1 Mechanika wilgoci. Fizyka i chemia budowli część 1-1Bmgr inż. Anna Najder, dr inż. Tomasz Najder Wersja 06/2008, zmodifikowana 10/ (Part 1_1 PP 2007, animation + p/r) Copyright notice Unauthorised copying of this presentation as whole or in parts in any form or by any means, electronic, photocopying, recording or otherwise, without prior written permision is prohibited. ready

2 Spis treści Wstęp 3 Źródła wilgoci 10Bezpośrednie oddziaływanie wilgoci na budynek Skutki zawilgoceń Przyczyny kłopotów wilgotnościowych obiektów zabytkowych Transport wody i wilgoci Tradycyjne i współczesne tynki Transport wody w murach otynkowanych Pojęcia związane z wilgocią (parą) Dyfuzja i konwekcja pary wodnej Przepuszczalność pary i paroszczelność Dyfuzja i konwekcja c.d Kondensacja pary, punkt rosy Konwekcja w obiektach sakralnych Wilgoć w konstrukcjach murowych Naprężenia i odkształcenia w murze Naprawy – „przykazania” ready

3 inne materiały budowlane (sztywniejsze, silniejsze i paroszczelne), 4. Przyczyny kłopotów wilgotnościowych obiektów zabytkowych współcześnie przebudowywanych i eksploatowanych inne materiały budowlane (sztywniejsze, silniejsze i paroszczelne), inne warunki klimatyczne wnętrz: intensywne ogrzewanie pomieszczeń (uprzednio zimnych) oraz zmienione funkcje (np. na gastronomiczne, powodujące silne parowanie), błędy ludzkie w powiązaniu z wszechobecną komercjalizacją wykorzystania zabytków. press press ready

4 5. Transport wody i wilgociw formie cieczy: przecieki wody (wolnej) przez rysy, pęknięcia i raki, podciąganie kapilarne w formie pary: dyfuzja dążenie pary wodnej do wyrównywania różnic w jej koncentracji, konwekcja przepływ powietrza w celu wyrównania się ciśnień. press ready

5 Woda w formie cieczy – podstawowe pojęciaWilgotność [% wagowe]: stosunek ilości wody w materiale wilgotnym do masy przesuszonego materiału. Kapilarność [mm]: zdolność materiałów porowatych (dzięki napięciu powierzchniowemu wody) do pionowego transportu wody w kapilarach = porach gruntu. Warstwa przeciwkapilarna: warstwa materiału przeciwdziałająca podciąganiu kapilarnemu wody (w formie cieczy). Materiały takie to gruboziarniste grunty np. żwir, wełna mineralna lub folie fundamentowe. press press ready

6 Przepływ wody i transport kapilarnyoznacza ruch wody w gruncie lub ciekach wodnych pod wpływem sił ciążenia lub ciśnienia. W gruntach gruboziarnistych (piaski, pospółki, żwir) woda w gruncie może się przemieszczać wiele setek metrów na dobę, w gruntach drobnoziarnistych i spoistych (iły, gliny) tylko do kilku decymetrów na dobę nawet przy dużym ciśnieniu. Transport kapilarny oznacza ruch wody w kierunku bardziej suchych gruntów. Podciąganie kapilarne w kierunku pionowym zależy od stopnia porowatości gruntu i wielkości porów. W gruntach takich jak żwir podciąganie kapilarne wynosi zwykle maksymalnie kilka centymetrów wobec wielu metrów w ile i glinie. W gruntach gruboziarnistych zmiany poziomu wody następują szybko, ilości napływającej i odpływającej wody mogą być znaczne – odwrotnie w gruntach drobnoziarnistych i ilastych. ready press press press press

7 Woda w gruncie – wodoprzepuszczalność gruntówInfiltracja wody opadowej Poziom wody w gruncie jest zmienny i zależy od wielkości opadów, strumieni wody penetrujących w gruncie i przepuszczalności gruntu. Zdecydowana większość wody opadowej i roztopowej spływa po powierzchni terenu lub paruje – jedynie 10÷15 % infiltruje w grunt i tworzy wodę gruntową. Nienasycona strefa gruntu Strefa nasycona wodą Poziom podciągania kapilarnego Wysokość podciągania kapilarnego Poziom zwierciadła wody gruntowej Opad atmosferyczny Spływ powierzchniowy wody Woda infiltrująca Parowanie 3 5 4 ready press press press

8 Transport wody przez podciąganie kapilarnePodciąganie kapilarne dąży do wyrównywania stopnia wilgotności poprzez ruch wody w formie cieczy. Następuje to, gdy w materiale zostaje przekroczona pewna krytyczna wartość wilgotności i przy pewnej minimalnej, koniecznej ilości zmagazynowanej wody. Podciąganie kapilarne ma znaczenie dla analizy transportu wody z gruntu do fundamentów oraz przy penetracji deszczu zacinającego wgłąb fasady. ready press press press

9 Podciąganie kapilarne w murach u ich podstawy: X X Podciąganie kapilarne w murach u ich podstawy: silne w glinie i ile, słabsze w drobnym piasku. W grubym piasku i żwirze praktycznie nie występuje, mury z elementów porowatych (np. z cegły) na zaprawie wapiennej lub wapienno- cementowej podciągają kapilarnie wodę w całym przekroju, mury z elementów nieporowatych (kamienia) podciągają wodę tylko poprzez zaprawę, monolityczne elementy z kamieni nieporowatych nie podciągają w ogóle. ready press press press press

10 X X Podciąganie kapilarne następuje nie tylko przy posadowieniu poniżej zwierciadła wody gruntowej – A, występuje również przy posadowieniu na warstwach gruntu o dużym podciąganiu kapilarnym w poziomie posadowienia – B, już w średniowieczu stosowano warstwy przeciwkapilarne ze żwiru – C, obecnie powszechnie stosuje się przepony izolacyjne, warstwy przeciwkapilarne lub drenaż – D. ready press press press

11 Współczesna metoda izolacji poziomej i pionowej przy użyciu membrany z folii lub papy (przypadek D).ready

12 Podciąganie wilgoci w murach zewnętrznych i wewnętrznychJeśli podciąganie kapilarne wilgoci w murach budynku związane jest ze zwierciadłem wody gruntowej, to wysokość podciągania w ścianach wewnętrznych jest wyższa niż w ścianach zewnętrznych, na skutek łatwiejszego odparowania z tych ostatnich. Jeśli podciąganie kapilarne wilgoci w murach budynku związane jest z niewłaściwym odprowadzaniem wody lub przeciekami z instalacji, to wysokość jest nieregularna, często wyższa w ścianach zewnętrznych niż w wewnętrznych. press ready

13 Wilgoć w murach zewnętrznych i wewnętrznychKościół w Krośniewicach: - wilgoć w murach wewnętrznych budynku wskutek wykonania wzdłuż murów zewnętrznych opaski betonowej i cokołu cementowego. (fot. J. Tajchman) press ready

14 Przykłady i skutki błędów ludzkich:ready

15 Centrum Ekumeniczne w Gdańsku – Oliwie: za wysoko położony i pochylony do budynku teren w rejonie zachodniej ściany Klasztoru. Widoczna rura spustowa zasilająca teren pomiędzy Klasztorem i budynkiem gospodarczym. ready

16 Centrum Ekumeniczne w Gdańsku – Oliwie: zawilgocenie istniejącego budynku, planowanego na bibliotekę. Skutek wypływu wody deszczowej z rur spustowych, zasilających grunt. ready

17 Zasilanie strefy podstawy muru zewnętrznego poprzez rury osłonowe kabli energetycznych, działających jak system nawadniający. (Bologna – Włochy) ready

18 Transport wilgoci kapilaryMateriały budowlane w znaczącej większości posiadają system porów, chłonących wodę. Są to materiały hydrofilne. Poprzez tzw. hydrofobizację np. silikonami można utrudnić penetrację wody w pory, tworząc materiał hydrofobowy. kapilary hydrofilny hydrofobowy kropla wody powierzchnia normalna normalne materiały budowlane (hydrofilne) impregnowane materiały budowlane (hydrofobowe) kropla wody press press powierzchnia hydrofobizowana ready

19 Transport wody w materiałach budowlanych c.d.Materiał drobnoporowaty np. zaprawa cementowa pobiera wodę z materiału gruboporowatego np. cegły. małe ilości wody: drobne pory ssą wodę z grubszych gp dp gp dp gp dp duże ilości wody: jedyny wyjątek transportu odwrotnego tj. z materiału drobnoporowatego do gruboporowatego, gdy występuje duży, gwałtowny napływ wody. gp dp press press ready

20 Kryterium porowatości materiałów w murzetynk gruboporowaty cegła zaprawa i tynk wapienny zaprawa i tynk cementowy Materiały - gruboporowate odsysanie Przypadek A - drobnoporowate gp dp deszcz mało intensywny press press press (–) mur odsysa wodę z tynku i trudno ją oddaje (długo). ready

21 Określenie zawartości wilgoci w murzeWilgotność próbki 1 (z muru z kamienia naturalnego) i próbki 2 (z muru ceglanego) określa się poprzez zważenie tych próbek przed i po wysuszeniu w temp. 105 °C. Ilość wilgoci (wilgotność) określa się stosunkiem ilości wody do ciężaru suchej próbki w [%] – wagowych. Dzieląc próbkę z odwiertu na odcinki można określić zmiany wilgotności w przekroju muru, by określić, z której strony wilgoć wnika do muru. press press ready

22 press ready

23 deszcz mało intensywnytynk gruboporowaty cegła zaprawa i tynk wapienny zaprawa i tynk cementowy Materiały - gruboporowate odsysanie - drobnoporowate Przypadek B dp gp deszcz mało intensywny press (+) tynk słabo chłonie wodę deszczową, odsysa ew. wilgoć z muru. press ready

24 Fasada domu pokrytego tradycyjnym tynkiem wapiennym:Gp cegła Dp tynk wap. stan bezpośrednio po zawilgoceniu deszczem zacinającym, stan po upływie kilku dni. Pozytywny przykład właściwego doboru tradycyjnych materiałów budowlanych pod kątem uniknięcia szkód od wilgoci. press press ready

25 wilgotność w tynku i w murze ponownie rośnie !!!tynk gruboporowaty cegła zaprawa i tynk wapienny zaprawa i tynk cementowy Materiały - gruboporowate odsysanie Przypadek C - drobnoporowate gp dp (–) tynk przepuszcza duże ilości deszczu, mur odsysa tę wodę i trudno ją oddaje (długo) – pomimo ssącego działania tynku gruboporowatego. press press press deszcz intensywny ready

26 deszcz intensywny tynk gruboporowaty Materiały - gruboporowate cegłazaprawa i tynk wapienny zaprawa i tynk cementowy Materiały - gruboporowate odsysanie Przypadek D - drobnoporowate dp gp (+) tynk słabo chłonie nawet duże ilości deszczu (tworzy się nawet na jego zewnętrznej powierzchni warstewka wody), zawilgaca on jednak mur, ale potem tę wodę odsysa. press press press warstewka wody deszcz intensywny press ready

27 Podsumowanie Przypadek A: tynk gp, mur dp, deszcz mało intensywny.Przypadek B: tynk dp, mur gp, deszcz mało intensywny. Przypadek C: tynk gp, mur dp, deszcz intensywny. Przypadek D: tynk dp, mur gp, deszcz intensywny. press press press press ready

28 6. Tradycyjne i współczesne tynkigp dp dp gp tynk gruboporowaty cegła zaprawa i tynk wapienny zaprawa i tynk cementowy Materiały - gruboporowate odsysanie - drobnoporowate (+) Wariant tradycyjny: - relatywnie drobnoporowaty tynk na gruboporowatym podłożu – wariant prawidłowy z punktu widzenia transportu wilgoci. (-) Wariant współczesny: - „grunt” odsysa wodę z tynku, stanowi barierę dla „oddychania” muru. (-) Wariant współczesny: - zewnętrzna warstwa tynku gp w stosunku do „gruntu” dp. podciąganie kapilarne press press press press ready bardzo dp, dp / gp gp, dp, bardzo dp / gp dp, bardzo dp / gp

29 podciąganie kapilarne Współczesne tynki cechuje niewłaściwa kolejność warstw (rys. środkowy i na prawo). Materiał najbardziej drobnoporowaty powinien być od zewnątrz. Chroni on wtedy mur od deszczu (tak, jak w tynku tradycyjnym – rys. na lewo). W innym przypadku bardziej drobnoporowate wewnętrzne warstwy tynku (w stosunku do bardziej gp warstw zewn.) ssą wodę do wewnątrz lub stanowią barierę uniemożliwiającą oddawanie wilgoci z muru, zamakającego kapilarnie od wewnątrz. press press press press ready

30 Drobno- i gruboporowatość jest pojęciem względnym: podciąganie kapilarne Drobno- i gruboporowatość jest pojęciem względnym: tzw. „tłusta” zaprawa wapienna tzn. o stosunku wapno / piasek 1:1 będzie zawsze bardziej dp od wewnętrznej warstwy tynku wapiennego o stosunku wapno / piasek 1:3 (relatywnie mniej wapna) – rys. na lewo, określenie cegły jako gp w stosunku do tynku wapiennego odnosi się do cegły średniowiecznej, ręcznie wyrabianej – rys. na lewo. Współczesna cegła maszynowa jest z kolei bardzo szczelna – nie chłonie wilgoci, a stanowi dla niej barierę. Strukturą zbliżona jest do kamienia – prawie w ogóle nie podciąga wody kapilarnej – rys. na prawo. press press ready

31 podciąganie kapilarne c) zaprawa wapienna o stosunku wapno / piasek 1:5 jest tynkiem gp (chudym), zwłaszcza do tynku wapienno-cemetowego („gruntu” sczepnego) – rys. środkowy. Im większa zawartość cementu do wapna, tym materiał jest bardziej dp. Jako dp będzie ssał wodę z gp, ale po przekroczeniu pewnej ilości cementu będzie stanowił zaporę dla wody i z tynku zewn. (wapiennego), jak i z muru (oba gp) – rys. środkowy, d) tynk wapienno-cementowy o dużej zawartości piasku będzie bardziej gp (np. KC – od kalk / cement / piasek 2:1:12) niż tynk KC 1:1:8 – decyduje zawartość piasku – rys. na prawo. „Grunt” cementowy w ogóle bez wapna (niezależnie od ilości piasku) będzie zawsze bardzo dp. press press ready

32 Nasiąkanie cegieł = higroskopijność + kapilarność + Wyniki badań higroskopijności i szybkości oddawania wody w zależności od czasu dla próbek cegły o różnym stopniu zasolenia od 0 ÷ 4 %. Chłonięcie wody nie zależy wyłącznie od drobno- lub gruboporowatości cegły, ale od jej zasolenia. Im większe zasolenie, tym szybsze i większe ilości chłoniętej wody – wilgoć bowiem chłoną też sole. Cegły o mniejszym zasoleniu chłoną dłużej i mniej wody, ale i dłużej przesychają. Nasiąkanie cegieł = higroskopijność + kapilarność + wypełnianie się grubych por i pęknięć wodą wolną. Przez hygroskopijność rozumie się chłonięcie wilgoci z powietrza (np. przez sól kuchenną), kapilarność odnosi się z kolei do tzw. wody wolnej. Przez grube pory rozumie się właściwie otwory, będące defektami przy prefabrykacji cegły. press press press press press ready

33 7. Transport wody w murach otynkowanych – aspekty dodatkowedp gp Większość wody deszczowej spływa po murze, jedynie część wsiąka w mur. W czasie schnięcia ważne jest, aby tynk miał większą zdolność do transportu wilgoci niż mur – można mówić wtedy o ssącym działaniu tynku, wysuszającego mur. Tynki bardzo porowate (o małej zawartości wapna, a dużej piasku) lub spękane – gruboporowate paradoksalnie, podobnie jak cementowe, wsysają jedynie bardzo niewielkie ilości wody. W porach powstają bowiem kieszenie powietrzne, przeciwdziałające przenikaniu wody od deszczu zacinającego. Tynki bardzo porowate lub spękane ready press press press

34 Transport wody w murach otynkowanych, pomalowanych farbą i chropowatychprzesychania Ochronne (przed wodą) działanie tynku polega między innymi na zdolności szybkiego oddawania wilgoci do atmosfery. Istotna jest nie tylko ilość porów, ich wielkość i kształt, ale również zewnętrzna faktura tynku. Relatywnie duża powierzchnia (baranek) przyspiesza efekt schnięcia. Definicja właściwych i niewłaściwych farb nastąpi w dalszej części prezentacji. press press press ready

35 Efektywny transport wilgoci od działania deszczu zacinającego w ścianie pokrytej porowatym tynkiem wapiennym i wapienną farbą elewacyjną. Brak uszkodzeń od mrozu pomimo usytuowania domu w srogim klimacie (nad morzem w Sztokholmie, Szwecja). Tynk typowy dla Skandynawii jest ułożony jako „baranek”. press ready

36 Dom mieszkalny z cegły w Sopocie: - przykład uszkodzeń tynku i farby elewacyjnej, wyprodukowanej na bazie cementu. Zawilgacanie murów od gruntu oraz wodą deszczową (patrz szczelny cokół betonowy i opaska, utrudniające wyjście wilgoci z muru). ready

37 Zabytkowy mur z cegły w Sztokholmie: - przykład uszkodzeń tynku i farby elewacyjnej, wyprodukowanej na bazie cementu. Zawilgacanie murów od gruntu oraz wodą deszczową (patrz szczelny cokół betonowy i opaska, utrudniające wyjście wilgoci z muru). Bezsensowna naprawa zaprawą i tynkiem cementowym. ready

38 Szczelny tynk pozostaje niedostępny dla wody jedynie pod warunkiem, że nie jest spękany. Woda przedostająca się przez pęknięcia tynku magazynuje się na styku z murem. Zamarzanie może spowodować odpadnięcie tynku płatami. Tynki tradycyjne na bazie wapiennej spękane czy nie spękane działają podobnie efektywnie, jeśli chodzi o transport wilgoci. Tynki zamakają i schną przez pęknięcia i przez swoją porowatą strukturę. press ready

39 Uszczelnianie (impregnacja) powierzchni zewnętrznych tynku może spowodować wzrost ryzyka szkód od mrozu i wilgoci. Uszczelnienie utrudnia zamakanie, ale również odsychanie. Powierzchnie uszczelnione przez hydrofobizację, niezmywane deszczem pozostają bardziej brudne niż pozostałe. O ile strugi deszczu zmywają zanieczyszczenia z gładkich powierzchni, to nie docierają do wgłębień i pęknięć. Woda bowiem spływa za szybko, nie docierając wgłąb struktury takiego tynku. ready press press

40 Arkady Kubickiego Zamku Królewskiego w Warszawie: - skutki zawilgoceń przy braku szczelności i mrozoodporności murów ceglanych i tynków. Woda deszczowa przecieka przez tynk i mur nasiąka. Po zamrożeniu woda zamieniona w lód rozsadza i mur i tynk – typowe szkody pozimowe. ready

41 X Cerkiew prawosławna w Wojnowie na Mazurach:- przykład wadliwego remontu tynków przy użyciu materiałów cementowych. ready press

42 Cement spowoduje zasolenie muruCement spowoduje zasolenie muru. Wilgoć podciągana od wewnątrz muru kapilarnie zostanie zablokowana szczelnym tynkiem i uwięziona w cegle. Nastąpi w zimie rozsadzanie lodem muru i tynku Rozsadzanie nastąpi też, gdy sole higroskopijne przy chłonięciu wody rozszerzą swą objętość. Szacuje się, że cement portlandzki zawiera ok.10x więcej rozpuszczalnych w wodzie soli niż tynk wapienny. ready

43 Koniec części 1-1B ready

44 Thank You for Your attention!ready