Nowoczesne hydroizolacje budynków - ebook

WSTĘP

Książka jest monografią poświęconą zabezpieczeniu przed wodą i wilgocią części podziemnych budynków. Izolacje wodochronne części podziemnych budynków (hydroizolacje) powinny stanowić ciągły i szczelny układ oddzielający budynki lub ich części od wody lub pary wodnej, ponieważ wszystkie procesy niszczące obiekty budowlane zachodzą właśnie w obecności wilgoci. Z tego powodu niezwykle istotne jest zapewnienie właściwej ochrony przed szkodliwym jej działaniem, co pozwoli na zagwarantowanie komfortu użytkowania pomieszczeń wewnątrz budynków, pośrednio oddziałując na zdrowie i życie ich mieszkańców.

Warunki gruntowo-wodne występujące w miejscu lokalizacji budynków, a także poziom ich posadowienia powinny stanowić główne przesłanki do ustalenia rodzaju i liczby niezbędnych warstw hydroizolacyjnych. Prawidłowe zaprojektowanie hydroizolacji nie gwarantuje jednak uzyskania oczekiwanej szczelności. Istotny jest również proces wbudowywania hydroizolacji w obiekty. Nawet najlepsze materiały przewidziane do wykonania warstw hydroizolacyjnych nie zapewnią oczekiwanej szczelności, jeżeli proces ich wbudowywania w obiekt nie zostanie prawidłowo wykonany, a izolacje nie zostaną właściwie zakończone, zarówno w rejonie krawędzi, jak też w miejscach newralgicznych, na przykład przejść instalacyjnych.

Zabezpieczenia wodochronne części podziemnych budynków powinny, w całym cyklu ich życia, spełniać wymagania użytkowe, ponieważ:

• po zakończeniu procesu budowy dostęp do izolacji części podziemnych budynków jest bardzo ograniczony i często niemożliwy,

• wymiana izolacji wodochronnych w tym obszarze wymaga demontażu i/lub usunięcia warstw osłonowych, zarówno warstw gruntu, jak i warstw wykończeniowo-nawierzchniowych.

W ekstremalnych warunkach koszt napraw hydroizolacji może przekroczyć nawet 300-krotnie koszt samych materiałów hydroizolacyjnych . Stąd też można stwierdzić, że izolacje wodochronne są bardzo ważnymi, chociaż z reguły niedocenianymi, elementami budynków.

Najczęściej stosowanymi rozwiązaniami hydroizolacji części podziemnych budynków są zarówno zabezpieczenia powierzchni konstrukcji, jak też wykorzystujące beton o określonym stopniu wodoszczelności. Rozwiązania te sklasyfikowano w książce w zależności do warunków gruntowo-wodnych występujących w rejonie posadowienia budynków. W pierwszym przypadku rozróżniono rozwiązania hydroizolacyjne przeznaczone do stosowania:

• w budynkach nowych,

• jedynie podczas remontu przeciekających konstrukcji;

rozwiązania te powiązano z autorską klasyfikacją typowych błędów stwierdzanych w praktyce w obrębie izolacji części podziemnych budynków.

W drugim przypadku zaproponowano autorskie rozwiązania zabezpieczania przed wnikaniem wody w miejscach newralgicznych z zasygnalizowaniem jedynie podstawowych wymagań dotyczących właściwości betonu, bez podawania informacji o zasadach jego projektowania .

Omówienie poszczególnych rozwiązań hydroizolacyjnych rozpoczęto od analizy stosowanych materiałów, dla których, po badaniach i obserwacjach , autorka zaproponowała optymalne wymagania techniczne wraz z prezentacją sposobu ich wbudowania w obiekt. Podano także propozycję wymagań dotyczących sposobu odbioru poszczególnych etapów robót. W końcowych rozdziałach książki przedstawiono porównawcze analizy trwałości poszczególnych rodzajów materiałów hydroizolacyjnych ustalone przez autorkę podczas realizacji pracy naukowo-badawczej . W publikacji pominięto problematykę związaną z wykonywaniem drenażu, uznając, że jest to zagadnienie bardzo szerokie, wymagające odrębnego opracowania.

Książka może być przydatna dla studentów budownictwa, pracowników naukowych, jak też dla wszystkich uczestników procesu budowlanego, tzn. inwestorów, projektantów i wykonawców robót hydroizolacyjnych.1
WARUNKI PRACY I PODZIAŁ ZABEZPIECZEŃ WODOCHRONNYCH W CZĘŚCIACH PODZIEMNYCH BUDYNKÓW

1.1. Warunki migracji wody w środowisku gruntowym

Woda zgromadzona w gruncie może występować w formie wody : włoskowatej, przesiąkającej poprzez warstwy gruntowe, zaskórnej, gruntowej, powierzchniowej.

Woda włoskowata (kapilarna) utrzymuje się pomiędzy cząsteczkami gruntu dzięki napięciu powierzchniowemu i ma tendencję do podciągania kapilarnego ku górze. Orientacyjne wysokości podciągania kapilarnego przez różne grunty kształtują się następująco: żwir – do 0,03 m, piaski – w zależności od uziarnienia od 0,04 m do 2,00 m, pyły – od 2,0 m do 5,0 m, glina – od 5,0 m do 15,0 m, ił chudy – od 15,0 m do 50,0 m, ił – ponad 50,0 m. Woda ta może wypełniać całkowicie lub częściowo pory w gruncie i zawilgocenie to wzrasta w pobliżu poziomu wody gruntowej, malejąc w kierunku powierzchni terenu. Woda gruntowa, występując w opisanej postaci, nie wywiera parcia hydrostatycznego na części podziemne budynków.

Wody przesiąkające poprzez warstwy gruntowe pod wpływem ciężaru własnego nie wywierają parcia hydrostatycznego. Część tej wody utrzymuje się w gruncie dzięki siłom lepkości. Woda ta może przekształcić się w wodę zaskórną, gdy podczas robót budowlanych jej naturalny ruch zostanie zakłócony.

Woda zaskórna pochodzi z opadów atmosferycznych i zbiera się w gruncie nad pokładami o mniejszej przepuszczalności. Jej poziom w istotnym stopniu zależny jest od intensywności opadów. Woda ta nie ma bezpośredniego połączenia z wodą gruntową w warstwach wodonośnych występujących na większych głębokościach. Woda ta wywiera na budowlę parcie hydrostatyczne o zmiennych wartościach, czyli jest to tzw. woda naporowa.

Woda gruntowa stale wypełnia przestrzenie międzycząsteczkowe w gruntach wodonośnych jak piaski, żwiry, spękane skały itp. Może ona znajdować się w spoczynku, czyli w poziomie, lub w ruchu, wykazując spadek w kierunku ruchu. Woda gruntowa wywiera na budowlę parcie hydrostatyczne o zmiennej wartości w zależności od poziomu jej zwierciadła.

Wody powierzchniowe tworzą zbiorniki naturalne jak morza, rzeki, jeziora. Obiekty inżynierskie wznoszone w obrębie oddziaływania takich zbiorników narażone są na działanie parcia hydrostatycznego.

Ze wszystkich rodzajów wód występujących w gruncie to wody gruntowe mają najistotniejszy wpływ na roboty fundamentowe obiektów budowlanych, jak również na posadowienia i stateczność nasypów i wykopów. Bezpośrednie oddziaływanie wód gruntowych widoczne jest szczególnie przy wykonywaniu wykopów. Woda zawarta w gruncie występuje pod różnymi postaciami (wody higroskopijnej, kapilarnej i in.). Jeśli woda wypełnia wszystkie pory gruntu, to taki ośrodek nazywamy nasyconym, natomiast przy odpowiedniej wielkości porów część tej wody może poruszać się pod wpływem siły ciężkości. Jest to tzw. woda gruntowa (grawitacyjna). Woda grawitacyjna, zwana też wodą wolną, może zalegać lub przepływać w warstwie wodonośnej przy swobodnym zwierciadle wody oddzielającym strefę obszaru nasyconego od strefy nienasyconej; może także występować pod ciśnieniem między dwoma warstwami gruntu nieprzepuszczalnego i nazywana jest wodą artezyjską. Ruch wód gruntowych w ośrodku porowatym, zwany filtracją lub przesączaniem, zależy od ośrodka gruntowego – jego uziarnienia, struktury i porowatości. Te zależności sprawiają wiele problemów, stąd jest niemożliwym zbadanie zjawiska filtracji i podanie reguł z dokładnością, z jaką określa się na przykład ruch wody w przewodach. W praktyce do określenia prędkości filtracji stosuje się znaną empiryczną zależność podaną przez Darcy’ego :

v = k · i

(1.1)

gdzie: v – prędkość filtracji, , k – współczynnik filtracji, , i = ∆h/l – spadek hydrauliczny (gradient), czyli strata naporu wody ∆h na odległości l (rys. 1.1).

Współczynnik filtracji można określić ze wzoru

k = (K · gw)/η

(1.2)

gdzie: K – współczynnik przepuszczalności, , gw – ciężar właściwy wody, , η – współczynnik lepkości dynamicznej wody, .

W profilu gruntowym wyróżnia się strefy: aeracji i saturacji, oddzielone zwierciadłem wód gruntowych. Strefa aeracji, w której pory są częściowo wypełnione wodą, leży ponad zwierciadłem wody gruntowej, a strefa saturacji o porach wypełnionych całkowicie leży poniżej zwierciadła wód gruntowych. W przypadku swobodnego zwierciadła wody gruntowej jej ruch możliwy jest dzięki pochyleniu zwierciadła. Woda gruntowa znajdująca się pod ciśnieniem między warstwami nieprzepuszczalnymi po wykonaniu otworu w gruncie podnosi się w nim. Ruch wody gruntowej odbywa się z małymi prędkościami, gdyż istnieją duże opory hydrauliczne w krętych i wąskich kanalikach.

Rys. 1.1. Ruch wody gruntowej

Podział gruntów w zależności od ich przepuszczalności dla wody przedstawiono w tab. 1.1.

Tabela 1.1. Orientacyjne wielkości współczynnika wodoprzepuszczalności gruntów naturalnych

+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+

1.2. Mechanizmy działania wody i wilgoci na części podziemne budynków

W praktyce budowlanej terminem wilgoć określa się wodę zawartą w materiale, gruncie czy powietrzu, która nie wywiera parcia hydrostatycznego na elementy budowlane. Jeżeli woda wywiera parcie, to określa się ją terminem woda naporowa lub w skrócie woda. Terminy te mają charakter umowny i odnoszą się do opisu oddziaływania cząstek wody na mikrostrukturę materiału. Części podziemne budynków narażone są na stałe działanie wody i wilgoci zgromadzonej w otaczającym gruncie oraz na działanie ciśnienia gruntu. Oczywiście wartości te są niższe dla gruntów suchych i przepuszczalnych, zwiększając się w przypadku gruntów spoistych. Poglądowo proces wnikania wody w ściany zewnętrzne i wewnętrzne budynków pokazano na rys. 1.2

Rys. 1.2. Mechanizm wnikania wody w ściany części podziemnych budynków w przypadku niesprawnych hydroizolacji części podziemnych budynków : a) ściany zewnętrzne, b) ściany wewnętrzne; 1 – wody deszczowe i wilgotność powietrza, 2 – podciąganie kapilarne wód gruntowych, 3 – wody gruntowe – wnikanie boczne, 4 – woda z awarii i kondensacja pary wodnej

Poziomy wód gruntowych i w efekcie wartości ciśnień hydrostatycznych działających na części podziemne budynków są zmienne w różnych porach roku i zazwyczaj wykazują najwyższe wartości w okresach wiosennych. Wody znajdujące się w gruntach mogą przenikać do fundamentów, jeżeli nie są one właściwie zabezpieczone przed ich działaniem. W strefach tych najczęściej występują zawilgocenia wodami infiltrującymi, które przemieszczają się do struktury ścian głównie z powodu działania sił grawitacji oraz sił kapilarnych. W przypadku wiązań fizyko-mechanicznych rozerwanie wiązań spowodowanych meniskami w kapilarach oraz adhezjach powierzchniowych może nastąpić na skutek odparowania z powierzchni, a następnie z kapilar do mniej wilgotnego powietrza. Oprócz przesiąkania wód przez elementy konstrukcyjne do wnętrza budynków także materiały, z których wykonano fundamenty, mogą podciągać wilgoć wzwyż do kondygnacji nadziemnych wskutek podciągania kapilarnego (rys. 1.3).

Rys. 1.3. Schemat przedstawiający podciąganie kapilarne wody przez mur

Wysokość podciągania kapilarnego zależy od szeregu czynników, takich jak :

• porowatość materiałów, z których wykonane są części podziemne budynków,

• stopnie nasycenia gruntów wodami lub/i wilgocią,

• prędkości odparowywania wilgoci z powierzchni konstrukcji,

• obecności soli.

Przykładowo zaprawy stosowane do murowania elementów budowlanych mają bardzo istotny wpływ na wzrosty poziomów zawilgocenia murów . Zgodnie z modelem Sharpa wysokości podciągania kapilarnego zapraw można określić równaniem

H = s ∙ 1/2

(1.3)

gdzie: H – wysokość frontu podciągania kapilarnego, s – chłonność wody przez zaprawę, b – grubości ścian, e – tempo parowania na jednostkę zwilżanej powierzchni, θ – objętość wody na jednostkę objętości materiału.

Wilgoć w ścianach murowanych z cegły może być podciągana do wysokości ok. 2,5 m powyżej poziomu terenu . W przypadku gdy warstwy wykończeniowe ścian wykonane są z materiałów paroszczelnych, wilgoć może być podciągana przez kapilary murów nawet znacznie wyżej. Zawilgocenie zewnętrznych ścian murowanych z cegły nie powinno przekraczać wartości 3%.

Materiały porowate w przegrodach budowlanych praktycznie zawsze w warunkach naturalnych zawierają wodę . Podatności materiałów na zawilgocenie determinowane są tzw. zwilżalnością ośrodka kapilarno-porowatego, która zależy od napięcia powierzchniowego między cieczą (wodnymi roztworami soli), powietrzem i szkieletem. Warunek równowagi określa wzór Younga, którego konsekwencją jest zależność określająca wysokość maksymalnego podciągania cieczy

h = (2 ∙ σ ∙ cos θ )/(r ∙ρ ∙ g)

(1.4)

gdzie: σ – napięcie powierzchniowe cieczy, , θ – kąt zwilżania, r – promień porów kapilarnych, , ρ – gęstość wody, , g – przyspieszenie ziemskie, .

Średnice porów mają więc istotny wpływ na podciąganie wód przez kapilary murów. W murowych ośrodkach kapilarno-porowatych energia wiązania wód rośnie ze spadkiem promieni kapilar. I tak na przykład w przypadku makrokapilar o promieniu 10–6 m wynosi ona ok. 0,4 ∙ 10–4 J/mol. Ze spadkiem promienia do 10–8 m energia wiązań wilgoci w mikrokapilarach wzrasta prawie 200 razy. W starych ścianach, gdzie pory mogą mieć średnicę nawet 0,001 mm, może dochodzić do podciągania kapilarnego do wysokości nawet do 2,5 m . Gdy dopuszczalny poziom zawilgocenia zostanie przekroczony, mogą wystąpić niekorzystne dla budynków zjawiska związane z utratą trwałości. Do głównych objawów negatywnych oddziaływań wód i wilgoci na budynki można zaliczyć:

• wzmożone korozje: mechaniczne, biologiczne i chemiczne,

• pogorszenie właściwości fizyko-mechanicznych materiałów,

• pogorszenie warunków higieniczno-sanitarnych pomieszczeń.

Korozje zawilgoconych materiałów są spowodowane przede wszystkim oddziaływaniami mrozów, jak również przemieszczaniami i koncentracją szkodliwych soli. Sole, takie jak siarczany, chlorki i azotany, nie są obecne w materiałach budowlanych i ich występowanie w ścianie może wskazywać na podciąganie wilgoci z gruntu . Podczas odparowywania tej wilgoci i przy powtarzających się procesach zawilgocenia i odparowania w porach materiałów wytrącają się sole i ich stężenie może osiągnąć znaczące wartości .

Nagromadzenie rozpuszczalnych związków chemicznych, głównie w strefach odsychania wilgoci podciąganej kapilarnie powoduje znaczne zanieczyszczenia o charakterze chemicznym i fizycznym. Sole zawarte w podciąganej kapilarnie wodzie mają tendencję do zwiększania jej napięcia powierzchniowego, co zwiększa wysokość podciągania, ale jest to częściowo kompensowane przez wzrost gęstości powstających roztworów soli w wodzie . Podczas odparowywania wody sole krystalizują na powierzchni, co przyczynia się do blokowania porów, zmniejszania odparowywania i w rezultacie zwiększenia wilgotności.

Skrystalizowane sole mogą absorbować wilgoć z powietrza, przy czym tempo absorpcji zależy od wilgotności względnej powietrza . Duże zawartości soli w ścianach mogą przyczyniać się do wzrostu higroskopijności murów, prowadząc do wzrostu zwilgocenia dochodzącego nawet do 9% . Z tego powodu analizy mechanizmów podciągania kapilarnego ścian w istniejących budowlach powinny być uzupełnione analizami obecności soli w ścianach. W przypadkach rozpadu soli na jony zachodzą reakcje chemiczne z materiałami budowlanymi, podobnie jak reakcje z kwasami i zasadami, z których sole te powstały. Oddziaływanie fizyczne zachodzi w przypadku zmiany ilości wody w kapilarno-porowatej strukturze w efekcie krystalizacji lub hydratacji soli. Towarzyszące tym zjawiskom wzrosty objętości wytwarzają ciśnienia o znacznych siłach niszczących. Przyrosty objętości oraz ciśnienia krystalizacji dla kilku przykładowych reakcji zachodzących w materiałach budowlanych przedstawiono w tab. 1.2.

Tabela 1.2. Przyrosty objętości związków chemicznych powstających w materiałach budowlanych

-------------------------- -------------------------- --------------------
Produkty wyjściowe Produkty reakcji Przyrost objętości

CaCO₃ + H₂SO₄+ 2H₂O CaSO₄ · 2H₂O + CO₂ + H₂O ok. 100%

(kalcyt) (gips) ok. 430%

MgCO₃ + H₂SO₄ + 7H₂O MgSO₄ · 7H₂O + CO₂ + H₂O ok. 1400%

(magnezyt) (sól gorzka)

AL₂O₃ + 3H₂SO₄ + 15H₂O Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O

(tlenek glinowy, korund) (siarczan glinowy)
-------------------------- -------------------------- --------------------

Hydratacja polegająca na wiązaniu wody przez sole również jest zjawiskiem bardzo szkodliwym. Szczególnie niebezpieczne zjawiska, w których naprzemiennie występuje hydratacja i dehydratacja, zachodzą w niskich temperaturach. Przykłady takich reakcji to:

(1.5)

(1.6)

Zawilgocenie stwierdzane na powierzchniach wewnętrznych ścian wywołuje również kondensacja pary wodnej. Aby uwzględnić ten czynnik w analizie zawilgocenia, próbki do badania wilgotności powinny być pobierane z różnych głębokości ścian. Wysokie zawilgocenie na powierzchni i niskie w głębszych warstwach może wskazywać na kondensację pary wodnej. Zawilgocenie ścian części podziemnych budynków może być spowodowane również innymi czynnikami, na przykład penetracją wody deszczowej. Przykładowy rozkład wilgoci w murze przedstawiono na rys. 1.4.

Rys. 1.4. Przykładowy rozkład zawilgocenia murów . Przyczyną zawilgocenia dolnej części ściany jest wilgoć podciągana kapilarnie. Powyżej znajduje się obszar, gdzie przyczyną zawilgocenia jest higroskopijność ściany

Wilgotność związana z właściwościami higroskopijnymi może w niektórych przypadkach sięgać kilkunastu procent, nawet jeśli nie zostały one zasolone. Uważa się, że działania naprawcze są wymagane, gdy wartość zawilgocenia ścian murowanych przekracza 5% .