Umidità residua dei sottofondi

Umidità dei materiali da costruzione

 

1. Principi generali

 

La misura dell’umidità dei materiali consiste nella determinazione della percentuale in peso di acqua contenuta all’interno della massa solida del materiale umido. L’umidità % si calcola mediante la seguente equazione:

 

U=(ma-mu) x 100 / mu

 

dove U è l’umidità percentuale, ma è la massa del campione asciutto ed mu la massa del campione umido.

L’acqua contenuta in un supporto è costituita da due porzioni. Una legata chimicamente alle sostanze di cui è composto il materiale, acqua di idratazione o di struttura, l’altra è semplicemente assorbita nelle porosità del medesimo, acqua assorbita fisicamente. L’acqua di struttura non può migrare dal materiale e per questo non costituisce una frazione interessante ai fini della determinazione dell’umidità e deve pertanto non essere interessata dalla misura. L’acqua assorbita è invece quella frazione in eccesso che deriva da fattori esterni al materiale e che può di conseguenza costituirne la patologia.

Un altro parametro molto interessante e caratteristico di ogni materiale è l’umidità fisiologica, Uf. L’umidità fisiologica è la % di acqua che si stabilisce nel materiale all’equilibrio con l’ambiente a 20°C e 50%RH. Uf è pertanto il limite minimo raggiungibile spontaneamente dal materiale in quelle condizioni.

 

2. Effetti dell’umidità presente nei supporti di posa

 

L’importanza della determinazione di questa grandezza fisica è strettamente connessa alla nocività che l’acqua può esercitare a carico dei materiali o delle strutture in cui è presente. Nel settore delle pavimentazioni e dei rivestimenti in resina il danno derivante dalla presenza di acqua nei supporti su cui si effettua la posa del rivestimento consiste il più delle volte nel distacco dello stesso.  La manifestazione visibile del distacco è la formazione di bolle di vapore o acqua tra la resina e il supporto. Il fenomeno è possibile perché i rivestimenti resinosi sono in generale impermeabili al vapore. Ciò fa sì che il vapore che naturalmente evolve verso l’aria dal materiale in cui è contenuto sotto forma di umidità, rimanga intrappolato sotto il rivestimento e lì eserciti una pressione di distacco. Inoltre, se l’umidità all’interfaccia tra supporto e rivestimento si condensa per effetto dell’abbassamento della temperatura, si instaura anche una sorta di effetto distaccante della condensa a carico del rivestimento. In ultima analisi, l’eventualità e l’entità del distacco dipendono stettamente sia dal contenuto di umidità del supporto, sia dall’entità del legame tra rivestimento e supporto (adesione). Esiste un valore limite per l’umidità %, specifico per ciascun accoppiamento sottofondo/rivestimento, sotto il quale la posa è da considerarsi sicura ed è riportato, laddove importante, nelle Schede Tecniche del prodotto da rivestimento.

 

3. Origine dell’umidità nei supporti di posa

 

L’umidità all’interno dei materiali origina da fenomeni fisici diversi che possono insistere sull’involucro edilizio (edificio) di cui è parte il materiale sotto indagine. Le principali origini sono:

 

3.1 – umidità ascendente (per capillarità dai terreni);

3.2 – umidità da condensazione (dall’aria contenuta nel volume dell’ambiente);

3.3 – umidità da infiltrazione (da precipitazioni che si infiltrano nell’involucro edilizio);

3.4 – umidità accidentale (derivante da rotture di tubazioni idrauliche o di scarico che attraversano il materiale sotto osservazione).

3.5 – umidità da costruzione (intrinsecamente presente come acqua d’impasto, nei materiali a base di leganti aerei o idraulici, malte, intonaci, calcestruzzo o massetti, o, nel caso di aggregati o mattoni come acqua presente naturalmente o assorbita durante i processi di estrazione, fabbricazione o staccaggio).

 

L’umidità % è data normalmente dalla combinazione di tutti i fattori sopraccitati, anche se, in generale, ciascuno di essi ha un peso diverso a seconda della tipologia e dell’età dell’edificio in cui si effettua la valutazione. Negli edifici di nuova costruzione progettati e realizzati a regola d’arte, l’umidità normalmente deriva dall’attività di costruzione ed ha un andamento decrescente nel tempo per effetto dell’asciugatura dei materiali. Negli edifici di vecchia costruzione, al contrario, l’umidità deriva da tutti gli altri fattori ed è dovuta ad eventuali errori di progettazione o al degradamento delle strutture o materiali di protezione installati per limitare l’assorbimento d’acqua. In questo caso il suo andamento potrebbe non essere decrescente se non si adottano contromisure volte a bloccare l’ingresso di umidità dall’ambiente esterno al materiale.

Quale che sia l’origine dell’umidità, l’importante è che il suo valore sia misurato accuratamente prima della posa di rivestimenti in resina e che ne sia misurato l’andamento nel tempo, soprattutto quando la sua origine sia esterna. Quando il suo valore si stabilizza permanentemente sotto la soglia prevista dalla scheda tecnica del materiale di rivestimento, si può procedere alla posa delo stesso.

 

4. Stima del tempo di asciugamento dei supporti saturi d’acqua

 

Il tempo di asciugamento di un supporto dipende dalla struttura del materiale di cui è costituito oltre che dalle condizioni ambientali in cui si trova. In generale si osserva che materiali molto porosi (intonaci deumidificanti, mattoni in terracotta, malte di calce aerea) impiegano molto meno tempo di materiali compatti (calcestruzzo, malte bastarde, malte di cemento) per l’eliminiazione dell’umidità contenuta al loro interno. Uno dei riflessi, nella pratica, di quest’osservazione è che, ad esempio, l’utilizzo di intonaci a base di cemento è sconsigliato per il rivestimento di muri fondati su terreni umidi o sottoposti a infiltrazioni.

Ai fini di una corretta programmazione di interventi di risanamento o rivestimento di supporti impregnati d’umidità, potrebbe risultare utile stimarne il tempo di asciugatura. Il presupposto iniziale è che sia interrotto l’assorbimento d’acqua (installazione di guaine impermeabilizzanti, scossaline, riparazione di tubazioni che perdono, applicazione di pitture impermeabili ecc...). In letteratura esistono delle formule matematiche (Kettenacker) che permettono di calcolare grossolanamente, a 20°C e 50%RH, il tempo da attendere per l’asciugamento di un supporto dal valore di saturazione (completa impregnazione) al valore Uf (umidità fisiologica) a partire dal momento in cui viene interrotto l’assorbimento d’acqua.:

 

t = p x s2

 

dove:

t è il tempo di prosciugamento espresso in giorni

s è lo spessore della muratura espresso in centimetri

p è il coefficiente di prosciugamento.

 

Il coefficiente p dipende dal materiale di cui è costituito il supporto ed è inversamente proporzionale alla porosità del materiale stesso. Mattoni di terracotta e malte di leganti aerei (calce) e intonaci deumidificanti hanno coefficienti bassi in quanto molto porosi (molti pori e di dimensioni elevate). Calcestruzzo e malte di leganti idraulici hanno valori di p elevati in quanto poco porosi (pochi pori e di piccole dimensioni). In Tabella 1 sono riprodotti i valori di p dei più frequenti materiali da costruzione.

 

Tab. 1:

Materiali da costruzione Coefficiente p
Mattoni cotti (mediamente) 0,28
Pietra calcarea (mediamente) 1,20
Calcestruzzo di pomice 1,40
Calcestruzzo cellulare (mediamente) 1,20
Calcestruzzo strutturale 1,60
Malta di calce aerea e sabbia 0,25
Malta di calce forte e sabbia 0,27
Malta bastarda 1,35
Malta cementizia 1,58

Esempio di calcolo:

 

un supporto in calcestruzzo strutturale di 40 cm di spessore impregnato d’acqua necessita di circa:

 

t = 1,60 x (402) = 2560 giorni per l’asciugatura con umidità residua pari a Uf.

 

Lo stesso supporto in mattoni posati a malta (in cui la malta sia parte estremamente minoritaria della muratura) necessita di circa:

 

t = 0,28 x (402) = 448 giorni per l’asciugatura con umidità residua pari a Uf.

 

I valori calcolati sono puramente indicativi e non possono prescindere dall’esecuzione di misure sul campo.

 

5. Misura dell’umidità nei supporti di posa

 

I metodi di misura dell’umidità in un materiale da castruzione sono raggruppabili in due macrocategorie:

 

5.1 – metodi diretti, tramite cui si quantifica direttamente la massa d’acqua contenuta nel campione mediante la rimozione chimica o fisica della stessa dal campione di misura. Nei metodi diretti è necessario prelevare una quantità piccola, ma importante di materiale dal supporto da esaminare. Per loro natura, i metodi diretti sono i più accurati nella determinazione del contenuto d’acqua dei materiali;

5.2 – metodi indiretti, tramite cui si stima la quantità d’acqua presente nel materiale mediante l’osservazione di parametri indiretti ad essa correlati (di solito conducibilità elettrica e costante dielettrica). Sebbene nei metodi indiretti non sia necessario generalmente il prelievo di campioni dal supporto, come contropartita sono i meno accurati perché misurano proprietà non sempre riproducibilmente connesse al contenuto di umidità del materiale. In generale i metodi indiretti si utilizzano come “stima veloce” dell’umidità residua in attesa di eseguire la determinazione precisa mediante il metodo diretto.

 

5.1 Metodi umidometrici diretti:

 

5.1.a – metodo ponderale;

5.1.b – metodo al carburo di calcio (detto di Höchst).

 

5.1.a Metodo ponderale:

consiste nella misura della massa di un campione di materiale prelevato dal supporto di prova prima e dopo l’esecuzione di un trattamento termico di essiccazione ad una certa temperatura per un tempo di circa 24 ore. La scelta della temperatura di essiccazione è fondamentale. Da un lato, infatti, si deve garantire la liberazione dell’acqua assorbita fisicamente nel materiale in un tempo ragionevole e dall’altro si devono evitare l’eliminazione dell’acqua di struttura (quella legata chimicamente ai composti che costituiscono il materiale) e la degradazione chimica del materiale (decomposizione termica). In generale per i materiali edili più comuni, si ritiene che una temperatura di lavoro di 105°C sia al contempo efficace e precauzionale.

Il vantaggio principale del metodo ponderale è che è universale e permette di misurare l’umidità anche a prescindere dalla presenza di sali o inquinanti nel materiale. È inoltre molto economico e permette di effettuare misure su ogni parte del materiale in cui sia possibile prelevare un campione. Gli svantaggi principali derivano da:

1 – necessità di lesionare il materiale per prelevarne una porzione;

2 – necessità di effettuare la prova in laboratorio poiché si impiegano una bilancia analitica (al centesimo di grammo) e una stufa essiccante;

 

5.1.b Metodo al carburo di calcio

sfrutta una reazione chimica che coinvolge il carburo di calcio (CaC2) e l’acqua contenuta nel campione da analizzare. La reazione chimica in questione è qui sotto riportata:

 

CaC2 + 2 H2O à C2H2­+ Ca(OH)2

 

Il carburo di calcio, solido, reagisce con l’acqua e produce un gas, l’acetilene (C2H2) e un altro solido, l’idrossido di calcio (Ca(OH)2). Se il carburo di calcio introdotto nella reazione è molto in eccesso, la quantità di gas acetilene che si produce dalla reazione dipende solo dalla quantità di acqua presente nel campione.

La reazione si effettua in un contenitore chiuso (autoclave) in cui si mescolano intimamente il campione umido e il carburo di calcio. In queste condizioni, il gas che si sprigiona dalla reazione fa aumentare la pressione interna del contenitore. Il valore della pressione è linearmente dipendente dalla quantità di gas prodotto e quindi dalla quantità d’acqua presente nel campione. Misurando la pressione finale a reazione ultimata, si può quindi determinare esattamente la quantità d’acqua inizialmente presente nel campione.

Affinché il metodo sia efficace l’apparecchio in cui avviene la reazione deve:

 

1 – essere a tenuta perfettamente ermetica per evitare la dispersione del gas prodotto;

2 – essere equipaggiato con un manometro per la lettura della pressione;

3 – contenere un sistema di frantumazione e polverizzazione del campione affinché i reagenti, carburo di calcio e acqua, entrino in intimo contatto.

 

L’effettuazione della misura prevede che il campione sia prelevato e preparato secondo le seguente semplice procedura:

a – prelievo meccanico: mediante scalpello e mazzetta si stacca un frammento del materiale da sottoporre a misura direttamente dal supporto;

b – macinazione del campione: mediante piatto e martello si riduce in polvere frammento precedentemente prelevato. È importante condurre l’operazione in breve tempo senza scaldare il materiale per evitare che l’umidità si liberi prima dell’introduzione in autoclave;

c – pesatura del campione polverizzato: una volta polverizzato il campione, si pesa con precisione una certa quantità di polvere. Questa fase è particolarmente importante perché la pressione misurata è correlabile al contenuto d’acqua solo se riferita ad un preciso peso di campione introdotto.

 

5.1.b.1 Scelta della quantità di campione da sottoporre ad analisi:

la massa del campione introdotta nell’autoclave determina la quantità d’acqua portata alla reazione con il carburo di calcio e quindi la pressione finale del gas. Il manometro ha una scala di pressione limitata (di solito compresa tra 0 e 2 bar) per questioni legate alla risoluzione dello strumento e alla sua accuratezza. Per ottenere misure valide è necessario che la pressione del gas in autoclave ricada il più possibile intorno del centro della scala del manometro.

 

tl_files/nordresine/Immagini_appendici/Foto_1.JPG Fig. 1: manometro a scala multipla

 

La scelta del quantitativo di campione da introdurre, quindi dovrà necessariamente tenere conto di questo fattore. Come scegliere, quindi, un quantitativo corretto?

Gli igrometri al carburo sono di solito dotati di un normogramma o grafico che indica la quantità ottimale da pesare in funzione del contenuto d’acqua del campione. Alcuni apparecchi sono anche dotati di manometri a scala multipla che indicano direttamente il contenuto d’acqua su scale diverse ciascuna relativa ad una precisa quantità di campione pesato (vedi Fig. 1, particolare cerchiato dall’ovale blu tratteggiato).

Se si ha un’idea, anche approssimativa, dell’umidità del campione, si può scegliere a priori la quantità di campione e la scala di lettura sul manometro. Se, al contrario, il campione è totalmente ignoto, conviene partire dalla scala meno sensibile (in Fig. 1, quella dei 20 g) ed eventualmente ripetere la prova con le scale più sensibili.

 

5.1.b.2 Dipendenza della lettura di pressione dalla temperatura dell’autoclave:

poiché la determinazione dell’umidità è correlata alla misura della pressione di un gas, è naturale che la temperatura influenzi molto il responso. Le letture dovrebbero essere effettuate a 23°C, ma spesso le condizioni ambientali differiscono molto da questo valore. Alcuni strumenti sono equipaggiati con strisce termosensibili reversibili che consentono di misurare la temperatura del copro dell’autoclave e forniscono equazioni o grafici per la correzione della % di umidità in funzione della temperatura di lavoro.

 

Una volta fissata la quantità da introdurre in autoclave, la polvere viene pesata e introdotta in autoclave senza spandimento aiutandosi con un pennello per ripulire bene il piattino. Si introduce un insieme di sfere d’acciaio di diametri diversi e una fiala in vetro di carburo di calcio. Al termine dell’aggiunta si chiude ermeticamente l’autoclave.

La semplicità del metodo e l’elementarità delle operazioni di preparazione permette di costruire degli igrometri al carburo portatili (per misure sul campo) equipaggiati di semplici attrezzi per l’esecuzione delle operazioni preliminari. Nella seguente figura è riprodotto un esemplare di corredo per la misura igrometrica al carburo commercialmente disponibile.

 

tl_files/nordresine/Immagini_appendici/fig_2.JPG

Legenda:

 

– autoclave con manometro;

 

2 – martello, mazzetta e scalpello per il prelievo e la frantumazione;

 

3 – piatto pesante per la frantumazione;

 

4 – insieme di sfere d’acciaio;

 

5 – fiale di carburo di calcio;

 

6 – bilancia per la pesatura del campione frantumato;

 

Fig. 2: igrometro a carburo corredato di attrezzi

 

Chiusa l’autoclave, si inizia l’esecuzione della misura che prevede le seguenti fasi:

d – chiusura dell’autoclave: l’autoclave è chiusa facendo aderire perfettamente la guarnizione di tenuta al corpo dell’autoclave stessa. È importante che la chiusura sia perfetta perché eventuali fughe di gas comprometterebbero la bontà della misura;

e – agitazione dell’autoclave: l’autoclave, una volta chiusa, viene agitata con vigore facendo sì che le sfere in acciaio in essa contenute rompano la fiala di carburo di calcio e allo stesso tempo permettano la perfetta e intima miscelazione del carburo con la polvere del campione. L’agitazione sarà effettuata ad intervalli e verrà nel complesso prolungata per un tempo sufficiente al raggiungimento di una valore di pressione stabile. Come già descritto, di norma sul corpo dell’autoclave sono attaccate delle strisce termosensibili reversibili che ne indicano la temperatura il cui valore servirà per la correzione del risultato;

f – stabilizzazione della pressione e lettura del risultato: dati il peso del campione introdotto nell’autoclave, la temperatura di lavoro e il valore di pressione letto sul manometro, una volta che l’indice si sia stabilizzato, si determina il valore dell’umidità del campione mediante il normogramma allegato allo strumento. Per gli strumenti equipaggiati con manometri speciali a scale multiple (vedi Fig. 1) il valore della % di umidità si legge direttamente sul manometro sulla scala pertinente al peso del campione introdotto.

 

Come già descritto, se il valore di pressione o umidità ricade in prossimità del fondo scala superiore o inferiore del manometro è consigliabile ripetere la misura modificando il peso di campione introdotto per aumentare la sensibilità della rilevazione.

 

5.1.b.2 Vantaggi del metodo al carburo:

1 – portabilità dello strumento per l’effettuazione di misure sul campo;

2 – semplicità di esecuzione delle misure;

3 – ripetibilità e affidibilità delle misure;

4 – insensibilità all’acqua di idratazione dei leganti (la frazione chimicamente legata);

 

5.1.b.3 Svantaggi:

1 – necessità del prelievo di porzioni del materiale da analizzare (metodo distruttivo);

2 – delicatezza del sistema di tenuta della pressione dell’autoclave (da verificare periodicamente mediante il kit di taratura);

3 – estrema sensibilità alle variazioni di temperatura;

4 – possibiltà di sottostima del valore dell’umidità per insufficiente frantumazione del campione;

 

Il metodo al carburo è da ritenersi il metodo di riferimento per la determinazione dell’umidità dei materiali da costruzione.

 

5.2 Metodi umidometrici indiretti:

 

per la determinazione dell’umidità dei materiali nel settore delle costruzioni, oltre ai metodi diretti, sono utilizzati anche metodi indiretti. Pur non essendo affidabili e precisi come i primi, essi sono impiegati per il fatto che sono in generale metodi non distruttivi che permettono di effettuare la prova direttamente sulla superficie senza necessità di prelevare frammenti di materiale. Per quanto fin qui esposto i metodi indiretti sono destinati essenzialmente a determinazioni preliminari e orientative.

I principali metodi umidometrici indiretti si basano sulla dipendenza di alcune grandezze elettrostatiche (costante dielettrica e conducibilità elettrica) dei materiali dal loro contenuto di umidità. Gli apparecchi in grado di rilevare la variazione di queste grandezze e si basano su:

 

a – rilevatori a microonde (Fig. 3);

b – rilevatori conduttimetrici (Fig. 4);

c – rilevatori capacitivi (Fig. 5);

 

In questa trattazione è impossibile entrare nel merito di ciascuno dei metodi indiretti fin qui citati. Esiste tuttavia un principio comune a tutti su cui si basa la misura: l’umidità nella matrice modifica le proprietà elettrostatiche. Più nel dettaglio, sia la conducibilità elettrica sia la costante dielettrica di un materiale aumentano con il contenuto d’acqua. Naturalmente costante dielettrica e conducibilità dipendono anche da fattori intrinsechi al materiale come la composizione e la struttura della matrice solida, fattori questi totalmente ignoti nella maggioranza dei casi. Se i materiali fossero tutti uguali o le loro proprietà elettrostatiche indipendenti dalla loro natura specifica, sarebbe facile individuare una correlazione, per quanto complessa, tra umidità e capacità o conducibilità del materiale. Purtroppo nella realtà questo non si verifica e quindi si sarebbe costretti, in teoria, ad elaborare migliaia di equzioni per materiali e strutture diverse. Ovviamente quest’operazione è impossibile, quindi si rende necessario raggruppare i materiali presenti nei supporti edili in macrocategorie (calcestruzzo, legno, massetto sabbia e cemento ecc...), semplificando i modelli, ma rinunciando, allo stesso tempo, alla precisione della misura. Questo è il motivo per cui i metodi indiretti non sono da considerare definitivi nella misura dell’umidità dei materiali, ma solo propedeutici alla misura con metodo ponderale o al carburo.

Nelle figure 3, 4, 5 e 6 sono riprodotti alcuni elemplari di umidometri basati sulla rilevazione di grandezze elettrostatiche (o elettromagnetiche).

 

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Fig. 3: umidometro a microonde

 

Fig. 4: umidometro conduttimetrico

 

Fig. 5: umidometro capacimetrico