Protezione delle superfici in edilizia

L’idrofobizzazione e la protezione della superficie dall’azione dell’acqua è un’esigenza comune di molti materiali di uso comune nel settore delle costruzioni come i laterizi, il calcestruzzo, le pietre e il legno.

Questi materiali hanno in comune una spiccata affinità nei confronti dell’acqua, determinata dalla presenza nella loro struttura chimica di gruppi funzionali polari.
Gran parte dei meccanismi noti che sono in grado di danneggiare i materiali da costruzione sono legati alla presenza di umidità. Attraverso i sistemi capillari dei diversi materiali l’acqua migra all’interno di essi trasportando altre sostanze dannose.
L’acqua è il mezzo di reazione per le corrosioni e per gli attacchi chimici di superficie. Gli interventi tendenti ad eliminare l’umidità e l’acqua sono quindi gli unici efficaci per la protezione dei materiali e delle strutture.

Principi generali

I materiali da costruzione presenta caratteristiche di grande affinità nei confronti dell’acqua, in conseguenza della sua natura chimico-fisica.
La facilità di adsorbire acqua o, al contrario, l’idrorepellenza rientrano nei fenomeni di interazione fra due interfacce. Più alta è l’affinità chimica, minore risulterà la tensione superficiale o interfacciale. In termini pratici, ciò si traduce nella solubilità liquido-liquido o liquido-gas, nella permeabilità gas-solido o nella bagnabilità liquido-solido.
Una sostanza ha azione idrorepellente quando la sua struttura chimica non presenta gruppi funzionali polari in grado di interagire con l’acqua. Di conseguenza l’acqua preferisce rimanere legata a sé stessa. Al contrario, il legame chimico-fisico dell’acqua con i gruppi polari risulta molto forte.
Esiste una particolare classe di sostanze chiamate tensioattivi (surfactants) i quali sono i grado di interagire contemporaneamente con due interfacce incompatibili come ad esempio una fase acquosa e una fase idrocarburica. Esiste un’ampia varietà di prodotti tensioattivi, tutti possiedono una parte idrofila polare e una parte idrofoba non polare. In questo modo i tensioattivi sono in grado, nelle opportune condizioni, di emulsionare l’olio in acqua o viceversa, oppure di favorire la distribuzione di una sostanza non polare su una superficie fortemente polare come quella della cellulosa.
Le formulazioni dei comuni detersivi sono appunto basate su sostanze tensioattive che riescono a rimuovere lo sporco e l’unto dai tessuti favorendo il loro passaggio alla fase acquosa in seguito all’abbassamento della tensione superficiale.
I tensioattivi sono a loro volta divisi in tre grandi classi: anionici, cationici e non-ionici.
La tipologia più idonea di tensioattivo da utilizzare viene generalmente stabilita in funzione delle proprietà chimico-fisiche delle materie prime utilizzate, e delle caratteristiche prestazionali delle formulazioni.
Proprio grazie ai tensioattivi è stato possibile introdurre nei diversi settori industriali i cosiddetti “prodotti all’acqua” al posto dei prodotti al solvente, in conformità alla Direttiva Europea 1999/13/CE che impone il controllo e la progressiva riduzione dei VOC (Composti Organici Volatili).
Un’importante misura empirica della tensione interfacciale fra due superfici è l’angolo di contatto fra un solido e un liquido: maggiore è l’angolo di contatto, minore è la bagnabilità.

I meccanismi degradanti dell’acqua

L’assorbimento di acqua in una struttura muraria determina una notevole diminuzione dell’isolamento termico. L’acqua inoltre agisce da veicolo per l’entrata di sostanze saline e acide responsabili di corrosioni, sfaldature, degradazione chimica e fenomeni di crescita di organismi vegetali, ecc…
I meccanismi di azione degradante apportati dall’acqua possono essere schematicamente suddivisi in fisici e chimico-biologici.

Meccanismi di degrado fisico

Il più rilevante meccanismo fisico di degrado è la formazione del ghiaccio: quando la temperatura scende al di sotto di 0°C l’acqua presente all’interno dei pori delle pietre dei laterizi e delle malte congela con un aumento di volume pari a circa il 10%. Il fenomeno di gelo e disgelo si ripete ciclicamente portando a sollecitazioni che portano a delaminazioni del materiale.
Un secondo meccanismo fisico degradante di tipo fisico è il dilavamento nei confronti di sali solubili presenti in leganti aerei (calce e gesso).
Un altro meccanismo è legato alla presenza di sali idrosolubili all’interno delle costruzioni. La migrazione dell’acqua causata da gradienti dalle zone interne più umide alle zone esterne. Questa migrazione trascina con sé sali solubili specialmente solfati che si depositano sulle superfici esterne come efflorescenze spesso resistenti all’azione meccanica di asportazione.
Nel caso poi di subflorescenza all’interno dell’interfaccia intonaco-muratura si può instaurare una pressione che provoca distacco di intonaci o “scartellamento” di uno strato corticale di laterizi.

Meccanismi di degrado chimico

L’acqua può generalmente agevolare la migrazione di sali. Particolarmente negativo è la migrazione dello ione solfato che reagendo con alluminati e silicati forma nelle malte di calce idraulica composti potenzialmente distruttivi come l’ettringite e la thaumasite. L’ettringite presenta una struttura microcristallina altamente idratata che in conseguenza del loro aumento di volume creano tensioni distruttive con la matrice legante. La thaumasite non presenta sensibile aumento di volume ma riduce fortemente la consistenza meccanica della struttura legante.
La risalita capillare dei sali è funzione di numerosi parametri fra cui l’altezza e la velocità di evaporazione.
I meccanismi di degrado biologico coinvolgono la formazione di alghe, licheni e funghi, favorita dalla presenza di elevati livelli di umidità, assumendo colorazioni dal verdastro al bruno. Di solito non si riscontra azione disgregante nei confronti di intonaci e strutture.
Nelle strutture in cemento armato la penetrazione dei cloruri può essere altrettanto deleteria per due diversi meccanismi: la corrosione delle armature d’acciaio per fenomeno di ossidoriduzione e la formazione di cloruro di calcio idrato solubile che indebolisce il calcestruzzo.

Il concetto di traspirabilità

Il potere idrorepellente associato ad un elevato potere traspirante per i vapore acqueo è uno dei fattori di maggiore rilevanza. La permeabilità al vapore è inversamente proporzionale al fattore m. Il fattore m indica la resistenza alla diffusione del vapore acqueo in rapporto ala diffusione dell’aria. Più alto è il m minore risulta il potere traspirante di un trattamento, a parità di spessore del supporto murario.
Una situazione esemplificativa viene riportata nella tabella sottostante.

Prodotti per trattamenti di strutture murarie	Valore tipico di µ
Intonaco a base calce	12
Trattamento a base silossanica	400
Resina aceto-vinilica in emulsione	2500
Olii siccativi	7500
Resina Poliureatica	20.000
Resina epossidica	35.000
Bitume	100.000

Sostanze e prodotti idrofobizzanti
In conformità agli standard internazionali (ad esempio la norma DIN 52615) i prodotti chimici adibiti al trattamenti dell’edilizia civile e monumentale devono rispondere ad alcune prerogative.

In generale, ad un trattamento protettivo idrofobizzante si richiedono i seguenti requisiti:
· elevato potere penetrante
· resistenza ai raggi ultravioletti e infrarossi
· resistenza agli agenti chimici
· riduzione della permeabilità al vapore acqueo inferiore al 10%
· assenza di variazioni cromatiche superficiali

Silani e resine siliconiche

I polimeri siliconici hanno una elevata idrorepellenza ma non sono facilmente impiegabili con successo per questo tipo di applicazione. Le tradizionali resine siliconiche sono in base solvente e aderiscono con difficoltà al supporto. Inoltre il loro elevato peso molecolare impedisce una adeguata penetrazione all’interno della struttura capillare dei materiali edili.
I silani sono costituiti da una struttura chimica di base piuttosto simile alle resine siliconiche. La piccola grandezza molecolare (50 – 100 nm) e l’elevata stabilità chimica li rende efficaci e versatili per i trattamenti idrorepellenti protettivi delle strutture edili.
Le molecole di silani presentano carattere idrofilo e al tempo stesso idrofobizzante in quanto contengono componenti non polari e polari. Il gruppo organico alchilico non polare è il responsabile dell’azione idrorepellente dei silani usati per la protezione di edifici. Dalle dimensioni e dalla natura di questo gruppo (di solito con un numero di atomi di carbonio compreso fra 3 e 8) dipendono l’efficacia, la durata e la stabilità del trattamento.
In questa classe di silani l’atomo centrale di silicio, legato inizialmente a gruppi alcolici primari idrolizza in acqua dando origine ad un alchil-silanolo, altamente reattivo con le superfici reattive dei materiali edili.
Si tratta di composti tipo silice alchilata che uniscono alle proprietà idrorepellenti la reattività tipica di un silicato inorganico.
La superficie di gruppi alchilici legati chimicamente rendono irreversibilmente idrorepellente anche il substrato cosicché viene anche invertita l’azione capillare dei materiali da costruzione, tipicamente porosi, senza peraltro compromettere del tutto la traspirabilità ai gas (cosa che avverrebbe nel caso di protezioni fisiche mediante film plastici). Le forze capillari agiscono contro la penetrazione dell’acqua anche se questa è sotto pressione. Questo meccanismo di azione è influenzato da molteplici fattori chimici e fisici interni ed esterni. Limitatamente alla struttura chimica silanica, il gruppo alcossilico determina la velocità alla quale avviene l’idrolisi e la compatibilità del materiale con il substrato minerale umido, influendo sulla penetrazione in sezione e sulla velocità di aggancio.
Il gruppo alchilico determina il grado di impermeabilizzazione e quindi la resistenza del materiale alla degradazione chimica dovuta agli acidi e alle sostanze alcaline azotate derivate dal metabolismo di funghi e muffe.

Prodotto	Densità	Viscosità a 25°C (CPoises)	Punto di Infiammabilità
n-propiltrimetossisilano	0,95	0,7	– di 35
Isobutiltrimetossisilano	0,93	1,2	36
Isobutiltrietossisilano	0,89	0,95	60
Ottiltrietossisilano	0,89		82

I composti silanici possono essere applicati tal quali o più spesso in formulazioni al solvente o all’acqua.
Lo stato attuale della tecnologia, in conformità con le normative europee vigenti in tema di riduzione dei VOC (composti organici volatili) consente l’utilizzo di ottimi sistemi a base acqua (emulsionabili o diluibili).
La diluibilità in acqua della matrice silanica può essere promossa mediante la combinazione chimico-meccanica con opportuni agenti emulsionanti, oppure mediante la costruzione di composti polimerici di addizione solubili ma non idrofili. La rilevanza di queste tecnologie consiste nel costruire strutture molecolari in grado di essere diluite senza perdere efficacia idrofobizzante né potere traspirante nel tempo.
A seconda dei casi e delle singole soluzioni applicative si utilizzano anche silani funzionalizzati con gruppi epossidici o amminici. La reattività di questi gruppi consente particolari effetti dal punto di vista chimico con il substrato.
In linea di principio l’azione dei silani reattivi è rapida e si esplica di più in superficie. La loro applicazione è di solito utile in combinazione con gli alchilalcossi silani che garantiscono maggiore penetrazione nel substrato.
Una delle proprietà più rilevanti del meccanismo di azione di questa classe di prodotti è la capacità di penetrare nel supporto assicurando al tempo stesso protezione dagli agenti esterni (acqua e sali) e traspirabilità al passaggio del vapore acqueo dall’interno all’esterno.

Film polimerici

L’applicazione di film polimerici protettivi (di solito vernici a base epossidica, poliureatica o butadienica) è ben nota e largamente diffusa. Tali trattamenti presentano dei limiti legati alla difficoltà di ottenere buoni ancoraggi e sufficiente curabilità nel tempo. Inoltre la presenza sulla superficie esterna di un film polimerico reticolato impedisce quasi del tutto la permeabilità al vapore acqueo all’interfaccia gas-solido e può provocare problemi seri di accumulo di umidità causata dalla capillarità ascendente.
E’ altresì nota l’efficacia e l’utilità dell’utilizzo combinato di polimeri a base acrilica (ad esempio il polibutilacrilato), superfluidificanti e fumo di silice in calcestruzzi cementiti di elevata qualità e performance. In questo contesto l’utilizzo di alchilalcossisilani idrofobizzanti ha un reale effetto sinergico protettivo e idrofobizzante nel tempo.

Composti organici fluorurati

Accanto a questi componenti oggi comunemente utilizzati nei prodotti impregnanti, sono di grande interesse e si stanno studiando nuovi sistemi impregnanti basati su composti chimici perfluorurati (cere e polimeri caratterizzati chimicamente dal legame C-F) i quali, grazie alla loro eccezionale stabilità chimica e resistenza agli agenti del degrado, potranno consentire di migliorare notevolmente le prestazioni delle protezioni impregnanti sopratutto di quelle destinate all’esterno.
La chimica organica del fluoro è relativamente recente e solo pochissime multinazionali sono in grado di gestirne il complesso e oneroso sviluppo industriale.
La struttura fluorocarbonica è praticamente repellente e inattaccabile da tutti gli agenti chimici. Accanto all’idrofobizzazione ne consegue un particolare ed unico effetto oleorepellente. Successive evoluzioni ed affinamenti hanno portato a produrre composti polimerici fluorurati sui base polimerica (generalmente acrilica o acrlico-maleica) in grado di autoemulsionarsi in mezzi acquosi.
I più recenti sviluppi hanno inoltre portato ai cosiddetti fluorosilani, sostanze solubili che uniscono le performances di reattività idrofobizzante dei silani alla stabilità idro- e oleorepellente dei derivati fluorocarbonici. La loro diffusione è attualmente limitata dal prezzo ancora drammaticamente elevato.
Una delle prerogative più interessanti di queste sostanze fluorurate è una singolare efficacia protettiva come antigraffiti, ovvero la capacità di rendere una superficie muraria difficilmente trattabile da vernici e agenti pigmentanti.
Il meccanismo della protezione si esplica nella capacità dell’additivo fluoro-silanico di agire da idro-repellente e al tempo stesso da oleorepellente. Questo spiccato effetto repulsivo impedisce alle vernici pigmentanti all’acqua o al solvente non possono penetrare all’interno dei pori del substrato, perdono ogni potere di aggrappaggio e possono essere subito totalmente e facilmente rimosse.
L’utilità di questo tipo di trattamenti è particolarmente importante nel caso di strutture edili dall’elevato valore storico, artistico e turistico.

 

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