Studio del microclima

di Carlo Cacace

  

Il sistema ambiente-muratura deve essere trattato alla stregua di un sistema fisico e attraverso la conoscenza e la misura dei suoi parametri è possibile controllarne l'evoluzione. Sulla base di tali presupposti l'indagine microclimatica assume il ruolo più specifico di controllo dell'interazione aria-materiale per controllare l'aggressività ambientale da una parte e comprendere come attenuare i processi di deterioramento del materiale dall'altra.

Questa schematizzazione teorica è idonea a descrivere la maggior parte dei fenomeni osservabili nel processo di degrado. Quando si conoscono le relazioni funzionali che legano le grandezze fisiche individuate per descrivere l’evoluzione del sistema, si può procedere alla misurazione di queste variabili: i dati sperimentali così acquisiti, oltre a caratterizzare il sistema, costituiscono la base di conoscenza su cui sviluppare l’eventuale intervento di risanamento ambientale ed il conseguente controllo delle condizioni di conservazione. Il degrado è la trasformazione dei materiali costitutivi, ovvero il passaggio del sistema da uno stato di conservazione ad un altro. Dal bilancio energetico che si stabilisce tra le due parti dipendono, in generale, i processi di degrado, ovvero lo stato di conservazione. Quando si genera uno squilibrio termoigrometrico tra le parti si verifica una transizione del sistema da uno stato all'altro. In altre parole si attiva il processo che può migliorare o peggiorare lo stato di conservazione del materiale. Pertanto, la conoscenza delle condizioni ambientali in cui il manufatto si trova, in rapporto alle proprietà chimico-fisiche dei materiali costitutivi, dello stato di aggregazione e di conservazione di tali materiali, è condizione necessaria per poter controllare il processo di degrado, senza mai dimenticare i processi naturali determinati per interazione spontanea con l'ambiente: il cosiddetto ‘invecchiamento naturale’. La ‘velocità’ e le ‘modalità’ del processo, tuttavia, non dipendono solo dalla quantità di energia che viene scambiata attraverso la superficie del manufatto ma anche dalle "condizioni iniziali" e dalle "condizioni al contorno", ovvero da come queste ultime possono variare o essere modificate.

Sulla finitura a secco o sulla finitura a fresco (tipologie diverse di superficie), la stesura di un protettivo, effettuata nel corso di un intervento di restauro può modificare le condizioni al contorno e determinare una differente dinamica conservativa.

È chiaro, inoltre, che la muratura non è isolata dall'ambiente che la circonda, ma costituisce con questo un sistema fisico che evolve nel tempo; la dinamica della sua evoluzione dipende dalle forme di energia (termica, meccanica, chimica, elettrochimica ecc.) che entrano in gioco e dai fattori su indicati. Il sistema ‘ambiente-muratura’ può allora essere definito dalle grandezze fisiche e dalle relazioni matematiche che ne descrivono quantitativamente l'evoluzione nel tempo e nello spazio. Tale evoluzione può essere rilevata strumentalmente attraverso l’impiego di centraline che registrano la mutazione nel tempo di parametri fisici come  la temperatura in aria, la temperatura sulla muratura, l'umidità relativa, la velocità dell'aria, l'irraggiamento solare ecc. La conoscenza delle grandezze e delle relazioni funzionali che regolano il passaggio da uno stato all'altro è indispensabile per controllare e modificare, secondo indirizzi prescelti, la dinamica del processo di degrado, senza dimenticare che le stesse grandezze hanno influenza diversa in relazione alla natura fisica e alla forma del materiale.

Avendo come riferimento il modello sopra descritto, il fine perseguito dall’indagine microclimatica è  conoscere e definire gli andamenti che determinano l'equilibrio termoigrometrico del sistema ambiente-manufatto e stabilire le condizioni in cui il processo di deterioramento del materiale possa essere rallentato. La presenza di vapor d'acqua nell'aria e le caratteristiche idrofile delle murature sono alla base dei processi di deterioramento provocati dallo scambio termoigrometrico.

I parametri più importanti che regolano questo tipo d’interazione dipendono essenzialmente dallo stato fisico dell'acqua (vapore, liquido, solido). In presenza di malta, questi riguardano la natura del legante e la composizione minerale del materiale che, a causa dell'elevata polarità, esercita una particolare attrazione per l'acqua, favorita anche dalla microstruttura porosa formatasi all'interno dell'intonaco durante il processo di carbonatazione. Per comprendere a fondo i meccanismi di deterioramento in atto e quelli potenziali è importante conoscere la porosità, l'igroscopicità e la bagnabilità della superficie perché questi parametri, a parità di dinamica termoigrometrica, diversificano localmente il comportamento del sistema nei processi di assorbimento, adsorbimento, desorbimento, condensazione, evaporazione e sublimazione.

Nei casi in cui venga esclusa la presenza di acqua per infiltrazione o per risalita capillare, per dispersione da condutture mal funzionanti o da cattiva tenuta degli infissi e delle coperture, il comportamento di un generico materiale, idrofilo e poroso, che si trova in un ambiente sufficientemente grande da non essere influenzato dagli eventuali assorbimenti o desorbimenti di acqua da parte del materiale stesso, è governato dalle dinamiche termoigrometriche dell'aria e, quindi, del clima locale.

In generale la variazione della percentuale d'acqua contenuta nella muratura considerata è correlata a queste dinamiche e tende a diminuire in corrispondenza di un aumento di T poiché a questa è associata la tendenza di UR a diminuire e viceversa. Il materiale tende a cedere acqua all'aria in coincidenza con un aumento di T e una diminuzione di UR, ad assorbirla nel caso opposto (figure 1,2,3). In questi casi è in linea teorica auspicabile annullare gli scambi di vapore attraverso la superficie e ottenere una condizione di stabilità del microclima.

Per ridurre al minimo le variazioni termoigrometriche, indotte dagli scambi e dai rimescolamenti dell'aria interna con quella esterna, conviene intervenire sull'architettura realizzando una migliore coibentazione delle murature e delle coperture, una maggiore tenuta degli infissi (porte e finestre), migliori condizioni di isolamento dell'ambiente, tutti provvedimenti finalizzati a inibire gli scambi di energia termica e di vapore d'acqua ed a determinare un equilibrio stabile tra aria e materiale costitutivo. In casi particolari caratterizzati da un alto tasso di UR, risulta difficile distinguere e comprendere quanto i meccanismi alla base del degrado dipendano da una vera e propria azione di bagnamento della superficie da condensazione capillare, da condensazione per raggiungimento del punto di rugiada (figura 4), da adsorbimento o da condensazione per la presenza sulla superficie di sali igroscopici e/o di prodotti chimici derivanti da trattamenti di pulitura, consolidamento e protezione subiti o infine da deposizione di inquinanti particellati e gassosi.

L'azione di degrado causata dal bagnamento è comunque favorita anche dalla presenza di un velo liquido di pochi micron, che si può formare sulla superficie anche in condizioni diverse dalla saturazione ma che su questo tipo di superfici porose è difficilmente riscontrabile con l'osservazione diretta.

L'assorbimento di anidride solforosa (SO3), ad esempio, varia da un materiale all'altro anche in funzione della microporosità superficiale e dipende dai valori di UR. La presenza di cloruri comporta una diversa cinetica di assorbimento che deve essere di volta in volta valutata. In questi casi le soglie critiche possono scendere anche molto al di sotto delle condizioni di saturazione dell'aria. Altro parametro importante da prendere in considerazione è la sollecitazione termica provocata dal ciclo giornaliero di irraggiamento solare. L'energia emessa da una sorgente di calore si propaga in diversi modi legati alla natura della sorgente e allo stato fisico del mezzo materiale in cui il calore si propaga. Tutte le volte che si determina una differenza di temperatura (gradiente termico) tra due sistemi fisici o anche tra due parti dello stesso sistema avviene trasmissione di energia termica per conduzione, convezione e/o irraggiamento a seconda del mezzo interposto tra la sorgente di calore e il sistema che lo riceve. L'energia termica può, comunque, essere riscontrata strumentalmente attraverso la misura della temperatura e l'osservazione di fenomeni legati al calore (figura 5).

 

[di Carlo Cacace, Direttore sezione modelli microclimatici e gestione dati IsCR]