Meccanismo di evoluzione delle strutture porose nella arenaria sotto l’effetto combinato di cicli igrotermici e soluzione di Na2SO4

Perché la disgregazione delle rocce conta

In superficie, le colline e le scogliere di arenaria appaiono solide e senza tempo. Eppure, in molte valli, bacini e tagli stradali, queste rocce si indeboliscono nel giro di pochi anni, scatenando frane e cadute di massi che minacciano persone e infrastrutture. Questo studio indaga un colpevole silenzioso ma potente: i ripetuti cicli di inumidimento e riscaldamento in presenza di acqua salata. Osservando come cambiano i pori microscopici all’interno dell’arenaria in queste condizioni, i ricercatori spiegano perché alcuni pendii perdono gradualmente resistenza e come gli ingegneri possano proteggerli meglio.

Pioggia, sole e sale che agiscono insieme

In molte regioni montane, i versanti di arenaria sono esposti a un ritmo regolare di pioggia, sole e di nuovo pioggia. L’acqua in questi contesti raramente è pura: spesso contiene sali disciolti, tra cui il solfato di sodio. Il gruppo si è concentrato su arenaria raccolta da un pendio nel distretto di Wanzhou, Chongqing, Cina, e ha preparato piccoli campioni cilindrici. Questi campioni sono stati immersi in soluzioni di solfato di sodio a tre concentrazioni diverse, oltre che in acqua distillata a scopo di confronto. Ogni campione è stato sottoposto a cicli ripetuti: un’ora di immersione a temperatura ambiente, un’ora di asciugatura a 60 °C — simile alla superficie rocciosa esposta al sole — e quindi raffreddamento fino a temperatura ambiente.

Osservare la roccia che cambia dall’interno

Dopo ogni dieci cicli, i ricercatori misuravano come l’arenaria cambiava. Hanno monitorato la perdita di massa man mano che piccoli granuli si staccavano, verificato la durezza superficiale, utilizzato onde sonore per sondare la rigidezza interna e applicato la risonanza magnetica nucleare a basso campo per mappare la struttura dei pori. In 50 cicli, i campioni nelle soluzioni saline hanno perso più massa rispetto a quelli in acqua pura, con la soluzione più concentrata che ha causato circa il 4,5% di perdita di massa. La durezza è diminuita fino al 10%, soprattutto dopo circa 20 cicli, segnalando che la superficie della roccia diventava più friabile e meno resistente all’usura.

Da pori minuscoli a cavità più grandi

Le misure a scala dei pori rivelano come si sviluppa questo indebolimento. All’inizio, quando l’acqua ricca di sale penetra e poi evapora, il solfato di sodio cristallizza all’interno dei pori più piccoli. In fase iniziale, i cristalli possono effettivamente riempire gli spazi e far sembrare la roccia leggermente più compatta e più veloce nella trasmissione delle onde sonore. Ma quando i cicli di bagnamento e asciugatura si ripetono, i cristalli crescono e si riducono più volte, esercitando pressione sulle pareti dei pori. Questo finisce per far cedere le pareti tra pori adiacenti, trasformando molti micropori in pori meno numerosi ma più grandi e persino in microfessure. La porosità complessiva aumenta, in particolare a concentrazioni saline maggiori, e la velocità delle onde sonore raggiunge un picco intorno ai 20 cicli per poi diminuire man mano che il danno si accumula.

Il sale come motore nascosto del danno ai pendii

Nel complesso, gli esperimenti mostrano che i cicli di umidità contenente solfato di sodio sono un motore efficiente di degrado delle rocce. L’acqua salata penetra prima nei pori esistenti, quindi la cristallizzazione e la ricristallizzazione li aprono gradualmente e li collegano tra loro. Man mano che la popolazione di pori minuti si sposta verso vuoti di dimensione media e grande, l’arenaria diventa più leggera, più morbida e meno capace di trasmettere onde — segni di un telaio interno indebolito. Per gli ingegneri che progettano o mantengono pendii vicino a bacini, strade o siti del patrimonio culturale, il messaggio è chiaro: non tutta l’acqua è uguale. Contenuto salino e cicli climatici di bagnamento-asciugatura possono trasformare silenziosamente un’arenaria apparentemente robusta in un materiale molto più fragile, aumentando nel tempo il rischio di erosione e cedimenti.

Citazione: Geng, J., Li, X., Wu, Y. et al. Evolution mechanism of pore structures in sandstone under coupled effect of hygrothermal cycles and Na₂SO₄ solution. Sci Rep 16, 10554 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46746-w

Parole chiave: alterazione dell’arenaria, cristallizzazione dei sali, struttura porosa, stabilità dei pendii, cicli bagnamento-asciugatura