Quel Nemico Silenzioso Sottoterra: Come l’Entropia Fuzzy Smaschera i Killer delle Nostre Fogne!

Ehilà, amici della scienza e curiosi di ogni sorta! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio un po’ insolito, nelle profondità nascoste delle nostre città: le condotte fognarie in calcestruzzo. Lo so, non è esattamente l’argomento più glamour del mondo, ma credetemi, quello che succede laggiù ha un impatto enorme sulla nostra vita quotidiana e sulle casse comunali. Parliamo di un nemico subdolo e costoso: la corrosione.

Immaginate queste tubazioni come le arterie sotterranee delle nostre metropoli, che lavorano incessantemente per trasportare le acque reflue. Ma, come ogni infrastruttura, invecchiano e si degradano. La corrosione, in particolare quella indotta microbiologicamente (un processo chiamato MICC, da microbiologically induced concrete corrosion), è una vera spina nel fianco. Costa milioni, se non miliardi, ogni anno in riparazioni e sostituzioni. Un vero salasso!

Ma cosa scatena questa corrosione così aggressiva?

Beh, non è una singola causa, ma un cocktail micidiale di fattori. Pensate a un’indagine complessa: ci sono tanti sospettati, e spesso lavorano in combutta! Abbiamo fattori ambientali, legati ai materiali stessi del tubo, all’età e alle caratteristiche della condotta, a come viene gestito il flusso e persino a fattori fisici esterni come il tipo di terreno. Il problema è che tutti questi elementi sono pieni di incertezza e sono interdipendenti. Un bel rompicapo, vero?

Fino ad oggi, molti studi si sono concentrati su singoli aspetti, un po’ come guardare un elefante esaminando solo la proboscide o una zampa. Mancava una visione d’insieme, un modo per pesare l’importanza di ogni “sospettato” tenendo conto di questa confusione e delle loro losche alleanze.

Entra in scena l’Entropia Fuzzy: l’investigatore che ci serviva!

Ed è qui che la faccenda si fa affascinante! Recentemente, un gruppo di scienziati ha proposto un approccio innovativo, che suona un po’ da film di fantascienza: un metodo basato sull’entropia fuzzy composta. Tranquilli, non scappate! Cercherò di spiegarvelo in modo semplice. La “logica fuzzy” è un modo matematico per trattare informazioni vaghe, imprecise, un po’ come quando diciamo “fa abbastanza caldo” invece di “ci sono 28.7 gradi Celsius”. L’ “entropia”, in questo contesto, ci aiuta a misurare l’incertezza e a dare un “peso” oggettivo all’importanza di ciascun fattore. Mettendo insieme queste due cose, otteniamo uno strumento potentissimo per dare priorità ai veri colpevoli della corrosione.

Questo nuovo studio ha preso in esame una marea di variabili, raggruppandole in cinque categorie principali:

• Ambientali: tipo il famigerato idrogeno solforato (H₂S), il pH, l’umidità, la temperatura e l’ossigeno (O₂).
• Materiali: come la quantità di cemento, l’alcalinità, il rapporto acqua/cemento (w/c), la porosità e la permeabilità del calcestruzzo.
• Relative al tubo: l’età, la lunghezza, il diametro, la profondità di interramento e la pendenza.
• Operative: la velocità del flusso, la pressione dell’acqua, la perdita di energia idraulica, il tempo di permanenza dei liquami e il tipo di fognatura.
• Fisiche: il tipo di suolo, la sua corrosività, l’umidità del terreno, il livello della falda acquifera e i carichi esterni.

Analizzando tutti questi dati con il loro super-metodo, i ricercatori sono riusciti a stilare una “lista dei ricercati” dei fattori più influenti. E chi c’è in cima? Preparatevi!

I “Magnifici Undici” della Corrosione (in senso negativo, ovviamente!)

Ecco i principali indiziati che, secondo questo studio, dobbiamo tenere d’occhio più di tutti:

• Idrogeno Solforato (H₂S): con un peso di influenza di 0.2073, è il boss indiscusso. Viene prodotto da batteri specifici (i solfato-riduttori o SRB) in assenza di ossigeno. Questo gas, una volta rilasciato nell’aria all’interno del tubo, viene trasformato da altri batteri (i solfo-ossidanti o SOB) in acido solforico. E l’acido solforico, beh, si mangia il calcestruzzo che è una meraviglia!
• Pressione dell’acqua: a pari merito con l’H₂S (0.2073)! Fluttuazioni di pressione possono causare stress meccanico, micro-crepe che diventano porte d’accesso per la corrosione. E alta pressione significa anche alta velocità, che può erodere.
• pH: con 0.2055, è un altro pezzo da novanta. Un pH basso (acido) accelera il rilascio di H₂S e favorisce i batteri che producono acido. Un circolo vizioso!
• Velocità del flusso: peso 0.2043. Un flusso troppo veloce può erodere e aumentare la turbolenza, che a sua volta facilita il rilascio di H₂S. Un flusso troppo lento, d’altro canto, favorisce la sedimentazione e le condizioni anaerobiche per la produzione di H₂S.
• Tipo di suolo: con 0.2042, il terreno circostante gioca un ruolo cruciale. Terreni argillosi o acidi, o con alta mobilità ionica, sono più aggressivi.
• Età del tubo: 0.2039. Non c’è da stupirsi, l’invecchiamento porta con sé un indebolimento generale del materiale.
• Umidità: 0.2031. L’umidità elevata è fondamentale per l’attività microbica e per la formazione dell’acido solforico sulla superficie del tubo.
• Contenuto di cemento: 0.2026. Un maggior contenuto di cemento di solito significa un calcestruzzo più denso e meno permeabile agli agenti aggressivi. Anche il rapporto acqua/cemento è risultato ugualmente significativo.
• Corrosività del suolo: 0.2025. Legato al tipo di suolo, ma considera specificamente la sua composizione chimica e l’attività microbica che possono accelerare il degrado.
• Lunghezza del tubo: 0.2019. Tubi più lunghi possono avere più giunzioni (punti deboli) e zone di flusso stagnante, favorendo l’accumulo di H₂S.
• Alcalinità: 0.2015. L’alcalinità del calcestruzzo è la sua prima linea di difesa contro gli acidi. Quando si abbassa, la corrosione accelera.

Impressionante, vero? Vedere questi numeri ci dà un’idea chiara di dove concentrare gli sforzi.

Perché questo approccio è una svolta?

Qualcuno potrebbe dire: “Ma non c’erano già metodi per studiare la corrosione?”. Certo! Modelli statistici, machine learning… ma spesso questi metodi faticano a gestire l’incertezza in modo strutturato, o a classificare i fattori in modo sistematico, o a tener conto delle loro interdipendenze. Alcuni modelli di machine learning, pur essendo potenti, sono come delle “scatole nere”: ti danno il risultato, ma non ti spiegano bene il perché. La bellezza dell’approccio basato sull’entropia fuzzy è che:

• Cattura l’incertezza: permette di usare giudizi esperti anche quando sono un po’ vaghi, trasformandoli in numeri “fuzzy”.
• Considera le interdipendenze: la ponderazione basata sull’entropia aiuta a identificare i fattori critici in base alla loro importanza relativa, superando i limiti delle valutazioni indipendenti.
• Migliora la priorità: offre una classifica più strutturata dei fattori, guidata dai dati e validata dagli esperti.
• È versatile: il modello può essere adattato anche ad altri tipi di tubazioni, non solo quelle fognarie in calcestruzzo, ma anche metalliche o in materiali compositi.

Pensateci: conoscere i veri “pesi massimi” della corrosione permette di sviluppare strategie di mitigazione mirate. Invece di sparare nel mucchio, si può intervenire sui fattori che contano davvero di più. Per le condotte esistenti, si potrebbe monitorare e regolare il pH dei liquami, la velocità del flusso o la pressione. Per quelle nuove, si possono scegliere materiali più resistenti (con il giusto contenuto di cemento e basso rapporto acqua/cemento), progettare meglio la pendenza per evitare ristagni, o considerare attentamente il tipo di suolo in cui verranno interrate.

Uno sguardo più da vicino ad alcuni “cattivi”

Abbiamo visto che l’H₂S è il nemico pubblico numero uno. Questo gas si forma nelle zone anaerobiche (senza ossigeno) della fogna. Poi sale, si deposita sulle pareti umide del tubo e lì i batteri SOB lo trasformano in acido solforico. Questo acido reagisce con il calcio nel cemento, formando gesso ed ettringite, composti che si espandono e indeboliscono la struttura. Più H₂S c’è, più veloce è la corrosione. Alcuni studi mostrano che con livelli di H₂S sopra i 50 ppm (parti per milione), il pH della superficie del calcestruzzo può crollare da 13 a meno di 2 in pochi mesi! Un disastro.

Il pH, come detto, è un complice fondamentale. Un ambiente acido non solo accelera la corrosione chimica ma favorisce anche i batteri che la causano. E un pH basso fa sì che più H₂S passi dalla forma disciolta nell’acqua a quella gassosa nell’aria del tubo, pronto per essere trasformato in acido. Mantenere un pH sopra il 7.5 può rallentare significativamente la formazione di acido solforico.

L’umidità relativa (RH) è un altro fattore chiave. L’acqua è vita, anche per i microbi cattivi! Un’alta umidità sulla superficie del tubo crea l’ambiente ideale per l’attività microbica e per la formazione dell’acido. Anche con tanto H₂S, se l’umidità è bassa, la corrosione è minima.

E l’età del tubo? Beh, è come per noi umani: con l’età, gli acciacchi aumentano. Il materiale si indebolisce, diventa più poroso, più suscettibile agli attacchi. Tubi installati negli anni ’20 o ’50 mostrano, non a caso, danni molto più severi.

Interessante notare che fattori come la temperatura e l’ossigeno, pur avendo un ruolo, sono risultati meno dominanti rispetto a H₂S, pH e umidità. La temperatura può accelerare le reazioni, ma se mancano gli “ingredienti” principali, il suo effetto è limitato. L’ossigeno, in un certo senso, ha un doppio ruolo: la sua assenza favorisce la produzione di H₂S nel liquame, ma la sua presenza nell’aria del tubo è necessaria ai batteri SOB per produrre l’acido. Un equilibrio delicato.

Materiali sotto la lente

Parlando dei materiali, il contenuto di cemento e il rapporto acqua/cemento (w/c) sono risultati importantissimi. Un calcestruzzo con più cemento e un basso rapporto w/c è generalmente più denso, meno poroso e quindi meno permeabile. Questo significa che gli agenti aggressivi, come l’acido solforico, faticano di più a penetrare e a fare danni. L’alcalinità del calcestruzzo, data principalmente dall’idrossido di calcio, è la sua capacità di neutralizzare gli acidi. Quando questa “riserva alcalina” si esaurisce a causa degli attacchi acidi continui, la protezione viene meno. La permeabilità (quanto facilmente i fluidi attraversano il materiale) e la porosità (quanti “vuoti” ci sono nel materiale che possono riempirsi di fluidi) sono anch’esse cruciali. Un materiale meno permeabile e meno poroso è ovviamente più resistente.

Fattori operativi e fisici: non sottovalutiamoli!

La pressione dell’acqua e la velocità del flusso, come già accennato, hanno un impatto notevole. Pressioni elevate e fluttuanti possono stressare il tubo, mentre velocità elevate possono erodere la superficie e aumentare la turbolenza, che a sua volta facilita il rilascio di H₂S nell’atmosfera del tubo. Anche il tempo di permanenza dei liquami è importante: più a lungo i liquami ristagnano, più è probabile che si esaurisca l’ossigeno disciolto e si formino zone anaerobiche ideali per la produzione di H₂S.

Per quanto riguarda i fattori fisici, il tipo di suolo e la sua corrosività sono in cima alla lista. Suoli acidi, o ricchi di solfati o cloruri, o con un’alta attività microbica, possono attaccare il calcestruzzo dall’esterno. Anche il livello della falda acquifera e l’umidità del suolo giocano un ruolo, perché l’acqua è un veicolo per gli agenti corrosivi e favorisce le reazioni chimiche e biologiche. Il carico esterno (ad esempio, il peso del terreno sovrastante o il traffico) è risultato meno impattante sulla corrosione chimica diretta, ma può certamente peggiorare le cose causando crepe o deformazioni che espongono nuove superfici all’attacco.

Cosa ci portiamo a casa da tutto questo?

Questo approccio basato sull’entropia fuzzy è più di un semplice esercizio accademico. È uno strumento pratico che può rivoluzionare il modo in cui gestiamo e manteniamo le nostre infrastrutture fognarie. Identificare con precisione i fattori più critici significa poter:

• Sviluppare strategie di manutenzione e riabilitazione più efficaci ed economiche.
• Progettare nuove condotte più durature fin dall’inizio.
• Ottimizzare le condizioni operative per minimizzare la corrosione.
• Informare le politiche e gli standard di costruzione per garantire infrastrutture più resilienti e sostenibili.

Insomma, anche se nascoste e poco affascinanti, le nostre fogne meritano tutta la nostra attenzione scientifica e tecnologica. Smascherare i killer silenziosi che le divorano da dentro è un passo fondamentale per città più funzionali, più sicure e meno costose da mantenere. E chissà, magari la prossima volta che sentirete parlare di “entropia fuzzy”, non penserete a un film di fantascienza, ma a un modo intelligente per salvare le nostre arterie sotterranee!

Alla prossima, e continuate a farvi domande!

Fonte: Springer