Artykuł Podciąganie kapilarne wilgoci, Dr Eric Rirsch

Transkrypt

1 Artykuł Podciąganie kapilarne wilgoci, Dr Eric Rirsch Wykształcenie: letnie studia chemiczne, specjalizacja: Polimery, Uniwersytet w Sussex uzyskanie dyplomu Master od Science - specjalizacja: Chemia Powierzchni oraz doktorat (PhD) z zakresu Chemii Fizycznej, praca doktorska dotycząca degradacji polimerów, Uniwersytet w Bristol, Doświadczenie: Ponad 28-letnie doświadczenie w przemyśle hydroizolacyjnym, ponad 3-letnie doświadczenie w barierach przeciwwilgociowych w Safeguard Europe Ltd. Ostatnie publikacje: Dr Eric Rirsch & Zhongyi Zhang, Investigation into nanoclay enhanced coatings for brick moisture reduction and salt formation prevention. Protection of Historical Buildings (Badanie wzmocnionej powłoki z nanogliny dla zmniejszenia wilgotności cegły i zapobiegania powstawania wysole. Ochrona obiektów zabytkowych), Taylor & Francis Group, Dr Eric Rirsch & Zhongyi Zhang, Rising Damp in Walls & the Importance of Mortar Properties (Podciąganie kapilarne w ścianach oraz znaczenie właściwości zaprawy murarskiej), Building & Environment Dr Eric Rirsch, Zhongyi Zhang & James MacMullen, The Properties of Mortar Samples obtained from UK houses treated for Rising Damp (Właściwości zaprawy murarskiej na podstawie badań próbek pobranych z brytyjskich domów, w których zastosowano ochronę przeciw podciąganiu kapilarnemu). Building & Environment, 2009.

2 Podciąganie kapilarne wilgoci Podciąganie kapilarne jest zjawiskiem powszechnym w starych budynkach, szczególnie tych, w których nie występuje pozioma izolacja przeciwwilgociowa. W prostych słowach, zjawisko podciągania kapilarnego spowodowane jest transportowaniem w górę muru wody pochodzącej z gruntu, na podobnej zasadzie jak byłby podciągany olej w knocie lampy naftowej. Widocznymi skutkami podciągania kapilarnego jest występująca wilgoć w dolnych partiach muru, czasami nawet do 1,5 m wysokości, często przybierająca formę poziomych zawilgoceń. W przypadku silnych zawilgoceń występują widoczne wysolenia, szczególnie w górnej części pasa wilgoci. Wysolenia te mają charakter higroskopijny i mogą powodować absorpcję wody bezpośrednio z otoczenia. W wielu krajach europejskich problem podciągania kapilarnego został zauwaŝony juŝ w XIX w. Występowanie podciągania kapilarnego w ścianach jest niepoŝądane z kilku powodów. Są to: widoczne niedoskonałości w wyglądzie budynku, utrata izolacyjności cieplnej, a takŝe moŝliwość gnicia drewnianych elementów budowlanych. Fot. 1: Podciąganie kapilarne i związane z nim wykwity solne Fizyczne wyjaśnienie zjawiska podciągania kapilarnego Większość materiałów budowlanych to materiały porowate charakteryzujące się siecią naczyń włosowatych (kapilar), które mogą podciągać wodę. Naczynia włosowate obecne w cegle, zaprawie i niektórych kamieniach naturalnych powodują podciąganie wody w wewnętrznych strukturach tych materiałów w przypadku ich kontaktu z wilgotnym podłoŝem. Ten proces podciągania wody jest określany jako "kapilarność. Wysokość podciągania wody w kapilarach moŝe być wyraŝona poprzez równanie:

3 2γ cosθ h = rρg gdzie γ = napięcie powierzchniowe, θ = kąt zwilŝania, r = promień kapilary, ρ = gęstość cieczy oraz g = siła grawitacji. r h Fot. 2: Podciąganie kapilarne Równanie to pokazuje, Ŝe wysokość podciągania kapilarnego jest wprost proporcjonalna do kąta zwilŝania (rodzaju cieczy) i odwrotnie proporcjonalna do średnicy kapilary (wielkości porów). Wstawiając do powyŝszego równania róŝne wielkości okazało się, Ŝe kiedy wielkość porów wynosi 0,1 mm woda moŝe być podciągnięta do wysokości 14 cm, ale gdy wielkość porów spada do 0,01 mm podciąganie kapilarne moŝe dojść do wysokości 1,4 m. Wielkości porów w cegłach i zaprawie mogą wynosić nawet 0,001 mm, istnieje więc duŝy potencjał występowania zjawiska podciągania kapilarnego w tego rodzaju materiałach. Pomimo tego, Ŝe podciąganie kapilarne jest głównym źródłem zawilgocenia ściany to dodatkowa wilgoć jest równieŝ wprowadzana do muru poprzez występujące w nim zasolenie. Jest to spowodowane higroskopijnością soli, która przez wiele lat była wprowadzana do struktury muru wraz z zanieczyszczoną wodą gruntową. Higroskopijne sole pozostają w murze podczas odparowywania wody, jednakŝe dalej pochłaniają one wilgoć z otoczenia. W Europie najczęściej występującymi rodzajami soli są: siarczany, azotany i chlorki metali alkalicznych. Precyzyjne proporcje tych soli zaleŝą od minerałów zawartych w wodach gruntowych w danym regionie. Fot.. 3: Krystalizacja soli na powierzchni ściany ceglanej pokrytej warstwą gipsowego tynku. Siła krystalizacji powoduje zniszczenie wewnętrznej struktury powłoki gipsowej, co skutkuje powstaniem nierównej powierzchni.

4 Podciąganie kapilarne i zawilgocenie higroskopijne powodują wzrost wilgotności muru. Równocześnie proces parowania zmniejsza to zawilgocenie. Stopień odparowywania wody zaleŝy od kilku czynników, takich jak: temperatura, wilgotność i ruchy powietrza oraz rodzaj powierzchni (sposób wykończenia ściany farba, tapeta, itp.). Równowaga tych czynników oznacza, Ŝe zawilgocenie ściany wzrasta w zaleŝności od jej grubości. Grube mury charakteryzują się większą chłonnością wody z gruntu i stosunkowo niewielką ilością wody odparowywanej z powierzchni, co wpływa na wysokość podciągania kapilarnego. Capillary moisture Evaporation Hygroscopic moisture Capillary moisture wilgoć podciągana kapilarnie Hygroscopic moisture wilgoć spowodowana właściwościami higroskopijnymi muru Evaporation - odparowanie Evaporation Evaporation Evaporation Position moves Summer-Winter Surface evaporation of water gives a curved n-shaped profile Thin wall Thick wall Thin/ thick wall cienki/ gruby mur Position moves summer-winter zasięg (wilgoci) lato-zima Surface.. profile powierzchnia odparowywania przybiera charakterystyczny zakrzywiony profil (kształt litery n ) Zdjęcie 4: Równowaga między podciąganiem kapilarnym i odparowaniem wilgoci

5 W swoim artykule z 2007 roku zatytułowanym Podciąganie kapilarne: dynamika podciągania kapilarnego w murach 1, Christopher Hall i William Hoff próbują rozstrzygnąć jakie czynniki maja największy wpływ na wzrost podciągania kapilarnego i podejmują się próby zapisania równania, które pozwoli przewidzieć wysokość na jaką podniesie się wilgoć w ścianach: H = S 2 X Wall Thickness Evaporation X Moisture Content 1/ 2 Gdzie: H = wysokość występującego podciągania kapilarnego S = Nasiąkliwość, zasysanie wody do zaprawy Wall Thickness grubość muru Evaporation - Odparowywanie = szybkość parowania na jednostkę zawilgoconej powierzchni Moisture Content - Zawartość wilgoci = zawartość wilgoci w zawilgoconym obszarze, tj. ilość wody na jednostkę objętości materiału. Nasiąkliwość jest miarą zasysania wody (wchłaniania) w danym materiale i ma silny wpływ na wysokość podciągania kapilarnego w murze. Nasiąkliwość moŝe być mierzona poprzez częściowe zanurzenie badanego materiału w wodzie i zanotowanie przyrostu jego masy w czasie. Model Halla i Hoffa wykazał duŝą korelację z wynikami praktycznych doświadczeń. (Patrz przypis 2 ). Drogi przedostawania się wody w procesie podciągania kapilarnego Od dawna podejrzewano, Ŝe warstwa zaprawy to główna droga przedostawania się wilgoci podciąganej kapilarnie. JuŜ w 1872 roku stwierdzono w "British Medical Journal", Ŝe: "W celu zaradzenia podciąganiu kapilarnemu cegłę porowatą zastąpiono niebieską twardą cegłą Staffordshire. ZauwaŜono, Ŝe wilgoć wystąpiła w murze tylko w warstwach zaprawy murarskiej, tworząc wzór w kratkę jak na szkockim pledzie 3. Ten przypis odnosi się do faktu, iŝ zmiana typu cegły ma niewielki wpływ na zawilgocenie samego muru a podciąganie kapilarne moŝna zaobserwować w warstwach zaprawy. Ostatnio przeprowadzone badania wykazały, Ŝe warstwa zaprawy jest główną ścieŝką przedostawania się wilgoci w górę muru. 1 Rising damp: capillary rise dynamics in walls (Podciąganie kapilarne: dynamika podciągania kapilarnego w murach) - Christopher Hall and William D Hoff /rspa Proc. R. Soc. A 8 August 2007 vol. 463 no Rising Damp in Walls and the Importance of Mortar Properties E.Rirsch and Z.Zhang, in press 3 British Medical Journal, May 25 th 1872, p558

6 % Fot 5: Rozprzestrzenianie się wody w murze ceglanym. Do budowy została uŝyta porowata zaprawa. Wielkości podane w diagramie oznaczają ilości wody mierzone procentowo w stosunku do masy cegły/ zaprawy. Dogłębna analiza wpływu właściwości zapraw na podciąganie kapilarne jest poza zakresem tego artykułu, jednakŝe zdjęcia mikroskopowe zaprezentowane poniŝej (50-krotne powiększenie) pokazują, Ŝe struktury porów zapraw znajdujących się w murach mogą znacznie się róŝnić. Fot. 6: Zdjęcia pokazujące róŝnicę we właściwościach zapraw pochodzących z róŝnych budynków.

7 Zapobieganie wilgoci podciąganej kapilarnie Z powyŝszej analizy wynika, iŝ podciąganie kapilarne moŝe być kontrolowane w róŝnym stopniu poprzez: 1) ograniczenie lub zapobieganie podciąganiu kapilarnemu 2) neutralizację, blokowanie lub usuwanie soli higroskopijnych 3) zwiększenie odparowywania wilgoci 4) połączenie kilku z powyŝszych metod Jak juŝ mówiliśmy, przemieszczanie się wody pochodzącej z gruntu poprzez kapilary jest główną przyczyną zawilgocenia murów w procesie podciągania kapilarnego. Właśnie z tego powodu w nowobudowanych domach w większości krajów rozwiniętych stosuje się fizyczną barierę przeciwwilgociową. Jeśli chodzi o zabiegi naprawcze, najlepsze skutki w walce z podciąganiem kapilarnym przynoszą metody polegające na kontrolowaniu tego procesu. Ogólnie zabiegi te moŝna podzielić na dwie kategorie: 1) fizyczne bariery przeciwwilgociowe 2) chemiczne przepony przeciwwilgociowe Fizyczne bariery przeciwwilgociowe Wprowadzenie do muru fizycznej bariery przeciwwilgociowej polega na przecięciu muru w warstwie kamienia/ cegły lub w warstwie zaprawy i wprowadzeniu nieprzepuszczającej bariery (zazwyczaj jest to bariera metalowa lub z tworzywa sztucznego). Jeśli takie systemy są zainstalowane poprawnie, zapewniają one ciągłą i skuteczną barierę przeciwwilgociową. JednakŜe ze względu na wysokie koszty instalacji oraz moŝliwości uszkodzenia konstrukcji, uŝycie tych metod nie jest tak rozpowszechnione w naprawach murów jak zastosowanie chemicznej przepony przeciwwilgociowej. Chemiczne przepony przeciwwilgociowe Chemiczne bariery przeciwwilgociowe są w powszechnym uŝyciu od roku Ich skład i skuteczność są bardzo zróŝnicowane, jednak najbardziej efektywne chemiczne systemy przeciwwilgociowe zapewniają ochronę porównywalną do ochrony przeciwwilgociowej powstałej przy wykorzystaniu bariery fizycznej, ale przy niŝszych kosztach instalacji.

8 Tradycyjne chemiczne bariery przeciwwilgociowe to płyny, które są wstrzykiwane w otwory wywiercone w regularnych odstępach w płaszczyźnie poziomej wzdłuŝ murów. Aktywne składniki mogą zawierać silikony, stearyniany, lateks, wosk oraz związki krzemianowe w roztworach opartych na rozpuszczalniku lub wodzie. Stopień skuteczności i trwałości zaleŝy od dokładnego składu produktu. Z tego powodu niezaleŝne instytuty takie jak BBA (UK), ATG (Belgia) i WTA (Niemcy) opracowały róŝne metody badań umoŝliwiające określenie skuteczności tych produktów. JednakŜe naleŝy zauwaŝyć, Ŝe badania te dotyczą okresów krótkoterminowych (miesiące a nie lata) i nadal istnieje wiele róŝnic między ww. instytutami w kwestii jakie warunki badań są najbardziej realistyczne - na przykład typy cegły / kamieni / zaprawy wykorzystywane do badań, stopień wilgotności podłoŝa, zasadowość podłoŝa. Niemniej jednak niektóre badania mogą dostarczyć uŝytecznych informacji na temat prawdopodobnej skuteczności danego produktu. Podczas gdy badania te mogą być przydatne przy porównywaniu potencjalnej skuteczności konkurencyjnych produktów, w standardowych badaniach laboratoryjnych niemoŝliwe jest wierne odtworzenie wszystkich sytuacji, które mogą wystąpić w realnym świecie. W szczególności bardzo trudno jest opracować standardowe testy, które uwzględnią: Błędy wykonawcze, Pęknięcia i rysy występujące w róŝnych ilościach i rozmiarach w podłoŝu, Nietypowe cegły, kamienie i rodzaje zaprawy występujące na rynkach lokalnych Od roku 1950-go chemiczne przepony przeciwwilgociowe zastosowano w milionach budynków i w większości przypadków okazały się skuteczne w leczeniu murów zawilgoconych przez podciąganie kapilarne. JednakŜe jeśli wystąpiły jakieś problemy, były one spowodowane trzema wyŝej wymienionymi czynnikami.

9 Krem przeciwwilgociowy Dryzone Wprowadzenie na rynek kremu przeciwwilgociowego Dryzone w roku 2000 r. umoŝliwiło zmniejszenie ryzyka błędów popełnionych przez wykonawcę wpływających na jakość wykonanej przepony przeciwwilgociowej. Dryzone to produkt występujący w formie kremu silikonowego o wysokiej wytrzymałości, który wstrzykuje się w regularnych odstępach w warstwie zaprawy. Po aplikacji, krem Dryzone rozprzestrzenia się wzdłuŝ warstwy zaprawy, następnie utwardza się tworząc hydrofobową barierę, która uniemoŝliwia dalsze podciąganie kapilarne wilgoci w zaprawie. PoniewaŜ zastosowanie właściwej dawki Dryzone jest dla wykonawcy bardzo łatwe (wypełnia się kaŝdy wywiercony otwór), nie trzeba się domyślać jaka ilość kremu będzie wystarczająca. W przypadku płynów wprowadzanych pod ciśnieniem lub metodą grawitacyjną nie jest to takie oczywiste. Kolejną korzyścią wypływającą ze stosowania produktu o konsystencji kremu jest to, iŝ podczas aplikacji nie zniknie on w pęknięciach, szczelinach i dziurach w murze, a uŝyta ilość preparatu będzie zgodna z wynikami testów przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych, jak zostało to wykazane przez Belgijski Instytut Techniki Budowlanej w artykule opublikowanym w roku W Wielkiej Brytanii, gdzie Dryzone został opracowany, produkt cieszy się popularnością wśród profesjonalistów specjalizujących się w osuszaniu zawilgoconych murów. Wynika to z potwierdzonej skuteczności produktu, szybkości aplikacji oraz faktu, iŝ w przeciwieństwie do chemicznych systemów iniekcyjnych, nie wprowadza się duŝej ilości płynu do ściany. Ostatni z tych powodów jest bardzo waŝny, gdyŝ dzięki konsystencji produktu ściana wysycha szybciej niŝ w przypadku uŝycia płynu iniekcyjnego. W ciągu tych lat w całej Europie zastosowano z powodzeniem ponad milion tubek Dryzone w celu zapewnienia ochrony przeciwwilgociowej w róŝnorodnych budynkach. Przeprowadzono równieŝ badania skuteczności Dryzone na wielu rodzajach zapraw. Dla większych realizacji moŝna wykonać takŝe dodatkowe badania laboratoryjne testujące czy Dryzone jest odpowiednim produktem do wykorzystania w murach z nietypowymi zaprawami. Stosowanie tynków renowacyjnych Jak juŝ wspomniano, podciąganie kapilarne jest dominującym czynnikiem zawilgocenia murów spowodowanych podchodzeniem wilgoci z wód gruntowych. Jednak w większości przypadków konieczne jest równieŝ podjęcie działań w celu wyeliminowania higroskopijnej wilgoci spowodowanej obecnością soli higroskopijnych w murze (jak opisano powyŝej). Uzyskuje się to zwykle poprzez usunięcie zanieczyszczonego tynku i zastąpienie go tynkiem blokującym lub pochłaniającym higroskopijne sole pozostające w murze. Powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest uŝycie tynku o formule piasek i cement w stosunku ilościowym 3:1 z dodatkiem wodoszczelnym. 4 Proposal for a test Procedure for Injection Products against Rising Damp (Propozycja przeprowadzania badań dla produktów iniekcyjnych stosowanych przy podciąganiu kapilarnym) Y Vanhellemont, H De Clercq, and A Pien, - Hydrophobe V, 5 th International Conference on Water repellent Treatment of Building Materials ISBN , p189.

10 Idealnym rozwiązaniem jest pozostawienie skutych ścian przez kilka miesięcy po usunięciu pierwotnego tynku w celu umoŝliwienia odparowania jak największej ilości wilgoci ze ściany. JednakŜe ze względów praktycznych ściany zwykle od razu pokrywa się tynkiem. PoniewaŜ większość tynków renowacyjnych ma właściwości paroprzepuszczalne, odparowywanie wilgoci nadal będzie występować choć w nieco wolniejszym tempie. Niemniej jednak naleŝy zwrócić uwagę, aby do ponownego pokrycia ściany nie uŝywać farb czy tapet nie przepuszczających wilgoci. Wnioski Podsumowując, w związku z badaniem występujących procesów fizycznych, moŝliwe jest zrozumienie mechanizmu zjawiska wilgoci podciąganej kapilarnie. Na podstawie tego zrozumienia z kolei, moŝliwe jest wprowadzanie usprawnień w metodach ochrony przeciw podciąganiu kapilarnemu. Opracowanie przeciwwilgociowego kremu Dryzone jest jednym z przykładów takich usprawnień.