Zabezpieczanie przed zawilgoceniem elewacji budynków ocieplonych od wewnątrz

Konstrukcjom takim stawiane są szczególne wymagania wilgotnościowe w zakresie dyfuzji pary wodnej czy też ochrony przed zacinającym deszczem [ 1 ]. Podobnym wyzwaniem jest odpowiednie zabezpieczenie przed wilgocią cokołowej strefy budynku, gdy z jakichś względów (zwykle tych samych co opisane powyżej) nie można na odpowiednią wysokość nad poziom terenu wyprowadzić hydroizolacji przyziemia [ 2 ].

Impregnacja hydrofobowa

Jednym z rozwiązań (i prawdopodobnie stosowanym najczęściej) pozwalającym na zabezpieczenie elewacji przed zawilgoceniem, bez pogorszenia dyfuzji pary wodnej, jest jej zabezpieczenie przez hydrofobizację ( FOT. 1 ).

Hydrofobowość (gr. hydro – woda, phobos – strach) oznacza niezdolność materiału do łączenia się z wodą, natomiast hydrofobizacja to zabieg, którego celem jest zwiększenie odporności (wskutek zmniejszenia nasiąkliwości) porowatych materiałów budowlanych na działanie wilgoci, poprzez nasycanie lub pokrywanie ich materiałami hydrofobowymi [ 3 – 4 ].

Impregnacja hydrofobowa porowatego materiału budowlanego polega na intensywnym zwilżeniu powierzchni materiału budowlanego substancją impregnującą, która jest absorbowana przez siły kapilarne i po reakcji wyściela ścianki porów kapilarnych warstwą hydrofobową [ 4 ].

Sposób działania preparatów hydrofobizujących najłatwiej zobrazować, umieszczając kroplę wody na powierzchni materiału budowlanego. Jeśli materiał jest hydrofobowy (hydrofobizowany), kropla pozostaje niemal kulista, jeśli natomiast podłoże jest hydrofilowe (lubi wodę), kropla traci swój kulisty kształt i rozchodzi się po powierzchni [ 5 ].

W wyniku działania sił napięcia powierzchniowego, powierzchnia kropli wody przy kontakcie z ciałem stałym tworzy tzw. kąt zwilżalności, czyli kąt pomiędzy powierzchnią ciała stałego a styczną do powierzchni cieczy poprowadzoną w miejscu styku – na granicy trzech faz ( RYS. główny ).

Kąt zwilżania

Występowanie kąta zwilżania wynika z równowagi sił w miejscu kontaktu cieczy z ciałem stałym [ 6 ]: jeśli napięcia powierzchniowe (a dokładniej energię potrzebną do utworzenia powierzchni jednostkowej na każdej z granic faz) na granicy faz ciało stałe/gaz, ciało stałe/ciecz oraz ciecz/gaz oznaczymy odpowiednio przez σ _sg , σ _sc oraz σ _cg , siły pozostawać będą w równowadze, jeśli zostanie spełniony warunek:

z czego wynika:

Po uwzględnieniu faktu, że praca adhezji cieczy do ciała stałego (na jednostkę powierzchni wzajemnego kontaktu) dana jest wzorem:

powyższe równanie można zapisać w następującej formie:

gdzie:

γ  – kąt zwilżania materiału przez wodę [°],
W_ad  – praca [J],
σ_cg  – napięcie powierzchniowe [N/m].

Wartość kąta γ jest zatem miarą zwilżalności:

• gdy siły przylegania (adhezji) przeważają nad siłami spójności (kohezji), kropla cieczy rozpościera się na powierzchni podłoża
  (1  <  W_ad/σ_cg  <  2  →  0  <  γ  < π/2) – ciecz zwilża; materiał hydrofilowy (RYS. 2),
• przeważają siły spójności (0  <  W_ad/σ_cg  <  1  →  π/2  <γ  < π) – ciecz nie zwilża; materiał hydrofobowy (RYS. 3).

Związki krzemoorganiczne

W przeszłości stosowano takie środki hydrofobizujące jak mydła, woski czy organiczne żywice sztuczne [ 8 ]. Wieloletnie badania nad właściwościami stosowanych w praktyce związków hydrofobowych wykazały, że najlepsze rezultaty uzyskano w przypadku związków krzemoorganicznych i to one są obecnie powszechnie stosowane w celu hydrofobizacji materiałów budowlanych [ 8 – 10 ].

Związki krzemoorganiczne to związki chemiczne zawierające w swej cząsteczce atom krzemu czterowartościowego związany z atomami wodoru, węgla, fluorowca, tlenu lub azotu [ 11 ].

Krzem to drugi po tlenie najczęściej występujący pierwiastek na Ziemi (16,3% atomów) – w postaci związków chemicznych (głównie tlenków oraz krzemianów) wchodzi on w skład niemal wszystkich rodzajów skał oraz produktów ich wietrzenia (niemal 90% skorupy ziemskiej) [ 12 ].

Krzem, jako pierwiastek sąsiadujący w układzie okresowym z węglem, jest najbardziej do niego podobny spośród wszystkich innych pierwiastków. Podobieństwo to jest szczególnie widoczne w połączeniu z rodnikami organicznymi.

Związki zawierające wiązanie krzem-węgiel wykazują właściwości fizyczne oraz chemiczne zbliżone do związków z łańcuchem węglowym [ 10 – 13 ].

Podstawowym związkiem krzemoorganicznym jest małocząsteczkowy silan – krzemowy analog metanu. Największą rolę w praktyce odgrywają pochodne silanu o wzorze ogólnym R_nSiX_4-n, w którym R oznacza atom wodoru, grupę alkilową lub arylową, X natomiast atom chlorowca lub grupę alkoksylową [ 14 ].

Bardziej rozbudowane związki krzemoorganiczne – polimery krzemoorganiczne określane mianem silikonów – zawierają jednocześnie charakterystyczne dla krzemu wiązania siloksanowe oraz wiązania związków organicznych typu węglowodorów [ 15 ]. Ich budowa chemiczna – dobrym przykładem jest podobieństwo w budowie ketonu metylowego oraz meru poli­dimetylosiloksanu ( RYS. 4–5) [ 16 ] – oraz właściwości nadają im charakter pośredni między substancjami organicznymi a nieorganicznymi, przez co nazywane są polimerami półorganicznymi lub nieorganiczno-organicznymi [ 15, 17 – 18 ].

Podstawą nomenklatury związków krzemoorganicznych są nazwy odpowiednich krzemowodorów, zwanych silanami, z uwzględnieniem numeracji atomów krzemu [ 10, 13 ]:

• SiH₄    silan
• H₃Si–SiH₃    disilan
• H₃Si–SiH₂–SiH₃    trisilan
• H₃Si–SiH₂–SiH₂–SiH₃    tetrasilan itd.

Obecność w związku krzemoorganicznym grupy hydroksylowej oznacza się przy użyciu końcówki -ol, np. 2-metylodisilan-1-ol – CH₃HSi–SiH₂OH.

Obecność grup aminowej, nitrowej lub alkoksylowej zaznacza się przy użyciu przedrostków amino-, nitro- oraz alkoksy-, przed którymi należy podać liczbę grup, a także numery atomów krzemu, przy których znajdują się podstawniki, np. tetraetoksysilan – (C₂H₅O)₄Si.

Łańcuchowe oraz pierścieniowe związki krzemoorganiczne, zbudowane naprzemiennie z atomów krzemu oraz tlenu, nazywa się siloksanami, np. 1,2-dietoksy-1,1,2,2-tetrametylodisiloksan

Związki krzemoorganiczne najczęściej dzieli się na dwie grupy [ 10, 13 ]:

1) monomery, tj. związki zawierające w cząsteczce jeden atom krzemu:
a) związki zawierające wiązanie Si-C:
   • alkilo- i arylosilany o wzorze ogólnym R_nSiH_4-n, np. metylosilan – CH₃SiH₃,
   • alkilo- i arylochlorosilany o wzorze ogólnym R_nSiCl_4-n, np. dimetylodichlorosilan – (CH₃)₂SiCl₂,
   • alkilo- i arylosilanole o wzorze ogólnym R_nSi(OH)_4-n, np. trimetylosilanol – (CH₃)₃SiOH;

b) związki zawierające wiązanie Si-O-C:
   • alkoksy- i aryloksysilany o wzorze ogólnym RO₄Si, np. tetrametoksysilan – (CH₃O)₄Si,
   • alkoksy- i aryloksychlorosilany o wzorze ogólnym (RO)_nSiCl_4-n, np. dietoksychlorosilan – (C₂H₅O)₂SiCl₂
   • alkoksy- i aryloksysilanole o wzorze ogólnym (RO)nSi(OH)_4-n, np. trietoksysilanol – (C₂H₅O)₃SiOH;

2) oligomery i polimery, tj. związki zawierające dwa lub więcej atomów krzemu:
a) związki o wiązaniu Si-Si, np. trisilan – H₃Si-SiH₂-SiH₃;
b) związki o wiązaniu Si-O-Si, czyli siloksany:
   • siloksany łańcuchowe

• siloksany pierścieniowe

• siloksany rozgałęzione

Impregnaty na bazie związków krzemoorganicznych

Impregnaty takie stosowane są do podłoży mineralnych od wczesnych lat 50. XX w. [ 4 – 5 ].

Wspólną cechą tych związków krzemoorganicznych jest tworzenie w podłożu sieci hydrofobowej żywicy silikonowej ( RYS. 6 ).

Silny efekt hydrofobizacji wynika z faktu, że powstający polisiloksan wiąże się z podłożem w taki sposób, że grupy alkilowe są od niego skierowane jak najdalej ( RYS. 7 ) [ 14 ].

Pierwsza generacja impregnatów na bazie silnie alkalicznych metylokrzemianów nie jest już zalecana do impregnacji elewacji ( RYS. 8 ). Materiały te można opisać jako „krewnych” szkła wodnego. Mają one trzy charakterystyczne właściwości [ 4 – 5 ]:

• są wysoce alkaliczne (pH > 12),
• mają stosunkowo duże molekuły,
• efektem ubocznym ich sieciowania są żel krzemionkowy oraz sole higroskopijne.

Żadna z tych właściwości nie może być postrzegana jako zaleta w przypadku hydrofobizacji elewacji.

• Zasadowość może mobilizować składniki podłoża (np. tlenki żelaza) i prowadzić do przebarwień.
• Duże cząsteczki utrudniają penetrację podłoża,
• Osadzanie się żelu powodowało zestalenie powierzchni,
• Sole higroskopijne mogły powodować powstawanie wykwitów oraz prowadzić do wtórnego (higroskopijnego) zawilgacania podłoża.

Stosowane od połowy lat 60. XX w. środki hydrofobowe na bazie żywic silikonowych również miały stosunkowo duże cząsteczki, co negatywnie wpływało na penetrację, jednak w porównaniu z metylokrzemianami alkalicznymi nie wykazywały wysokiej wartości pH oraz nie utwardzały impregnowanej powierzchni [ 5 ].

Mieszaniny stosowane do impregnacji hydrofobowej elewacji

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy technicznej do impregnacji hydro­fobowej elewacji stosowane są mieszaniny silanów/siloksanów w różnych formach zastosowania (płyny lub kremy), tj. jako [ 4 ]:

• mieszaniny silan/siloksan zawierające rozpuszczalniki organiczne,
• mieszaniny silan/siloksan w postaci koncentratów mikroemulsji silikonowych (SMK) na bazie wody,
• mieszaniny silan/siloksan w postaci wodnej emulsji,
• mieszanki silan/siloksan w kremie.

Silany/siloksany – to rozpuszczalne w węglowodorach związki atomów krzemu i wodoru, stosowane jako środki hydrofobizujące.

Dzięki specyficznej strukturze silany w znacznym stopniu poprawiają przyczepność między materiałami organicznymi i nieorganicznymi, zapewniając ochronę przed przenikaniem wody. Niewielki rozmiar cząstek pozwala również na dobrą penetrację w materiałach budowlanych [ 19 ].

Wadę tych środków stanowi fakt, że substancje aktywne reagują z wodą, początkowo stosowano je więc wyłącznie w produktach bezwodnych zawierających rozpuszczalniki organiczne, które mogą być szkodliwe dla zdrowia i/lub środowiska, przez co wymagają zwiększonych środków ochronnych podczas aplikacji.

Wraz ze wzrostem świadomości ekologicznej w latach 70. i 80. XX w. dążono do zastąpienia rozpuszczalników organicznych mniej niebezpiecznymi substancjami, co udało się dzięki stabilizacji substancji aktywnych w roztworze wodnym za pomocą emulgatorów. Ponieważ rozwiązanie to skutkuje gorszą zdolnością do penetracji w głąb podłoża (zawarte w emulsji „pęcherzyki substancji czynnej” mają większe rozmiary niż składniki aktywne o niskiej masie cząsteczkowej), obecnie funkcjonują równolegle zarówno płynne środki hydrofobizujące „na bazie rozpuszczalnika”, jak i „na bazie wody” [ 5 ].

W latach 90. XX w. opracowane zostały koncentraty mikroemulsji silikonowych (określane również jako SMK, od ang. Silicone Mikroemulsion Concentrates ) [ 20 ]. Podobnie jak silany i siloksany, wykazują one działanie hydrofobizujące [ 21 ]. Są to czyste silany lub modyfikowane związki siloksanów dostarczane w formie koncentratu. Podobnie jak klasyczne emulsje, SMK stanowią one układ dwufazowy typu olej w wodzie [ 14 ].

SMK nie zawierają rozpuszczalników organicznych ani alkaliów oraz charakteryzują się niską lepkością. Są to płyny bezwonne i przezroczyste – średnica cząstek zemulgowanych (ok. 10–9 do 10–10 m; RYS. 9 ) jest bowiem nawet o dwa rzędy wielkości mniejsza niż w emulsjach silikonowych (ok. 10–8 do 10–9 m) i, w odróżnieniu od nich, w mikroemulsjach nie zachodzi rozpraszanie światła [ 14 ]. Po dodaniu do wody tworzą one stabilne drobnocząsteczkowe mikroemulsje silikonowe.

Wielkość cząsteczek pozostaje niezmienna również wówczas, gdy koncentrat zostanie wymieszany z wodą [ 21 ]. Mikroemulsje silikonowe są układami nietrwałymi – w obecności wody zachodzą reakcje hydrolizy oraz polikondensacji, co prowadzi do powstawania coraz większych cząsteczek. Natomiast szybkość tych reakcji jest na tyle mała, że mikroemulsje mogą być używane przez minimum 24 godz. [ 14 ].

Najnowszym osiągnięciem w dziedzinie środków hydrofobizujących jest tak zwana technologia kremów. Dzięki konsystencji pasty produkty te utrzymują się na powierzchni elewacji znacznie dłużej niż produkty płynne i dzięki temu mają możliwość dotarcia do głębszych warstw elewacji.

Inną praktyczną zaletą technologii kremów jest prosta, precyzyjna obróbka – materiał można m.in. bez problemu nakładać nad głową. Można też znacząco zminimalizować skomplikowane i kosztowne środki ochrony sąsiednich elementów.

Technologia kremu działa najskuteczniej przy aplikacji pomiędzy ok. 150 do 300 g/m² [ 5 ].

Hydrofobizacja, jak wszystkie inne technologie posiada swoje wady i zalety i nie może być stosowana bezkrytycznie – w określonych przypadkach może wręcz stanowić zagrożenie dla budynku i dlatego o jej zastosowaniu każdorazowo powinien decydować wykwalifikowany specjalista, który będzie potrafił prawidłowo ocenić ewentualne zagrożenia [ 23 ]. Podstawy podejmowania decyzji o wykonaniu zabiegu hydrofobizacji, kryteria jej zastosowania (wraz z wymaganymi badaniami), jak również wymagania dotyczące impregnacji wraz z metodami kontroli jakości po obróbce, a także sposoby weryfikacji jej skuteczności opisane zostaną w kolejnej części cyklu.

Literatura

1. B. Monczyński, „Zasady projektowania docieplania budynków od wewnątrz”, „IZOLACJE” 6/2021, s. 24–32.
 2. B. Monczyński, „Uszczelnienie od zewnątrz odsłoniętych elementów istniejących budynków”, „IZOLACJE” 5/2019, s. 109–115.
 3. W. Skowroński, „Ilustrowany leksykon architektoniczno­‑budowlany”, Arkady, Warszawa 2008.
 4. WTA Merkblatt 3-17-10/D, „Hydrophobierende Imprägnierung von mineralischen Baustoffen”, München, Wissenschaftlich­‑Technische Arbeitsgemeinschaft für Bauwerkserhaltung und Denkmalpflege e.V., 2010.
 5. R. Spirgatis, J. Engel, „Hydrophobierende Imprägnierung von Fassadenoberflächen”, Schützen & Erhalten, 3/2010, s. 11–15.
 6. P. Atkins, J. de Paula, „Chemia fizyczna”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2019.
 7. M. Homann, „Feuchtenschutz”, w: W.M. Willems (red.), „Lehrbuch der Bauphysik”, Springer Vieweg, Wiesbaden 2017, s. 155–304.
 8. D. Barnat-Hunek, „Hydrofobizacja opoki wapnistej w obiektach zabytkowych Kazimierza Dolnego”, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2010.
 9. W. Domasłowski, M. Kęsy-Lewandowska, J.W. Łukaszewicz, „Badania nad konserwacją murów ceglanych”, Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2004.
10. J.W. Łukaszewicz, „Badania i zastosowanie związków krzemoorganicznych w konserwacji zabytków kamiennych”, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2002.
11. M. Trochonowicz, „Analiza skuteczności przepon wykonanych metodami iniekcji chemicznej w murach z opoki wapnistej”, Politechnika Lubelska, Lublin 2011.
12. K.-H. Lautenschläger, W. Schröter, A. Wanninger, „Nowoczesne kompendium chemii”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007.
13. T. Jasiński, „Związki krzemoorganiczne”, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1955.
14. J. Ciabach, „Właściwości żywic sztucznych stosowanych w konserwacji zabytków”, Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2001.
15. V. Bažant, V. Chvalovský, J. Rathouský, „Silikony: związki krzemoorganiczne, ich synteza, własności i zastosowanie”, Państwowe Wydawnictwa Techniczne, Warszawa 1955.
16. O. Henning, D. Knöfel, „Baustoffchemie”, Verlag Bauwesen, Berlin 2002.
17. H. Saechtling, „Tworzywa sztuczne – poradnik”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000.
18. W. Szlezyngier, Z.K. Brzozowski, „Tworzywa sztuczne”, t. 2 „Polimery specjalne i inżynieryjne”, Wydawnictwo Oświatowe FOSZE, Rzeszów 2012.
19. J. Weber, „Horizontalsperren im Injektionsverfahren”, w: J. Weber (red.), „Bauwerksabdichtung in der Altbausanierung: Verfahren und juristische Betrachtungsweise”, Springer Vieweg, Wiesbaden 2018, s. 257–304.
20. F.-J. Hölzen, „Entwicklung und Anwendung der nachträglichen chemischen Horizontalsperren in 25 Jahren – Grundsätze für die Planung und Ausführung, Ausblick für die Zukunft”, w: „25 Jahre Feuchte und Altbausanierung. 25. Hanseatische Sanierungstage vom 30. Oktober bis 1. November 2014 im Ostseebad Heringsdorf/Usedom”, Beuth Verlag GmbH, Berlin–Wien–Zürich 2014, s. 21–32.
21. F. Frössel, „Mauerwerkstrockenlegung und Kellersanierung. Wenn das Haus nasse Füße hat”, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2012.
22. R. Wójcik, „Ochrona budynków przed wilgocią i wodą gruntową”, w: P. Klemm (red.), „Budownictwo ogólne”, t. 2 „Fizyka budowli”, Arkady, Warszawa 2005, s. 913–981.
23. B.J. Rouba, „Pielęgnacja świątyni i innych zabytków. Książka nie tylko dla księży”, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!