Problematyka badań wilgotnościowych

dr inż. Maciej Trochonowicz, m.trochonowicz@pollub.pl, Wydział Budownictwa i Architektury Politechniki Lubelskiej

Woda jest substancją warunkującą możliwość wykonania praktycznie wszystkich procesów budowlanych. Niezbędna jest zarówno do produkcji materiałów, jak i ich wbudowania. Jednocześnie ta sama woda, a raczej jej nadmiar, jest czynnikiem powodującym największe zagrożenie dla obiektów budowlanych. Wprowadzana na różne sposoby, z czasem staje się przyczyną wielu niekorzystnych zjawisk, a jej usunięcie poważnym problemem.

Wilgotność należy do podstawowych cech fizycznych materiału, a detekcja wody jest jednym z najczęściej wykonywanych badań. Artykuł niniejszy jest pierwszym z cyklu, który ma na celu przedstawienie problematyki związanej z pomiarami wilgotnościowymi materiałów i przegród budowlanych.

Wilgotność materiałów

Wilgotnością materiału ­zwykło się określać względną zawartość wody w materiale. Może ona być wynikiem stanu naturalnego lub też działania czynników zewnętrznych. Pisząc o wilgotności, mamy na myśli wodę związaną chemicznie, fizyko-chemicznie i fizyko-mechanicznie.

Woda związana chemicznie znajduje się w strukturze niektórych materiałów w ścisłych stosunkach ilościowych. Jest ona silnie związana z ciałem stałym i oddzielić ją można tylko przez prażenie w odpowiednio wysokiej temperaturze, zależnej od składu chemicznego materiału, lub na drodze reakcji chemicznych.

Woda związana fizyko-chemicznie w materiałach budowlanych wys­tępuje na rozwiniętej powierzchni porów i kapilar materiału. Zjawisko to związane jest z istnieniem tzw. sił van der Waalsa oddziałujących na cząstki gazu w pobliżu powierzchni ciała stałego. Woda związana fizyko-chemicznie nazywana jest inaczej sorpcyjną.

Całkowite zapełnienie makrokapilar może nastąpić jedynie na drodze bezpośredniego styku materiału z wodą, przy czym woda w materiale związana będzie siłami kapilarnymi (woda związana fizyko-mechanicznie).

W budownictwie najczęściej używa się pojęcia tzw. wilgotności masowej. Wartość ta wyrażana jest stosunkiem procentowym masy wody zawartej w badanym materiale do jego masy w stanie suchym.

Dodatkowo oznaczana jest również wilgotność objętościowa w postaci procentowego stosunku objętości wody w badanym materiale do objętości materiału.

Wilgotność masowa nie wskazuje w sposób jednoznaczny, jaka jest ilość wody w badanym materiale, z tego też powodu przelicza się ją dość często na objętościową. Uzys­kanie takich samych wartości wilgotności masowej dla dwóch materiałów różniących się gęstością nie oznacza tej samej ilości wody w obydwu próbkach. Przykładowo dziesięcioprocentowa wilgotność masowa oznaczona dla gazobetonu i cegły ceramicznej daje odpowiednio około 60 dm3 i 180 dm3 na 1 m3 materiału. Olbrzymia różnica wynika z gęs­tości obydwu materiałów. Przejście z wilgotności masowej na objętościową jest proste i wymaga jedynie znajomości wspomnianej gęstości badanego materiału.

W przypadku badań wilgotnościowych w określonych sytuacjach samo wyznaczenie wilgotności masowej może okazać się niewystarczające. Pełne zrozumienie procesów odpowiadających za występowanie zawilgoceń oraz zachowania badanych materiałów wobec wody jest możliwe po wykonaniu dodatkowych badań: nasiąkliwości, przesiąk­liwości, kapilarności, higroskopijności, sorpcyjności i dyfuzyjności pary wodnej.

Źródła wilgoci

Usuwanie zawilgocenia jest oczywiście związane z charakterem jego pow­stania. Stąd też niezwykle istotne jest określenie źródła występującej w obiekcie wilgoci. Do najważniejszych źródeł wilgoci występującej w budynkach możemy zaliczyć wodę znajdującą się w gruncie, pochodzącą z opadów atmosferycznych, technologicznie wprowadzaną do obiektów, kondensacyjną, sorpcyjną, pochodzącą z awarii instalacji oraz generowaną przez samego człowieka.

Woda znajdująca się w gruncie. Ściany fundamentów i piwnic oraz posadzek leżących bezpośrednio na ziemi są zagrożone wilgocią gruntową, a także wodami gruntowymi, jeśli występują one na małej głębokości. Zawilgocenie zagraża nie tylko podziemnym częściom budynku. Może ono zostać przeniesione na wyższe, leżące ponad ziemią części budynku na skutek zjawiska podciągania kapilarnego. Podciąganie kapilarne polega na transportowaniu wody i powolnym nasiąkaniu obszarów materiału niemających bezpośredniego kontaktu ze źródłem wilgoci. Podciąganie kapilarne z fundamentów i piwnic może być powodem zawilgocenia ścian do wysokości kilku metrów. Jego wysokość zależy od budowy materiału, przede wszystkim od jego porowatości i struktury porów i kapilar, i jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy naczyń. Oznacza to, że w materiałach drobno porowatych o niewielkiej średnicy porów i kapilar podciąganie jest najwyższe. Dla grubych murów wzniesionych z cegły ceramicznej może sięgać nawet kilku metrów powyżej poziomu zasilania.

Wody znajdujące się w gruncie, które działają na podziemne częś­ci budynków, występują w postaci wody:

  • błonkowej – stanowi ona otoczkę poszczególnych ziaren gruntu;
  • kapilarnej – wypełnia pory między ziarnami gruntu w wyniku działania napięcia powierzchniowego. Całkowite wypełnienie porów wys­tępuje w pobliżu poziomu wody gruntowej, wilgotność gruntu wynosi tam 100%.

Woda pochodząca z opadów atmosferycznych. W całkowitym bilansie wody znajdującej się w najbliższym otoczeniu obiektu największą ilość stanowią wody opadowe. Mogą one doprowadzać do zawilgocenia obiektu w sposób bezpośredni i pośredni. Z bezpośrednim zawilgoceniem mamy do czynienia, gdy woda opadowa trafi na odsłonięte elementy (np. pokrycie dachowe, ściany, opaski, schody). W związku z tym, że z reguły elementy te są wykonane z materiałów trudno lub nienasiąkliwych opady nie wyrządzają im większych szkód. Większym zagrożeniem dla budynków jest woda opadowa dostająca się do wnętrza w sposób pośredni. Do zawilgocenia może dochodzić na skutek nieszczelności pokrycia dachowego, niedrożności lub niewydolności systemu odwodnienia obiektu, braku lub nieszczelności izolacji wodochronnych. W pasie przyziemia na przykład większe zagrożenie niż bezpośrednie opady niesie ze sobą tzw. woda rozbryzgowa – krop­le deszczu po odbiciu od opasek często zawilgacają niezabezpieczony pas przyziemia.

Woda technologicznie wprowadzana do obiektu. Zawilgocenia powstają w wyniku naturalnej wilgoci wbudowywanych materiałów podczas ich transportu, składowania oraz prowadzenia robót mokrych. Źródło to ma szczególne znaczenie w przypadku budynków wznoszonych w technologii tradycyjnej, ponieważ wiąże się to z wprowadzeniem do budynku setek litrów wody, która jest głównym rozpuszczalnikiem większości materiałów budowlanych: zapraw, mas, tynków, klejów. W trakcie eksploatacji budynku przegrody powinny stopniowo wysychać, a długość okresu wysychania zależy od rodzaju użytego materiału, konstrukcji obiektu i grubości przegrody oraz od temperatury i wilgotności względnej powietrza.

Problemy z wilgocią technologiczną nasiliły się szczególnie w ostatnich latach, co jest uwarunkowane zmianami, jakie zaszły w ­budownictwie. Wyraźnie skrócony został czas wznoszenia obiektu. Dawniej proces ten rzadko trwał krócej niż kilkanaście miesięcy, obecnie – zaledwie kilka miesięcy. Ponieważ naturalne wysychanie przegród trwa minimum 18 miesięcy, obiekt oddawany jest jako wilgotny. Kolejnym problemem jest stosowanie materiałów utrudniających naturalne wysychanie przegród. Masowo stosowane obecnie kleje, tynki i malatury charakteryzują się wysokimi wartościami oporów dyfuzyjnych, co wyraźnie spowalnia procesy odparowania wody. Na obecny, niekorzystny stan wpływ ma również zmiana kolejności prac wykonywanych w obiekcie. Tuż po zamknięciu stanu surowego, budynek jest ocieplany i malowany od zewnątrz, a prace wykończeniowe wewnątrz prowadzone są często w sezonie zimowym. W szczelnie zamknięty skorupą ocieplenia i tynków obiekt wprowadza się wtedy największe ilości wody (tynki, posadzki, malatury).

Woda kondensacyjna. Związana jest z wykraplaniem się nadmiaru pary wodnej i występuje przede wszystkim w pomieszczeniach, w których odbywają się ­procesy mok­re (pranie, suszenie, gotowanie). Do podstawowych przyczyn kondensacji pary wodnej możemy zaliczyć: zbyt małą izolacyjność termiczną ścian, bardzo dużą bezwładność termiczną budynku oraz niewydolność instalacji wentylacyjnej.

Woda sorpcyjna. Związana z procesem pochłaniania wilgoci w postaci pary wodnej z powietrza otaczającego materiał o właściwościach hydrofilowych.

Woda pochodzącą z awarii instalacji. Przyczyną zawilgocenia przegród budowlanych może być także woda pochodząca z awarii instalacji wodociągowej. Do tego typu awarii dochodzi zarówno w nowych, jak i starszych budynkach. Starsze budynki są wyposażone w przewody sieci wodociągowej wykonane z rur stalowych. Rury te najczęściej są już mocno skorodowane, co jest przyczyną wielu przecieków i zalewania pomieszczeń. Natomiast w nowych sieciach wodociągowych główną przyczyną zalewania mieszkań są najczęściej pęknięcia wszelkich elastycznych elementów instalacji.

Woda generowana przez człowieka. W sposób bezpośredni za wzrost wilgotności odpowiada również człowiek. Wilgoć wprowadzana może być podczas procesów związanych z funkcjonowaniem w obiekcie: pranie, suszenie, gotowanie, zmywanie, kąpiel, oraz przez samego człowieka.

Skutki zawilgocenia

W celu uzmysłowienia Czytelnikowi wagi problemu, w skrócie omówione zostaną skutki nadmiernego zawilgocenia.

Negatywne oddziaływanie wilgoci nie ogranicza się jedynie do samych materiałów i elementów obiektu. Pośrednio wpływ ten jest równie istotny w przypadku ludzi przebywających w zawilgoconych pomieszczeniach. Do najważniejszych mankamentów związanych z zawilgoceniem można zaliczyć obniżenie izolacyjności cieplnej materiałów, ich wytrzymałości oraz nośności elementów konstrukcyjnych, wzrost zagrożenia korozją biologiczną oraz degradacją na skutek działania soli.

Obniżenie izolacyjności cieplnej materiałów. Już kilkuprocentowy wzrost zawilgocenia powoduje znaczne, dodatkowe straty ciepła i możliwość przemarzania zawilgoconych przegród. Na przykład cegła ceramiczna w warunkach średnio wilgotnych ma współczynnik przewodzenia ciepła λ = 0,77 W/m×K, a dla wilgotności 15% wynosi on już około 1,6 W/m×K. Ponad dwukrotny wzrost λ w przypadku murów jednowarstwowych powoduje analogiczne obniżenie oporu cieplnego muru.

Obniżenie wytrzymałości materiałów i nośności elementów konstrukcyjnych. Nadmierne zawilgocenie ma zdecydowanie niekorzystny wpływ na większość materiałów budowlanych. Podstawowym problemem jest degradacja materiałów wykończeniowych: tynków, malatur, wszelkiego rodzaju materiałów okładzinowych oraz elementów drewnianych i drewnopochodnych. Na skutek ich niewielkiej odporności na wilgoć dochodzi często do nieodwracalnych zniszczeń.

Nie bez znaczenia pozostaje również wpływ zawilgocenia na elementy konstrukcyjne obiektu. Niektóre materiały budowlane (np. lekkie betony komórkowe, gipsy) pod wpływem zawilgocenia rozmiękają, czemu towarzyszy spadek ich wytrzymałości. Przemieszczanie się wilgoci w murze powoduje rozpuszczanie substancji wiążących i uszkodzenia materiałów. W konsekwencji następuje obniżenie nośności przegrody.

Zawilgocone materiały ulegają przyspieszonemu niszczeniu również na skutek cyklicznego zamrażania i odmrażania wody zawartej w porach i kapilarach. Zjawisko to jest szczególnie widoczne na zewnątrz obiektu: w przyziemiu i w miejscach, gdzie dochodzi do kontaktu wody z materiałem. Zawilgocenie materiałów powoduje również przyspieszenie korozji chemicznej elementów metalowych obiektu.

Zagrożenie korozją biologiczną. Podwyższona wilgotność bardzo często prowadzi do powstania korozji biologicznej. Pod tym pojęciem rozumiemy procesy destrukcji powodowane przez grzyby domowe, grzyby pleśniowe, owady szkodniki drewna oraz glony, mchy, porosty i bakterie. Korozja biologiczna zmienia i niszczy strukturę materiałów budowlanych i wykończeniowych. Nie pozostaje też bez wpływu na ludzi przebywających w porażonych pomieszczeniach. Obecność wyżej wymienionych organizmów może powodować schorzenia dróg oddechowych, narządów wzroku, stawów oraz osłabienie odporności organizmu.

Procesy niszczenia związane z działaniem soli. Sole rozpuszczalne w wodzie należą do najgroźniejszych czynników niszczących obiekty budowlane. Dość często można się spotkać ze stwierdzeniem, że to właśnie one są przyczyną największych zniszczeń w obrębie przyziemia budynku. Ich wysokie stężenia mogą prowadzić niekiedy do całkowitego zniszczenia zasolonych partii obiektu budowlanego. Nośnikiem soli w materiałach budowlanych jest woda, a zniszczenia powstają na skutek procesów krystalizacji soli podczas jej odparowywania.

Opisane powyżej skutki nadmiernego zawilgocenia powodują przyspieszenie procesów starzenia obiektu, następuje obniżenie ich trwałości, konieczne są częstsze i na większą skalę remonty. Wszystko to generuje wyższe koszty eksploatacji i obniżenie ich wartości materialnej.