UMIDITÀ CAPILLARE — FISICA DEL FENOMENO E PROTEZIONE DELLE FONDAZIONI IN UCRAINA

La risalita capillare è un fenomeno naturale che si verifica nei materiali porosi, quando un liquido (nel nostro caso, l'acqua) risale attraverso canali stretti o pori, contro la forza di gravità. Questo processo è regolato da alcuni principi fisici fondamentali. Innanzitutto, la tensione superficiale dell'acqua, che crea un menisco all'interfaccia liquido-aria nel capillare. Le molecole d'acqua si attraggono reciprocamente (coesione) e verso le pareti del capillare (adesione). Se le forze di adesione tra l'acqua e il materiale del poro sono maggiori delle forze di coesione all'interno dell'acqua, l'acqua bagna le pareti del poro e il menisco diventa concavo. Questo menisco concavo crea una differenza di pressione (pressione capillare) che trascina l'acqua verso l'alto. L'altezza della risalita capillare (h) può essere calcolata con la legge di Jurin:

h = (2γ cosθ) / (ρgr)

Dove:

• γ (gamma) — coefficiente di tensione superficiale del liquido (per l'acqua a 20°C circa 0,072 N/m);
• θ (theta) — angolo di contatto (per l'acqua pura e materiali idrofili, come calcestruzzo o mattoni, l'angolo si avvicina a 0°, cosθ = 1);
• ρ (rho) — densità del liquido (per l'acqua 1000 kg/m³);
• g — accelerazione di gravità (circa 9,81 m/s²);
• r — raggio del capillare.

Da questa formula si vede chiaramente che più piccolo è il raggio del poro (r), più in alto può risalire l'acqua. Nei materiali a pori fini, come i terreni argillosi densi o i calcestruzzi a grana fine, l'acqua può risalire di diversi metri. Ad esempio, in pori con raggio di 0,1 μm (10⁻⁷ m), l'acqua può risalire fino a 14,7 metri! Questo spiega perché anche in terreni o pareti apparentemente asciutti può esserci una quantità significativa di umidità capillare. Comprendere questa fisica è fondamentale per una corretta progettazione dell'impermeabilizzazione e la scelta dei materiali da costruzione.

Inoltre, un ruolo importante è svolto dalla porosità del materiale – il rapporto tra il volume dei pori e il volume totale del materiale. Un'elevata porosità aperta con pori piccoli e interconnessi crea condizioni ideali per la risalita capillare. Ad esempio, materiali come il calcestruzzo cellulare, i mattoni, il calcestruzzo di argilla espansa hanno un'elevata porosità aperta, il che li rende vulnerabili all'umidità capillare. L'idrofobizzazione delle superfici dei materiali può aumentare l'angolo di contatto (θ), riducendo così l'altezza della risalita capillare, ma si tratta solo di un mezzo di protezione aggiuntivo, non principale.

Il regime di umidità delle fondazioni ne determina la durabilità, la capacità portante e, non meno importante, l'efficienza termotecnica. Secondo la ДБН В.2.1-10:2009 'Basi e fondazioni di edifici e costruzioni', le fondazioni devono essere protette dall'azione delle acque di falda e superficiali. La risalita capillare è il meccanismo principale di ingresso dell'umidità nelle strutture di fondazione, in assenza di un'adeguata impermeabilizzazione orizzontale. L'umidificazione costante delle fondazioni porta a una serie di conseguenze negative:

1. Riduzione della resistenza dei materiali: Il calcestruzzo, i mattoni, la pietra, quando saturi d'acqua, perdono parte della loro capacità portante. Questo è particolarmente critico durante i cicli di gelo-disgelo, quando l'acqua che gela nei pori si espande, creando una pressione interna che danneggia il materiale.
2. Aumento della conducibilità termica: L'acqua ha un coefficiente di conducibilità termica notevolmente più alto (λ ≈ 0,6 W/(m·K)) rispetto all'aria secca (λ ≈ 0,026 W/(m·K)) o ai materiali da costruzione asciutti (ad esempio, il calcestruzzo asciutto ha λ ≈ 1,2-1,7 W/(m·K), ma se saturo di umidità può salire a 2,0-2,5 W/(m·K)). Una fondazione umida diventa un potente 'sacco freddo', causando notevoli dispersioni termiche.
3. Biodegrado: L'umidità favorisce lo sviluppo di muffe, funghi e altri microrganismi, che non solo danneggiano i materiali, ma peggiorano anche la qualità dell'aria interna.
4. Corrosione dell'armatura: La presenza di umidità accelera la corrosione elettrochimica dell'armatura in acciaio nelle strutture in cemento armato, causando una riduzione della capacità portante e il degrado del calcestruzzo (gli elementi in calcestruzzo possono sfaldarsi).

Per garantire un regime di umidità adeguato, è necessario progettare un sistema di protezione integrato, che includa non solo l'impermeabilizzazione, ma anche sistemi di drenaggio e marciapiedi perimetrali. I sistemi di drenaggio allontanano le acque di falda dalla fondazione, riducendo la probabilità del loro contatto con la struttura e, di conseguenza, la risalita capillare. È importante considerare che anche un innalzamento temporaneo del livello delle acque di falda o piogge prolungate possono causare la saturazione del terreno adiacente e l'inizio della risalita capillare.

Il tipo di terreno è il fattore determinante dell'intensità e dell'altezza della risalita capillare. Terreni diversi hanno una struttura dei pori differente, che influisce direttamente sul raggio dei capillari (r) nella formula di Jurin. Conoscere queste caratteristiche è fondamentale per le indagini geotecniche e per una progettazione adeguata delle fondazioni.

1. Terreni sabbiosi: Presentano pori grandi e ben drenati. Il raggio dei capillari è relativamente grande, quindi la risalita capillare nelle sabbie pure è modesta – di norma fino a 0,5 metri. La sabbia cede rapidamente l'umidità e non tende a trattenere l'acqua a lungo.
2. Terreni sabbio-limosi e limosi: Sono terreni intermedi, che contengono una miscela di sabbia, argilla e limo. La loro porosità è inferiore a quella della sabbia e il raggio dei capillari è più fine. L'altezza della risalita capillare può essere da 1 a 3 metri. Questi terreni sono più pericolosi dal punto di vista della risalita capillare, poiché sono in grado di trattenere l'umidità per un tempo significativo.
3. Terreni argillosi: Sono caratterizzati dai pori più fini, spesso con un'attività superficiale delle particelle molto elevata. Il raggio dei capillari nelle argille è microscopico, il che consente all'acqua di risalire fino a 5-10 metri e persino oltre in alcuni casi. Le argille hanno anche una bassa permeabilità, che porta a una lunga ritenzione dell'umidità e a un'essiccazione lenta. Questo li rende i terreni più problematici dal punto di vista della risalita capillare.
4. Terreni loessici: Un tipo particolare di terreno limoso, con elevata porosità e tendenza al cedimento in caso di inumidimento. Sebbene la loro umidità naturale possa essere bassa, in caso di innalzamento delle acque di falda o piogge prolungate la risalita capillare può essere intensa, e l'inumidimento del loess porta alla perdita della sua capacità portante.

In Ucraina sono diffusi tutti questi tipi di terreno. Ad esempio, nella regione di Kyiv si incontrano spesso terreni limosi e argillosi, il che richiede un approccio particolarmente accurato all'impermeabilizzazione delle fondazioni. Un'analisi dettagliata del terreno del lotto, la determinazione del livello delle acque di falda e della loro variabilità sono compiti prioritari per qualsiasi progetto edilizio, poiché la scelta corretta del tipo di calcestruzzo per la fondazione e l'impermeabilizzazione dipende proprio da questi dati.

Il rigonfiamento da gelo dei terreni è uno dei processi più distruttivi per le fondazioni, ed è strettamente legato all'umidità capillare. Questo fenomeno si verifica quando l'acqua nei pori del terreno gela, espandendosi di circa il 9% del proprio volume. Tuttavia, la forza distruttiva principale del rigonfiamento non risiede tanto in questa espansione iniziale, quanto nella formazione di lenti di ghiaccio nel terreno.

Meccanismo del rigonfiamento da gelo:

1. Afflusso di umidità capillare: In presenza di una fonte d'acqua (ad esempio acque di falda o uno strato saturo d'acqua) e di temperature negative in superficie, l'acqua inizia a risalire attraverso i capillari del terreno fino alla zona di gelo.
2. Formazione delle lenti di ghiaccio: Quando l'acqua raggiunge la zona in cui la temperatura scende sotto 0°C, inizia a gelare. Ma invece di gelare uniformemente in tutto il volume, l'acqua si concentra e forma lenti o strati di ghiaccio orizzontali. Questo avviene a causa del gradiente termico e del movimento dell'acqua verso il fronte di gelo, sotto l'effetto della pressione osmotica e capillare.
3. Aumento di volume: Queste lenti di ghiaccio possono crescere, 'risucchiando' costantemente una nuova porzione di umidità capillare dal basso, e raggiungere dimensioni significative. L'espansione volumetrica di queste lenti, e non solo il 9% iniziale dell'acqua gelata, causa un notevole sollevamento e una deformazione irregolare del terreno.
4. Azione distruttiva: La pressione generata dall'espansione delle lenti di ghiaccio può raggiungere centinaia di kilopascal, superando notevolmente la capacità portante della maggior parte dei terreni e persino la resistenza delle fondazioni in calcestruzzo. Questo porta a un sollevamento irregolare, a deformazioni e crepe nelle fondazioni, nelle pareti, nei marciapiedi perimetrali e negli impianti tecnologici.

Il grado di rigonfiamento dipende da diversi fattori: il tipo di terreno (sabbie fini, terreni sabbio-limosi, limosi e argillosi sono soggetti a rigonfiamento), il livello delle acque di falda, la profondità di gelo del terreno e il regime termico invernale. In Ucraina, con il suo clima continentale e la profondità di gelo del terreno significativa (da 0,8 m nel sud a 1,5 m nel nord), il problema del rigonfiamento da gelo è estremamente rilevante. La protezione da questo fenomeno richiede un approccio integrato: approfondimento della fondazione al di sotto della profondità di gelo normativa (utilizzando i dati della ДБН В.2.1-10:2009), realizzazione di sistemi di drenaggio ed efficace impermeabilizzazione orizzontale per interrompere la risalita capillare.

Una delle conseguenze meno evidenti, ma economicamente rilevanti, dell'umidità capillare è il notevole degrado delle caratteristiche termotecniche della fondazione. Il coefficiente di trasmittanza termica (valore U, o la resistenza termica, valore R) è un indicatore chiave dell'efficienza energetica delle strutture edilizie. Indica quanto calore attraversa 1 m² di struttura in 1 secondo con una differenza di temperatura di 1°K. L'umidificazione dei materiali della fondazione aumenta direttamente il valore U, ossia peggiora le proprietà isolanti.

Come avviene questo? La conducibilità termica del materiale (coefficiente λ) è la sua capacità di condurre il calore. L'acqua, come già accennato, ha un coefficiente di conducibilità termica notevolmente più alto rispetto all'aria o ai materiali da costruzione asciutti. Quando i pori del materiale si riempiono d'acqua, le cavità d'aria (che sono ottimi isolanti termici) vengono sostituite dall'acqua. Questo aumenta bruscamente la conducibilità termica complessiva della struttura. Ad esempio, per la lana minerale asciutta λ può essere 0,04 W/(m·K), ma con un'umidificazione anche di pochi punti percentuali, la sua λ effettiva può raddoppiare o triplicare. Analogamente per il calcestruzzo o i mattoni, un aumento dell'umidità dell'1% può aumentare λ del 5-10%.

Secondo gli standard europei, come la EN ISO 10211, nei calcoli del valore U delle strutture è necessario tenere conto dell'umidità di esercizio dei materiali, e non solo dei loro valori a secco. Per le condizioni ucraine, dove l'umidità dei terreni può essere elevata, ignorare l'umidità capillare nei calcoli porta a una sistematica sottostima delle dispersioni termiche. Una fondazione umida diventa un potente 'sacco freddo', che comporta:

• Notevoli dispersioni di calore attraverso il pavimento e le pareti del piano terra, aumentando i costi di riscaldamento.
• Riduzione della temperatura delle superfici interne delle pareti, che può causare condensa e sviluppo di muffe, anche se le pareti hanno un isolamento termico sufficiente sopra il livello del terreno.
• Formazione di 'ponti termici' nelle zone di contatto della fondazione umida con le pareti esterne, aggravando le dispersioni termiche.

Una corretta progettazione dell'impermeabilizzazione e dell'isolamento termico della fondazione, che blocchi efficacemente la risalita capillare, è parte integrante della realizzazione di edifici a consumo energetico quasi zero (ZEB) e del raggiungimento di elevati livelli di efficienza energetica. Ignorare questo problema porta a costi di esercizio aggiuntivi costanti e a una riduzione del comfort abitativo.

Una protezione efficace dall'umidità capillare nelle condizioni edilizie ucraine richiede un approccio integrato, che unisca sia l'impermeabilizzazione orizzontale sia quella verticale, oltre a sistemi di drenaggio. Secondo la ДБН В.2.1-10:2009 e la ДБН В.2.6-31:2021 'Isolamento termico degli edifici', l'elemento chiave è l'interruzione della risalita capillare. Esaminiamo in dettaglio i nodi e le tecnologie chiave.

1. Impermeabilizzazione orizzontale della fondazione (barriera di sbarramento): È l'elemento di protezione più importante. Viene installata su due livelli:
   • Al livello di sommità della fondazione, sotto la prima fila di muratura delle pareti (o sotto il reticolo di travi), a 15-30 cm sopra il livello del terreno. Questo crea una barriera che impedisce la risalita dell'umidità capillare dalle pareti della fondazione alle pareti portanti dell'edificio.
   • Al livello di preparazione sotto il pavimento del piano terra (se il pavimento è su terreno).

   Materiali: materiali bituminosi-polimerici in rotoli (termosaldati o autoadesivi), membrane polimeriche (ad esempio in PVC, EPDM), mastici speciali o impermeabilizzazione a cristallizzazione. È importante garantire la continuità dello strato senza interruzioni e una sovrapposizione adeguata dei giunti. Si preferiscono i sistemi a doppio strato per una maggiore affidabilità.

2. Impermeabilizzazione verticale della fondazione: Protegge la superficie esterna delle pareti della fondazione e la parte interrata dello zoccolo dalla penetrazione laterale dell'umidità dal terreno. È obbligatoria per tutte le fondazioni interrate.
   • Materiali: mastici bituminosi spalmabili (a caldo o a freddo), emulsioni bituminose-polimeriche, composti cementizi-polimerici, materiali in rotoli termosaldati. È importante applicarli su una superficie preparata, pulita e trattata con primer. Lo spessore dello strato dipende dal materiale e dal livello delle acque di falda.
   • Protezione aggiuntiva: membrane bugnate in HDPE (polietilene ad alta densità). Creano un'intercapedine di ventilazione tra il terreno e lo strato impermeabilizzante, che consente all'umidità di defluire verso il basso, proteggendo l'impermeabilizzazione da danni meccanici e fornendo un ulteriore effetto drenante.
3. Sistemi di drenaggio: Allontanano l'umidità in eccesso dalla fondazione. Può trattarsi di un drenaggio ad anello attorno all'edificio o di un drenaggio a strato sotto il pavimento su terreno. I sistemi comprendono tubi di drenaggio (perforati), riempimenti filtranti (ghiaia, pietrisco), geotessile (per prevenire l'insabbiamento).
4. Marciapiede perimetrale: Lungo il perimetro della casa è necessario realizzare un marciapiede con pendenza dalla parete, per allontanare le precipitazioni superficiali. Questo riduce il carico sull'impermeabilizzazione verticale e limita l'ingresso di acqua nel terreno vicino alla fondazione.

I dettagli dei nodi includono il raccordo dell'impermeabilizzazione orizzontale con quella verticale, formando un 'tappeto' continuo attorno alla base dell'edificio, nonché un corretto collegamento con l'isolamento termico della fondazione (polistirene estruso XPS), che deve essere resistente all'acqua.

Nella pianificazione della costruzione ci si concentra spesso sugli investimenti iniziali, sottovalutando i costi di esercizio a lungo termine. Tuttavia, nel contesto dell'umidità capillare, ignorare una protezione adeguata può portare a un notevole aumento del Total Cost of Ownership (TCO) — il costo totale di proprietà dell'opera lungo l'intero ciclo di vita. Il TCO comprende non solo i costi iniziali di costruzione, ma anche i costi di esercizio, manutenzione, riparazioni ed eventuali ricostruzioni.

Il costo di ignorare una protezione adeguata dall'umidità capillare include:

1. Aumento dei consumi energetici: Come già accennato, le fondazioni umide hanno una conducibilità termica notevolmente più alta. Questo porta a dispersioni termiche costanti e impreviste, che ogni anno si riflettono in bollette di riscaldamento più elevate. In 10-15 anni, questi costi aggiuntivi possono superare il costo iniziale di un'impermeabilizzazione di qualità.
2. Riparazioni e ripristini costanti: Il degrado dei materiali da costruzione (calcestruzzo, mattoni, intonaco) dovuto all'umidità capillare e al rigonfiamento da gelo richiede riparazioni regolari, spesso costose. Possono trattarsi del ripristino dell'intonaco della facciata, della sostituzione dei materiali di finitura inumiditi, della riparazione di crepe nella fondazione e nelle pareti. Le riparazioni delle parti interrate dell'edificio sono particolarmente complesse e costose, richiedendo spesso lo scavo completo della fondazione.
3. Problemi di salute e comfort: L'umidità negli ambienti crea condizioni favorevoli allo sviluppo di muffe e funghi, che causano reazioni allergiche, asma e altre malattie respiratorie. L'odore sgradevole di umido e l'elevata umidità dell'aria riducono il comfort abitativo e possono danneggiare mobili e finiture. Si tratta di costi indiretti, difficili da quantificare, ma che influiscono in modo significativo sulla qualità della vita.
4. Riduzione del valore di mercato dell'immobile: Le case con problemi di umidità e muffa hanno un valore di mercato notevolmente inferiore. I potenziali acquirenti spesso evitano tali immobili o richiedono sconti significativi per coprire i futuri costi di riparazione.
5. Degrado strutturale e perdita di stabilità: Nei casi peggiori, l'esposizione prolungata all'umidità capillare e al rigonfiamento da gelo può causare gravi danni strutturali, fino alla perdita della capacità portante della fondazione e alla necessità di una ristrutturazione capitale o persino della demolizione dell'edificio.

Investire in un'impermeabilizzazione di qualità nella fase di costruzione, che rappresenta una quota relativamente piccola del preventivo complessivo (di norma 1-3%), è uno degli investimenti a lungo termine più vantaggiosi per la durabilità, l'efficienza energetica e il valore del vostro immobile. Questo consente di evitare costi molto più elevati in futuro e di garantire un microclima sano e confortevole negli ambienti.

Una protezione efficace dall'umidità capillare inizia ben prima dell'avvio dei lavori di costruzione — dalla fase di progettazione. Un approccio corretto consentirà di prevenire la maggior parte dei problemi e garantirà la durabilità dell'edificio. Di seguito è presentata una guida pratica con i passaggi chiave e le raccomandazioni.

1. Indagini geotecniche: È un passaggio fondamentale. È necessario eseguire perforazioni sul lotto per determinare:
   • Il tipo e la composizione dei terreni a diverse profondità (sabbia, limo, argilla, loess).
   • Il livello delle acque di falda (RGV), le sue oscillazioni stagionali e i possibili massimi previsti.
   • Le proprietà di filtrazione dei terreni.
   • La presenza di terreni specifici (soggetti a cedimento, a rigonfiamento).

   Questi dati sono alla base della scelta del tipo di fondazione, della profondità di posa e dello sviluppo del sistema di impermeabilizzazione e drenaggio.

2. Progettazione della fondazione e dell'impermeabilizzazione:
   • Scelta del tipo di impermeabilizzazione: Dipende dal livello delle acque di falda e dall'aggressività delle stesse. Con un livello basso (sotto la base della fondazione) è sufficiente l'impermeabilizzazione spalmabile e quella orizzontale di sbarramento. Con un livello alto o in presenza di terreni saturi d'acqua è necessaria un'impermeabilizzazione in rotoli o a cristallizzazione, realizzata come un 'tappeto' continuo.
   • Due livelli di impermeabilizzazione orizzontale: È obbligatorio prevedere la barriera di sbarramento tra la fondazione e le pareti (a 15-30 cm sopra il livello del terreno) e l'impermeabilizzazione sotto il pavimento del piano terra (se su terreno).
   • Impermeabilizzazione verticale: Deve proteggere tutta la parte interrata della fondazione e dello zoccolo. Si raccomanda l'uso di membrane bugnate sopra l'impermeabilizzazione, per protezione e drenaggio aggiuntivo.
   • Isolamento termico della fondazione: Per ridurre le dispersioni termiche e prevenire il gelo delle pareti della fondazione, è necessario prevedere un isolamento termico esterno con materiali a basso assorbimento d'acqua (ad esempio XPS).
3. Esecuzione dei lavori:
   • Preparazione della superficie: Prima di applicare qualsiasi impermeabilizzazione, le superfici della fondazione devono essere pulite, asciutte, regolari, prive di polvere e distacchi. Tutti i giunti e le crepe vengono sigillati.
   • Applicazione dei materiali: Rispettare rigorosamente la tecnologia del produttore dei materiali (regime termico, numero di strati, tempo di asciugatura).
   • Controllo qualità: È importante garantire la continuità e la tenuta di tutti gli strati di impermeabilizzazione. Dopo il montaggio è consigliabile effettuare un'ispezione visiva e, se possibile, prove di tenuta.
   • Realizzazione del drenaggio e del marciapiede perimetrale: I sistemi di drenaggio devono essere installati prima del reinterro della fondazione, mentre il marciapiede perimetrale dopo il completamento dei principali lavori di scavo, rispettando la pendenza.
4. Materiali: Per l'impermeabilizzazione della fondazione e delle sue pareti si utilizzano i seguenti materiali: mastici ed emulsioni bituminose, materiali bituminosi-polimerici in rotoli (Technonicol, Izoplast), membrane polimeriche (PVC, EPDM), impermeabilizzazioni a cristallizzazione (Penetron, Kristalizol), membrane bugnate in HDPE.

Il rispetto di questi passaggi garantisce una protezione affidabile della vostra casa dall'effetto distruttivo dell'umidità capillare e assicura un'abitazione confortevole ed energeticamente efficiente per molti anni.