Za opracowanie i wdrożenie metody autor został uhonorowany Nagrodą Ministra Infrastruktury 2008 za wybitne osiągnięcia twórcze w budownictwie. Metoda jest skuteczną, trwałą i sprawdzoną propozycją ochrony budowli przed wilgocią.
W starych budynkach mury przyziemia często ulegają zawilgoceniu wodami gruntowymi. Jest to spowodowane brakiem lub technicznym zużyciem izolacji przeciwwilgociowych. We współczesnych budynkach, w których izolacje wykonano niedbale, takie zjawiska, jak: przyspieszona korozja materiałów, odspajanie okładzin, wypraw tynkarskich czy odbarwienia i złuszczanie powłok malarskich, niestety również nie należą do rzadkości (fot. 1). Pomimo że mechanizmy powstawania uszkodzeń są w miarę dobrze rozpoznane, to jednak nadal w praktyce remontowej stosuje się nazbyt często metody mało skuteczne, nietrwałe, a nawet takie, które z zabezpieczaniem budynku przed wilgocią nie mają wiele wspólnego. Metoda parafinowej iniekcji termohermetycznej została opracowana na podstawie ponaddwudziestoletniego doświadczenia praktycznego i naukowego autora w badaniu i wykonywaniu blokad przeciwwilgociowych. Inspiracją do podjęcia badań nad zastosowaniem do odtworzenia blokady z wosków naftowych była informacja o zastosowaniu ozokerytu do strukturalnego zabezpieczania starożytnych systemów nawadniających, np. do uszczelnienia akweduktu Pont du Gard w Prowansji. Termoplastyczne woski naturalne wprowadzano wówczas przez powierzchniowe wcieranie w kamienne podłoże nagrzane wcześniej spalanymi polanami.
Brak zadowalającej skuteczności izolacji przeciwwilgociowych wykonanych preparatami krzemowymi, związany z koncentracją w strefie blokady szkodliwych soli transportowanych z gruntu, powstawaniem higroskopijnych produktów ubocznych itd., wskazywał na potrzebę opracowania metody skutecznie i trwale blokującej podciąganie kapilarne. Udało się opracować własną metodę, której głównym obszarem zastosowań są obiekty zabytkowe silnie obciążone szkodliwymi solami. Metoda polega na wykonaniu strukturalnej blokady przeciwwilgociowej z materiału posiadającego niezwykle korzystne właściwości fizykochemiczne.
Założenia technologiczne
W metodzie iniekcji termohermetycznej łączy się obróbkę cieplną z impregnacją, bez rozdzielania tych procesów. Nagrzewanie ośrodka za pośrednictwem wosku zmienia charakter odkształceń z rozszerzania (typowego dla nagrzewania promieniowego) na minimalny skurcz. Jest to wynikiem nakładania się na siebie wielu zjawisk, jak skurczu suszarniczego, pęcznienia spowodowanego przemieszczaniem się wilgoci czy rozszerzania termicznego. Rozgrzany iniekt jest wprowadzany przez nawiercone otwory w zawilgocony mur bez wstępnego suszenia. Początkowo termoplastyczny kompozyt spełnia funkcję medium przyspieszającego kontaktowe nagrzewanie ośrodka w otworze wiertniczym. Do iniekcji termicznej w wilgotnym murze dochodzi dzięki specjalnie zaprojektowanym urządzeniom, tzw. termopakerom umożliwiającym hermetyzację nagrzewanej strefy. Spełniają one rolę grzałek, zasobników podawczych, dozowników oraz wentyli umożliwiających regulację ciśnienia w układzie podawczym. Sterowane rozprężenie gazów wytworzonych w nagrzanej strefie blokady przeciwwilgociowej uruchamia etap nasączania przy jednoczesnym, przeciwprądowym wypływie pary wodnej przez układ podawczy. Wstępne nagrzewanie muru w układzie hermetycznym przyspiesza znacznie nagrzanie muru do wymaganego poziomu dzięki ograniczeniu do minimum odparowywania wilgoci zawartej w strefie wykonywanej blokady przeciwwilgociowej.
Podstawowym składnikiem termoplastycznego kompozytu wykorzystywanego do hydrofobizacji i uszczelniania struktury kapilarno-porowatej muru jest półtwarda, bezwonna parafina rafinowana, która nie rozpuszcza się w wodzie i alkoholu, jest odporna na działanie kwasów i alkaliów, co jest szczególnie ważną cechą w badanym obszarze aplikacji.
Na właściwości uszczelniające wosków naftowych wyraźny wpływ ma dodatek mikrowosków, które zmieniają temperaturę topnienia, lepkość w określonych przedziałach temperatur oraz napięcie powierzchniowe. Do modyfikacji parafiny wykorzystano mikrowoski nazywane cerezynami o różnych temperaturach topnienia. Dodatek cerezyny, a także innych dodatków do kompozytu obniża punkt przemiany fazowej mieszaniny oraz w widoczny sposób poprawia przyczepność, trwałość termiczną, odporność na działanie światła oraz elastyczność w niskich temperaturach.
Wykonanie blokady przeciwwilgociowej rozpoczyna się od wytrasowania i wywiercenia otworów. Następnie w murze osadza się króćce umożliwiające szczelne osadzenie termopakerów. Do urządzeń podawczych wlewany jest roztopiony kompozyt wosków naftowych, przygotowywany w parafiniarkach, lub w postaci tzw. wkładów woskowych, wytwarzanych techniką prasowania granulatu woskowego. Uruchamiany jest system grzewczy, który utrzymuje wymaganą temperaturę impregnatu wypełniającego otwory. Ogrzewanie powoduje cyrkulację płynu w układzie otwór – zasobnik. Po wstępnym ogrzaniu strefy iniekcji przy hermetycznie zamkniętych pokrywach zasobników termopakerów (rys. 1) są otwierane zawory, co powoduje rozprężenie pary wodnej wytworzonej w strefie iniekcji. Front impregnatu zaczyna się przemieszczać radialnie wokół otworów. Z kapilarno-porowatej struktury iniekt wypiera parę wodną, zajmując jej miejsce. Po przejściu w stan stały tworzy szczelną, nieprzepuszczalną przeponę strukturalną o dodatkowo silnych właściwościach hydrofobowych, dielektrycznych i neutralizujących rozpuszczalne sole (fot. 2). Wieloletnie badania wskazywały na potrzebę sterowania temperaturą iniektu znajdującego się w otworze. Jak wiadomo, poszczególne fragmenty muru charakteryzują się odmiennymi właściwościami cieplno-wilgotnościowymi, ze względu na zróżnicowane warunki poboru wilgoci z gruntu, budowę oraz parametry wymiany ciepła z otoczeniem. Proces iniekcji wymagał opracowania trwałych urządzeń o płynnie regulowanej mocy, zasilanych prądem o bezpiecznym napięciu.
Rys. 1. Schemat technologii odtwarzania izolacji strukturalnych metodą iniekcji termicznej (koncepcja własna): 1 –ośrodek murowy, 2 – termopaker, 3 – element grzejny, 4 – pokrywa hermetyczna, 5 – termoizolacja zbiornika, 6 – zasobnik termopakera, 7 – odprowadzenie pary wodnej wypływającej przeciwprądowo (zawór bezpieczeństwa), 8 – doprowadzenie sprężonego powietrza lub podciśnienia, 9 – transport pary wodnej, 10 – transport iniektu, 11 – cyrkulacja iniektu, 12 – strefa konwekcji iniektu, 13 – strefa dyspersji iniektu, 14 – strefa kondensacji pary wodnej („korek wodny”), 15 – strefa nienasycenia wodą, 16 – otwór iniekcyjny wypełniony kompozytem wosków naftowych
a)
b)
Fot. 2. Stan hydrofobowy poszczególnych stref iniekcji (badania
własne): a – widok kropel wody na zahydrofobizowanej
części muru, b – czas utrzymywania się kropel wody na
powierzchni
własne): a – widok kropel wody na zahydrofobizowanej
części muru, b – czas utrzymywania się kropel wody na
powierzchni
Zespół transformatorów pobiera energię z elektrycznej szafy rozdzielczej wyposażonej w urządzenia rejestrująco-sterujące (rys. 2). W szczególnie trudnych przypadkach, np. przy napływającej wodzie, stosowane są również zestawy wysokoprądowe, które mogą wydzielać znacznie większe ilości energii cieplnej.
Rys. 2. Termopakery niskoprądowe (projekt własny): schemat podłączeniowy
Do zbiornika jest wprowadzany roztopiony iniekt o temperaturze od 70 do 100oC, przygotowywany w parafiniarkach, lub wkłady woskowe. Dla przebiegu badanego procesu prowadzonego w temperaturach wyższych niż 12–15oC temperatura początkowa iniektu nie ma większego znaczenia, ponieważ układ grzewczy jest w stanie szybko zapewnić jej wymagany poziom. W bardzo trudnych warunkach atmosferycznych panujących podczas wykonywania prac, np. w zimie, temperatura początkowa ma znaczenie.
Właściwości fizyczne muru zmodyfikowanego woskami naftowymi
Badania wpływu termicznej impregnacji woskami naftowymi na parametry fizyczne jednostek murowych stanowiły obszerną część badań własnych autora. Uzyskane wyniki zostały zweryfikowane przez Instytut Techniki Budowlanej w Warszawie w ramach postępowania dopuszczającego kompozyt woskowy do stosowania w budownictwie. W efekcie kompozyt wosków naftowych uzyskał aprobatę, a następnie rekomendację ITB. Badano wpływ impregnacji jednostek murowych na takie parametry jak: nasiąkliwość wodą, odporność na działanie mrozu, wytrzymałość na zginanie i ściskanie, moduł Younga, skurcz itd. Znaczną część badań prowadzono na cegłach i rdzeniach pobranych z obiektów zabytkowych o unikatowym charakterze.
Nasiąkliwość wodą jest podstawowym parametrem fizycznym muru, który w wyniku termicznej impregnacji woskami ulega zdecydowanej poprawie (wykres 1).
Wykres 1. Zmiana nasiąkliwości powierzchniowej wodą przed i po impregnacji: a – cegła ceramiczna, b – cegła silikatowa, c – wapień pińczowski, d – wapień „Morawica”, e – piaskowiec szydłowiecki, f – zaprawa wapienno-cementowa (a, b, c, d, e, f – przed impregnacją; a’, b’, c’, d’, e’, f’ – po impregnacji kompozytem)
Impregnacja cegieł ceramicznych i silikatowych w znacznym stopniu zmniejsza nasiąkliwość. O ile przed zabezpieczeniem notowano nasiąkliwość na poziomie 14,27–17,75 kg/m2, o tyle po zabezpieczeniu wynosiła ona 0,05–0,07 kg/m2.
W przypadku kamieni naturalnych obserwowano podobne tendencje. We wszystkich omawianych wyżej przypadkach nasiąkliwość powierzchniowa próbek zaimpregnowanych nie przekraczała 1% ich nasiąkliwości oznaczonej przed wykonaniem zabezpieczenia przeciwwilgociowego.
Przesiąkliwość wodą określa odporność zmodyfikowanego muru na wodę naporową. Blokady przeciwwilgociowe są również wykonywane w murach zlokalizowanych poniżejpoziomu zwierciadła wód gruntowych, tj. w strefie występowania parcia hydrostatycznego. W czasie przeprowadzania zabiegu nasączania termicznego poziom wód powinien być ze względów technologicznych okresowo obniżany. Należy jednak brać pod uwagę, że w późniejszym okresie na wykonaną przeponę strukturalną może oddziaływać parcie wody.
Próbki nasączone kompozytem wosków naftowych nie przesiąkały w okresie 48 godzin prowadzenia badań normowych. Stwierdzono, że zaimpregnowane próbki – przy ciśnieniu 0,3 MPa, w okresie pomiarowym trwającym 48 godzin – uzyskują pełną szczelność na przesiąkanie wodą. Kompozyt wosków naftowych uszczelnia nie tylko kapilarno-porowatą strukturę ceramiki, lecz również drobne rysy i kawerny. Blokada wykonana metodą iniekcji termohermetycznej charakteryzuje się nie tylko właściwościami przeciwwilgociowymi, lecz również zachowuje szczelność przy wodzie naporowej. Tak więc jako jedna z nielicznych jest zakwalifikowana nie tylko jako blokada przeciwwilgociowa, lecz przede wszystkim jako izolacja przeciwwodna. Do takiej kwalifikacji upoważnia również potwierdzona praktycznie zdolność do uzyskiwania połączeń wulkanizacyjnych ze zgrzewalnymi izolacjami papowymi.
Wytrzymałość na ściskanie i zginanie. Cykliczne zawilgocenie przez długi czas powoduje spadek wytrzymałości muru na ściskanie. W takiej sytuacji należy wiedzieć, jak preparat impregnujący oddziałuje na wytrzymałość materiałów w strefie wykonywanej blokady i czy można ewentualnie przywrócić przegrodzie jej parametry wytrzymałościowe.
Analiza wyników badań wskazuje, że termiczna impregnacja woskami naftowymi wyraźnie zwiększa wytrzymałości cegieł zabytkowych na ściskanie. Dotyczy to zwłaszcza jednostek charakteryzujących się najniższą wytrzymałością (wykres 2).
Wykres 2. Wpływ impregnacji na wytrzymałość cegieł ceramicznych na ściskanie (seria A – cegły pobrane z zamku gotyckiego w Ostródzie, seria B – cegły pobrane z muru obronnego w Olsztynie, seria C – nowa cegła klasy 15, seria D – zaprawa wapienna)
Mrozoodporność. Szkodliwe oddziaływanie mrozu na ceramiczne elementy murowe jest naturalną konsekwencją zawilgocenia. Badania prowadzone na starannie oczyszczonych i zaimpregnowanych cegłach rozbiórkowych, polegające na cyklicznym, sześciogodzinnym zamrażaniu próbek w temperaturze –20oC i rozmrażaniu ich przez przechowywanie w wodzie, nie wykazały występowania typowych ubytków masy. Dla porównania ubytki ceramiki niezaimpregnowanej przekraczały już po 25 cyklach 15%.
Zdolność do neutralizacji szkodliwych soli. Blokady przeciwwilgociowe są wykonywane w murach na poziomie, gdzie zawartość szkodliwych soli jest największa. Jednym ze sposobów zapobiegania oddziaływaniu szkodliwych soli jest przesączenie materiału preparatem hydrofobizującym, ograniczającym kontakt z wodą podciąganą kapilarnie oraz z wilgocią higroskopijną. Impregnacja zapobiega zjawiskom hydratacji, krystalizacji, a także przemieszczaniu się i wysokiej koncentracji soli w strefach odsychania wilgoci. Dzięki badaniom uzyskano ważne informacje dotyczące zdolności kompozytu wosków naftowych do neutralizacji szkodliwych soli w strefie blokady przeciwwilgociowej. Impregnacja powoduje, że w tej strefie nie dochodzi do uwalniania jonów siarczanowych, chlorkowych i azotanowych do otaczającego środowiska.
Odwracalność procesu impregnacji jest najczęściej postulowana przez konserwatorów zabytków w odniesieniu do zabiegów prowadzonych na unikatowych obiektach. Kompozyt wosków naftowych zachowuje całkowitą neutralność wobec szkieletu, tak więc jest możliwe usunięcie go z ośrodka murowego. Opracowano zestaw urządzeń, które pozwalają wyekstrahować kompozyt z muru, co jest zgodne z zasadą odwracalności wynikającą z postulatów zawartych w Karcie Weneckiej. Dotychczas nigdy nie doszło do sytuacji, w której zachodziłaby konieczność usuwania kompozytu z muru. Zdarza się jednak, że przez nieuwagę pracownika dochodzi np. do zabrudzenia posadzek kamiennych. Wówczas opracowana technologia usuwania kompozytu bardzo się przydaje.
Zalety strukturalnej izolacji przeciwwilgociowej wykonywanej metodą iniekcji termicznej przy zastosowaniu kompozytu wosków naftowych
– Jednoznacznie zdefiniowane parametry techniczne zapewniające uzyskanie ciągłej i szczelnej blokady przeciwwilgociowej (przy jednoczesnym określeniu technicznych czynników ryzyka wystąpienia braku skuteczności).
– Jednoczesne wysuszenie muru w strefie blokady przeciwwilgociowej oraz w strefach bezpośrednio do niej przyległych.
– Długotrwały i stabilny mechanizm działania iniektu.
– Zminimalizowanie deformacji muru w wyniku wzajemnego znoszenia się skutków ogrzewania, suszenia i pęcznienia, zachodzących równocześnie podczas nasączania.
– Ograniczenie przemieszczania się poza strefę blokady przeciwwilgociowej oraz powstawania niekontrolowanych wycieków iniektu (samouszczelnianie się strefy blokady termoplastycznym kompozytem woskowym w nieizotermicznym polu temperatury).
– Brak produktów ubocznych wiązania kompozytu z nasączanym materiałem.
– Wysoki stopień pewności uzyskania szczelności blokady – niezależny od warunków wilgotnościowych muru i warunków termicznych otoczenia.
– Optyczna kontrola procesu nasączania muru.
– Neutralizacja fizyczna szkodliwych soli w strefie blokady.
– Ograniczenie do minimum higroskopijności materiału w strefie blokady.
– Wzrost odporności chemicznej materiałów nasączonych woskowym iniektem.
– Możliwość wykonywania blokady w murach poddawanych wcześniej innym zabiegom przeciwwilgociowym oraz możliwość powtórnej iniekcji.
– Wyeliminowanie szkodliwego oddziaływania w murze zjawisk elektrokinetycznych (parafiny są bardzo dobrym izolatorem elektrycznym).
– Wulkanizacja strefy blokady z istniejącymi izolacjami wykonanymi na bazie lepików asfaltowych oraz innych materiałów termoplastycznych (regeneracja starych izolacji papowych w strefie blokady).
– Możliwość wykonywania blokad w silnie skorodowanym murze.
– Wzrost wytrzymałości muru w strefie blokady (wyjątek – mury zawierające zaprawy gipsowe).
– Regulowana moc technologicznych źródeł ciepła (dostosowywana do potrzeb).
– Odwracalność procesu nasączania woskami naftowymi.
– Brak szkodliwego oddziaływania kompozytu woskowego na zdrowie ludzi i zwierząt.
– Dopuszczalny kontakt kompozytu woskowego z żywnością i wodą pitną.
– Sterylizacja muru w strefie termicznego nasączania.
Wojewódzki konserwator zabytków wydał zgodę na wykonanie omawianą metodą zabezpieczeń przeciwwilgociowych w olsztyńskim ratuszu miejskim. Kompozyt wosków naftowych oraz technologia aplikacji uzyskały Aprobatę Techniczną ITB nr At-15-5053/2001, a w 2006 r. – Rekomendację Techniczną RT ITB-1055/2006. Metodę zastosowano do odtworzenia izolacji poziomej w Sanktuarium Maryjnym w Św. Lipce, w Ambasadzie RP w Rydze, w starym i nowym ratuszu w Olsztynie oraz ponad stu innych obiektach na terenie Polski, Rosji i Łotwy.
Opracowano i wdrożono również techniki uzupełniające iniekcję termiczną, czyli przediniekcyjne diagnozowanie struktury muru przy zastosowaniu sondy pneumatycznej (rys. 3). Zaprojektowano i wdrożono prototypy urządzeń, jak wibropneumatyczny przenośnik zaprawy mineralno-woskowej wraz z recepturą zaprawy oraz przeciwbieżną mieszarkę do napowietrzania zaprawy przeznaczoną do wstępnego uszczelniania konstrukcji murowych. Skonstruowano również urządzenia do przygotowywania kompozytu wosków naftowych metodą topienia (tzw. parafiniarki) oraz metodą prasowania granulatu woskowego. Ukoronowaniem prac wdrożeniowych nad metodą jest uzyskanie patentu Urzędu Patentowego RP nr 194943 oraz obrona pracy habilitacyjnej opisującej podstawy fizyczne iniekcji termohermetycznej (Hydrofobizacja i uszczelnianie przegród murowych metodą iniekcji termicznej, R. Wójcik, Wydawnictwo UWM, Olsztyn 2005).
Rys. 3. Sonda pneumatyczna do diagnostyki szczelności muru – schemat budowy: 1 – końcówka uszczelniająca, 2 – tuba wyrównująca przepływ powietrza, 3 – przepływomierz skrzydełkowy, 4 – system zbierania danych, 5 – czujnik ciśnienia, 6 – regulator ciśnienia, 7 – zbiornik powietrza ze sprężarką
dr hab. inż Robert Wójcik, prof. UWM,
Wydział Nauk technicznych UWM Zakład Rewitalizacji i Fizyki Budowli
