Mechanika wilgoci. Fizyka i chemia budowli część 1-1E mgr inż. Anna Najder, dr inż. Tomasz Najder Wersja 06/2008, zmodifikowana 10/2016 2016.10.23 (Part 1_1 PP 2007, animation + p/r) Copyright notice Unauthorised copying of this presentation as whole or in parts in any form or by any means, electronic, photocopying, recording or otherwise, without prior written permision is prohibited. ready

Spis treści Wstęp 3 Źródła wilgoci 10 Bezpośrednie oddziaływanie wilgoci na budynek 16 Skutki zawilgoceń 26 Przyczyny kłopotów wilgotnościowych obiektów zabytkowych 40 Transport wody i wilgoci 41 Tradycyjne i współczesne tynki 63 Transport wody w murach otynkowanych 68 Pojęcia związane z wilgocią (parą) 77 Dyfuzja i konwekcja pary wodnej 80 Przepuszczalność pary i paroszczelność 87 Dyfuzja i konwekcja c.d. 89 Kondensacja pary, punkt rosy 95 Konwekcja w obiektach sakralnych 99 Wilgoć w konstrukcjach murowych 103 Naprężenia i odkształcenia w murze 106 Naprawy – „przykazania” 112 ready

! 13. Konwekcja w dużych obiektach sakralnych Każdy obiekt budowlany działa hamująco na naturalny ruch wilgoci z gruntu i piwnic do wyższych kondygnacji wskutek dyfuzji i konwekcji oraz kapilarności. Zamiana kamiennej posadzki z płyt na szczelną płytę żelbetową powoduje zintensyfikowany przepływ wilgoci przez mury. Ogólna ilość transportowanej wilgoci się nie zmieni, zmieni się jedynie kierunek tego transportu tzw. skierowany będzie tam, gdzie będzie to nadal możliwe. Ruch ten zatem jest stały i nieunikniony. Skutki: wzrost zawilgocenia murów, wysalanie i szkody od przemarzania. ! ready press press press

! X Konwekcja w dużych obiektach sakralnych c.d. wilgotne powietrze Konwekcja w dużych obiektach sakralnych c.d. Posadzka i wnętrze kościoła wentylowane Wilgoć transportowana ku górze w wyniku konwekcji skrapla się na podsklepieniu, o ile przed utratą ciepła zamknięto dawne szyby wentylacyjne. Warto jeszcze raz powtórzyć: - każdy obiekt budowlany, a zwłaszcza o dużej powierzchni w planie (z reguły takim jest kościoł), stanowi przeszkodę dla naturalnego ruchu wilgoci z gruntu w wyniku dyfuzji i konwekcji oraz kapilarności. szyb wentylacyjny t1>t2 wentyl powietrzny X ogrzewanie [t1] ! dyfuzja konwekcja podciąganie kapilarne ready press press press press

Przepływ wilgoci z podłoża poprzez wentylowaną posadzkę i szybiki wentylacyjne stanowi prawidłowe rozwiązanie problemu konwekcji wobec zamiaru „unowocześnienia” posadzki. ready

Konwekcja w dużych obiektach sakralnych c.d. Przykłady efektywnych rozwiązań tradycyjnych: kominek wentylacyjny w filarze muru obwodowego (kościół św. Katarzyny w Gdańsku – XV w.) półszczelna posadzka z nagrobnych płyt kamiennych z przerwami (szczelinami) na ich złączach oraz w obrębie pęknięć. (kościół św. Trójcy – XVI/XVII w.) press ready

XVIII-wieczny plan kwater grobowych w Kościele Mariackim w Gdańsku XVIII-wieczny plan kwater grobowych w Kościele Mariackim w Gdańsku. Kwatery grobowe miały często nie charakter grobów ziemnych, zakrytych z wierzchu kamiennymi płytami – były wentylowanymi otwartymi przestrzeniami (kryptami). „Wentylowana” była w ten sposób przeważająca powierzchnia kościoła, jak na załączonej rycinie. press ready

14. Wilgoć w konstrukcjach murowych warstwowych i monolitycznych Mur ceglany z rdzeniem z kamieni na zaprawie wapiennej. ( - ) Skorupa gp na dp zaprawie wapiennej: tendencja do wciągania wody deszczowej i kapilarnej do rdzenia z cegieł, a nie na zewnątrz w kierunku cegieł. Niebezpieczeństwo rozsadzania mrozem zawilgoconej wewn. warstwy cegieł w wyniku kondensacji i podciągania kapilarnego. (+) Ruch soli wewnątrz rdzenia, a nie na zewnątrz w kierunku cegieł. pełne nasycenie parą zawartość pary [%] kondensacja press press press ready

Wilgoć w konstrukcjach murowych warstwowych i monolitycznych c.d. Mur pełny ceglany: gp (+) Odporny na szkody w wyniku dyfuzji. Wilgoć podciągana kapilarnie lub wskutek zawilgocenia deszczem będzie „uciekała” z muru. ( - ) Przy braku tynku ryzyko przechodzenia wody i wilgoci przez fugi w przypadku murów cienkich. przecieki pełne nasycenie parą zawartość pary [%] podciąganie kapilarne ready press press press press

Wilgoć w konstrukcjach murowych c.d. Mur kamienny zafugowany Zaprawa wapienna sprzyja kapilarnemu ruchowi wody w górę. Zaprawy cementowe hamują kapilarny ruch wody, blokują ruch wody z wnętrza. bdp dp bdp dp bdp ! Mocne, sztywne i nieprzepuszczalne zaprawy cementowe blokują jednak wodę wewnątrz muru (zarówno z kamienia, jak i z cegły). Mogą powodować odspajanie cegły w wyniku zamarzania wody w fugach i działania soli – efekt częściowej zamiany od zewnątrz fugi wapiennej na cementową. ready press press press press

15. Naprężenia i odkształcenia w murze ready

Mur stanowi kompozyt składający się z cegieł i łączącej jej zaprawy Mur stanowi kompozyt składający się z cegieł i łączącej jej zaprawy. Obciążony odcinek muru lub słup odkształca się, poddany prawie wyłącznie ściskaniu („kurczy się”). Miernikiem odkształcenia jest wartość ε [bezwym.], będąca ilorazem skrócenia Δh do wysokości (np. słupa) h. Najbardziej trwały mur to taki, gdy oba jego komponenty współpracują „solidarnie” w przejęciu obciążenia – tzn. gdy temu samu odkształceniu względnemu ε odpowiadają zbliżone naprężenia f [MPa, dawniej kG/cm2] i zaprawie i w cegle. Warunek ten jest w zasadzie spełniony dla cegły średniowiecznej i zaprawy wapiennej. Podobnie jest dla cegły tzw. maszynowej (XIX i XXw.), dużo trwardszej i sztywniejszej oraz zaprawy cementowe o podobnych parametrach. ready press press

Wykres zależności pomiędzy naprężeniemi a odkształceniami cegły, zapraw i muru f [MPa] Wykres zależności naprężenie - odkształcenie oraz odkształcenia cegły, zapraw i muru: a) cegła maszynowa, a‘) cegła średniowieczna, b) zaprawa cementowa, c) zaprawa wapienna, d) mur na zaprawie cementowej, e) mur na zaprawie wapiennej. naprężenie b zaprawa cementowa a cegła maszynowa mur na zaprawie cementowej d cegła średniowieczna a’ mur na zaprawie wapiennej Mur na zaprawie wapiennej z cegły średniowiecznej przy tym samym obciążeniu odkształca się ok. 5x więcej niż mur współczesny e c c zaprawa wapienna ε(x10-3) zaprawa wapienna naddaje się (”płynie”) odkształcenie press press press ready press press press

Deformacja muru ceglanego spoinowanego: naprężenia Deformacja muru ceglanego spoinowanego: zaprawą wapienną (100 części wapna gaszonego, 1000 części piasku), 2. zaprawą wapienno-cementową (50 części wapna, 50 części cementu, 625 części piasku), 3. zaprawą wapienno-cementową 35/65/550), 4. zaprawą cementową (100 części cementu, 425 części piasku). deformacja muru ( ”ściśnięcie”) mm/m wysokości ready press press press

Przypadek 1: obciążony odcinek muru odkształca się poddany ściskaniu („kurczy się o wartość ε [bezwym.], będąca ilorazem skrócenia Δh do wysokości (np. słupa) h. h ε W fugach pionowych z zaprawy cementowej (bardzo sztywnej) mobilizują się znaczne naprężenia rzędu 30 MPa (300 kG/cm2). Fugi stanowią podpory w kształcie klinów. Cegła w uproszczeniu będąca belką wolnopodpartą przełamuje się mniej więcej w połowie przęsła. ready press press

Przypadek 1: z poprzedniej strony εz = εc zaprawa cementowa cegła maszynowa fz mur na zaprawie cemento-wej fm cegła średniowieczna Naprężenia w murze współczesnym fz fc fc fc’ Naprężenia w murze średniowiecznym fz’ εz=εc Mieszanie podatnej cegły średniowiecznej a’ i sztywnej zaprawy cementowej b) powoduje, że dla tej samej wartości ε dla cegły i zaprawy, cegła „miękka” pęka, zaś w zaprawie cementowej powstają znaczne naprężenia – ale nie powodujące jeszcze „płynięcia” takiej zaprawy, nadal sztywnej. Średniowieczna cegła poddawana jest zgniataniu poziomą fugą cementową, jak w prasie. Cementowe fugi pionowe działają z kolei jak kliny i powodują pękanie i łupanie się cegły pracującej w fazie zniszczenia. Podobne procesy zachodzą, gdy w partie muru średniowiecznego „wmontuje się” współczesne wstawki cegły maszynowej na zaprawie cementowej. ready press press press press press press

Spoiny w murze ceglanym po wymianie starej zaprawy wapiennej na sztywną – cementową. Skutek: przełamywanie (strzałki na żółto) się cegły na sztywnych punktach podparcia (trójkąty na niebiesko). ready press press

Cegły zaprawa wapienna zaprawa cementowa Spoiny w murze ceglanym po lokalnej wymianie starej zaprawy wapiennej na sztywną – cementową. Skutek: przełamywanie się cegły na sztywnych punktach podparcia. ready

te same naprężenia fz = fc. Przypadek 2: w cegle i w zaprawie fugi poziomej poddanych ściskaniu występują te same naprężenia fz = fc. W fugach poziomych z zaprawy cementowej (bardzo sztywnej) mobilizują się te same naprężenia, co w cegle. Fugi stanowią rodzaj prasy hydraulicznej ściskającej cegłę. Naprężenia w zaprawie cementowej są dalekie od powodowania jej ”płynięcia”. Cegła zaś poddana jest ściskaniu w zakresie powyżej jej wytrzymałości. Ulega ona rozłupaniu tworząc charakterystyczne ”oczodoły”. ready

Przypadek 2: z poprzedniej strony fc= fz. zaprawa cementowa cegła średniowieczna fc=fz εz εc Podatna (łatwo odkształcająca się) cegła średniowieczna i zaprawa wapienna o zbliżonym module odksztalcenia idealnie ze sobą współpracują (εc ≈ εz). Przy obciążeniu muru z cegły średniowiecznej z zaprawą cementową to samo obciążenie na 1cm2 powoduje, że wobec εc >> εz następuje przeciążenie cegły i jej rozłupywanie się. ready press press

”ściśnięcie” mm/m słup na zaprawie wapiennej słup na zaprawie wapienno - cementowej obciążenie w tonach dzień po wymurowaniu Mur czy słup wymurowany na zaprawie wapienno- cementowej stopniowo obciążany ”kurczy się”, by po odciążeniu wrócić praktycznie do pierwotnych wymiarów. Taki sam mur, ale na zaprawie wapiennej pozostaje już w kształcie prawie nieodwracalnym, zapisując jakby swoją historię. Sztywne fugi cementowe przeciążają cegłę, zwłaszcza podatna jest ona na wyłomy w obrębie lica muru. Uszkodzenia j.w. stanowią drogę dla dalszej penetracji wody, która z kolei zamarzając otwiera drogę do szybkiej destrukcji lica i wierzchnich partii muru. press press press ready

pęknięcia pojedyńczych cegieł globalne pęknięcia konstrukcji murowej oczodoły erozja cegły i zaprawy Uszkodzenia muru, zarówno widoczne na jego licu jak i w jego wnętrzu to wspomniane ”oczodoły”, pęknięcia pojedyńczych cegieł, erozja zaprawy i cegły, jak i jej rozłupywanie się oraz globalne pęknięcia konstrukcji murowej (np. wskutek jej osiadań). ready press press press press

Mur z cegly średniowiecznej ”naprawiony” zaprawą cementową Mur z cegly średniowiecznej ”naprawiony” zaprawą cementową. Widoczne tworzące się „komórki” podzielone siatką tej zaprawy. Wilgoć intensyfikuje swoją penetrację przez mniej szczelne cegły, a nie przez szczelne fugi. Zwiększone wysalanie i zawilgocenie w połączeniu z ograniczoną mrozoodpornością powoduje rozpad cegieł. W opisanym przypadku problemy mechaniki łączą się z problemami, wynikającymi z wilgoci i zasolenia. press ready

Negatywne skutki zastosowania cementowego tynku (czapy) na koronie muru. Wilgoć podciągana kapilarnie i w wyniku dyfuzji zatrzymywana jest w murze wobec zacementowania kamiennego cokołu oraz spoin. Wilgoć migruje do korony muru i tu zamarza. Powstały lód niszczy cegły i czapę. ready

Skutki zamiany tynków i zapraw wapiennych na cementowe (sztywne, paroszczelne i zasalające) – Polska. Fot. K. Darecka ready

16. Naprawy – „przykazania” ! unikaj powodów zawilgoceń. O ile są one nie do uniknięcia, dopasuj do tego metody naprawcze, nie stosuj zbyt szczelnej zaprawy, wszelkie wzmocnienia nie mogą być nieusuwalne, nie zmieniaj schematu statycznego konstrukcji, nie stosuj silniejszych materiałów naprawczych od rodzimych. press ready

Koniec części 1-1E ready

Thank You for Your attention! ready