E DANNI CAUSATI DAI SALI SOLUBILI
Rassegna della Letteratura Scientifica Internazionale
Gennaio 2026
Abstract
L'umidità di risalita capillare rappresenta una delle principali cause di degrado degli edifici storici e moderni a livello mondiale. Questo documento presenta una rassegna sistematica della letteratura scientifica internazionale sui meccanismi della risalita capillare primaria e sui danni causati dalla cristallizzazione dei sali solubili trasportati dall'acqua di risalita. La ricerca si basa su pubblicazioni peer-reviewed provenienti da istituzioni quali ETH Zürich, Princeton University, University of Oxford, Delft University of Technology, University of Portsmouth, e progetti europei come EMERISDA. I risultati evidenziano come la pressione di cristallizzazione, in particolare del solfato di sodio, possa raggiungere valori di 10-20 MPa, ampiamente superiori alla resistenza a trazione della maggior parte dei materiali lapidei.
1. Meccanismi Fisici della Risalita Capillare
1.1 La Legge di Jurin e i Fondamenti Teorici
La risalita capillare nei materiali porosi è governata dalla legge di Jurin, che descrive la relazione tra il raggio dei pori e l'altezza massima teorica di risalita dell'acqua. L'equazione fondamentale è:
h = 2γ cos θ / (ρgr)
dove γ è la tensione superficiale, θ l'angolo di contatto, ρ la densità del liquido, g l'accelerazione gravitazionale e r il raggio del capillare. Secondo Rirsch e Zhang (2010) dell'University of Portsmouth, quando il raggio dei pori è di 0,1 mm l'altezza di risalita è di circa 14 cm, ma quando il raggio si riduce a 0,01 mm la risalita può raggiungere 1,4 m. I pori in mattoni e malte possono essere piccoli fino a 0,001 mm, conferendo un potenziale significativo per la risalita capillare.
Secondo la legge di Jurin, considerando un raggio tipico dei pori nei materiali da costruzione di 1 μm, l'altezza massima teorica di risalita sarebbe di circa 15 metri. Tuttavia, a causa degli effetti dell'evaporazione, nella pratica l'altezza di risalita è considerevolmente inferiore (BRE Digest 245).
1.2 Il Modello Sharp Front di Hall e Hoff
Un contributo fondamentale alla comprensione della risalita capillare è stato fornito da Christopher Hall e William D. Hoff, che hanno sviluppato il cosiddetto Sharp Front Model pubblicato nei Proceedings of the Royal Society A (2007). Questo modello analizza la risalita capillare utilizzando i concetti e i metodi della teoria del flusso non saturo, includendo gli effetti dell'evaporazione e della gravità.
L'equazione che descrive l'altezza del fronte di risalita all'equilibrio è:
H = S²b / (2eθ)
dove H è l'altezza del fronte di risalita, S la sorptività del materiale, b lo spessore della parete, e il tasso di evaporazione per unità di area della superficie bagnata, e θ il contenuto di umidità volumetrico della regione bagnata. Il modello dimostra che la sorptività dell'acqua nel materiale ha una forte influenza sull'altezza del fronte di risalita.
1.3 Fattori che Influenzano l'Altezza di Risalita
Il BRE (Building Research Establishment) nel Digest 245 elenca diversi fattori che possono influenzare l'altezza di risalita:
Fattore
Effetto
Tasso di evaporazione
Maggiore evaporazione = altezza ridotta
Dimensione dei pori
Pori più piccoli = maggiore altezza potenziale
Contenuto di sali
I sali possono bloccare i pori e aumentare l'altezza
Spessore della muratura
Murature più spesse = altezza maggiore
Livello della falda
Falda più alta = maggiore apporto idrico
Età della muratura
Aumento di 7 volte nei primi 100 anni (Mason)
Mason (citato da Rirsch e Zhang, 2010) ha evidenziato che l'altezza di risalita aumenta di circa sette volte tra il primo e il centesimo anno di vita della muratura. Questa evoluzione è spiegata dal fatto che l'acqua leggermente acida dissolve gradualmente la calce libera dalla malta, aumentando la permeabilità dei giunti nel tempo.
1.4 Sviluppo del Fenomeno di Risalita
Comprendere come si sviluppa concretamente la risalita capillare primaria è fondamentale per una corretta diagnosi e per impostare strategie di intervento efficaci. Il processo si articola in fasi sequenziali e interconnesse.
Fase 1 – Origine e contatto con l'acqua: Il processo inizia quando la base della muratura (fondazioni o primo corso di mattoni) entra in contatto con l'acqua presente nel terreno. Questa può provenire dalla falda freatica vera e propria, oppure dall'acqua meteorica che permea il suolo e ristagna a livello delle fondazioni. Non è necessario che la muratura sia immersa nell'acqua: è sufficiente il contatto con terreno saturo o anche solo umido.
Fase 2 – Innesco della capillarità: I materiali da costruzione porosi (mattoni, pietre, malte) presentano una rete di pori e microcapillari interconnessi. Quando questi entrano in contatto con l'acqua, si attiva la tensione superficiale del liquido: l'acqua viene letteralmente aspirata verso l'alto attraverso i capillari, vincendo la forza di gravità. Più piccoli sono i pori, maggiore è la forza di suzione e quindi il potenziale di risalita.
Fase 3 – Progressione verticale: L'acqua sale attraverso la struttura porosa della muratura seguendo il percorso di minore resistenza. La malta dei giunti, essendo generalmente più porosa dei mattoni o delle pietre, funge spesso da via preferenziale per la risalita. Con il passare degli anni la malta diventa progressivamente più permeabile per il dilavamento della calce libera, aumentando ulteriormente l'altezza di risalita.
Fase 4 – Equilibrio dinamico con l'evaporazione: L'acqua non sale indefinitamente. Durante la risalita, parte dell'acqua evapora continuamente dalla superficie della muratura verso l'ambiente. Si stabilisce un equilibrio dinamico: l'altezza massima di risalita viene raggiunta quando la quantità di acqua che evapora dalla superficie bagnata eguaglia la quantità di acqua che risale per capillarità. Questo è il principio fondamentale del modello Sharp Front di Hall e Hoff.
Fase 5 – Trasporto e deposito dei sali: L'acqua che risale non è mai pura: trasporta con sé i sali solubili presenti nel terreno (solfati, cloruri, nitrati). Man mano che l'acqua evapora dalla superficie, i sali rimangono nella muratura e si concentrano progressivamente. La muratura agisce come un filtro: assorbe acqua contenente sali dal basso e la restituisce pulita (come vapore) verso l'esterno, trattenendo i sali al suo interno.
Fase 6 – Formazione delle zone caratteristiche: Con il tempo si formano le zone tipiche descritte da Arnold e Zehnder: alla base la muratura resta costantemente bagnata e i sali rimangono in soluzione; nella fascia intermedia (zona di evaporazione attiva) i sali cristallizzano causando i danni maggiori; nella parte alta della zona umida si concentrano i sali più solubili come cloruri e nitrati.
Fase 7 – Ciclo continuo e autoalimentante: Il processo è ciclico e continuo finché permane la fonte di umidità. Inoltre tende ad autoalimentarsi: i sali depositati nei pori possono ostruirli parzialmente, riducendo l'evaporazione e spingendo il fronte di risalita ancora più in alto. I sali igroscopici possono poi attrarre ulteriore umidità dall'aria, mantenendo la muratura umida anche in periodi di siccità.
2. Trasporto dei Sali Solubili
2.1 Origine e Tipologie dei Sali
La muratura agisce come un sistema filtrante per l'acqua impura: i vari sali solubili vengono trascinati nella parete e poi lasciati depositare. Secondo lo studio di Young (2008) sugli edifici storici di Adelaide, i sali più comunemente riscontrati in edifici affetti da risalita capillare sono:
Sale
Formula
Origine principale
Solfato di sodio
Na₂SO₄
Acque sotterranee, mattoni
Cloruro di sodio
NaCl
Acque marine, sali antigelo
Nitrato di sodio
NaNO₃
Decomposizione organica
Solfato di magnesio
MgSO₄
Acque sotterranee, suoli
Cloruro di calcio
CaCl₂
Sali antigelo, industria
2.2 La Zonazione dei Sali secondo Arnold e Zehnder
Il lavoro pionieristico di Andreas Arnold e Konrad Zehnder dell'ETH Zürich (1984-1991) ha stabilito i fondamenti della comprensione della distribuzione dei sali nelle murature affette da risalita capillare. La loro ricerca ha identificato tre zone distintive:
Zona A (base della muratura): Zona con deterioramento relativamente ridotto, situata appena sopra lo zoccolo. L'elevata umidità mantiene i sali in soluzione.
Zona B (zona di evaporazione attiva): Zona di massimo deterioramento, dove si concentrano le efflorescenze. I sali predominanti sono solfato di sodio, solfato di magnesio, solfato di calcio e nitrato di potassio. È qui che si manifestano disgregazione granulare, sfaldamento e scagliatura.
Zona C (zona superiore): Zona umida ma con minor deterioramento visibile, dove si concentrano cloruri e nitrati. Può estendersi da pochi centimetri a diversi metri dal piano campagna, corrispondendo all'altezza massima della risalita capillare (tipicamente 2-3 m).
Steiger et al. (citato da Agyekum, 2014) hanno confermato questa distribuzione attraverso un'analisi approfondita della facciata nord di un ex convento in Baviera, identificando la zona di massimo arricchimento salino a circa 2-3 m dal suolo, corrispondente all'altezza di risalita capillare.
3. Meccanismi di Danno per Cristallizzazione Salina
3.1 Pressione di Cristallizzazione: Il Lavoro di Scherer e Flatt
La ricerca fondamentale di George W. Scherer (Princeton University) e Robert J. Flatt (ETH Zürich) ha rivoluzionato la comprensione dei meccanismi di danno da cristallizzazione salina. La loro pubblicazione su Nature Communications (2014) "Chemo-mechanics of salt damage in stone" rappresenta il riferimento fondamentale in questo campo.
La pressione di cristallizzazione è generata quando un cristallo di sale cresce in uno spazio confinato (un poro) mantenendo un film liquido tra la superficie del cristallo e la parete del poro. Questa pressione è descritta dall'equazione termodinamica:
σ = (RT/Vₘ) ln(C/C₀)
dove R è la costante dei gas, T la temperatura assoluta, Vₘ il volume molare del cristallo, C la concentrazione della soluzione supersatura e C₀ la concentrazione di saturazione all'equilibrio.
3.2 Il Caso del Solfato di Sodio: Il Sale più Distruttivo
Il solfato di sodio è unanimemente riconosciuto dalla comunità scientifica come il sale più distruttivo per i materiali da costruzione porosi. Lo studio di Schiro, Ruiz-Agudo e Rodriguez-Navarro pubblicato su Physical Review Letters (2012) ha chiarito definitivamente il meccanismo:
1. Formazione di fase metastabile: Durante l'evaporazione, la soluzione di solfato di sodio raggiunge una sovrasaturazione critica che porta alla precipitazione dell'eptaidrato metastabile (Na₂SO₄·7H₂O).
2. Transizione di fase: L'eptaidrato si trasforma rapidamente in mirabilite (Na₂SO₄·10H₂O), la fase stabile. Questa transizione genera una sovrasaturazione locale con Ω = 2,45.
3. Pressione di cristallizzazione: Per i valori di sovrasaturazione critica osservati per la mirabilite, viene generata una pressione di cristallizzazione di circa 10 MPa. Applicando la teoria della poroelasticità, lo stress effettivo nel materiale poroso studiato è di circa 2,4 MPa.
Flatt (2002), nel suo studio pubblicato su Journal of Crystal Growth, ha dimostrato che la dissoluzione dell'anidrite (thenardite) produce sovrasaturazioni rispetto al decaidrato capaci di generare tensioni tangenziali dell'ordine di 10-20 MPa, ampiamente superiori alla resistenza a trazione di quasi tutte le pietre.
3.3 Efflorescenza vs Subflorescenza
La localizzazione della cristallizzazione determina l'entità del danno:
Tipo
Localizzazione
Effetto
Efflorescenza
Superficie esterna
Danno estetico, non strutturale diretto
Subflorescenza
Nei pori sotto la superficie
Danno strutturale: sfaldamento, polverizzazione, fessurazione
Zehnder e Arnold (1989) hanno osservato che lo stesso sale può cristallizzare con morfologie diverse in punti diversi della parete simultaneamente: in croste compatte nelle zone più umide e in aggregati soffici (whiskers) nelle zone più secche.
4. Conseguenze del Danno Salino sulla Muratura
4.1 Effetti Meccanici
Lo studio pubblicato su Construction and Building Materials (2022) di Pietrzak et al. ha esaminato sistematicamente l'evoluzione delle proprietà meccaniche dei costituenti della muratura durante il processo di cristallizzazione salina. I test sono stati condotti su campioni di mattoni, malta cementizia e interfaccia mattone-malta contaminati con solfato di magnesio.
I risultati dimostrano che la cristallizzazione salina causa:
– Riduzione della resistenza a compressione dei mattoni
– Degradazione dell'adesione all'interfaccia mattone-malta
– Aumento della porosità e modificazione della distribuzione porosimetrica
– Progressiva perdita di coesione del materiale
4.2 Sali Igroscopici e Umidità Permanente
Una conseguenza particolarmente insidiosa dell'accumulo di sali è la natura igroscopica di alcuni composti. I sali igroscopici possono assorbire umidità dall'aria ambiente quando l'umidità relativa supera un valore critico (Umidità Relativa di Equilibrio – ERH).
Sale
ERH approssimativa
Cloruro di calcio (CaCl₂)
~29%
Cloruro di magnesio (MgCl₂)
~33%
Nitrato di calcio (Ca(NO₃)₂)
~51%
Cloruro di sodio (NaCl)
~75%
Questo significa che murature fortemente contaminate da sali igroscopici possono presentare umidità anche in assenza di risalita capillare attiva, rendendo più complessa la diagnosi e il risanamento.
4.3 Blocco dei Pori e Aumento dell'Altezza di Risalita
I sali depositati possono bloccare i pori e i capillari attraverso i quali l'acqua evapora, spingendo il fronte di risalita più in alto. Questo fenomeno crea un circolo vizioso: maggiore risalita porta a maggiore deposito di sali, che a sua volta ostacola l'evaporazione e aumenta ulteriormente l'altezza di risalita (Rirsch e Zhang, 2010).
Qui un articolo che ho scritto sui sali per Ingenio
Sali nelle murature: cause ed effetti
Link: https://www.ingenio-web.it/articoli/sali-nelle-murature-cause-ed-effetti/
Video: https://youtu.be/wRbyuhPW2Bo
5. Progetti di Ricerca Internazionali
5.1 Progetto EMERISDA (2014-2017)
Il progetto EMERISDA (Effectiveness of Methods against Rising Damp in buildings), finanziato dal JPI Cultural Heritage, ha rappresentato il più importante sforzo di ricerca europeo sulla risalita capillare. Il consorzio includeva:
– Belgian Building Research Institute (Belgio) – Coordinatore
– Consiglio Nazionale delle Ricerche – ISAC (Italia)
– Università Ca' Foscari Venezia (Italia)
– Delft University of Technology (Paesi Bassi)
– Cultural Heritage Agency of the Netherlands
La ricerca ha evidenziato che la risalita capillare non solo crea un clima interno sgradevole, ma intensifica i processi di degrado come l'azione del gelo, la cristallizzazione salina e la crescita biologica. Il progetto ha anche sottolineato come i cambiamenti climatici potrebbero aumentare la rilevanza di questi fenomeni in futuro.
5.2 RILEM TC 271-ASC
Un nuovo comitato tecnico RILEM (TC 271-ASC) è stato istituito con l'obiettivo di definire test di laboratorio che forniscano previsioni più affidabili del comportamento in situ. Come evidenziato da Flatt et al. (2017) su RILEM Technical Letters, nonostante la comprensione meccanicistica del danno salino, restano molte domande su come prevedere quantitativamente il danno e la sua progressione.
6. Riferimenti Bibliografici Principali
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Charola, A.E. (2000). Salts in the deterioration of porous materials: An overview. Journal of the American Institute for Conservation, 39(3), 327-343.
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Espinosa-Marzal, R.M. & Scherer, G.W. (2010). Advances in understanding damage by salt crystallization. Accounts of Chemical Research, 43(6), 897-905.
Flatt, R.J. (2002). Salt damage in porous materials: how high supersaturations are generated. Journal of Crystal Growth, 242(3-4), 435-454.
Flatt, R.J., Caruso, F., Sanchez, A.M.A. & Scherer, G.W. (2014). Chemo-mechanics of salt damage in stone. Nature Communications, 5, 4823.
Flatt, R.J. et al. (2017). Predicting salt damage in practice: A theoretical insight into laboratory tests. RILEM Technical Letters, 2, 108-118.
Hall, C. & Hoff, W.D. (2002). Water Transport in Brick, Stone and Concrete. London: Taylor & Francis.
Hall, C. & Hoff, W.D. (2007). Rising damp: capillary rise dynamics in walls. Proceedings of the Royal Society A, 463, 1871-1884.
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Rirsch, E. & Zhang, Z. (2010). Rising damp in masonry walls and the importance of mortar properties. Construction and Building Materials, 24(10), 1815-1820.
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Schiro, M., Ruiz-Agudo, E. & Rodriguez-Navarro, C. (2012). Damage mechanisms of porous materials due to in-pore salt crystallization. Physical Review Letters, 109, 265503.
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