Zabezpieczenie konstrukcji z betonu przed szkodliwym działaniem wilgoci stanowi ważny problem techniczno-ekonomiczny. Wilgoć wpływa niekorzystnie na wiele właściwości betonu, a także na wartość użytkową całej konstrukcji.
Zabezpieczenie konstrukcji z betonu przed szkodliwym działaniem wilgoci stanowi ważny problem techniczno-ekonomiczny. Wilgoć wpływa niekorzystnie na wiele właściwości betonu, a także na wartość użytkową całej konstrukcji.
Rodzaje i przeznaczenie izolacji wodochronnych
W literaturze znaleźć można różne klasyfikacje i podziały izolacji wodochronnych w zależności od ich przeznaczenia, miejsca wbudowania, rodzaju użytych materiałów itp. Zgodnie z obowiązującymi w budownictwie warunkami technicznymi [4] rozróżnia się: izolacje parochronne, izolacje przeciwwilgociowe, izolacje przeciwwodne.
Izolacje parochronne zabezpieczają przegrody budowlane przed przenikaniem przez nie pary wodnej. Powinny być wykonane z materiałów o małej przepuszczalności pary wodnej.
Izolacje przeciwwilgociowe chronią obiekty budowlane lub ich części przed działaniem wody nie wywierającej ciśnienia hydrostatycznego.
Izolacje przeciwwodne chronią obiekty budowlane lub ich części przed działaniem wody wywierającej ciśnienie hydrostatyczne, w tym również wody naporowej i artezyjskiej.
W literaturze znaleźć można podział izolacji przeciwwilgociowych i przeciwwodnych [3] na izolacje typu: lekkiego, średniego i ciężkiego.
Izolacje typu lekkiego stosuje się w celu ochrony budowli przed przenikaniem wilgoci w kierunku bocznym. Izolacji typu lekkiego nie należy stosować w celu zabezpieczenia budowli przed wodą opadową bezpośrednią (pokrycia dachowe) lub przesączającą się w kierunku przegród poziomych (tarasy, przepusty, zbiorników podziemnych itp.), a tym bardziej przed wodą naporową [3].
Izolacje typu średniego stosuje się w celu zabezpieczenia budowli przed wodą opadową bezpośrednią, kapilarną lub przesączającą się w kierunku przegrody poziomej lub pionowej, tego typu nie należy stosować w celu zabezpieczenia budowli przed wodą pod ciśnieniem. Wyjątek mogą stanowić przypadki, kiedy parcie wody jest chwilowe lub gdy zupełna wodoszczelność nie jest wymagana.
Rys. 1. Schemat izolacji wodochronnych: 1 – izolacja lekka (przeciwwilgociowa); 2 – izolacja średnia (przeciwwilgociowa); 3 – izolacja ciężka (przeciwwodna); 4 – ścianka dociskowa
Izolacje typu ciężkiego stosuje się w celu zabezpieczenia obiektu budowlanego przed wodą naporową [3].
W celu powiązania ze sobą stosowanych powszechnie podziałów izolacji wodochronnych przyjęto na podstawie szczegółowej analizy pewne dodatkowe kryteria. Ich istotę przedstawiono schematycznie na rys. 1. {mospagebreak}
Szczególny rodzaj zabezpieczenia wodochronnego stanowi powłoka hydrofobizująca, przepuszczająca parę wodną. Powłoka ta stanowi ochronę przed wnikaniem wilgoci w fazie ciekłej do wnętrza betonu. Istotę hydrofobizacji przedstawiono na rys. 2. Do tej grupy zaliczyć należy również wszelkiego rodzaju folie paroprzepuszczalne służące do odprowadzenia kondensatu z wnętrza przegrody (np. stropodachu).
Rys. 2. Istota hydrofobizacji powierzchni betonu
Tablica 1. Proponowany podział izolacji wodochronnych
Lp Izolacje wodochronne Ciśnienie wody p Opór *) dyfuzyjny rmin
Rodzaj izolacji Typ izolacji [MPa] [m2hxhPa/g]
1
Hydrofobizująca paroprzepuszczalna
Ochrona przed wnikaniem wilgoci w fazie ciekłej do wnętrza betonu
0
< 10
2
Parochronna
–
0
10
3
Przeciwwilgociowa
Lekka
0
30
4
Przeciwwilgociowa
Średnia
max. 0,002
40
5
Przeciwwodna
Ciężka
> 0,002
60
p – ciśnienie hydrostatyczne wywierane na izolację wodochronną
rmin – minimalny opór dyfuzyjny izolacji wodochronnej
*) – kryterium oporu dyfuzyjnego nie dotyczy powłok mineralnych
Na podstawie analizy tablicy 1 łatwo zauważyć, że maksymalne ciśnienie hydrostatyczne, stanowiące granicę pomiędzy koniecznością stosowania izolacji średniej i ciężkiej, wynosi pmax. = 0,002 MPa.
Uwzględniając kryteria przedstawione na rys. 1, uwzględniając wytyczne podane w [4] oraz biorąc pod uwagę istotę hydrofobizacji (rys. 2) proponuje się podział izolacji wodochronnych przedstawiony w tablicy 1.
Opór dyfuzyjny warstwy izolacji wodochronnej definiuje się następująco:
r = d/ð
gdzie: d – grubość warstwy izolacyjnej [m], ð – współczynnik przepuszczalności pary wodnej [g/m•h•hPa].
{mospagebreak} Współczynnik przepuszczania pary wodnej jest parametrem materiałowym powszechnie stosowanym w kraju. Do charakterystyki materiału często używany jest (zwłaszcza w Niemczech) parametr bezwymiarowy zwany liczbą oporu dyfuzyjnego pary wodnej µ:
µ = Fp/ Fm
gdzie: Fp – gęstość strumienia dyfuzji pary wodnej w powietrzu [g/m2h]
Fm – gęstość strumienia dyfuzji pary wodnej w materiale [g/m2h].
Gęstość strumienia dyfuzji pary wodnej można zdefiniować następująco:
gdzie: δ – współczynnik przepuszczalności pary wodnej [g/m•h •hPa], p – ciśnienie cząsteczkowe pary wodnej,
∆ – operator gradientu
Uwzględniając powyższe zależność pomiędzy δ i µ przedstawia równanie:
µ = δp/δm
gdzie: δp, δm – współczynniki przepuszczania pary wodnej w powietrzu w materiale izolacyjnym (odpowiednio).
Przyjmując na podstawie [1, 5] średnią wartość współczynnika przepuszczania pary wodnej w powietrzu δp =
= 700∙10–4 [g/m∙h∙hPa] oraz znając wartość dm, dla danego materiału, łatwo znaleźć zależność pomiędzy parametrami δm i µ.
Ogólne wymagania w zakresie izolacji wodochronnych
Przyczepność do podłoża betonowego
Przyczepność powłoki wodochronnej do podłoża betonowego zależy od wielu czynników i jest w zasadzie wynikiem działania sił przyciągających, działających na styku tych dwóch ośrodków (adhezji) [1, 2]. Istnieją dwie zasadnicze teorie adhezji [2]: teoria adhezji mechanicznej oraz teoria adhezji właściwej.
Adhezja mechaniczna polega na przenikaniu kleju do porów i nierówności klejonych powierzchni oraz wytworzeniu po stwardnieniu silnego związania z podłożem. Szczegółowe badania wykazały, że w procesach klejenia najistotniejszą rolę odgrywa nie adhezja mechaniczna, lecz adhezja właściwa związana z polarną budową cząsteczek. Istotną rolę w adhezji właściwej odgrywają siły Van der Waalsa oraz siły wiązań atomowych.
Schemat adhezji przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Schemat adhezji na styku betonu z powłoką wodochronną [2]
Siły Van der Waalsa są to siły wzajemnego przyciągania cząsteczek i są na ogół znacznie słabsze niż siły wiązań atomowych (walencyjnych).
Często zachodzi konieczność aktywowania łączonych powierzchni. Aktywację cząsteczek ciała można osiągnąć np. przez stopienie, rozpuszczenie, powlekanie substancjami polarnymi (warstwy sczepione). Cząsteczki uzyskują wówczas dodatkowy stopień swobody umożliwiający im szybkie łączenie się z cząsteczkami innego ciała.
Jednym z warunków adhezji właściwej jest zdolność zwilżania powierzchni styku przez klej. Tylko wówczas nastąpi zbliżenie się atomów i cząsteczek umożliwiające w pełni wykorzystanie sił przyczepności. Zwilżalność można poprawić na przykład dzięki zmniejszeniu napięcia powierzchniowego kleju. Zmniejsza się wówczas kąt zwilżania Ө.{mospagebreak}
Wilgotność podłoża betonowego
Bardzo duże znaczenie dla skuteczności izolacji wodochronnej ma zawilgocenie podłoża betonowego. Niekorzystny wpływ na trwałość zabezpieczeń wodochronnych ma zawilgocenie betonu, zwłaszcza gdy może ono następować od strony przeciwnej niż izolacja. Z tego też powodu w elementach narażonych na oddziaływanie wilgoci z obydwóch stron elementu należy przewidzieć odpowiednie izolacje. Z przypadkiem takim mamy do czynienia zwłaszcza w przegrodach dachowych tzw. stropodachach pełnych. Należy tutaj dążyć do zminimalizowania skutków akumulacji pary wodnej. Stosować należy skuteczne paroizolacje, a w skrajnych przypadkach dążyć do zastosowania struktur dachowych odpowiednio zwentylowanych.
Brak właściwego zwentylowania takich struktur objawia się odspajaniem izolacji wodochronnej (pęcherze) na skutek wysokiego ciśnienia pary wodnej.
Zgodnie z wymogami [4] wilgotność podłoża betonowego powinna być:
< 8% [wag] – dla pokryć dachowych papowych,
< 6% [wag] – dla izolacji wodochronnych tarasów,
3% [wag] – dla powłok bitumicznych, żywicznych.
W przypadku stosowania powłok mineralnych podłoże betonowe wymaga zwilżenia wodą.
Makroskopowa ocena zawilgocenia betonu może być trudna. Betony mają przecież różną strukturę, zależną od stopnia modyfikacji.
W związku z tym zawilgocenie takich betonów w czasie ich twardnienia będzie różne. W tablicy 2 podano (na podstawie badań własnych) przebieg zawilgocenia różnych betonów twardniejących w warunkach hydroizolowanych.
Wartości zawilgocenia betonów w czasie podane w tablicy dotyczą twardnienia betonu w warunkach hydroizolowanych, czyli bez wymiany wilgoci z otoczeniem. W rzeczywistych warunkach twardnienia zachodzi wymiana wilgoci z otoczeniem. W związku z tym wartości podane w tablicy 2 należy traktować jedynie jako oszacowania poglądowe.
Cecha Zawartość wilgoci w betonie % [wag]
BZ BWW
w/c = 0,65 w/c = 0,52 w/c = 0,42 w/c = 0,32
Wo
6,6
7,1
6,4
5,2
W7
3,7
3,2
3,3
0,7
W14
3,3
2,6
2,6
0,4
W28
3,2
2,4
1,9
0
R28
20
50
78
93
SP
–
–
+
+
MK
–
–
+
+
Va[dcm3]
20
10
19
10
Wo – zawartość wilgoci w mieszaninie betonowej
W7, 14, 28 – zawartość wilgoci po 7, 14, 28 dniach – średnia wytrzymałość betonu po 28 dniach
SP – zawartość superplastyfikatora
MK – zawartość mikrokrzemionki
Va – objętość porów powietrznych w mieszance betonowej
{mospagebreak}
Rozwiązania wspomagające
Jednym z głównych warunków skutecznego zabezpieczenia konstrukcji budowlanych przed szkodliwym działaniem wody może być zlikwidowanie źródła zawilgocenia. Oczywiście nie zawsze jest to możliwe do zrealizowania w całym zakresie.
Dobre rezultaty można osiągnąć przez obniżenie poziomu zwierciadła wód gruntowych. Umożliwia to skuteczny system drenażu opaskowego czy też obwodowego. Decyzje o zastosowaniu takich rozwiązań należy jednak przygotować na podstawie szczegółowej analizy warunków gruntowo-wodnych w podłożu gruntowym. Na rys. 4 i 5 przedstawiono schematycznie istotę funkcjonowania systemu odwadniającego.
Rys. 4. Schemat drenażu czołowego
Rys. 5. Schemat drenażu opaskowego
W przypadku występowania zmiennego poziomu wód gruntowych należy zwróć uwagę na jeszcze jeden ważny problem, związany
z ciśnieniem hydrostatycznym wywieranym na poziomie przepony wodochronnej typu średniego. Podlegają one działaniu siły wyporu i narażone są na uszkodzenia typu „gilotynowego”.
{mospagebreak} W takim przypadku należy dobrać taką grubość warstw posadzkowych, aby ich ciężar zredukował skutki działania siły wyporu. Dodatkowym, korzystnym rozwiązaniem jest umożliwienie swobody odkształceń powłoki wodochronnej w rejonie dylatacji (por. szczegół „A” na rys. 1). Istotę skuteczności zaleconych rozwiązań przedstawiono schematycznie na rys. 6.
Rys. 6. Zabezpieczenie przepony wodochronnej typu średniego w dylatacji
Przykład obliczeniowy (do rys. 6)
Dane
h = 0,2 m
ρbp = 21,0 kN/m3
(gęstość objętościowa
betonu posadzki)
s1 = 0,02 m
g1 = 0,05 m
G1 = 1,05 kN/m2, W = 2,0 kN/m2 (wypór) W > G1
odkształcenie graniczne przepony – 10 %
odkształcenia bezpieczne przepony (dla przypadku a) uagr = s1 × 10 % = 0,002 m
Szukane
G2 W , s2 >> s1 (np. s2 = 10×s1)
g2 ≥ W/ρbp = 2,0/21,0 = 0,095 m Ubgr = 10×s1×10 % = 0,02 m
Prawidłowa struktura budowli w rejonie dylatacji podlegającej znacznym ruchom daje bardzo korzystne rezultaty. Pozorne zwiększenie szerokości dylatacji do wartości s2 (rys. 6b) pozwala na znaczące zwiększenie bezwzględnego odkształcenia izolacji wodochronnej. Zwiększenie grubości posadzki do wartości g2 (rys. 6b) pozwala na zrównoważenie siły wyporu, przez co złącze nie podlega tak intensywnym ruchom jak w przypadku a) na rys. 6.
Ograniczenie ilości wilgoci napływającej do konstrukcji możliwe jest również od strony pomieszczeń wewnętrznych. Chodzi tutaj o zastosowanie skutecznych instalacji odwadniających oraz klimatyzujących.
Właściwie funkcjonujące instalacje odwadniające pozwalają na usunięcie nadmiernych ilości wód poza rejon konstrukcji. Dobrze wyprofilowane spadki w podłożu betonowym (posadzce) oraz odpowiednia liczba kratek ściekowych dostosowana do zlewni mogą znacząco ograniczyć ilość wody przesączających się w głąb konstrukcji.
Właściwy mikroklimat pomieszczeń wewnętrznych może również wpłynąć korzystnie na ograniczenie ilości wilgoci wnikającej do konstrukcji betonowej. W przypadku pomieszczeń, w których ma miejsce intensywna produkcja pary wodnej, poruszony problem ma znaczenie szczególne. Usuwanie nadmiaru pary wodnej, utrzymywanie odpowiedniej temperatury i wilgotności względnej pomieszczeń powinno być kontrolowane przez właściwie dobrany system urządzeń klimatyzujących. Dzięki tym zabiegom można ograniczyć kondensację pary wodnej na powierzchniach wewnętrznych przegród betonowych.
prof. Jan Ślusarek
Politechnika Śląska
Piśmiennictwo
[1] Praca zbiorowa: Struktura materii. PWN Warszawa 1980.
[2] W. Skalmowski: Chemia materiałów budowlanych. Arkady, Warszawa 1971.
[3] W. Żenczykowski: Budownictwo ogólne tom 3/1. Problemy fizyki budowli i izolacje. Arkady, Warszawa 1987.
[4] Praca zbiorowa: Warunki techniczne wykonania i odbioru budowlano-montażowych, część I. Roboty ogólnobudowlane. ITB. WKC, Warszawa 1977.
[5] S. Bretsznajder: Własności gazów i cieczy. WNT Warszawa 1962.
ZAMÓW PRENUMERATĘ
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
luty 2007.
