Przyczyny zawilgacania budynków

Niezbędnym elementem jest diagnostyka zawilgoconej budowli [2], u której podstaw leży znajomość zjawisk, które prowadzą do zawilgocenia, zachodzących w przylegającym gruncie oraz w samej przegrodzie. Istotne jest bowiem nie tylko przeciwdziałanie przyczynom zawilgocenia występującym w tym konkretnym przypadku, ale również ograniczanie działań zbędnych (w myśl zasady, by "nie strzelać z armaty do wróbla").

Warunki gruntowo-wodne

Woda w gruncie może występować pod postacią wody włoskowatej (wilgotności gruntu), przesiąkającej (niewywierającej ciśnienia hydrostatycznego), zaskórnej oraz gruntowej (w obu przypadkach działającej pod ciśnieniem) [3]. Dobór prawidłowego rozwiązania hydroizolacji budynku wymaga zatem w pierwszym rzędzie zdefiniowania rodzaju obciążenia wodą. Podstawowe rodzaje obciążenia wywieranego przez wilgoć i wodę zawartą w gruncie na zagłębione w nim elementy budynków i budowli przedstawiono w TABELI 1.

Zgodnie z powyższym należy na początku rozróżnić dwie sytuacje - gdy konstrukcja (lub jej część) jest czasowo lub na stałe zanurzona w wodzie (w strefie saturacji, czyli nasycenia wodą [5]) lub też posadowiona jest powyżej najwyższego przewidywanego poziomu zwierciadła wód gruntowych. Powyżej zwierciadła wód gruntowych (w strefie ­aeracji, czyli napowietrzenia [5]) można oczekiwać niewielkiego obciążenia wodą (tj. niewywierającą ciśnienia hydrostatycznego), o ile grunt rodzimy oraz zasypka charakteryzują się odpowiednią przepuszczalnością lub (w przypadku gruntów słabo przepuszczalnych) zainstalowany został sprawny system drenażu. W przeciwnym przypadku dla gruntu słabo przepuszczalnego należy przewidzieć obciążenia wodą spiętrzoną.

Dla sprecyzowania klasy oddziaływania wody na elementy znajdujące się powyżej wód gruntowych istotna jest wodoprzepuszczalność gruntu budowlanego - jako wartość graniczną między gruntem dobrze przepuszczalnym a gruntami o słabszej wodoprzepuszczalności uznawana jest wartość współczynnika wodoprzepuszczalności k = 10^–4 m/s (TAB. 2) [4, 6].

Szczególnie istotne jest zatem prawidłowe określenie występujących warunków gruntowo-wodnych. W tym celu wymagane jest zazwyczaj przeprowadzenie badań geotechnicznych. Od wymogu tego można odstąpić jedynie w przypadku, gdy projekt hydroizolacji wykonany zostanie dla najbardziej niekorzystnego wariantu obciążania: wodą pod ciśnieniem.

Błędy związane z nieprawidłowym doborem hydroizolacji do występujących warunków gruntowo-wodnych mogą nie tylko być związane z nieuwzględnieniem występowania wody napierającej, ale być konsekwencją niewystarczającej wiedzy o stanie wilgotnościowym gruntu powyżej występowania wód gruntowych (RYS. 1).

W strefie aeracji należy się spodziewać dwóch lub trzech rodzajów wody [5, 9]:

• wody związanej, która przylega do cząstek gruntu względnie utrzymywana jest w strefie wzajemnego kontaktu cząstek w postaci wody pendularnej,
• wody kapilarnej (którą można uważać za stan przejściowy między wodą wolną a związaną), transportowanej w gruncie pod wpływem kapilarności przeciwnie do zwrotu działania siły ciężkości, ale również zgodnie z nim oraz w kierunkach poprzecznych.

Wymienione rodzaje wody charakteryzują się tym, że nie da się ich odprowadzić za pomocą drenażu - dlatego zdarzają się sytuacje stosowania drenażu w sytuacji, gdy jest to bezcelowe.

Posadzki budynków posadowionych powyżej zwierciadła wód gruntowych podlegają zasadniczo jedynie tym dwóm rodzajom obciążenia wodą. W przypadku ścian należy ponadto uwzględnić wodę wsiąkową, tj. wodę pochodzącą z opadów atmosferycznych, która infiltruje w gruncie bez wywierania ciśnienia na powierzchnię ścian.

Zdecydowana większość wyrobów stosowanych w zewnętrznych przegrodach budynków to materiały, które zawierają znaczną ilość wolnych przestrzeni o wymiarach bardzo małych w porównaniu z wymiarami samego materiału oraz charakteryzują się dobrze rozwiniętą powierzchnią wewnętrzną. Przestrzeń materiału zajętą przez ciało stałe nazywa się szkieletem, wolne przestrzenie porami - przy czym pory mogą być połączone między sobą systemem kanalików (kapilar) lub też częściowo oddzielone ściankami - a sam materiał ciałem kapilarno-porowatym [10-11].

Pory występujące w materiałach budowlanych mogą mieć różne rozmiary - średnica najmniejszych jest mierzona w nanometrach, zaś największych w milimetrach. Powszechnie stosowany jest podział podany przez Międzynarodową Unię Chemii Teoretycznej i Stosowanej (IUPAC), który w zależności od tzw. promienia efektywnego porów (przyjmując dla uproszczenia ich kulisty kształt) ref, rozróżnia trzy grupy [12]:

• mikropory: r_ef  ≤  2 nm,
• mezopory: 2 nm  <  r_eƒ  ≤  50 nm,
• makropory: r_eƒ> 50 nm.

Pory mogą przyjmować różne formy (porów zamkniętych i otwartych, porów ciągłych i nieciągłych, tzw. kieszeni) oraz kształty - cylindryczne, klinowate, szczelinowe lub kuliste (RYS. 2). Mogą być też w mniejszym lub większym stopniu wzajemnie połączone - rozróżnia się pory otwarte (ciągłe) z przynajmniej dwoma otworami, kieszenie z przynajmniej jednym otworem oraz pory zamknięte niemające połączenia z otoczeniem [13-14].

Właściwości ciał kapilarno-porowatych zależą w głównej mierze od całkowitej objętości porów, rozkładu objętości porów w zależności od ich średnicy (struktury porowatości) oraz powierzchni właściwej porów. Za transport gazów i cieczy w porowatych materiałach budowlanych odpowiedzialne są przede wszystkim pory ciągłe [13].

Magazynowanie i transport wody w materiałach porowatych

Magazynowanie i transport gazów oraz cieczy w porowatych materiałach budowlanych może być zarówno zjawiskiem akceptowanym, jak i niepożądanym. Aby transport zaistniał, wymagane jest wystąpienie siły napędowej, czyli czynnika fizycznego lub chemicznego reprezentowanego przez potencjał wynikający z różnicy ciśnienia, stężenia lub napięcia elektrycznego [13]. Transport wody w przegrodach budowlanych może następować w wyniku przenikania wody grawitacyjnej, przenikania pary wodnej, przemieszczania wilgoci z powodu przewodności wilgotnościowej (między miejscami o różnym zawilgoceniu), przewodności cieplno-wilgotnościowej lub też na skutek podciągania włoskowatego [15].

Sorpcja

Sorpcja jest zjawiskiem kompleksowym polegającym na zdolności wchłaniania przez materiały porowate pary wodnej zawartej w powietrzu. Obejmuje ona dwa trudne do rozgraniczenia procesy fizyczne [16-17] (RYS. 3):

• adsorpcję, czyli zjawisko powierzchniowe występujące na granicy dwóch faz (pary wodnej i ciała stałego) polegające na wiązaniu cząstek pary na powierzchni porów materiału, bedące wynikiem działania sił kohezji (spójności) - sił van der Waalsa,
• absorpcję, czyli przenikanie pary wodnej w głąb struktury materiału.

Przebieg zjawiska sorpcji związany jest z jednej strony ze strukturą materiału porowatego, z drugiej zaś z wilgotnością względną powietrza, czyli prężnością pary wodnej.

Wyróżnia się trzy etapy przebiegu sorpcji, którym odpowiadają odpowiednie przedziały wilgotności względnej (RYS. 4):

• I etap to pochłanianie wilgoci - głównie w wyniku powierzchniowej adsorpcji (początkowo w monomolekularnej warstwie cząsteczek wody na powierzchni przegrody i porów w głębi jej struktury) - oraz początek jej transportu w głąb materiału, zachodzące przy wilgotności względnej ok 15-20%,
• II etap, w którym wilgoć w porach materiału przekształca się w warstewkę polimolekularną oraz następuje dalszy transport wilgoci, zachodzi w zakresie wilgotności względnej ok. 20-80%,
• III etap związany jest z jakościową zmianą przebiegu zjawiska - przy wilgotności względnej ok. 80-100% obok sorpcji odbywa się równolegle kapilarna kondensacja wilgoci, co prowadzi do wypełnienia mikrokapilar wodą swobodną, utrzymywaną w materiale siłami kapilarnymi (różnymi od sił van der Waalsa).

Przy wilgotności względnej wynoszącej 100% (pełne nasycenie powietrza) materiał osiąga pełne nasycenie sorpcyjne, które zazwyczaj jest dużo niższe niż nasiąkliwość maksymalna wynikająca z długotrwałego zanurzenia w wodzie [16-17].

Na wykresach sorpcji poszczególnych materiałów najważniejsze są trzy charakterystyczne punkty pozwalające zbudować krzywą [16-17] (rys. 4):

• w₈₀, czyli zawartość wilgoci przy wilgotności względnej powietrza 80% - wartość umownie kończąca II etap sorpcji,
• w_ƒ, czyli stan swobodnego nasycenia odpowiadający wilgotności względnej 100%,
• maksymalna zawartość wilgoci w materiale wmax charakterystyczna dla danej porowatości materiału.

Kondensacja powierzchniowa

Kondensacja pary wodnej to zjawisko polegające na skraplaniu się zawartej w powietrzu pary w wewnętrznych powierzchniach przegród budowlanych, jak również w ich strukturze. Zjawisko to (dobrze znane osobom noszącym okulary) następuje wtedy, gdy powietrze zetknie się z powierzchnią o temperaturze niższej niż temperatura punktu rosy, czyli takiej, w której para wodna zawarta w powietrzu na skutek schładzania osiąga stan nasycenia, a poniżej której staje się przesycona i skrapla się [17]. Wartość temperatury punktu rosy uzależniona jest zatem od wilgotności względnej oraz temperatury powietrza w pomieszczeniu.

Dyfuzja pary wodnej

Powietrze o danej temperaturze oraz wilgotności charakteryzuje się konkretną wartością ciśnienia cząstkowego pary wodnej. Zewnętrzne przegrody budynku rozdzielają od siebie obszary, które w danym momencie mają inną temperaturę oraz wilgotność, z czego wynika, że mają również różne wartości cząstkowego ciśnienia pary wodnej. W wyniku różnicy ciśnień cząstkowych pary wodnej po obu stronach przegrody dochodzi do transportu pary wodnej przez element budowlany - zjawisko to nosi miano dyfuzji pary wodnej [17].

Siłą napędową dyfuzji pary wodnej są molekularne ruchy Browna (RYS. 5 i RYS. 6) [9]. Cząsteczki pary wodnej poruszają się w mieszaninie gazów w sposób chaotyczny. Jeśli napotkają one przepuszczalny dla pary wodnej otwór w komponencie, wnikają w niego - odbywa się to w zasadzie z obu stron komponentu.

Jeśli po obu stronach elementu budowlanego przepuszczalnego dla pary wodnej występuje takie samo ciśnienie powietrza, lecz po jednej stronie znajduje się więcej cząsteczek pary wodnej, wówczas prawdopodobieństwo, że po pewnym czasie więcej cząsteczek będzie migrować ze strefy o wyższym stężeniu pary niż w kierunku przeciwnym należy uznać za wysokie. W przeciwieństwie do konwekcji pary wodnej, w przypadku której z jednej strony elementu występuje wyższe ciśnienie całkowite, w przypadku dyfuzji nie dochodzi do przepływu, który mógłby wytworzyć ciśnienie [9].

W związku z tym, że wilgotność względna powietrza znajdującego się po zewnętrznej stronie przegrody budowlanej jest zazwyczaj wyższa niż w przypadku powietrza wewnętrznego, wartość ciśnienia cząstkowego pary wodnej, a zatem również kierunek jej przepływu na drodze dyfuzji, są uzależnione przede wszystkim od temperatury powietrza wewnątrz i na zewnątrz budynku. W polskich warunkach klimatycznych oznacza to zazwyczaj dyfuzję na zewnątrz zimą oraz w odwrotnym kierunku latem (RYS. 7) [17].

Dyfundująca przez przegrodę para wodna na styku poszczególnych warstw materiałowych może osiągnąć stan nasycenia, co skutkuje jej skropleniem - zjawisko to określane jest jako kondensacja wgłębna lub międzywarstwowa.

Wielkością charakteryzującą zdolność materiału do przepuszczania pary wodnej jest współczynnik przepuszczalności pary wodnej δ (czyli wielkość analogiczna do współczynnika przewodności cieplnej λ). Wyraża on ilość pary wodnej, jaka w ustalonych warunkach dyfunduje w ciągu 1 godziny przez 1 m2 płaskiej przegrody o długości 1 m, w wyniku różnicy ciśnienia cząstkowego pary wodnej po obu stronach tej przegry wynoszącej 1 Pa [16]. Miarą oporu dyfuzyjnego jest kg/(m∙s∙Pa). Stosowane jest również pojęcie oporu dyfuzyjnego określone wzorem:

,

gdzie:

r - opór dyfuzyjny [m2∙h∙Pa/kg],

d - grubość warstwy materiału.

Obliczenia wilgotnościowe dla przegród budowalnych prowadzi się zazwyczaj, stosując w miejsce współczynnika przepuszczalności pary wodnej oraz oporu dyfuzyjnego wielkości porównawcze, powstałe w wyniku porównania charakterystycznych dla materiału parametrów r oraz δ do tych samych właściwości powietrza.

Znając wartość współczynnika dyfuzji pary wodnej (paroprzepuszczalności) w powietrzu wynoszącą δ0 = 2 ∙ 10–10 kg/(m∙s∙Pa), można dla każdego materiału ustalić współczynnik oporu dyfuzyjnego μ, czyli wartość niemianowaną, wskazujący ile razy opór stawiany dyfuzji pary przez dany materiał jest większy od oporu powietrza [16]:

,

gdzie:

δ - paroprzepuszczalność danego materiału [kg/(m∙s∙Pa)].

Z kolei wartość sd oznacza grubość warstwy powietrza równoważną dyfuzyjnie (o tym samym oporze dyfuzyjnym) warstwie materiału o grubości d:

,

gdzie d oraz s_d wyrażone są w metrach.

Do opisu zjawiska dyfuzji pary wodnej przyjęło się stosować prawo Ficka, zgodnie ze wzorem [17]:

,

gdzie:

g - gęstość strumienia masy [kg/(m2∙s)],

p - ciśnienie cząstkowe pary wodnej [Pa],

χ - współrzędna przestrzenna [m].

Ujemny znak w równaniu wskazuje, że dyfuzja pary następuje w kierunku obszaru o niższej prężności.

Pozostałe sposoby transportu wilgoci w przegrodach budowlanych omówione zostaną w kolejnym artykule cyklu.

Literatura

1. B. Monczyński, "Wtórna hydroizolacja przyziemnych części budynków", "IZOLACJE" 4/2019, s. 120-125.
2. B. Monczyński, "Diagnostyka zawilgoconych konstrukcji murowych", "IZOLACJE" 1/2019, s. 89-93.
3. E. Cziesielski, "Lufsky Bauwerksabdichtung", Teubner, Wiesbaden 2006.
4. DIN Deutsches Institut für Normung e.V., "DIN 18533-1 Abdichtung von erdberührten Bauteilen - Teil 1: Anforderungen, Planungs- und Ausführungsgrundsätze". Beuth Verlag GmbH, Berlin 2017.
5. Z. Pazdro, "Hydrogeologia ogólna", Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1983.
6. Deutsche Bauchemie e.V., "Richtlinie für die Planung und Ausführung von Abdichtungen mit kunststoffmodifizierten Bitumendickbeschichtungen (PMBC), 4. Ausgabe, Dezember 2018". Frankfurt am Main 2018.
7. DIN Deutsches Institut für Normung e.V., "DIN 18130-1 Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts - Teil 1: Laborversuche", 1998.
8. Z. Wiłun, "Zarys geotechniki", Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2000.
9. R. Oswald, "Grundlagen der Bauwerksabdichtung" [w:] "Feuchte und Altbausanierung. 20. Hanseatische Sanierungstage vom 5. bis 7. November 2009 im Ostseebad Heringsdorf/Usedom", (pod. red.: Venzmer H.), Beuth Verlag GmbH, Berlin–Wien–Zürich 2009, s. 95-116.
10. J. Kubik, J. Wyrwał, "Podstawy fizyki materiałów budowlanych" [w:] "Budownictwo ogólne", t. 2, "Fizyka budowli", P. Klemm (red.), Arkady, Warszawa 2005, s. 9-52.
11. J.A. Pogorzelski, "Zagadnienia cieplno-wilgotnościowe przegród budowlanych" [w:] "Budownictwo ogólne", t. 2. "Fizyka budowli", P. Klemm (red.), Arkady, Warszawa 2005, s. 103-364.
12. K.S.W. Sing, "Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity (Recommendations 1984)", "Pure and Applied Chemistry", 4/1985, t. 57, s. 603-619.
13. H.-W. Reinhardt, "Ingenieurbaustoffe", Ernst & Sohn Verlag, Berlin 2010.
14. F. Frössel, "Osuszanie murów i renowacja piwnic", Polcen, Warszawa 2007.
15. H. Stankiewicz, "Zabezpieczenie budowli przed wilgocią, wodą gruntową i korozją", Arkady, Warszawa 1959.
16. A. Dylla, "Fizyka cieplna budowli w praktyce – obliczenia cieplno-wilgotnościowe", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
17. A. Kaliszuk-Wietecka, "Budownictwo zrównoważone: wybrane zagadnienia z fizyki budowli", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2017.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!