietre e materiali di finitura formano una struttura porosa eterogenea e discontinua. Per questo la teoria capillare rappresenta un modello utile per comprendere una parte del comportamento dell’acqua, ma non può essere utilizzata da sola per spiegare ogni manifestazione di umidità presente nelle murature.
Per comprendere il rapporto tra pressione capillare e dimensione dei pori è possibile fare riferimento a modelli teorici utilizzati nella caratterizzazione dei materiali porosi. La dimensione dei pori può essere determinata a partire dal valore della pressione del liquido nei vasi capillari, attraverso la cosiddetta equazione di Washburn, che rappresenta il bilancio delle forze per materiali aventi pori cilindrici:
Dove:
- PL è la pressione del liquido
- PG è la pressione del gas presente all’interno dei pori; è approssimabile a 0 atm in quanto in genere prima di procedere all’introduzione del liquido, il campione da analizzare viene posto sottovuoto
- ơ è la tensione superficiale del liquido
- θ è l’angolo di contatto di intrusione del liquido
- Dp è il diametro dei pori del manufatto
Si tratta tuttavia di un modello riferito a condizioni e geometrie definite, che non deve essere interpretato come rappresentazione completa del comportamento di una muratura reale.
Porosità e permeabilità sono due proprietà fondamentali per comprendere il comportamento dell’acqua nei materiali da costruzione, ma non sono le uniche variabili coinvolte. Occorre considerare anche distribuzione e connessione dei pori, grado di saturazione, caratteristiche delle superfici, composizione dei materiali e condizioni fisiche al contorno.
La porosità esprime la quantità di vuoti presenti all’interno di un materiale rispetto al suo volume complessivo. Ai fini del trasferimento dell’acqua non conta soltanto la quantità dei pori, ma soprattutto la loro dimensione, distribuzione e interconnessione. Due materiali con porosità complessiva simile possono quindi mostrare comportamenti molto differenti se cambia la struttura della rete porosa. La presenza di pori aperti e comunicanti favorisce il trasferimento dei liquidi, mentre una porosità prevalentemente chiusa limita la continuità dei percorsi disponibili all’acqua.
La permeabilità descrive la capacità di un materiale di lasciarsi attraversare da un fluido attraverso una rete di pori interconnessi. Non coincide quindi con la sola porosità: un materiale può presentare una quantità significativa di vuoti senza possedere necessariamente una rete porosa continua capace di consentire un trasferimento altrettanto efficace dell’acqua. Porosità, dimensione dei pori, loro distribuzione e grado di interconnessione devono pertanto essere valutati insieme.
Un esempio storico interessante è rappresentato dall’impiego della Pietra d’Istria nell’architettura veneziana. Le sue caratteristiche fisiche e la sua resistenza agli ambienti marini ne hanno favorito l’utilizzo nelle parti degli edifici maggiormente esposte all’acqua e agli agenti atmosferici. Questo esempio mostra come la scelta dei materiali e la loro disposizione costruttiva possano modificare sensibilmente il rapporto tra acqua e muratura.
Quando un liquido entra in contatto con un materiale poroso si instaurano interazioni tra il liquido, le superfici solide e l’aria presente nei pori. Tensione superficiale, adesione, coesione, angolo di contatto e geometria della rete porosa contribuiscono al comportamento capillare. La capillarità deve quindi essere interpretata come il risultato dell’interazione tra più proprietà del liquido e del materiale, e non come una forza isolata che agisce autonomamente.
Nella foto un caso a volte ingannevole: mattoni trattati con impermeabilizzante (truccati), dove internamente può avvenire la risalita capillare. La tensione superficiale partecipa al comportamento capillare dell’acqua, ma nelle murature reali il trasferimento idrico dipende dall’interazione tra più fenomeni fisici e dalle caratteristiche del materiale.La risalita avviene per effetto della tensione superficiale e non dalla presenza di sali, elettrosmog, differenza di potenziale e altre bufale che ormai hanno stancato…
La coesione riguarda invece le interazioni tra sostanze differenti. Nel caso di una muratura umida interessa quindi il rapporto tra l’acqua e le superfici dei pori del materiale. Il bilanciamento tra adesione e coesione contribuisce a determinare il comportamento del liquido all’interno della struttura porosa.
L’adesione è l’insieme dei fenomeni fisico-chimici che si producono nell’attrazione molecolare tra due materiali di natura differente posti a contatto, nel nostro caso l’acqua ed il muro, oppure l’acqua che rimane in un bicchiere o in una bottiglia dopo che l’hai versata, una parte anche se poche gocce rimane sempre all’interno.
La tensione superficiale deriva dalle forze intermolecolari presenti all’interfaccia di un liquido. In un sistema capillare, insieme all’angolo di contatto e alla geometria del poro, contribuisce alla formazione della differenza di pressione tra le interfacce e quindi al movimento del liquido.
Un esempio per capire meglio è quello dell’acqua in un bicchiere di vetro, avete mai portato il livello dell’acqua fino al bordo del bicchiere? Avrete sicuramente notato che il liquido genera un menisco verso l’alto, dovuto alla forza di coesione che tende a far rimanere integro il liquido generando una tensione superficiale, sfruttando questa forza gli insetti camminano sull’acqua in uno stagno, oppure piccoli oggetti metallici possono rimanere a galla.
Il movimento dell’acqua all’interno di un materiale poroso deriva dall’interazione tra le proprietà del liquido, la struttura dei pori e le condizioni fisiche presenti ai loro estremi. Il trasferimento può avvenire in differenti direzioni e non deve essere interpretato automaticamente come un movimento verticale dal basso verso l’alto.
A scala molecolare intervengono inoltre interazioni tra le superfici solide e le molecole del liquido, comprese le forze intermolecolari comunemente ricondotte alle interazioni di Van der Waals. Questi fenomeni contribuiscono al comportamento dell’acqua in prossimità delle superfici dei pori.
Passando alla pratica se confrontiamo la presenza di umidità di risalita dove non c’è alcuna barriera in un muro composto di mattoni faccia a vista e fughe in malta a base di calce con un muro realizzato nello stesso modo e intonacato con malta bastarda di calce e cemento (pratica avvenuta spesso dal dopo guerra) noteremo molto più umido il secondo a parità di situazione ambientale (drenaggio, fenomeni atmosferici, ecc.).
Anche i rivestimenti modificano il comportamento igrometrico della muratura. Un intonaco o una finitura caratterizzati da ridotta permeabilità al vapore possono limitare le superfici disponibili all’evaporazione e spostare le zone nelle quali acqua e sali manifestano maggiormente i propri effetti. Il degrado osservato sulla superficie non identifica quindi necessariamente il punto di ingresso dell’acqua.
Un altro fattore è l’osmosi, che descrive il movimento di un solvente attraverso una membrana semipermeabile determinato da una differenza di concentrazione. Nelle murature il termine deve essere utilizzato con cautela, perché la struttura porosa dei comuni materiali da costruzione non può essere automaticamente assimilata a una membrana semipermeabile ideale.
I sali possono tuttavia modificare sensibilmente il comportamento igrometrico dei materiali attraverso fenomeni di igroscopicità, dissoluzione e cristallizzazione. La loro presenza non dimostra da sola la provenienza dell’acqua e deve essere interpretata attraverso analisi specifiche e nel contesto della muratura esaminata.
Limiti della teoria della capillarità nelle murature reali
La teoria della capillarità costituisce uno strumento fondamentale per comprendere il comportamento dell’acqua nei materiali porosi, ma non rappresenta da sola un modello diagnostico dell’umidità nelle costruzioni.
Una muratura reale è un sistema eterogeneo nel quale possono concorrere assorbimento, capillarità, gradienti di pressione, caratteristiche della rete porosa, sali, evaporazione, condizioni termiche e apporti d’acqua provenienti da direzioni differenti.
Per questo motivo osservare umidità nella parte inferiore di una parete non consente di concludere automaticamente che sia presente una risalita capillare dal terreno.
La teoria fisica deve essere distinta dalla diagnosi: prima di individuare una soluzione è necessario stabilire quale meccanismo stia realmente alimentando l’acqua nella muratura esaminata.
Domande più frequenti
Che cos’è la capillarità nei materiali da costruzione?
La capillarità descrive il comportamento di un liquido all’interno di pori di piccole dimensioni ed è influenzata dalla tensione superficiale, dall’adesione, dalla coesione, dall’angolo di contatto e dalla geometria della rete porosa. Nelle murature reali rappresenta uno dei fenomeni che possono contribuire al movimento dell’acqua.
La capillarità provoca sempre umidità di risalita?
No. La presenza di una struttura porosa capace di assorbire acqua non dimostra automaticamente che l’acqua stia risalendo verticalmente dal terreno. Il comportamento deve essere valutato considerando la struttura della muratura, le condizioni al contorno e le effettive fonti di alimentazione dell’acqua.
Porosità e permeabilità sono la stessa cosa?
No. La porosità indica la quantità di vuoti presenti in un materiale, mentre la permeabilità riguarda la possibilità che un fluido attraversi una rete di pori interconnessi. Due materiali con porosità simile possono quindi presentare comportamenti molto differenti nei confronti dell’acqua.
L’equazione di Washburn spiega l’umidità nelle murature?
L’equazione di Washburn è utile per descrivere il comportamento capillare in determinate condizioni teoriche, ma una muratura reale presenta pori irregolari, materiali differenti, discontinuità e condizioni ambientali variabili. Non può quindi essere utilizzata, da sola, per diagnosticare l’origine dell’umidità presente in un edificio.
La presenza di umidità alla base del muro dimostra la risalita capillare?
No. La posizione dell’umidità costituisce un elemento da valutare, ma non permette da sola di determinarne l’origine. Apporti laterali dal terreno, infiltrazioni, perdite, caratteristiche costruttive, sali ed evaporazione possono produrre manifestazioni localizzate anche nella parte inferiore delle murature.
