Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A. – Capitolo 3

La fisica dell’acqua nelle costruzioni

3.5 LA FORMAZIONE DEL GHIACCIO NEI MATERIALI DA COSTRUZIONE ESPOSTI ALL’ACQUA AMBIENTALE

Quando l’acqua solidifica, il suo volume aumenta del 9% e, se essa riempie completamente una cavità di un solido poroso, l’incremento di volume che accompagna la formazione di ghiaccio provoca un aumento di pressione che può arrivare alla distruzione del materiale, soprattutto se il fenomeno del gelo si alterna ripetutamente a quello del disgelo.

L’abbassamento della temperatura al di sotto del punto di gelo è condizione necessaria ma non sufficiente affinché si esplichi l’azione distruttiva in un solido poroso. Infatti, un materiale poroso completamente privo di umidità non subirà ovviamente, alcun danno dall’alternarsi della temperatura intorno al punto di gelo dell’acqua. Quale è, allora, il contenuto di umidità all’interno di un materiale poroso al di sopra del quale la formazione di ghiaccio diventa deleteria?

Qual’è, cioè, il grado di saturazione critico di un materiale poroso, al di sopra del quale l’aumento di volume dell’acqua che accompagna la formazione del ghiaccio (pari al 9% di quello iniziale), può provocare la distruzione del materiale?

Se si indica con v il grado di saturazione critico, esso può essere individuato con l’equazione [3.6]:

v + 0,09v = 100 → v = 100/1,09 = 91,7

In altre parole, se l’acqua riempie più del 91,7% del volume dei pori, la completa formazione del ghiaccio comporta un volume finale dell’acqua maggiore del volume dei pori: conseguentemente all’interno dei pori vengono indotte delle tensioni che possono arrivare alla rottura del materiale qualora la resistenza a trazione del materiale stesso risulti inferiore alla tensione insorta.

D’altra parte, se il volume di acqua all’interno del materiale è inferiore al 91,7%, la completa formazione di ghiaccio non arriva a far riempire le cavità e pertanto non si generano tensioni.

In realtà, sono stati registrati casi di rottura di materiali porosi anche se l’acqua in essi contenuta era mediamente anche di molto inferiore al 91,7%: la ragione di questo comportamento, apparentemente contraddittorio, è semplicemente dovuta al fatto che l’umidità nei solidi porosi può essere distribuita in modo eterogeneo, e pertanto un grado di saturazione mediamente inferiore al 91,7% non necessariamente significa che in tutte le zone esiste effettivamente lo stesso contenuto di umidità. Infatti, non si può escludere che in alcune zone il contenuto di umidità possa essere anche superiore al 91,7%, provocando così localmente una formazione di ghiaccio distruttiva per il materiale.

Per contro, si sono anche registrati fenomeni di non distruzione del materiale sebbene il grado di saturazione critico fosse uniforme e superiore al 91,7%: nel caso di un materiale meccanicamente molto resistente e poco poroso (per esempio con una porosità inferiore allo 0,5%, come si può verificare in alcune pietre compatte) anche un grado di saturazione superiore a quello critico può non essere sufficiente a distruggere il materiale; infatti, anche se i pochi pori infatti sono pieni di acqua, la formazione di ghiaccio, e la conseguente sollecitazione, può arrivare al massimo a deformare elasticamente il materiale senza però arrivare a provocarne la rottura.

Come si vede, quindi, il degrado connesso alla formazione di ghiaccio in solidi porosi non è un fenomeno facilmente inquadrabile in base alla misura del grado di saturazione determinato su un numero relativamente modesto di provini prelevati da un materiale così eterogeneo come quello presente nelle strutture in calcestruzzo.

3.6 LA TEORIA DELLA PRESSIONE IDRAULICA

A complicare ulteriormente il fenomeno del degrado legato alla solidificazione dell’acqua nelle strutture in calcestruzzo contribuisce anche il fatto che la cristallizzazione del ghiaccio non è ovviamente un fenomeno istantaneo: esso si verifica in realtà gradualmente e con una velocità tanto minore quanto più bassa è la velocità di raffreddamento.

Il fatto che i cristalli di ghiaccio si formino mentre ancora coesiste una parte di acqua liquida, comporta che l’aumento di volume provocato dalla formazione dei primi cristalli comprime l’acqua non ancora solidificata spingendola attraverso i canali di pori verso vie d’uscita o cavità vuote. La pressione idraulica (3, 4) che così si genera in prossimità dei primi germi cristallini di ghiaccio, è tanto maggiore quanto più difficile è la fuoriuscita dell’acqua liquida non ancora solidificata. Pertanto la probabilità che la pressione idraulica arrivi ad assumere valori così elevati da provocare la rottura del materiale solido poroso dipende, oltre che dalla resistenza a trazione del materiale stesso, anche da quei parametri che influenzano l’entità della pressione idraulica secondo la nota legge di Darcy sintetizzabile con l’equazione [3.7]:

dV/(dt) = k · A · ΔP/L [3.7]

dove ΔP è la differenza tra la pressione idraulica che si genera dove si forma il ghiaccio (P1) e quella atmosferica (P2); L è il cammino che l’acqua non ancora solidificata deve percorrere fino a fuoriuscire o trovare una cavità vuota che si trova alla pressione atmosferica; A è la sezione dei pori attraverso cui l’acqua liquida viene spinta; dV/dt è il flusso dell’acqua che coincide con l’aumento di volume nel tempo determinato dalla formazione di ghiaccio, che a sua volta dipende dalla velocità con cui il ghiaccio si forma e quindi dipende dalla velocità di abbassamento della temperatura ambientale al di sotto di 0°C; K, infine, è il cosiddetto coefficiente di permeabilità che, a sua volta, dipende non tanto e non solo dalla porosità totale del materiale solido, quanto invece dalla distribuzione dimensionale dei pori: infatti, a parità di volume, un fascio di molti pori di piccola dimensione fa fluire l’acqua più lentamente che non un unico grande poro.

Ciò dipende dal fatto che l’attrito che si genera tra l’acqua liquida sospinta dalla formazione del ghiaccio, e la superficie interna dei pori, aumenta all’aumentare della superficie stessa e quindi, a parità di volume, al diminuire della dimensione dei pori.

Alcune conseguenze che derivano dalla teoria della pressione idraulica sono:

• la formazione di ghiaccio provoca tanto più facilmente il degrado del materiale, quanto più rapido è l’abbassamento di temperatura al di sotto di zero: un raffreddamento molto lento di un solido poroso pieno di acqua può addirittura arrivare al miglioramento delle proprietà meccaniche del solido in quanto si verifica un riempimento consolidante del materiale poroso senza che ciò sia accompagnato dall’insorgere di una significativa pressione idraulica a causa del lento incremento di volume dell’acqua nel tempo (dV/dt);