I fenomeni di efflorescenza e sub-efflorescenza

Per comprendere i meccanismi di degrado dei materiali lapidei (siano essi naturali o artificiali), è importante conoscerne il tipo di porosità, definita come l’insieme degli spazi vuoti esistenti all’interno della sua massa solida.
 La porosità totale è data dalla somma di due tipologie di porosità: aperta e chiusa. Tuttavia, ai fini della conservazione è considerata solo la prima, in quanto valuta i pori che sono direttamente a contatto con la superficie esterna e che, quindi, permettono l’ingresso di gas e liquidi all’interno del materiale lapideo. 

I pori variano sia nella forma (sferica, cilindrica, a collo di bottiglia, conica o lamellare) che nel raggio (da pochi μm fino ad alcuni mm). Ciò comporta che la porosità, misurabile con diverse tecniche, può essere inferiore all’1% in alcune rocce ignee (come i basalti o le trachiti), 1-2 % (per i marmi ed i graniti), fino al 40-50% in alcuni tufi, biocalcareniti, malte e mattoni cotti a bassa temperatura. 

A causa di questa proprietà possiamo affermare che il degrado “viaggia” all’interno del materiale il cui mezzo principale è l’acqua. Le forze di attrazione che si stabiliscono tra la superficie del materiale e le molecole dell’acqua sono maggiori di quelle esistenti tra le molecole stesse dell’acqua. Nelle pareti dei pori questa affinità provoca la risalita dell'acqua in direzione verticale (vincendo la forza di gravità). Questa altezza, descritta dall’equazione di Jurin, è maggiore nei capillari stretti rispetto a quelli con diametro più grande (figura 1). 

Figura 1– Altezze di risalita capillare in funzione del diametro del capillare. 

La presenza di acqua all’interno del materiale lapideo può provocare stress meccanici e fenomeni di gelo/disgelo, favorire la crescita di biodeteriogeni, solubilizzare sostanze (inquinanti atmosferici e sali solubili) che innescano reazioni chimiche.

Il degrado da sali solubili è dovuto a fenomeni di solubilizzazione/cristallizzazione, idratazione/disidratazione e assorbimento igroscopico.
Un parametro fondamentale di questi composti (come si evince anche dal nome) è la solubilità, definita come la massima quantità in grammi di soluto che, in determinate condizioni di temperatura (T) e forza ionica (μ), può essere disciolta in 100 grammi di solvente. Quando la soluzione è sovrasatura, cioè il solvente contiene più soluto di quello che è in grado di solubilizzare, si forma un corpo di fondo. La cristallizzazione ha origine per raffreddamento o evaporazione. Il primo caso interessa quei sali la cui solubilità diminuisce con il diminuire della temperatura, dunque raffreddando il sistema aumenta la saturazione della soluzione. Il secondo è legato all’aumento di concentrazione di sale, conseguente alla diminuzione di solvente per evaporazione.
L’acqua che si muove all’interno di una struttura porosa (figura 2) trascina con sé i sali disciolti in essa. Se l’evaporazione dell’acqua è lenta, i sali possono ricristallizzare producendo efflorescenze sulla superficie del materiale e provocando un danno estetico.
Mentre, quando l’evaporazione è repentina, la cristallizzazione avviene all’interno della porosità. In questo caso si parla di sub-efflorescenze e l’accrescimento dei cristalli, avvenendo all’interno del materiale, genera delle tensioni (pressione di cristallizzazione) sulle pareti dei pori tali da portare a danni di natura strutturale, fratturazioni e disgregazioni.

Figura 2 - Condizioni ambientali scatenanti i fenomeni di efflorescenza e sub-efflorescenza (da G. Torraca, 2009, p.86)

I più frequenti sali solubili sono:
• Solfati: presenti in acque, leganti aerei, atmosfere inquinate e marine, terreni agricoli; sono inoltre prodotti dai solfobatteri. Nelle murature è frequente trovare il gesso e il solfato di magnesio (MgSO4 · nH2O) solitamente provenienti dalla solfatazione del carbonato di calcio o magnesio, in presenza di atmosfere inquinate.
• Carbonati: sono naturalmente presenti nelle acque, negli inerti delle malte, ma soprattutto derivano dalla carbonatazione ad opera della CO2 dei rispettivi ossidi presenti nei leganti idraulici.
• Cloruri: estremamente pericolosi a causa della loro elevata solubilità ed igroscopicità, possono essere depositati sui materiali lapidei tramite aerosol marini.
• Nitrati: provenienti dall’ossidazione dei nitriti prodotti dalla decomposizione di materiale organico, oppure dalla formazione di acido nitrico a partire dagli ossidi di azoto prodotti dalla combustione degli idrocarburi.
Inoltre, alcuni Sali possono cristallizzare con un numero diverso di molecole d’acqua nel loro reticolo cristallino, a seconda delle condizioni microclimatiche in cui avviene la formazione dei cristalli. Alcuni esempi sono la tenardite (Na2SO4 × H2O), la mirabilite (Na2SO4 × 10H2O) e il gesso (CaSO4 × 2H2O). I sali molto solubili che idratano con grande facilità sono detti igroscopici e rendono impossibile la completa asciugatura della superficie in cui si trovano poiché, ogni volta che l’umidità relativa dell’aria va oltre il valore di equilibrio con la soluzione satura, la superficie si umidifica nuovamente.

Solo conoscendo la natura chimica dei sali solubili è possibile indagarne la provenienza per poi intervenire (qualora sia possibile) provando ad arrestarne la comparsa all’interno della porosità del materiale lapideo.

Emanuele 

Bibliografia 
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UNI 8458-83 Prodotti lapidei - Terminologia e Classificazione. 
 
UNI 11087:2003, Beni culturali - Materiali lapidei naturali ed artificiali - Determinazione del 
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Silvestroni P., Chimica generale. Con elementi di inorganica e con problemi numerici, CEA, 1997. 
Torraca G. (2009) Lectures on materials science for architectural conservation, The GettyConservation Institute.