NUOVI MATERIALI PER LE COSTRUZIONI

Nuovi materiali per le costruzioni

Le cifre del comparto edilizia e costruzioni delineano la sua rilevanza per l’economia italiana: secondo i dati del Centro ricerche economiche sociali di mercato per l’edilizia e il territorio (CRESME), nel 2009 il valore della produzione del settore, di oltre 183 miliardi di euro, era ripartito tra investimenti (divisi tra nuovo e manutenzione straordinaria) e interventi di manutenzione ordinaria (CRESME 2009; v. figura). Il settore del recupero del costruito assorbiva nel complesso circa 110 miliardi (pari a quasi il 60% del valore totale della produzione), mentre gli investimenti in nuove costruzioni erano stimati in circa 74 miliardi. I materiali (10% circa del valore totale della produzione) includono cemento e calcestruzzo, elementi prefabbricati, laterizi, oltre ai formulati (2% circa del valore totale della produzione), il cui segmento è definito chimica per edilizia dal CRESME. Con il termine formulato si intende una miscela fisica di diversi composti chimici, spesso in numero notevole, ciascuno dei quali apporta una funzionalità specifica, contribuendo, con un preciso ruolo, alla funzionalità dell’insieme.

Il segmento chimica per edilizia è caratterizzato da tassi di sviluppo più elevati rispetto alla media del settore delle costruzioni, per la capacità delle imprese produttrici di incrementare, attraverso continui processi di innovazione, l’impiego dei formulati offerti all’interno del prodotto edilizio.

L’importanza che il settore edilizia e costruzioni riveste per l’Italia è confermata, inoltre, dai seguenti indicatori: gli investimenti hanno costituito nel 2009 oltre il 10% del prodotto interno lordo (PIL) del Paese; gli occupati sono stati, nel primo semestre del 2009, circa 1.900.000, pari a oltre l’8% di quelli di tutti i settori economici (ANCE, Il peso del settore costruzioni sull’economia, 2009); dal 1998 al 2007 gli occupati sono cresciuti del 32%, contro il 13% dell’insieme dei diversi settori (Osservatorio congiunturale sull’industria delle costruzioni, 2007). L’edilizia italiana ha raggiunto l’apice della fase di crescita nel 2007 e soffre ora della crisi propria a tutte le economie dei Paesi industrializzati. Per il 2010 il CRESME prevede una netta flessione degli investimenti in edilizia residenziale, una certa staticità nel rinnovo del residenziale e una forte flessione (già in atto nel 2009) nella costruzione di edifici a uso industriale, commerciale e di uffici.

L’ambito del rinnovo e della riqualificazione del patrimonio costruito esistente, incluso il patrimonio con valore storico-artistico, offre le maggiori opportunità di sviluppo. La ricchezza di tale patrimonio e la predisposizione culturale alla sua salvaguardia rappresentano un carattere distintivo dell’Italia rispetto ad altri Paesi europei. In questo scenario, la disponibilità di nuovi materiali, specificamente progettati e realizzati per il recupero degli edifici, anche con riferimento alle esigenze sempre più stringenti di sostenibilità ambientale e risparmio energetico, è di importanza decisiva per sostenere lo sviluppo di un così rilevante settore dell’economia. Spetta infatti alle imprese produttrici di nuovi materiali, che pur rappresentano una frazione minoritaria del valore totale della produzione del settore, offrire opportunità di innovazione all’intero comparto, tradizionalmente conservatore.

L’innovazione nel segmento chimica per l’edilizia

I formulati di successo restano sul mercato per archi temporali molto lunghi, anche per decenni. Il motivo è dovuto ad alcune caratteristiche distintive del settore. In primo luogo, l’introduzione di un nuovo formulato sul mercato è un’operazione impegnativa e lenta: richiede, infatti, che progettisti, distributori, applicatori e clienti finali conoscano il nuovo prodotto, le prestazioni che garantisce, le tecniche applicative. Ciò avviene attraverso azioni di formazione tecnica (seminari, convegni, corsi) organizzate dall’impresa produttrice. Il numero degli attori coinvolti, legato alla frammentazione del sistema a valle dell’impresa, allunga i tempi. I formulati hanno poi una forte componente applicativa, e un’applicazione non corretta può distruggere anche il migliore di essi. Si richiede, quindi, da parte dell’impresa produttrice, un’assistenza tecnica capillare che risolva gli inevitabili inconvenienti di cantiere dovuti all’uso di un nuovo prodotto e diffonda le regole di buona pratica applicativa. Il settore è inoltre molto conservatore; tuttavia, questa pecurialità, che ostacola l’introduzione dei nuovi prodotti, garantisce un impiego pluriennale a quelli di successo.

Il concetto di ‘nuovo’ va tarato sulle caratteristiche del mercato cui si applica. Il riferimento utile è la durata del ciclo di vita del prodotto sul mercato. Per es., il ‘nuovo’ nel settore informatica e telecomunicazioni non è paragonabile, in termini temporali, a quello nell’edilizia. Nel segmento chimica per edilizia sono considerati ‘nuovi’ i prodotti introdotti sul mercato negli ultimi cinque anni. Il sistema competitivo del segmento è caratterizzato dalla presenza di un ridotto numero di grandi attori, con profilo multinazionale o internazionale, e da un ingente numero di operatori di dimensioni piccole e medie. L’innovazione è sostenuta in prevalenza dai grandi attori, tra i quali è da sottolineare la presenza di multinazionali italiane di successo. Una connotazione specifica del segmento riguarda il rapporto con la competizione globale. I formulati, costituiti per il 90% da inerti e cemento e per il 10% dai componenti che determinano la differenza di prestazioni, possono essere trasportati economicamente a distanze non superiori ai 200 km; questo fattore impone una struttura produttiva articolata sul territorio. I flussi di esportazione e importazione sono quindi limitati, e la presenza di un’impresa all’estero implica la presenza di uno stabilimento produttivo in ogni Paese. Va inoltre osservato che i formulati richiedono un significativo adattamento alle esigenze di ambito locale (regionale o nazionale), generalmente molto diverse tra loro per abitudini applicative, condizioni climatiche, disponibilità di materie prime. Solo i componenti presenti in minor quantità nei formulati, che hanno elevato valore e determinano la differenza di prestazioni, vengono prodotti centralmente, di solito nel Paese dove sono localizzati la sede e il centro ricerche dell’impresa, ossia le strutture che generano le conoscenze determinanti per la sua competitività.

Un altro aspetto del sistema competitivo dell’edilizia riguarda la protezione della proprietà intellettuale. Lo strumento della protezione brevettuale non è largamente utilizzato e si limita a composti chimici ben definiti che vengono poi utilizzati nei formulati. La protezione brevettuale di un formulato non è ritenuta efficace a causa dei costi della difesa dei diritti di esclusività e della diffusione, in fase di brevettazione, di informazioni tecniche specifiche. La protezione della proprietà intellettuale è quindi affidata al segreto industriale. Il fatto, dunque, che siano pochi i brevetti attinenti al segmento considerato, non deve far concludere che l’innovazione sia scarsa, conclusione in genere tratta da chi considera, erroneamente, il numero di brevetti come unico indicatore dell’innovazione di un settore.

I formulati, distribuiti sul mercato solitamente in forma di polvere, danno origine ai materiali in cantiere mediante operazioni di miscelazione con acqua per i prodotti definiti monocomponente e di miscelazione con un secondo componente liquido – fornito nelle corrette proporzioni in associazione al componente in polvere – per i prodotti definiti bicomponente. I formulati definiti pronti all’uso sono distribuiti in forma di liquido o di pasta e richiedono la sola operazione di applicazione.

Sistemi per edilizia civile

I requisiti dei nuovi materiali sono dettati dalle esigenze degli interventi, caratterizzate dai seguenti tratti distintivi: a) la sempre maggiore importanza della rapidità di esecuzione delle opere, fattore economico più importante del costo dei materiali impiegati; b) la necessità di contenimento delle opere di demolizione, in particolare dei pavimenti, a causa dei tempi necessari, dei costi connessi e delle crescenti difficoltà di movimentazione e messa a discarica delle macerie; c) il valore crescente della durata sia del nuovo manufatto sia dell’intervento di ripristino, un fattore per troppi anni trascurato, con il risultato, particolarmente grave nelle opere infrastrutturali, della necessità di interventi complessi e molto costosi; d) la crescente richiesta di materiali con funzioni d’uso specifiche e facilmente applicabili anche da parte di manodopera con basso livello di qualificazione; e) la riduzione dell’impatto ambientale, con conseguente eliminazione delle emissioni nocive e dei fenomeni allergici nei riguardi degli applicatori; f) la richiesta di sistemi, con compatibilità comprovata tra i singoli componenti, capaci di garantire prestazioni certificate e durevoli nel tempo.

Le imprese produttrici di formulati sono oggi in grado di offrire una vasta gamma di prodotti e sistemi che soddisfano questi requisiti.

Leganti idraulici per la preparazione di sottofondi

I formulati monocomponente contenenti leganti idraulici, utilizzati per la formazione di massetti sia galleggianti sia aderenti su vecchie e nuove solette, sono adatti per la posa di ceramica e pietre naturali, nonché di pavimenti anche sensibili all’umidità (polivinilcloruro, linoleum, moquette, gomma, legno), quando occorre una posa immediata. I formulati, applicati dopo la miscelazione con acqua, danno origine a materiali ad asciugamento rapido e ritiro controllato. Questi prodotti consentono la formazione di massetti pedonabili già dopo poche ore, e perfettamente asciutti dopo ventiquattro ore, adatti quindi per la posa sia di pavimenti in legno sia di pavimenti resilienti. La posa di rivestimenti in ceramica e pietre naturali può avvenire in tempi ancor più ristretti, a distanza di poche ore dalla realizzazione del massetto. Con materiali di questo tipo è possibile ottenere massetti in cui sono incorporate le serpentine di riscaldamento.

I formulati monocomponente contenenti leganti idraulici, utilizzati per livellare e lisciare sottofondi nuovi o preesistenti in calcestruzzo o ceramica, consentono di realizzare una nuova pavimentazione. Il prodotto, miscelato con acqua in cantiere, si trasforma in un impasto facilmente applicabile a mano o con macchina intonacatrice. Una volta applicato, dà origine a lisciature autolivellanti che induriscono in poche ore. La pavimentazione acquisisce, aderendo perfettamente al supporto, proprietà di resistenza meccanica (sia a compressione sia a flessione) e di resistenza all’abrasione.

Prodotti per la posa di ceramiche e pietre naturali

I formulati a base cementizia bicomponente sono utilizzati per l’incollaggio in esterno e in interno, a parete e a pavimento, di rivestimenti ceramici di ogni tipo, di pietre naturali o ricomposte su tutti i supporti tradizionali, su vecchi pavimenti (ceramica, pietra naturale, cemento, marmette), purché solidi e perfettamente puliti. Dopo la miscelazione dei due componenti in cantiere, i formulati danno origine ad adesivi a presa e idratazione rapida. Tali adesivi, per le caratteristiche di veloce asciugamento e gli eccellenti valori di adesione garantiti, si prestano particolarmente per lavori di rifacimento in tempi brevi o per lavori che richiedono una messa in esercizio immediata (per es., in ospedali, supermercati, aeroporti ecc.). Permettono, infatti, la messa in esercizio dopo ventiquattr’ore dalla posa e la pedonabilità dopo poche ore.

I formulati a base cementizia monocomponente, contenenti elevate quantità di polimeri ed elastomeri micronizzati, sono utilizzati per la posa di rivestimenti ceramici e materiali lapidei su massetti cementizi non completamente stagionati (quindi soggetti al fenomeno del ritiro igrometrico), su supporti deformabili o soggetti a vibrazioni (quali compensato marino, vecchi solai ecc.). Sono anche adatti alla posa di rivestimenti ceramici e di materiale lapideo in facciata, su balconi e terrazzi pure soggetti a irraggiamento solare diretto con conseguenti gradienti di temperatura che causano variazioni dimensionali del rivestimento. La caratteristica principale di questi adesivi, che si ottengono per miscelazione del formulato con acqua, è l’elevata deformabilità: essa consente loro di assorbire le deformazioni differenziali tra supporto e rivestimento, mantenendo una perfetta adesione tra i due elementi. I tempi di indurimento, non particolarmente rapidi, sono comunque contenuti: restano infatti garantite la pedonabilità in ventiquattro ore e la messa in esercizio in quindici giorni.

I formulati monocomponente contenenti leganti idraulici privi di cemento Portland sono idonei per la stuccatura delle fughe dei rivestimenti ceramici. Dopo miscelazione con acqua danno origine a malte a presa e asciugamento rapido. Il materiale, dopo indurimento, è idrorepellente, antimuffa ed esente da efflorescenze. L’operazione di stuccatura delle fughe può essere eseguita già dopo poche ore dalla posa del rivestimento ceramico. La pedonabilità è in genere garantita dopo poche ore dalla stuccatura e la messa in esercizio dopo ventiquattr’ore.

Adesivi per la posa di pavimenti in legno

I formulati a base di resine poliuretaniche igro-indurenti, pronti all’uso, sono applicati per l’incollaggio di ogni tipo di pavimenti in legno, anche prefinito, su massetti cementizi, vecchi pavimenti in legno, ceramica, marmo. Idonei all’uso anche su sottofondi riscaldanti, sono formulati esenti da solventi, privi di effetti allergenici e che garantiscono bassissime emissioni di sostanze organiche volatili. Il processo di indurimento avviene per effetto dell’umidità dell’ambiente con cui il prodotto viene a contatto all’atto della posa. Il prodotto, dopo indurimento, dà origine a un materiale in grado di contrastare efficacemente le deformazioni del legno, soprattutto causate dalla variazione dell’umidità dell’ambiente, mantenendo il rivestimento ben ancorato al supporto.

Intonaci e malte deumidificanti

L’umidità ascendente, una delle cause più frequenti del degrado degli edifici, è difficile da combattere; interessa di regola i muri prospicienti le fondazioni e provoca un processo irreversibile di disfacimento degli intonaci e delle malte che legano la muratura. La diffusione dell’acqua all’interno dei materiali da costruzione è favorita dalla porosità degli stessi: l’acqua riesce a spostarsi al loro interno per fenomeni di capillarità. L’umidità contenuta nel sottosuolo può raggiungere la base di una costruzione e risalire, più o meno velocemente, in funzione del grado di porosità del materiale che costituisce la costruzione. L’altezza della risalita dell’umidità dipende anche dal fenomeno dell’evaporazione e della diffusione del vapore attraverso le superfici murarie. Il miglioramento delle capacità evaporative delle murature, insieme all’applicazione di intonaci deumidificanti, è una soluzione che si va diffondendo negli interventi di recupero di vecchi fabbricati.

Per soddisfare questa esigenza, sono oggi disponibili formulati contenenti leganti idraulici a reattività pozzolanica, per il risanamento delle murature umide – in pietra, mattone e tufo – degradate dall’umidità di risalita capillare con forte presenza di sali solubili. Da tali formulati, miscelati in cantiere con acqua, si ottengono malte ad alta porosità – applicabili a cazzuola o a spruzzo con macchina intonacatrice – resistenti ai sali per spessori di alcuni centimetri. La struttura tridimensionale del materiale indurito, legata alla porosità alta e alla bassa densità, fa sì che venga garantita un’elevata capacità di evaporazione dell’umidità di risalita, mantenendo la muratura asciutta. Per questa ragione la finitura dell’intonaco dev’essere realizzata con pitture che non ostacolino la diffusione del vapore, quali quelle a base di silicati o silossani.

Sistemi per l’isolamento termico e acustico

Si tratta di sistemi che danno risposta alle crescenti esigenze di sostenibilità ambientale. La prestazione energetica di un edificio, considerata poco significativa in passato, sta diventando sempre più importante a causa dei vincoli ambientali e dei costi crescenti del combustibile e dell’energia. L’installazione di un sistema di isolamento termico, con l’abbassamento dei consu­mi legati al riscaldamento invernale e al condizionamento estivo, rappresenta un investimento attraente e responsabile. L’isolamento acustico e, in particolare la riduzione del disturbo legato al rumore da calpestio, è un’esigenza sempre più sentita non solo per gli edifici nuovi, ma anche per le abitazioni esistenti. Sono disponibili sistemi facilmente applicabili ed efficaci, sempre più usati negli interventi di ristrutturazione.

I sistemi che si installano sulla faccia esterna delle murature perimetrali degli edifici (sistemi di isolamento termico a cappotto) sono costituiti dai seguenti componenti: un adesivo per l’incollaggio del pannello isolante sulla muratura; un pannello isolante, generalmente di polistirene espanso, dello spessore di alcuni centimetri; una rasatura, da applicare in due mani successive sulla superficie del pannello isolante, incorporando una rete di rinforzo in fibra di vetro; un ciclo di finitura superficiale con i consueti prodotti per facciate di edifici. L’installazione di tali sistemi, l’intervento di gran lunga più praticabile per il miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici esistenti, comporta vantaggi che vanno al di là della riduzione dei consumi energetici, comunque quantificabile in risparmi dell’ordine del 30%. L’isolamento termico delle pareti perimetrali migliora il comfort abitativo, riduce le sollecitazioni meccaniche della muratura originate dalle differenze tra temperatura esterna e interna, evita il fenomeno della condensazione interstiziale del vapor d’acqua all’interno della muratura, particolarmente dannoso quando la temperatura si avvicina al punto di congelamento dell’acqua. Per garantire nel tempo queste prestazioni, ogni componente del sistema di isolamento dev’essere progettato e realizzato secondo criteri di compatibilità con gli altri componenti, e installato seguendo le regole di buona pratica definite dal fornitore del sistema. L’adesivo, che garantisce l’incollaggio del pannello isolante sulla muratura, è il componente più sollecitato; le forti differenze di temperatura tra le due facce dell’elemento isolante originano, infatti, uno stato di deformazione che l’adesivo deve contrastare per rendere il pannello perfettamente solidale con la struttura muraria. Tali sollecitazioni possono provocare il distacco dell’isolamento, se incollato con adesivi inadeguati o installato senza ottemperare alle regole di buona pratica.

I sistemi di isolamento acustico a basso spessore contro il rumore da calpestio sono applicabili su solai in latero-cemento e in legno, su preesistenti pavimentazioni in ceramica, materiali lapidei, legno e così via. Tali sistemi sono generalmente costituiti dai seguenti componenti: nastro autoadesivo da posizionare perimetralmente alla pavimentazione ed eventuali pilastri che dovessero attraversarla, al fine di interrompere ponti acustici; quadrotte di materiale bituminoso, armate con fibre di vetro, da applicare sul supporto per costituire lo strato isolante acustico; adesivo in dispersione acquosa per la posa dello strato isolante sul supporto; adesivo cementizio a presa rapida per la posa di piastrelle ceramiche o materiali lapidei sullo strato isolante; e, infine, malta per la stuccatura delle fughe. La messa in esercizio del pavimento può avvenire dopo ventiquattro ore dall’applicazione. L’esigenza di ottenere un buon abbattimento del rumore con spessori contenuti, soprattutto nei casi di ristrutturazione per evitare eccessivi dislivelli nei piani di calpestio, risulta pienamente soddisfatta dai nuovi sistemi disponibili sul mercato.

Un limite alla diffusione di questi sistemi negli edifici esistenti è costituito dal fatto che viene migliorato il comfort degli ambienti sottostanti la pavimentazione; quindi, nelle strutture abitative di tipo condominiale, chi sostiene l’investimento non fruisce del vantaggio. La normativa, sempre più stringente, che regola le emissioni acustiche e impone l’uso di sistemi di isolamento acustico negli edifici nuovi, ne estenderà gradatamente l’uso anche ai casi di ristrutturazione.

Sistemi per il rinforzo strutturale di murature

Il rinforzo delle strutture in muratura è un argomento complesso e molto attuale nel nostro Paese, in quanto strettamente correlato alla considerevole quantità di immobili presenti in Italia con carenze strutturali tali da determinare un certo livello di vulnerabilità sismica. Una risposta a questo problema è fornita dai materiali compositi che in questa applicazione dimostrano tutta la loro efficacia andando a incrementare le prestazioni meccaniche degli elementi rinforzati. I nuovi sistemi offerti per il rinforzo strutturale degli edifici in muratura abbandonano le matrici organiche (resine epossidiche) già da tempo utilizzate per il rinforzo di strutture in calcestruzzo, proponendo matrici inorganiche (leganti idraulici) rinforzate con fibre di vetro disperse, compatibili con le murature dal punto di vista sia chimico sia del comportamento elastomeccanico. Il sistema è composto dai seguenti elementi:

a) rete in fibra di vetro resistente agli alcali, caratterizzata da un’elevata resistenza alla trazione e da un’ottima stabilità dimensionale che assicura il rinforzo strutturale;

b) formulato bicomponente contenente leganti idraulici a reattività pozzolanica e fibre di vetro. Miscelato in cantiere, dà origine a una malta che, applicata, assicura un’ottima adesione della rete a qualsiasi supporto in muratura, così da formare un corpo unico tra muratura preesistente e sistema di rinforzo. Il materiale indurito è caratterizzato da elevata duttilità e basso modulo elastico. La presenza di una notevole quantità di fibre di vetro disperse, inoltre, consente al sistema un’alta resistenza a flessione e un comportamento più duttile rispetto a un materiale originato da un legante idraulico tradizionale.

Il sistema di rinforzo proposto, che ha tempi di posa contenuti e facile adattabilità alle forme più complesse, presenta un’elevata capacità di dissipazione dell’energia sismica, notevole resistenza alle alte temperature e buona permeabilità al vapore.

L’offerta di nuovi formulati e sistemi in grado di soddisfare i requisiti richiesti dall’edilizia civile, è in definitiva molto ampia e consente efficaci interventi di riqualificazione degli edifici esistenti, realizzabili in tempi brevi anche con l’impiego di manodopera non particolarmente qualificata. Si conferma, a questi fini, l’orientamento dei produttori di offrire al mercato formulati monocomponente – al fine di ridurre le operazioni di preparazione in cantiere a semplici operazioni di miscelazione – o addirittura pronti all’uso.

La matrice tecnologica comune di tutti i formulati indicati è il grado di controllo della struttura, alla scala micrometrica, del materiale che si origina in cantiere per miscelazione, e la capacità di ottenere materiali con strutture interpenetrate tra cemento e polimeri organici. La disponibilità di questi polimeri – usualmente ottenuti tramite processi di polimerizzazione in dispersione acquosa – in forma di polveri ridisperdibili in acqua, consente, in molti casi, di realizzare formulati monocomponente. I requisiti di rapidità di presa del sistema legante, necessari al contenimento dei tempi per la messa in esercizio dopo l’intervento, vengono soddisfatti dall’opportuna scelta dei leganti cementizi, non più limitata al solo cemento Portland ma estesa a cementi alluminosi e miscele con reattività pozzolanica, usati singolarmente o in miscela con cemento Portland.

Restauro di edifici con valore artistico

Il mercato attuale di questo settore è caratterizzato dall’assenza di linee guida specifiche e dettagliate per la scelta e l’utilizzo dei materiali. Tale assenza è dovuta alla grande varietà di parametri in gioco da un lato e alla molteplicità e complessità dei prodotti disponibili sul mercato dall’altro. Questa situazione genera approcci differenti, legati a diverse sensibilità progettuali, che rendono ogni caso di restauro una situazione unica. Tuttavia, pur in assenza di normative e linee guida dettagliate, e fermo restando il fatto che non è opportuno riferirsi alle normative vigenti per l’edilizia civile, non si può dire che manchino criteri generali da applicare al settore del restauro dei beni architettonici. Principi generali e filosofia sono contenuti nella Carta del restauro di Venezia del 1964 (approvata dal 2° Congresso internazionale degli architetti e dei tecnici dei monumenti storici), che ha incorporato e integrato i suggerimenti avanzati nel 1931 dalla Carta di Atene. Essa raccomanda l’uso di tutte le scienze e tecnologie che possono contribuire alla salvaguardia degli edifici storici e apre all’impiego di moderne tecnologie la cui efficacia sia dimostrata su basi scientifiche e comprovata dall’esperienza.

Principi più precisi, sull’analisi, la conservazione e il restauro di edifici storici, sono esplicitati nella Carta dell’International council of monuments and sites (ICOMOS), redatta a Victoria Falls, in Zimbabwe, in occasione della 14^a assemblea generale di questa organizzazione (ICOMOS 2003). La Carta sottolinea l’importanza della reversibilità dell’intervento, raccomanda la compatibilità dei materiali usati (in particolare se nuovi) con quelli preesistenti e prescrive la valutazione dell’impatto di lungo termine per evitare effetti indesiderati. Ribadisce, inoltre, la necessità di una selezione delle malte, caso per caso, sempre con attenzione alla compatibilità con i materiali preesistenti e limita l’uso del cemento ai soli casi in cui non vi sia rischio di danni alle murature causati dalla presenza di sali in esso contenuti. I criteri di compatibilità con i materiali preesistenti sono in definitiva i criteri guida nella scelta dei materiali per interventi di restauro; in particolare, è da valutare criticamente l’opportunità della presenza di cemento nei materiali per il ripristino. Infatti la calce che si libera durante l’idratazione del cemento reagisce prima con i solfati, sali presenti in molti materiali da costruzione, dando origine a gesso, e successivamente con gli alluminati di calcio, dando origine a composti solfoalluminatici idrati che generano forti fenomeni espansivi.

I nuovi formulati offerti al mercato, che permettono di ottenere materiali coerenti con le linee guida sopra citate, sono dei seguenti tipi:

a) formulati monocomponente che contengono leganti idraulici esenti da cemento, per il consolidamento, mediante iniezione, di strutture in pietra, mattoni e tufo, e di intonaci civili anche affrescati. Questi formulati, miscelati con acqua in cantiere, danno origine a una boiacca fluida e stabile, capace di riempire le cavità delle strutture da consolidare e di indurirsi gradualmente attraverso una reazione pozzolanica, senza interagire con il supporto preesistente, anche se in presenza di sali solubili;

b) formulati monocomponente che contengono leganti idraulici esenti da cemento, per il risanamento di murature in pietra, mattone e tufo. Questi formulati, miscelati con acqua in cantiere, danno origine a malte da allettamento e intonaci deumidificanti che non interagiscono con i solfati presenti nei materiali preesistenti e sono quindi adatti al restauro di murature degradate a causa dell’acqua di risalita, o danneggiate dai sali solubili presenti nel terreno, nell’acqua di falda e nei materiali da costruzione;

c) formulati monocomponente a base di calci idrauliche definite naturali – a imitazione degli antichi leganti usati prima della produzione del cemento Portland, introdotto diffusamente a partire dal 1890 – per il risanamento di murature in pietra, mattone e tufo. Attualmente le calci idrauliche naturali sono in realtà prodotti sintetizzati con processi a più bassa temperatura rispetto a quello di produzione del cemento. Le materie prime utilizzate per la produzione di calci idrauliche ne possono permettere o meno l’impiego nel restauro di edifici storici; infatti, la presenza di alluminati in quantità significative renderebbe questi materiali equivalenti, dal punto di vista della compatibilità con quelli preesistenti, a una miscela cemento Portland-calce, insieme a tutti i rischi connessi e de­scritti precedentemente.

Il mercato dei formulati che originano materiali per il restauro, caratterizzato dalla già citata carenza di normativa, non è attualmente contraddistinto da un adeguato livello di trasparenza. Le informazioni fornite dalle imprese produttrici riguardanti la composizione chimica dei formulati offerti sono generalmente lacunose, pur con la presenza di lodevoli eccezioni. La carenza di informazioni complete e veritiere rende problematica e spesso rischiosa la scelta, da parte del progettista dell’intervento, dei formulati più idonei, con risultati a volte disastrosi.

Additivi per opere infrastrutturali

Tra le principali cause di degrado delle opere infrastrutturali (viadotti, ponti ecc.) realizzate in calcestruzzo armato, sono da annoverare l’attacco chimico del conglomerato e la corrosione dei ferri di armatura dovuta a inadeguata protezione. L’attacco chimico è determinato dall’instaurarsi di reazioni causate dalla presenza, nell’ambiente, di alcune specie che vengono in contatto con il calcestruzzo. I fenomeni di degrado sono esaltati dall’impiego di calcestruzzo di bassa qualità, molto poroso, caratterizzato anche da cavillature superficiali e talvolta profonde. I solfati di cui sono ricche alcune acque, come le acque di mare, si combinano con gli alluminati e la calce libera del cemento, presente nel calcestruzzo, formando solfoalluminati di calcio idrati. Tale reazione avviene con significativo aumento di volume; per questo le parti corticali del calcestruzzo si gonfiano e si fessurano, esponendo in tal modo la massa interna a ulteriore degrado. L’anidride carbonica contenuta nell’aria reagisce con la calce del calcestruzzo, in presenza di acqua, e si trasforma in carbonato di calcio. Il conglomerato che ricopre il ferro delle armature (copriferro), caratterizzato da un elevato pH, esplica una funzione di protezione della superficie delle armature stesse. La reazione di carbonatazione causa un abbassamento del pH e fa venir meno le condizioni per una efficace protezione delle armature, che si degradano fino alla compromissione totale del copriferro, causando una sempre maggiore esposizione del calcestruzzo armato agli attacchi esterni.

I cloruri presenti in ambiente marino, o derivanti dall’uso di sali sghiaccianti, attaccano direttamente le armature, distruggendo la pellicola di ossido protettivo che le ricopre. Il fattore chiave che governa la velocità di degrado di un calcestruzzo esposto agli attacchi chimici è la sua permeabilità. Tutti questi fenomeni, ben conosciuti, hanno portato allo sviluppo e all’impiego, per le nuove opere, di calcestruzzi di elevata qualità. La maggior parte delle opere infrastrutturali realizzate in passato, in particolare nel dopoguerra, con calcestruzzi di bassa qualità o comunque non adatti all’ambiente circostante, a causa della scarsa conoscenza o della sottovalutazione dell’importanza dei fenomeni di degrado chimico, richiedono oggi importanti interventi di ripristino. I nuovi prodotti offerti consentono sia la realizzazione di opere progettate per la durata di un secolo, sia efficaci interventi di risanamento delle opere degradate.

Calcestruzzo a elevate prestazioni

Il cemento Portland, il legante idraulico più diffuso al mondo, è un sistema contenente klinker, che esce dal forno del cementificio ed è composto da silicati di calcio e alluminati di calcio, e solfato di calcio, aggiunto in fase di macinazione. Le fasi principali presenti nel klinker dopo la cottura sono costituite da silicato tricalcico, silicato bicalcico, alluminato tricalcico e fase ferritica. Le reazioni di idratazione delle diverse fasi del cemento sono simultaneamente presenti, ma con diverse velocità: la più rapida è la reazione di idratazione della fase alluminosa, seguita dalla fase ferritica. Le fasi silicatiche sono quelle con reazioni di idratazione più lente. L’idratazione delle fasi alluminose è responsabile del fenomeno della presa del cemento; l’idratazione di quelle silicatiche è responsabile del fenomeno dell’indurimento del cemento e dello sviluppo delle caratteristiche meccaniche.

La quantità d’acqua stechiometrica che garantisce la completa idratazione del cemento è pari a circa il 25% rispetto al peso del cemento stesso (rapporto ac­qua/cemento pari a 0,25). In realtà, per assicurare la possibilità di lavorare l’impasto e di porre in opera il calcestruzzo, sono sempre utilizzate quantità di acqua superiori allo stechiometrico. In assenza di additivi, il criterio della lavorabilità impone l’uso di rapporti tipici acqua/cemento pari a 0,7-0,8. Quantità di acqua molto superiori al valore stechiometrico peggiorano le caratteristiche del calcestruzzo per le seguenti ragioni: l’acqua, se presente in elevati tenori nell’impasto, diluisce il legante e di conseguenza causa la diminuzione della resistenza meccanica del calcestruzzo; la presenza di elevati tenori di acqua nell’impasto provoca un aumento dell’evaporazione, con relativo aumento del ritiro igrometrico e della porosità del calcestruzzo indurito. Grandi ritiri igrometrici determinano la fessurazione del calcestruzzo indurito; elevati livelli di porosità favoriscono la diffusione e l’aggressione delle specie chimiche che provocano il deterioramento del calcestruzzo.

Gli additivi riduttori d’acqua (fluidificanti, superfluidificanti, iperfluidificanti) consentono di ottenere un calcestruzzo facilmente lavorabile pur avendo un basso rapporto acqua/cemento. Sono polimeri idrosolubili naturali o di sintesi con cariche negative (polielettroliti anionici). La loro forte azione disperdente rende ottimale il processo di idratazione del cemento e, di conseguenza, è responsabile di un incremento delle resistenze meccaniche. I superfluidificanti di nuova generazione, polimeri a base acrilica solubili in acqua, sono appositamente formulati e studiati per ottenere calcestruzzi preconfezionati con basso rapporto acqua/cemento, di elevata lavorabilità per tempi lunghi, esenti da fenomeni di segregazione.

Va tenuto presente che attualmente il calcestruzzo viene confezionato in centrali di betonaggio e inviato in cantiere in betoniere, con tempi di trasferimento anche di qualche ora. In questa fase il superfluidificante, insieme all’acqua di impasto, è aggiunto alla miscela di inerti e cemento che costituisce il calcestruzzo. La lavorabilità del calcestruzzo e il suo mantenimento nel tempo sono caratteristiche fondamentali per l’attuale modo di costruire. I superfluidificanti, offerti in un’ampia gamma che consente di soddisfare le specifiche esigenze di ogni cantiere, sono indispensabili alla realizzazione di calcestruzzi di elevata qualità e, di conseguenza, universalmente impiegati nelle opere infrastrutturali.

Risanamento di opere in calcestruzzo

L’intervento di ripristino deve prevedere, prima dell’applicazione del nuovo materiale, la rimozione del calcestruzzo deteriorato e la pulizia del sottofondo consistente. I nuovi materiali specifici presenti sul mercato sono i seguenti:

a) formulati monocomponente contenenti leganti idraulici e (per alcuni impieghi) fibre, per il ripristino corticale di strutture in calcestruzzo ammalorato, per il ripristino di gallerie, canali e opere idrauliche in genere. I formulati, miscelati con acqua in cantiere, danno origine a malte con caratteristiche tissotropiche. Le caratteristiche reologiche della malta ne consentono l’applicazione senza necessità di casseri;

b) formulati monocomponente contenenti leganti idraulici e fibre, per il risanamento del calcestruzzo in interventi che, per es., prevedono integrazione di travi in cemento armato, pilastri, restauro di pavimentazioni in cemento e così via.

I formulati, miscelati con acqua in cantiere, danno origine a malte di eccezionale fluidità che vengono colate nelle casseforme.

Protezione di opere in calcestruzzo

L’esigenza di lunghissime durate di progetto per nuove opere infrastrutturali e la garanzia di lunga durata dei costosi interventi di ripristino hanno stimolato lo sviluppo di sistemi protettivi in grado di rallentare notevolmente i processi di aggressione chimica. Sul mercato sono offerti nuovi formulati con questa funzionalità. In particolare:

a) formulati bicomponente costituiti da una miscela di leganti idraulici e da polimeri in dispersione acquosa, per eseguire rivestimenti impermeabili e protettivi di elevata flessibilità su strutture in calcestruzzo particolarmente soggette a fenomeni di fessurazione. Il formulato, dopo miscelazione dei due componenti, dà origine a una malta, facilmente applicabile, con alte caratteristiche di impermeabilità;

b) pitture elastiche pronte all’uso a base di resine acriliche in dispersione acquosa, usate per la protezione di superfici in calcestruzzo e intonaco cementizio dagli agenti aggressivi presenti nell’atmosfera. Queste pitture, applicate con i metodi tradizionali, formano, a essiccamento avvenuto, una pellicola molto elastica, impermeabile all’acqua ma permeabile al vapore, che assicura alle strutture trattate, nel contempo, un gradevole aspetto estetico.

I nuovi formulati e additivi contribuiscono in modo significativo a migliorare le tecniche degli interventi di ripristino delle opere infrastrutturali esistenti e, quindi, al prolungamento della vita utile di questi manufatti, che costituiscono un importantissimo patrimonio del Paese. Lo sviluppo dei nuovi prodotti si è basato sulle conoscenze acquisite in merito ai fenomeni di degrado chimico del calcestruzzo e alle capacità sviluppate di regolare i processi di idratazione del cemento. Ciò ha consentito di raggiungere un maggiore grado di controllo, rispetto al passato, della microstruttura dei materiali e ha aperto la possibilità di orientare la struttura della materia al conseguimento delle prestazioni desiderate.

Ripristino di sistemi fognari

I sistemi fognari sono particolari infrastrutture, molto importanti, soggette a degrado; la ragione principale è l’aggressione chimica dell’acido solforico originato dall’ossidazione batterica dell’idrogeno solforato, presente nel sistema a causa del processo di fermentazione anaerobica dei liquami. Per questa applicazione, caratteristica fondamentale è la resistenza all’acido solforico, che disgrega in breve tempo il conglomerato cementizio a base di cemento Portland. Il meccanismo dell’attacco solforico su un cemento Portland passa attraverso la formazione, all’interno della struttura porosa del cemento, di solfato di calcio biidrato, con conseguente distruzione meccanica del materiale, dovuta al comportamento espansivo di questo composto. L’utilizzo di un opportuno sistema legante, ricco di fasi ferritiche, che impedisca la formazione del solfato di calcio biidrato, rallenta in modo molto significativo il processo di degrado.

I nuovi formulati offerti consentono interventi di ripristino rapidi ed efficaci, come anche la realizzazione di opere di durata garantita. I più importanti formulati sono di due tipi:

a) formulati monocomponente dotati di sistemi di leganti idraulici con caratteristiche antiacido, inerti e polimeri, per la posa di rivestimenti ceramici in impianti di depurazione e collettori fognari. Negli interventi di ripristino di queste infrastrutture vengono di norma usati rivestimenti antiacidi come gres, ceramica, klinker e mattoni in laterizio antiacido. Il formulato, miscelato con acqua in cantiere, dà origine a un adesivo, di consistenza plastica e a presa rapida. Il materiale indurito garantisce un’elevata resistenza all’aggressione chimica, in particolare all’attacco solforico;

b) formulati monocomponente contenenti sistemi di leganti idraulici con caratteristiche antiacido, oltre a inerti, polimeri e fibre sintetiche, per il ripristino corticale di strutture degradate in calcestruzzo di impianti di depurazione delle acque urbane. Il formulato, miscelato con acqua in cantiere, si trasforma in una malta di consistenza tissotropica, a presa e indurimento rapidi, facilmente applicabile. Il materiale indurito ha eccellenti caratteristiche antiacido; le superfici ripristinate possono essere messe in esercizio dopo circa dieci ore dall’intervento.

Calcestruzzo per le infrastrutture sotterranee

La necessità di adeguare le infrastrutture alle esigenze della società moderna fa sì che le gallerie e le opere sotterranee assumano sempre maggiore importanza, sia nei centri urbani, per renderne compatibile lo sviluppo con la qualità della vita, sia nei lunghi tracciati stradali e ferroviari, dove la costruzione di gallerie di valico molto lunghe può facilitare i percorsi di accesso, riducendo i tempi di percorrenza e incrementando la capacità di trasporto. Si pensi, per es., alla realizzazione della galleria di base della linea ferroviaria del San Gottardo, la cui costruzione è iniziata nel 1999 e che, con i suoi 57 km di percorso, una volta terminata sarà la galleria ferroviaria più lunga al mondo. Il suo scavo meccanizzato ha compiuto prodigiosi progressi sia nei terreni sia nelle rocce, grazie allo sviluppo di una nuova generazione delle frese note come TBM (Tunnel Boring Machine), che permette l’adattamento alle condizioni assai variabili presenti lungo il tracciato della galleria e l’utilizzo anche nelle aree metropolitane, ancor più critiche per la necessità di non arrecare alcun danno strutturale agli edifici e ai manufatti presenti in superficie. Le operazioni con sistema meccanizzato prevedono l’utilizzazione di una fresa che permetta l’esecuzione dello scavo sull’intera sagoma di progetto della galleria e la contemporanea messa in opera del rivestimento di protezione, con un processo ciclico di tipo industriale.

Queste modalità di realizzazione fissano requisiti molto stringenti al calcestruzzo usato per la messa in sicurezza della galleria durante la fase di scavo in avanzamento: i calcestruzzi, che vengono proiettati da apposite lance, devono essere caratterizzati da tempi di presa molto rapidi. Per soddisfare tali requisiti sono stati sviluppati, e sono oggi presenti sul mercato, nuovi acceleranti di presa. Sono formulati a base di sali inorganici, esenti da alcali, proposti sia in forma liquida sia in polvere, che, usati in associazione con gli additivi superfluidificanti, garantiscono al calcestruzzo proiettato un elevato livello delle caratteristiche meccaniche già dopo pochi minuti dalla posa in opera, senza penalizzare lo sviluppo delle resistenze meccaniche del calcestruzzo dopo stagionatura.

L’industria mette quindi a disposizione nuovi additivi che rispondono pienamente alle attuali esigenze dei cantieri di opere in sotterraneo. Senza questi progressi nel campo degli additivi acceleranti di presa, lo straordinario sviluppo delle tecnologie di scavo meccanizzato non sarebbe stato possibile.

Il futuro: le nanotecnologie

Lo sviluppo futuro deve rispondere al trend evolutivo del mercato, anticipandolo e influenzandolo. L’analisi dei bisogni attuali o potenziali del settore evidenzia interessanti opportunità in relazione a esigenze di nuove funzionalità (chimiche, biologiche, elettromagnetiche, strutturali, estetiche), a esigenze di multifunzionalità (isolamento combinato termico/acustico, generazione e stoccaggio di energia) e a esigenze di durata e di manutenzione programmabile.

A fronte delle sfide che si prospettano, si fa strada la consapevolezza che non sia più sufficiente saper controllare e influenzare la strutturazione della materia alla scala micrometrica.

Operare sulla strutturazione della materia alla scala nanometrica significa però essere in grado di osservare quest’ultima con l’opportuna strumentazione (microscopia elettronica con strumenti di nuova generazione, risonanza magnetica nucleare, microscopia a forza atomica, analisi alla luce di sincrotrone), di controllare la struttura del materiale alle dimensioni nanometriche, modificandola nella direzione voluta, e di correlare la nanostruttura ottenuta con la funzionalità desiderata. La valutazione del potenziale innovativo dei propri prodotti deve guidare l’impresa nella scelta delle funzionalità da focalizzare come obiettivo del proprio eventuale investimento in nanotecnologie.

A questo proposito, non si deve cadere nell’errore di identificare le nanotecnologie per i materiali con i nanomateriali, cioè i materiali prodotti in dimensioni nanometriche, quali, per es., nanotubi, nanopolveri e così via. Il concetto di nanotecnologie per i materiali si estende anche ai materiali nanostrutturati, cioè con una struttura controllata alle dimensioni nanometriche, anche se prodotti e applicati alla scala tipica dei materiali per le costruzioni (centimetri o metri). Lo sviluppo di nanotecnologie è una sfida che nessuna impresa del settore dell’edilizia può affrontare e vincere da sola. Poiché sono necessarie conoscenze di frontiera, è fondamentale che l’impresa attivi un’intensa collaborazione con la comunità scientifica. La stessa scelta degli obiettivi da perseguire non è una questione banale e richiede un processo di selezione basato su un grado elevato di conoscenza della materia, che un’impresa può acquisire soltanto attivando appunto un dialogo con la comunità scientifica.

Le nanotecnologie sono una discontinuità tecnologica nel mondo dei materiali per edilizia e quindi of­frono straordinarie opportunità che, se colte tempestivamente, consentiranno la protezione della proprietà intellettuale delle nuove tecnologie sviluppate, e in definitiva apporteranno vantaggi competitivi durevoli.

Conclusioni

Il settore delle costruzioni è molto importante per l’economia italiana, in ragione del valore della produzione, dei livelli di occupazione e dell’incidenza sul PIL. Il segmento dei nuovi materiali per le costruzioni (quelli originati dai formulati del segmento chimica per edilizia, introdotti sul mercato negli ultimi cinque anni) offre opportunità di innovazione all’intero comparto, tradizionalmente conservatore. Il campo del rinnovo e della riqualificazione del patrimonio costruito esistente, incluso il patrimonio con valore storico-artistico, è quello che offre le maggiori opportunità di sviluppo e di innovazione; l’offerta di nuovi formulati in questa prospettiva è ampia e risponde alle esigenze emerse in diverse tipologie di intervento, sia nell’edilizia civile sia nelle grandi opere infrastrutturali.

Le opere infrastrutturali in calcestruzzo armato realizzate nel dopoguerra, trascurando, per scarsa conoscenza o sottovalutazione della sua rilevanza, il degrado causato dall’attacco chimico del calcestruzzo, hanno evidenziato la necessità di importanti interventi di ripristino. Questa constatazione ha stimolato lo sviluppo di additivi per la messa a punto di calcestruzzi di elevata qualità, da impiegare nella realizzazione di nuove infrastrutture con durata prevista di un secolo. Interessante è, inoltre, l’apertura del mercato verso sistemi di isolamento termico e acustico, per rispondere alle crescenti esigenze di sostenibilità ambientale. Per quanto riguarda il restauro del patrimonio costruito con valore storico-artistico, di grande rilevanza in Italia, il mercato non ha raggiunto il livello di trasparenza auspicabile. Tuttavia alcune imprese offrono nuovi formulati per l’impiego specifico, realizzati in ottemperanza ai criteri di compatibilità con i materiali preesistenti.

Le tecnologie comuni che hanno consentito lo sviluppo di un così significativo portafoglio di nuovi formulati, additivi e sistemi, hanno fatto leva sulla capacità di controllare la microstruttura della materia, influenzandola nella direzione desiderata, sia attraverso il sapiente dosaggio di diversi leganti idraulici sia con l’impiego di polimeri al fine di realizzare strutture interpenetrate cemento-polimero. Questo è stato reso possibile dall’aumento delle conoscenze relative ai complessi processi di idratazione del cemento, argomento tuttora oggetto di studio e approfondimento.

Il futuro delle tecnologie dei materiali per edilizia fa prevedere investimenti in nanotecnologie, giustificati dalla consapevolezza che il controllo della struttura della materia alla scala micrometrica non è più sufficiente per permettere di ottenere le funzionalità sempre più sofisticate che si delineano come bisogni, per ora potenziali, del mercato. Le nanotecnologie sono una discontinuità tecnologica nel settore dei materiali per edilizia e offrono straordinarie opportunità. Tuttavia il loro sviluppo rappresenta anche una sfida che obbliga le imprese del settore a promuovere progetti di collaborazione con la comunità scientifica, individuando in questa opzione un fattore chiave di successo.

Bibliografia

ICOMOS, ICOMOS charter. Principles for the analysis, conservation and structural restoration of architectural heritage, 2003, http://www.international.icomos.org/charters/structures_e.htm (1° luglio 2010).

CRESME, Il mercato delle costruzioni 2010. XVII rapporto congiunturale CRESME. Lo scenario di medio periodo 2009-2014, Roma 2009.