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La funzione di equilibrio igroscopico per i materiali da costruzione

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Appunti tratti dalla pubblicazione Simoulteneous Heat and Moisture Transport in Building Components di Hartwig M. Knzel

Riportiamo alcuni spunti tratti dai primi capitoli della pubblicazione scientifica (datata 1995) del Prof. Hartwig Künzel del dipartimento di Igrotermia del Fraunhofer Institute IBP (Holzkirchen, Monaco). Il testo integrale è disponibile su http://www.ibp.fraunhofer.de/en/Publications.html.
Lo studio riguarda la modellizzazione di un metodo di simulazione dinamica per l’analisi dei meccanismi di trasmissione del calore e del vapore attraverso un componente edilizio. Da questi e altri lavori è stato sviluppato negli anni ’90 il software di simulazione dinamica WUFI.
Per approfondimenti sul tema si rimanda al box informativo a fine articolo.


Introduzione
L’azione dell’acqua sull’involucro edilizio è una delle principali cause di deterioramento e danneggiamento dei materiali da costruzione. Questo appare evidente per gli edifici storici, esposti agli effetti dell’acqua per un lungo periodo, ma si può osservare anche negli edifici più recenti.
Le conseguenze concernono più aspetti, ad esempio danni strutturali, riduzione dell’isolamento termico e problemi di salubrità degli ambienti interni legati alla condensazione superficiale e alla formazione di muffa.
Non si tratta quindi solo di un problema di degrado dei componenti edilizi, ma di condizioni da analizzare per garantire la salute degli utenti finali degli edifici stessi.
L’obiettivo di una buona progettazione potrebbe quindi essere quello di mantenere l’acqua fuori dai componenti dell’involucro o al massimo accettare una quantità d’acqua più bassa rispetto alla soglia critica definita in funzione delle caratteristiche di ogni singolo materiale utilizzato.
Per fare ciò è necessario capire quali sono i meccanismi che causano l’ingresso di acqua in un materiale e quali scaturiscono i fenomeni di degrado.
La Figura 1 mostra una schematizzazione dei fenomeni più comuni: l’umidità può penetrare sottoforma d’acqua allo stato liquido (si pensi alla pioggia o alle infiltrazioni dal terreno), sottoforma di vapore in fase di condensazione sulla superficie o all’interno dei materiali, può essere inglobata nelle fasi di realizzazione dell’edificio (ad esempio nella preparazione del calcestruzzo in opera) o per motivi accidentali (come ad esempio durante un acquazzone a cantiere aperto).


Fig 1 - Rappresentazione delle cause e della distribuzione dell’umidità in un componente per l’edilizia per effetto di pioggia battente (rain moisture), condensazione (condensate), risalita dal terreno (rising damp), umidità di cantiere (initial moisture)


 

 

Nella Tabella 1 sono elencate tutte le possibili vie di trasporto di calore, vapore e acqua che si possono attivare in un componente edilizio. Dal nostro punto di vista è interessante considerare:

  • tutti i meccanismi di migrazione del calore, compresi gli scambi conduttivi dovuti alla presenza dell’acqua, i flussi entalpici dei cambiamenti di fase (da liquido a gassoso e viceversa) e gli scambi radiativi solari;
  • tutti i meccanismi di migrazione del vapore, ovvero sia il trasporto capillare che la diffusione di vapore;
  • solo la suzione capillare e la diffusione superficiale per quanto riguarda la migrazione dell’acqua liquida. Ovvero non sono considerate le infiltrazioni per gravità, i flussi idraulici, l’elettrocinesi e l’osmosi perché rappresentano meccanismi particolari non sempre significativi e in generale poco conosciuti.

Elenco dei meccanismi di trasporto di calore, vapore e acqua negli edifici abbinati alle cause e al potenziale di trasporto.


Materiali igroscopici
Un materiale può essere definito asciutto quando non contiene acqua (se non sottoforma di molecole vincolate chimicamente alla sua struttura). Questa condizione può essere raggiunta in laboratorio asciugando un materiale artificialmente. In condizioni reali ogni materiale trova il suo equilibrio igroscopico rispetto alle condizioni di umidità dell’ambiente esterno.
Se un materiale può assorbire acqua per suzione capillare è definito “igroscopico” se non può farlo è definito “idrofobico”. Un materiale igroscopico può assorbire acqua fino a un livello detto di saturazione libera (o saturazione capillare). Un contenuto superiore d’acqua (saturazione dei pori o saturazione massima) può essere raggiunto solo attraverso un aumento della pressione esterna o una diffusione di vapore per variazione di temperatura.
Per un materiale igroscopico possiamo definire un contenuto di umidità critico al di sotto del quale non si verifica alcun meccanismo di conduzione capillare.

 

La funzione di equilibro igroscopico
In ogni materiale l’umidità può essere presente sottoforma solida, liquida o gassosa. Con un’analisi sperimentale al microscopico non è detto che si riesca a identificare esattamente le percentuali e le fasi in cui l’acqua è contenuta nel materiale.
Per questo motivo è più interessante studiare gli effetti totali della presenza di umidità, più che le singole fasi (solide, liquide o gassose).
Dal punto di vista pratico risulta particolarmente utile capire come un materiale sia in grado di immagazzinare umidità in funzione delle condizioni al contorno, ovvero studiare la relazione tra contenuto d’acqua e umidità relativa nell’ambiente esterno.
Tale relazione prende il nome di “funzione di equilibrio igroscopico”, e per studiarne il senso è utile distinguere tra tre regioni di equilibrio tipiche di un materiale igroscopico (vd. Figura 2):

  • Regione A – Compresa tra la condizione in cui il materiale è completamente asciutto (UR 0%) fino al livello di equilibrio d’assorbimento (UR 95% circa). Il contenuto d’acqua nel materiale dipende dai meccanismi d’assorbimento di umidità dall’ambiente.
  • Regione B – Compresa tra il livello di equilibrio d’assorbimento (UR 95% circa) fino al livello di saturazione libera. Questa regione è anche definita come “super-igroscopica”. Il contenuto d’acqua nel materiale dipende dai meccanismi di suzione capillare.
  • Regione C – Compresa tra il livello di saturazione libera e il livello di massima saturazione teorica. Questa regione è detta anche di “super-saturazione” ed è raggiungibile in laboratorio forzando l’ingresso di umidità per suzione capillare con variazione di pressione.

Fig. 2 - Funzione di equilibrio igroscopico. In base alla relazione tra umidità relativa (asse orizzontale) e contenuto d’acqua nel materiale (asse verticale) possono essere definite: la regione A fino al livello dello stato di equilibro d’assorbimento, la regione B fino alla saturazione capillare e la regione C fino al livello di massima saturazione teorica. Per un’analisi igroscopica approfondita è necessario conoscere tale funzione per tutti i materiali in esame.


Regione A – Assorbimento d’umidità dall’ambiente
Ogni materiale igroscopico tende spontaneamente a mettersi in equilibrio con il contenuto di umidità dell’ambiente circostante (Regione A). Dal grafico mostrato in Figura 2, questo si traduce in un aumento o decremento del contenuto d’acqua in funzione dell’umidità relativa ambientale. Dagli studi eseguiti in laboratorio risulta che la curva d’assorbimento ricavata incrementando l’umidità ambientale e quella di de-assorbimento ricavata riducendola, per molti materiali sono praticamente coincidenti (vd. Figura 3). Pertanto è sufficiente una campionatura delle caratteristiche d’assorbimento per trovare la funzione di equilibrio nella regione A.

 

Fig. 3 - Esempi di curve di equilibrio igroscopico per assorbimento e de-assorbimento per 4 materiali: blocco in calcio silicato, calcestruzzo cellulare, calcestruzzo alleggerito con pietra pomice e calcestruzzo con argilla espansa.


Regione B – Assorbimento capillare
Quando un materiale igroscopico è messo in condizioni di assorbire acqua liquida, questo raggiunge un contenuto d’acqua detto di saturazione libera (Wf). Quello che succede nei pori è che grazie alle forze capillari l’acqua viene “risucchiata” all’interno del materiale, vincendo la pressione dell’aria intrappolata negli interstizi. In questa situazione aria e acqua non si mischiano (ovvero non si formano bolle d’aria nel liquido) per via delle forti tensioni tra le molecole d’acqua che si esercitano in uno spazio così ridotto.
Per studiare questi fenomeni, il modello matematico basato sulla risalita capillare di un liquido all’interno di una cavità cilindrica risulta però poco utile. Infatti come si può vedere dalla Figura 4, la struttura dei pori analizzata con diversi ingrandimenti risulta difficilmente schematizzabile con i modelli tradizionali usati per lo studio dei meccanismi di suzione capillare. Per questo motivo è più interessante determinare le spinte di suzione non per via matematica, ma per via sperimentale diretta.
Una volta noto il legame tra contenuto d’acqua e pressione di suzione capillare per via sperimentale, è possibile prolungare la curva della funzione igroscopica oltre la regione A e descrivere il legame tra contenuto d’acqua e umidità relativa esterna anche per la regione B.
I dati sperimentali anche in questo caso portano a trascurare le differenze tra la curva di incremento e decremento del contenuto d’acqua al variare della pressione di suzione.

 

Fig. 4 - Calcestruzzo cellulare al microscopio ingrandito 22 volte (in alto) e 11.000 volte (in basso). Si può notare come i pori ritenuti tondeggianti in realtà a livello microscopico assomigliano a un groviglio di spine. È pertanto improbabile poter descrivere le caratteristiche di assorbimento capillare basandosi sul modello semplificato della suzione per cavità cilindriche.


Regione C – Supersaturazione
Quando si supera il livello di saturazione libera (Wf) si raggiunge la regione di “Supersaturazione”. Il contenuto d’acqua può crescere fino a un valore di saturazione massima (Wmax) per via del fatto che il materiale può “svincolare” l’acqua intrappolata chimicamente nella struttura e quindi paradossalmente si può superare il valore di umidità relativa del 100%.
Questa condizione si verifica per brevi periodi e in particolari condizioni di saturazione. Ciononostante, per completare lo studio della funzione di equilibrio igroscopico, è interessante capire cosa succede in termini di crescita del contenuto d’acqua una volta raggiunta (e superata) la quantità Wf. Gli studi (sperimentali e analitici) su questo aspetto portano alla definizione della quantità ΔW0 che separa Wf da Wmax.

 

Uso della funzione di equilibrio igroscopico
Come visto, l’analisi del comportamento igroscopico di un materiale passa dallo studio della sua funzione di equilibrio igroscopico.
Per quanto riguarda il comportamento nella regione A, si può far riferimento a numerosi dati di letteratura oppure ai dati forniti dalle norme tecniche sui materiali (oggi UNI EN ISO 10456:2008).
Per quanto riguarda le regioni B e C, la situazione è più complicata. Infatti i valori ricavabili in letteratura o nelle norme tecniche si fermano alle informazioni per valori di umidità del 50%, 80% o 90%. È quindi molto difficile ricavare con precisione le curve di equilibrio igroscopico per l’assorbimento capillare e la supersaturazione per la maggior parte dei materiali in uso. Va detto però che tale informazione risulta particolarmente utile solo per i materiali a diretto contatto con la presenza di acqua (ad esempio gli strati esterni esposti alla piaggia), mentre negli altri casi ci si può accontentare di un’accuratezza della funzione d’accumulo più bassa.
A nostro avviso, prendere dimestichezza su questi temi, diventerà sempre più importante per progettare interventi “a regola d’arte” sotto il profilo igrotermico. ANIT come associazione rivolta ai progettisti e agli operatori di settore, propone diversi strumenti (guide e software) e occasioni di approfondimento (corsi, seminari, ecc) sulla corretta progettazione igrotermica. Per maggiori informazioni si rimanda al sito www.anit.it.

 

BOX INFORMATIVO

La collaborazione tra ANIT e il Fraunhofer IBP
La collaborazione tra ANIT e il Fraunhofer IBP ha preso il via agli inizi del 2013 con l’intento di approfondire e divulgare correttamente le metodologie di previsione del rischio di condensazione e di formazione di muffa soprattutto per gli interventi di riqualificazione energetica con isolamento dall’interno. La collaborazione si è concretizzata poi attraverso numerosi corsi di formazione promossi insieme in Italia dedicati alla “Migrazione al vapore in regime dinamico”.
Dal 2014 ANIT è partner italiano per la distribuzione del software WUFI (www.wufi.it)

Il Fraunhofer IBP (Institute für Bauphysic)
Il Fraunhofer IBP è un istituto fondato nei pressi di Monaco di Baviera (Holzkirchen) negli anni ’50 specializzato in ricerca, sviluppo e monitoraggio delle tecnologie applicate all’edilizia.
I campi di studio dell’istituto riguardano il controllo dei rumori negli edifici, il miglioramento dell’efficienza energetica del sistema edificio-impianto, l’ottimizzazione dei sistemi di illuminazione e l’analisi delle proprietà igrotermiche di materiale e componenti.

I laboratori del Dipartimento di Igrotermia
Proprio attorno a questo ultimo argomento si è sviluppato il dipartimento di igrotermia (che oggi conta circa 50 dipendenti) con i laboratori specializzati in:
— Studio delle condizioni igrotermiche negli ambienti abitati
— Caratterizzazione igrotermica dei materiali
— Monitoraggio nel tempo di soluzioni tecnologiche in camera climatica e in opera
— Sviluppo di software per la simulazione igrotermica dinamica (WUFI)

 

CORSI ANIT E VISITA AI LABORATORI
(con crediti formativi)
Visita ai laboratori del Fraunhofer IBP - 16 e 17 luglio 2015
La visita organizzata da ANIT (in italiano) è una rara occasione per tutti i progettisti e operatori del settore per vedere di persona come sono studiati i fenomeni igrotermici (rischio muffa e rischio condensa) e i materiali sia in laboratorio che in opera. Le iscrizioni sono aperte

Migrazione del vapore in regime dinamico – corsi ANIT autunnali
Workshop di 2 giorni con gli esperti ANIT per capire cosa si intende con “simulazione dinamica” della migrazione del vapore e quali vantaggi progettuali si possono ottenere con essa.
Il corso si sviluppa attraverso una serie di esercitazioni con i software PAN e WUFI per confrontare i risultati di un’analisi tradizionale (modello di Glaser) e dinamica (secondo UNI EN 15026).

Corso avanzato sulla simulazione dinamica del vapore – 19 ottobre 2015
Una giornata per chi ha già utilizzato il software WUFI e già seguito un corso sulla migrazione del vapore. Il corso è un’occasione di confronto fra i partecipanti e gli esperti del Fraunhofer IBP su metodi d’analisi, risultati e trucchi del mestiere. Il corso è previsto a Milano presso la sede ANIT.

Per maggiori informazioni e iscrizioni visita la pagina CORSI del sito www.anit.it.

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