Written by Le proprietà meccaniche delle strutture subiscono una degradazione con i fenomeni legati all’incendio. Tuttavia, per una progettazione antincendio più consapevole, è fondamentale indagare anche i meccanismi specifici che causano tali trasformazioni. Non si tratta solo di fisica e meccanica, ma anche di una serie di complesse interazioni fisico-chimiche che alterano la natura stessa di materiali da costruzione.
In questo post ci focalizzeremo sulla chimica che coinvolge i meccanismi di degradazione dei principali materiali da costruzione, basandosi sulle fonti di letteratura tecnica citate alla fine e al mio background universitario e professionale. Cercherò di fornirti una comprensione più profonda del comportamento dei materiali, andando oltre la questione delle proprietà meccaniche.
Calcestruzzo: incombustibile ma vulnerabile al calore dell’incendio
Il calcestruzzo è universalmente riconosciuto per la sua superiore e intrinseca resistenza al fuoco. Senza troppi giri di parole, se devo consigliare un edificio da usare per magazzino e logistica, indico le strutture in calcestruzzo senza nemmeno pensarci.
Ciononostante, non è immune agli effetti del calore che innescano significative trasformazioni chimiche e fisiche all’interno della sua massa, compromettendone l’integrità.
Durante un incendio, il cambiamento delle sue proprietà avviene a causa di complesse reazioni chimiche indotte dal calore, con cambiamenti di fase, che colpiscono sia la pasta cementizia che gli aggregati. L’incendio genera forti gradienti di temperatura, umidità e pressione nei pori all’interno della struttura. Questo calore provoca l’espansione termica dei componenti, ma poiché aggregati e cemento si espandono con dilatazioni diverse, si creano tensioni interne e micro-fessurazioni che indeboliscono tutta la matrice.
Le principali trasformazioni che si verificano nel calcestruzzo all’aumentare della temperatura includono:
| 1 | Vaporizzazione dell’acqua libera | A circa 100°C, l’acqua libera contenuta nei pori evapora. Questo processo assorbe una grande quantità di energia termica, contribuendo significativamente alla resistenza intrinseca del calcestruzzo al fuoco. Sopra i 105°C, inizia anche la perdita dell’acqua legata fisicamente, che provoca un aumento della porosità e la formazione di micro-fessurazioni nella struttura |
| 2 | Dissociazione dell’idrossido di calcio Ca(OH)2 | Tra i 400°C e i 500°C, l’idrossido di calcio si dissocia chimicamente in ossido di calcio (CaO) e vapore acqueo (H2O). Questa reazione segna l’inizio di una degradazione più severa della pasta cementizia, riducendo la stabilità della matrice che tiene uniti gli aggregati. |
| 3 | Trasformazione del quarzo e decarbonatazione | Negli aggregati silicei, a circa 570°C, avviene la trasformazione del quarzo, che comporta un’espansione volumetrica improvvisa e non lineare, causando forti tensioni interne e ancora fessurazioni. Tra i 600°C e gli 800°C, negli aggregati calcarei avviene la decarbonatazione, che causa una contrazione del volume e un ulteriore indebolimento meccanico. |
| 4 | Fusione e vitrificazione | A temperature estreme, intorno ai 1200°C, il calcestruzzo inizia a fondere. Tra i 1300°C e i 1400°C, il materiale può vetrificarsi completamente, trasformandosi in una massa fluida che solidifica solo una volta raffreddata. |
Degradazione meccanica e spalling
Il fenomeno fisico-chimico caratteristico del comportamento del calcestruzzo durante l’incendio è lo spalling (traducibile in “esfoliazione”), che è la rottura/distacco di strati o pezzi di calcestruzzo dalla superficie a a causa dell’effetto combinato di stress meccanici e termici e della pressione dei pori. Risulta frequente che, dopo il distacco del calcestruzzo, sia visibile l’armatura di acciaio (se presente).
Lo spalling può avvenire in maniera lenta, ad esempio a causa di umidità o salsedine, oppure in maniera esplosiva con il distacco violento di strati o frammenti di calcestruzzo dalla superficie esposta al calore dell’incendio.
Il calcestruzzo riscaldato sotto stress compressivo sviluppa il creep transitorio, una componente specifica di deformazione che si manifesta durante il primo ciclo di riscaldamento sotto carico. Questa deformazione dipende dalla combinazione stress-temperatura ed è irreversibile, causando una parziale ridistribuzione delle tensioni interne.
Purtroppo non esiste un preciso range di temperatura per lo spalling, ma la ricerca scientifica identifica alcuni fattori:
| Considerazioni sullo SPALLING | |
|---|---|
| 200-220°C | Questo è l’intervallo considerato più critico per l’insorgenza dello spalling esplosivo dovuto alla pressione dei pori. In particolare, l’isoterma dei 200°C è riconosciuta come quella determinante per l’accumulo di pressione, superando la vecchia convinzione che fosse quella dei 100°C. Dati numerici e sperimentali indicano che il picco di pressione nei pori si registra spesso intorno ai 220°C. [1] |
| 300°C | A questa temperatura inizia una significativa perdita di resistenza meccanica del calcestruzzo, spesso accompagnata da una decolorazione rosa o rossa del materiale (specialmente con aggregati silicei). |
| ALTRI FATTORI DIVERSI DALLA TEMPERATURA | Il momento esatto dello spalling dipende anche dalla velocità di riscaldamento (un rapido aumento di temperatura ne aumenta la probabilità), dal contenuto di umidità (critico se superiore al 3%) e dalla permeabilità della matrice cementizia, come nel caso del calcestruzzo ad alta resistenza che esfolia più facilmente a causa della sua struttura densa. |
| PROBABILE NEI PRIMI 30 MINUTI | Lo spalling esplosivo è tipico dei primi 15-30 minuti di esposizione, mentre il distacco lento o “sloughing off” si verifica solitamente nelle fasi finali del rogo o durante il raffreddamento rapido con acqua [3] |
ATTENZIONE: il calcestruzzo ad alta resistenza (con resistenza meccanica superiore a 75-85 N/mm2 [WIKIPEDIA] ) è molto più suscettibile allo spalling di tipo esplosivo e può essere così violento da rimuovere istantaneamente ampie sezioni di materiale (100-300 mm di lunghezza e 15-20 mm di profondità per ogni scoppio), esponendo le armature metalliche direttamente al calore del fuoco.
Rispetto al calcestruzzo più diffuso, il suo basso rapporto acqua/cemento si traduce in una minore permeabilità, aumentando l’accumulo di pressione del vapore d’acqua all’interno della matrice quando riscaldato rapidamente.
Per limitare il più possibile i fenomeno dello spallig esplosivosi possono utilizzare miscele cementizie addizionate con fibre di polipropilene (PFRC) già in fase di nuova costruzione. Queste fibre agiscono sciogliendosi quando la temperatura raggiunge circa 170°C, creando una rete diffusa di microcanali all’interno della matrice cementizia. Tali percorsi permettono al vapore acqueo di fuoriuscire verso l’esterno, impedendo l’accumulo di pressioni estreme nei pori che causerebbero lo scoppio del materiale. Per garantire questa funzione di scarico della pressione, le normative e la ricerca suggeriscono solitamente un dosaggio minimo dello 0,1% in peso o circa 2 kg/m³ [2]
Acciaio: dilatazione molecolare e reazioni di ossidazione
Durante l’incendio il degrado dell’acciaio avviene principalmente attraverso due meccanismi distinti: uno di natura fisica, che agisce a livello atomico, e uno di natura chimica, che si manifesta a livello superficiale.
A livello fisico, l’aumento della temperatura dovuto all’incendio incrementa l’energia vibrazionale degli atomi che iniziano a oscillare più velocemente, aumentando la distanza media tra loro, causando una dilatazione. A livello chimico avviene quella che si chiama ossidazione, una reazione elettrochimica esotermica in cui gli atomi del metallo cedono elettroni all’ossigeno dell’ambiente circostante.
A causa di questi meccanismi avvengono questi fenomeni:
| Deformazione meccanica | L’acciaio subisce cambiamenti di forma come flessione, distorsione o instabilità (buckling) degli elementi strutturali. |
| Formazione di scaglie (scaling) | Sulla superficie si sviluppa uno strato di ossido solido, noto anche come scaglia o corrosione secca |
| Cambiamenti cromatici | Le superfici lucide possono mostrare frange di colore o assumere una tonalità grigio-bluastra (ossido ferroso); se l’acciaio rimane umido dopo il riscaldamento, si forma la classica ruggine bruna (ossido ferrico). |
Le proprietà dell’acciaio, seppur sia un materiale nobile e indispensabile per le costruzioni, perdono rapidamente i loro requisiti minimi:
| 1 | Bubbling | A 275-300°C possono iniziare a manifestarsi i primi segni visibili. Ad esempio, l’acciaio zincato subisce un danneggiamento superficiale sotto forma di bollicine (bubbling), poiché lo zinco si avvicina al suo punto di rammollimento. Negli acciai da precompressione, inizia una graduale perdita della forza di pre-sollecitazione. |
| 2 | Riduzione della forza di snervamento | Nel range 350-400°C si osserva l’inizio della riduzione della forza di snervamento. A 400°C, le deformazioni dovute alla deformazione viscosa (creep) diventano dominanti, rendendo i calcoli di resistenza semplificati potenzialmente non sicuri per colonne con snellezza intermedia |
| 3 | Intervallo critico di cedimento strutturale | Superati i 500-550°C, l’acciaio perde circa il 50% della sua resistenza allo snervamento e del modulo elastico, diventando incapace di sostenere i carichi di progetto. Questo fenomeno è una diretta conseguenza dell’aumento delle vibrazioni atomiche. Con l’aumento della temperatura, il nucleo degli atomi di ferro nell’acciaio si allontana, portando a una diminuzione della forza di legame interatomico. Questa riduzione della coesione interna si traduce in un calo della resistenza allo snervamento e del modulo elastico del materiale. |
| 4 | Ricristallizzazione dei grani metallici | A circa 600°C si innesca il processo di ricristallizzazione dei grani metallici. Superata questa temperatura, il danno diventa permanente: l’acciaio non recupera più la sua resistenza iniziale dopo il raffreddamento, subendo una perdita di circa 0.3 MPa per ogni grado sopra i 600°C [5] |
L’aggravio dell’ossidazione a causa dell’incendio
Sulla superficie del metallo esposto ad alte temperature in atmosfere gassose come l’aria, avviene una reazione chimica di ossidazione. Questo processo, noto come “scaling” o corrosione a secco, porta alla formazione di uno strato di ossido, o “scaglia” (scale, in inglese), che può staccarsi, riducendo la sezione resistente dell’elemento metallico.
L’acciaio non protetto acquisisce una lucentezza grigio-bluastra dovuta alla formazione di ossido ferroso FeO. Se l’esposizione è prolungata e le temperature sono elevate, si formano strati di ossido nero molto spessi che possono staccarsi (flaking off), riducendo potenzialmente la sezione trasversale dell’elemento.
Corrosione da agenti chimici esterni durante l’incendio
Durante un incendio, l’acciaio può subire danni significativi non solo a causa del calore diretto, ma anche per via di attacchi chimici derivanti dai prodotti della combustione tra cui acidi e anioni associati al vapore acqueo (umidità).
Il caso più emblematico è il cloruro di polivinile (PVC) che produce cloruro di idrogeno (HCl). Quando il gas HCl si combina con l’umidità (presente nell’aria, derivante dalla combustione stessa o dall’acqua utilizzata dai vigili del fuoco), esprime tutta la sua acidità e capacità di corrosione.
In genere, quando un vapore/gas acido viene trasportato dai fumi dell’incendio si deposita sulle superfici sotto forma di fuliggine o film acidi. Tali residui sono considerati tra i più dannosi per i metalli come l’acciaio, la cui corrosione indotta dal fumo si manifesta come una degradazione chimica o elettrochimica che porta alla perdita di superficie o di integrità strutturale.
La forma più distruttiva di corrosione è il pitting, in italiano tradotta come corrosione alveolare, che si verifica quando l’attacco acido penetra o danneggia i rivestimenti protettivi.
La fusione eutettica e trasformazione della microstruttura
Un fenomeno chimico-fisico critico per l’acciaio che può avvenire durante l’incendio è la fusione eutettica, un processo termodinamico che trasforma la sua microstruttura, cambiando stato e organizzazione interna in risposta alle variazioni di temperatura.
Il termine “eutettico” deriva dal greco e significa “facilmente fondibile”. In scienza dei materiali, questo fenomeno si verifica quando una miscela di due o più componenti presenta un punto di fusione inferiore a quello di ciascuno dei suoi costituenti presi singolarmente.
Ciò avviene a causa delle peculiari trasformazioni nella microstruttura della lega tra ferro e carbonio (acciaio, appunto). La microstruttura di una lega metallica è definita dal numero di fasi presenti, dalle loro proporzioni e dal modo in cui sono distribuite. Le trasformazioni avvengono generalmente in due fasi: nucleazione (comparsa di piccolissime particelle della nuova fase) e crescita (aumento delle dimensioni di tali particelle).
Queste trasformazioni influiscono sulle proprietà di rilassamento e sulla resistenza residua dopo il raffreddamento a termine dello sviluppo dell’incendio, rendendo l’acciaio meno resistente.
Legno: prima della combustione c’è la pirolisi
Il legno è un materiale combustibile il cui comportamento al fuoco, sebbene complesso, è prevedibile e dominato da una serie di reazioni chimiche ben definite. E, soprattutto, ci ricorda che la combustione non avviene mai in fase solida, ma sempre in fase gassosa. Forse non lo sapevi ma, prima della combustione del legno, c’è la sua pirolisi.
Con la stessa grafica utilizzata per il calcestruzzo e l’acciaio, le trasformazioni del legno durante l’incendio possono essere sintetizzate come segue:
NB: La pirolisi è la decomposizione termica che avviene in assenza di ossigeno. Questo processo si verifica nella “zona di pirolisi”, uno strato sottile situato immediatamente sotto lo strato superficiale carbonizzato. La pirolisi è la reazione chimica fondamentale che rilascia i gas combustibili responsabili dell’innesco e del mantenimento della fiamma.
| 1 | Disidratazione | In questa fase iniziale, il calore provoca l’evaporazione dell’acqua libera e di quella legata chimicamente nelle cellule del legno. Già ad 80-110°C, un’esposizione prolungata a queste temperature avvia le prime reazioni di degradazione. A 100-200 °C l’acqua vaporizza completamente e il legno inizia a perdere peso, rilasciando anche oli volatili e resine. In questa fase non si notano ancora cambiamenti visivi drastici, sebbene inizi un lento processo di decomposizione. |
| 2 | Pirolisi e imbrunimento | Con l’aumento della temperatura, la struttura molecolare dei componenti organici del legno (cellulosa, emicellulosa e lignina) inizia a rompersi. A 230 °C si osserva un imbrunimento esterno del materiale e a 240 °C Il legno può accendersi in presenza di una fiamma pilota [5]. A 270 °C: Inizia la formazione di quello che viene definito carbonio piroforico. In questa fase, la pirolisi è ancora in fase iniziale e i gas emessi non sono ancora sufficienti a sostenere una combustione costante. |
| 3 | Pirolisi attiva e carbonizzazione | In questo intervallo, il legno subisce una trasformazione rapida e irreversibile. Tra i 280-320 °C, si stabilizza il cosiddetto “fronte di pirolisi”, dove il legno si trasforma attivamente in carbone, con la decomposizione della cellulosa (tra 240 °C e 350 °C) e della lignina (fino a 500 °C), che rilascia grandi quantità di gas infiammabili come metano e metanolo, oltre a vapore acqueo e fuliggine. Man mano che la combustione prosegue, lo strato esterno diventa nero e carbonizzato. |
| 4 | Ossidazione superficiale e riduzione della sezione resistente | Dopo i 500 °C, se l’apporto di ossigeno è sufficiente, lo strato carbonizzato continua a ossidarsi sulla superficie, portando a una graduale riduzione della sezione resistente. Mentre la parte esterna perde ogni capacità portante, il nucleo centrale rimane relativamente freddo e mantiene gran parte delle sue proprietà meccaniche originali, subendo solo una modesta perdita di resistenza e rigidità finché non viene raggiunto dal fronte di calore. |
Nella fase 3 avviene un fenomeno particolare e specifico: una volta innescata la combustione, la superficie del legno carbonizza, formando uno strato di carbone. Questo strato carbonizzato agisce come un isolante termico molto efficace, proteggendo il materiale sottostante non ancora bruciato. La conducibilità termica si riduce, il che rallenta significativamente la progressione del degrado verso l’interno della sezione.
(Il nero sotto lo strato carbonizzato è lo sporco trasportato dalla lama durante il taglio del legno.)
Quando gli ingegneri del legno dicono che il legno è fantastico contro il fuoco non sbagliano: questo nobile materiale modellato da milioni di anni di evoluzione possiede un comportamento al fuoco intrinsecamente efficace grazie alla formazione dello strato carbonizzato che garantisce:
| Isolamento eccezionale | Lo strato di carbone agisce come un isolante estremamente efficiente, poiché la sua conduttività termica è circa un sesto di quella del legno massiccio utilizzato per le costruzioni. |
| Protezione del nucleo | Questo strato rallenta drasticamente il trasferimento di energia verso l’interno, mantenendo il nucleo centrale del membro strutturale a temperature vicine a quella ambiente,. Di conseguenza, mentre la parte esterna brucia, il cuore del legno mantiene gran parte della sua resistenza e elasticità originarie. |
| Auto-estinzione | Grazie a questo isolamento e alla regolazione del flusso di calore, il legno può talvolta raggiungere l’auto-estinzione se la fonte di calore esterna viene rimossa o ridotta, poiché il calore generato dalla combustione superficiale non è più sufficiente a sostenere la pirolisi interna. |
Purtroppo, però. il legno utilizzato per le costruzioni non è esattamente identico al legno naturale e ci sono problemi specifici da considerare.
La delaminazione del legno ingegnerizzato sotto l’azione dell’incendio
L’essere umano ha modificato la struttura naturale del legno per migliorarne l’edificabilità, creando prodotti come il legno lamellare e il legno a strati incrociati (X-LAM),. Questi prodotti permettono di costruire edifici molto più alti e complessi grazie all’eliminazione dei difetti naturali (come i nodi) e all’aumento della stabilità dimensionale. Tuttavia, questa evoluzione ha introdotto un fenomeno critico noto come la delaminazione (se lo cerchi in inglese scrivi “debonding”).
Nelle strutture moderne come gli X-LAM, gli strati di legno sono tenuti insieme da adesivi. Se l’adesivo non è termicamente stabile, l’incendio può compromettere il legame chimico tra gli strati e la protezione dello strato carbonizzato.
Infatti, il debonding avviene quando lo strato già carbonizzato si stacca a causa del cedimento della colla, esponendo il legno vergine sottostante direttamente all’azione del fuoco. Questo distacco impedisce al legno di formare uno strato protettivo stabile, con spessori raddoppiati di carbonizzazione, aumento della velocità di rilascio del calore e l’auto-estinzione che diventa quasi impossibile [5].
In fase di costruzione, il produttore di X-LAM può fare qualcosa utilizzando collanti migliori: alcuni adesivi poliuretanici, ad esempio, cedono a temperature relativamente basse (50-70°C), mentre altri (come i resorcina-formaldeide) rimangono stabili oltre i 170°C, preservando l’integrità della sezione per più tempo [5].
Polimeri fibro rinforzati : una complessa degradazione fisico-chimica
Si tratta di una cosa che ho scoperto da pochi anni, a stento ci credevo, ma i polimeri e in particolare i materiali compositi a base polimerica possono essere utilizzati per la capacità portante strutturale, sebbene il loro impiego richieda accorgimenti specifici, specialmente in relazione alla sicurezza antincendio. Questi materiali sono considerati estremamente efficienti dal punto di vista strutturale grazie ai loro eccellenti rapporti resistenza-peso.
Tieni presente che non si parla di strutture di pura plastica ma, piuttosto, insiemi di materiali da costruzione in cui il polimero esalta alcune proprietà, utilizzabile principalmente al posto dell’acciaio come:
- struttura reticolare per ponti o strutture temporanee;
- barre all’interno del calcestruzzo, al posto di quelle di acciaio.
Il loro impiego avviene prevalentemente sotto forma di materiali compositi noti come FRP (Fiber Reinforced Polymers) di varie tipologie, in italiano detti “polimeri fibro rinforzati”. Questi materiali combinano una matrice polimerica con fibre di rinforzo (come vetro, carbonio o arammide) per creare componenti con proprietà meccaniche superiori a quelle dei singoli elementi costitutivi.
Le principali tipologie utilizzate in ambito strutturale includono:
- GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer): compositi rinforzati con fibre di vetro, molto diffusi per la produzione di profili strutturali pultrusi. Sono economici e offrono un’alta resistenza specifica quando integrati in una matrice plastica.
- CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer): compositi rinforzati con fibre di carbonio, caratterizzati da una rigidità e una resistenza ancora più elevate rispetto al GFRP, sebbene con costi superiori.
- Compositi in Arammide (es. Kevlar): utilizzati per l’eccezionale rapporto forza-peso e per la resistenza agli impatti.
I polimeri sono maggiormente impiegati per la costruzione di ponti pedonali, strutture in ambienti difficili soggetti a corrosione e nelle ristrutturazioni edilizie parziali. Esistono anche edifici la cui struttura portante primaria è composta interamente da profili in FRP, come la Cattedrale Effimera di Créteil, una struttura temporanea costruita nel 2013 per ospitare i fedeli durante la ristrutturazione di due anni della loro cattedrale. In genere, le strutture portanti fatte di FRP sono temperanee o fisse con bassi carichi, come ponti pedonali.
Le strutture in polimero non sono adatte all’incendio perché combustibili ed emanano fumi tossici
Poiché, principalmente, i polimeri vengono utilizzati per strutture temporanee e strutture con bassi carichi, avrai capito da solo che il loro difetto principale risiede nella loro sensibilità alle elevate temperature. Quando l’incendio accresce la sua potenza termica, Il calore può indebolire i polimeri e causare cedimenti strutturali quando la temperatura supera la temperatura di transizione vetrosa. In molti casi, il limite critico per la resistenza è di circa 100 °C, un valore molto basso se confrontato con acciaio o calcestruzzo.
Per mantenere la capacità portante durante un incendio, questi materiali richiedono livelli estesi di isolamento termico, in modo che le temperature interne rimangano vicine a quelle ambientali. Come se non bastasse, a differenza del calcestruzzo o dell’acciaio, i polimeri sono combustibili, possono propagare le fiamme e, decomponendosi, emettere gas altamente infiammabili e/o tossici (come fumi densi o acido cloridrico nel caso del PVC).
Questa soluzione è quindi poco considerata in ambito antincendio e, se deve essere valutata ai fini antincendio, si fa solo in quei pochi casi già citati in precedenza.
Conclusione
La performance strutturale di un edificio in caso di incendio non è semplicemente una questione di riduzione delle proprietà meccaniche, ma è governata da una serie di complesse reazioni chimiche e fisiche che trasformano i materiali a livello molecolare e atomico.
La comprensione di questi meccanismi fondamentali come:
- lo spalling nel calcestruzzo;
- l’ossidazione e l’indebolimento dei legami atomici nell’acciaio;
- la carbonizzazione nel legno;
- la scissione delle catene nei polimeri;
È essenziale per l’ingegnere antincendio moderno. La scienza dei materiali ci aiuta ad effettuare valutazioni più accurate, sviluppare modelli più realistici e progettare sistemi strutturali più robusti e sicuri, andando ben oltre la semplice applicazione di fattori riduttivi tabellari.
Riferimenti
| RIFERIMENTO | AUTORE | |
|---|---|---|
| [1] | Fire Safety Engineering Design of Structures | John A. Purkiss and Long-yuan Li CRC Press |
| [2] | UNI EN 1992-1-2 Eurocodice 2 – Progettazione delle strutture di calcestruzzo – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio | AA.VV. UNI Ente Italiano di Normazione |
| [3] | A Comprehensive Review of Spalling and Fire Performance of Concrete Members | M. Hedayati, M.Sofi, P. A. Mendis, T. Ngo |
| [4] | EUROCODES: Background & Application Structural Fire Design | AA.VV. European Commission |
| [5] | International Handbook of Structural Fire Engineering | K. La Malva, D.Hopkin SFPE |
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