Come i sali fanno crollare gli edifici

Gli edifici storici in pietra sono calamite turistiche. Ad esempio, la città rupestre giordana di Petra, la città medievale di Rodi nell'Egeo o i templi in pietra arenaria di Luxor, in Egitto, sono visitati da diverse centinaia di migliaia di persone ogni anno. Questi manufatti culturali hanno qualcosa in comune: sono esposti agli agenti atmosferici. Questo è causato dai sali che si cristallizzano all'interno dei materiali da costruzione porosi e sviluppano una forza tale da provocare la rottura o lo sgretolamento delle pietre. Lo stesso problema si verifica anche nelle strutture in calcestruzzo di questo Paese. I ricercatori dell'Istituto per i materiali da costruzione dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Princeton hanno ora simulato in un esperimento l'effetto dei sali in condizioni controllate. I risultati dovrebbero aiutare i conservatori e i restauratori di manufatti culturali, tra gli altri, a fare previsioni sul processo di invecchiamento degli edifici.

I sali possono entrare nei materiali da costruzione in modi molto diversi, spiega Francesco Caruso, postdoc nel gruppo di Robert Flatt, professore di materiali da costruzione. Il cemento, ad esempio, contiene sempre gesso (solfato di calcio) e i cosiddetti solfati alcalini. Entrambi sono sali. I sali possono entrare nei materiali da costruzione anche dall'ambiente: ad esempio attraverso le acque sotterranee vicine alla superficie contenenti minerali, che penetrano nei materiali da costruzione porosi grazie alle forze capillari, o attraverso l'inquinante atmosferico anidride solforosa, che può reagire con il calcio del calcare formando il gesso.

Inoltre, anche gli spruzzi di acqua di mare o i sali antighiaccio depositati sulla superficie dell'edificio possono causare danni: "Se questi sali vengono sciolti dalla pioggia, il liquido salato può penetrare nel materiale da costruzione attraverso pori o crepe", spiega Caruso. Se il liquido evapora in condizioni di siccità, i sali si cristallizzano. Ciò può causare il distacco di parti della muratura.

Le differenze di temperatura portano all'accumulo

Nel loro esperimento di laboratorio, i ricercatori dell'ETH hanno utilizzato il solfato di sodio, il sale con il maggior potenziale distruttivo conosciuto. Esiste in due forme, una cosiddetta anidra e una idrogenata. In diversi cicli, hanno posto cubi di calcare con un lato di due centimetri in un bagno di sale di solfato di sodio, permettendo alla soluzione salina di penetrare nei pori della pietra calcarea. Hanno poi asciugato le pietre ad alta temperatura prima di rimetterle nel bagno di sale a una temperatura più bassa per il ciclo successivo. Durante le fasi di essiccazione, il sale si è cristallizzato in forma anidra nei pori delle pietre. Nelle fasi di bagno di sale, la soluzione salina penetrava nuovamente nei pori, facendo tornare in soluzione il sale già cristallizzato.

Chi siamo, grazie a questo processo ciclico controllato, è riuscito ad arricchire notevolmente il sale all'interno della pietra, ottenendo una soluzione salina supersatura rispetto alla forma idratata. Una soluzione salina supersatura è un liquido in cui, a causa di circostanze particolari, è disciolta una quantità di sale superiore a quella che sarebbe possibile in circostanze normali.

Risultati importanti per i conservatori

L'esperimento ha dimostrato che maggiore è la sovrasaturazione, maggiore è il potenziale distruttivo del sale. Anche la temperatura ha avuto un ruolo: nei cicli in cui la temperatura non è mai scesa sotto i 25 gradi, sono stati necessari in media quattro cicli dell'esperimento prima che si verificassero danni; se la temperatura scendeva a 3 gradi, era sufficiente un ciclo. "Ci vogliono questi cicli di umidità e secchezza, ma alla fine si tratta di supersaturazione", spiega il chimico Caruso.

Per un edificio, ciò significa che se le condizioni ambientali sono tali che la soluzione salina penetra ripetutamente in una pietra porosa e il liquido può evaporare di nuovo a causa di una forte luce solare o di un forte vento, ad esempio, allora il sale nel materiale da costruzione può diventare fortemente sovrasaturo. "In questo caso, non sono necessarie grandi quantità di sale per causare danni importanti", spiega l'ETH Professor Flatt. In condizioni ambientali più moderate, invece, sono necessarie quantità maggiori.

Grazie all'esperimento controllato, i ricercatori sono stati in grado di descrivere per la prima volta il fenomeno dell'esplosione di sale nei dettagli fisici, chimici e meccanici. "Abbiamo dimostrato che la sabbiatura e i danni che provoca possono essere previsti, almeno in condizioni controllate", afferma Flatt. Gli esperimenti aiuterebbero gli scienziati che si occupano di restauro e conservazione, ad esempio, a decidere quanto sale deve essere rimosso da un edificio per evitare danni o, se il sale non può essere rimosso, a prevedere quando un edificio sarà danneggiato.

Gli affreschi di Michelangelo e le perforazioni geotermiche

I danni causati dalla salsedine non sono visibili solo negli edifici storici in pietra. Il sale è un problema anche per le pitture murali come gli affreschi di Michelangelo nella Cappella Sistina in Vaticano, spiega Caruso. Le cosiddette efflorescenze saline nella muratura, nello strato pittorico o tra gli strati causano danni.

Il problema è evidente anche su larga scala nei processi di erosione e nelle perforazioni geotermiche. "L'esplosione del sale forma interi paesaggi rocciosi", dice Caruso. Nel 2007, le trivellazioni geotermiche nel centro storico di Stauffen in Breisgau hanno provocato un innalzamento del terreno, in alcuni punti fino a 26 centimetri. Si formarono crepe nelle file di case. Come si è scoperto in seguito, i fori di trivellazione nel sottosuolo hanno provocato l'infiltrazione di acque sotterranee in uno strato in cui era presente il solfato di calcio in forma anidra. Questo si è combinato con l'acqua formando il gesso. La supersaturazione di questo gesso ha creato la pressione che ha provocato il sollevamento del terreno.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo vogliono ora applicare le loro scoperte in un progetto nel centro storico dell'Avana. La salsedine è un problema importante e fa sì che l'intonaco speciale utilizzato nei lavori di restauro si sgretoli dalle facciate dopo pochi anni, spiega Flatt. L'obiettivo del progetto di ricerca è trovare le cause esatte di questo fenomeno. Inoltre, gli scienziati dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Princeton coinvolti in questo progetto di ricerca vogliono cercare modi per ridurre le sabbiature, ad esempio modificando le pareti dei pori dei materiali da costruzione su scala nanometrica.