Cechy wody i jej działania na dachach

W artykule:

• Szron na dachu
• Szron na pokryciach leżących na łatach

Dachy, z oczywistych powodów, kojarzone są z wodą i różnego rodzaju problemami, jakie ona wywołuje. Zazwyczaj, gdy pojawia się zaciek na suficie, większość z nas od razu przypisuje ten efekt przeciekaniu pokrycia. Nie zawsze tak jest, ponieważ wyciek może być spowodowany zebraniem się większej ilości skroplin pary wodnej w jednym lub kilku miejscach.

Para wodna przemieszcza się w budynkach i ich przegrodach między innymi dzięki wszechobecnemu powietrzu. Wynika to z tego, że powietrze jest mieszaniną gazów, w której woda stanowi niewielką część: przy powierzchni Ziemi waha się od 0,1% (pustynie i strefy polarne) do 4% (na równiku w dżungli). Jednak para wodna ma duży wpływ na zachowanie się powietrza i wzajemnie – powietrze ma duży wpływ na działania wody [1]. Wynika to między innymi ze specyficznej budowy cząsteczki wody. Woda jako substancja chemiczna ma aż 74 osobliwych cech, różniących ją od innych podobnych związków chemicznych [2] (tlenków gazowych).

Woda to najczęściej występujący związek chemiczny w przyrodzie, który jest jednocześnie niezwykłą substancją, ponieważ ma specyficzną budowę. Woda jest jedną z niewielu, które mogą występować jednocześnie w przyrodzie w trzech stanach skupienia: lotnym – jako para wodna, ciekłym oraz stałym – jako lód lub śnieg. Ma to ogromne znaczenie dla dachów, ponieważ to powoduje powstawanie wielu znaczących zjawisk.

Czytaj także: Gont bitumiczny a wentylacja dachu

Woda zmienia swoje stany skupienia pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia powietrza. Procesy przejścia pomiędzy nimi mają swoje odrębne nazwy: ze stanu stałego w ciekły – topnienie, ze stanu ciekłego w stały – krzepnięcie, ze stanu ciekłego w gazowy – parowanie, ze stanu gazowego w ciekły – skraplanie, ze stanu stałego w gazowy – sublimacja, ze stanu gazowego w stały – resublimacja. Najciekawsza jest na pewno sublimacja, ponieważ polega na tym, że para wodna powstaje również z lodu, co przyspiesza suszenie i ma znaczenie dla wentylowania dachów i ich pokryć.

Właściwości wody w każdym stanie skupienia, a szczególnie w stanie ciekłym, nie zawsze są zgodne z właściwościami podobnych związków chemicznych. Woda jest substancją niezwyczajną i jej zachowania często sprawiają wrażenie sprzecznych z podstawowymi prawami fizyki. Anomalie te wynikają z jej specyficznej budowy molekularnej.

Woda jest związkiem dwóch gazów: wodoru i tlenu, ze wzorem chemicznym H2O, który nie umożliwia zauważenia specjalnych właściwości fizycznych i chemicznych wody. Te specjalne cechy wynikają przede wszystkim z budowy cząsteczki, jej kształtu, rozmieszczenia atomów wodoru i tlenu, odległości między atomami i kąta między wiązaniami chemicznymi (RYS. 1).

Cząsteczka woda ma specyficzny kształt, o przekroju trójkąta, którego jeden z wierzchołków stanowi atom tlenu, a dwa pozostałe to atomy wodoru. Kąt ułożenia atomów wodoru w stosunku do atomu tlenu wynosi ~105º. Ważne jest to, że wolne pary elektronów przy atomie tlenu są po jednej stronie cząsteczki, a dodatni wodór po drugiej. W ten sposób cząsteczka wody tworzy dipol, czyli układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych, co jest przyczyną wielu specjalnych cech wody.

Jedną z nich jest anomalia rozszerzalności cieplnej. Większość cieczy i gazów zwiększa liniowo (stale w tym samym wzroście) swoją objętość pod wpływem ogrzewania. Woda w zakresie temperatur od 0ºC do 4ºC zmniejsza objętość (kurczy się) przy rosnącej gęstości, a w temperaturze 4ºC (dokładnie 3,984ºC) osiąga minimum objętości. Pod wpływem dalszego ogrzewania rozszerza się i w temperaturze ok. 8ºC ma objętość taką samą jak w 0ºC.

W trakcie ochładzania, zamieniając się w lód, woda zwiększa swoją objętość o ok. 10%, co jest wynikiem powstawania krystalicznych struktur lodu. Z tego powodu lód jest lekki i pływa po wodzie, podczas gdy normalnie inne ciała stałe zawsze toną w cieczach powstających przy ich topnieniu. Zamarzanie wody w rzekach i jeziorach i utrzymywanie się lodu tylko na powierzchni umożliwia przetrwanie organizmom żywym w głębi wody.

Jakie to ma znaczenie dla dachów? Wszyscy to znamy, ale nie zawsze doceniamy skalę i skutki tego zjawiska, często występującego na pokryciach i w dachach. Woda, która dostała się w szpary i szczeliny materiałów pokryciowych, uszczelniaczy i do różnych połączeń materiałowych występujących na i w dachach, zamienia się w lód i zwiększa objętość. Z wiadomym skutkiem. Ma to ogromne znaczenie dla trwałości pokryć i ich połączeń z różnymi elementami przechodzącymi przez dach.

To samo zjawisko niszczy materiały porowate takie jak cegły i tynki stosowane na kominach, ścianach lukarn i innych murach. Warto wiedzieć, że wyjątkowość dachów polega na tym, że często występują na nich niskie temperatury, których w innych miejscach budynku przy tej samej aurze nie ma. To zjawisko szybciej niszczy mury i tynki stykające się z dachem niż te znajdujące się poniżej.

Inną niezwykłą i ważną cechą wody jest jej duże ciepło właściwe. Przypomnę, że jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 kg substancji o 1°C. Dla większości materiałów ciepło właściwe wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Woda zachowuje się inaczej i w zakresie temperatur od 0ºC do 27ºC jej ciepło właściwe maleje, osiągając minimum w 27ºC. Przy dalszym ogrzewaniu ciepło właściwe rośnie. Zdecydowanie wysokie wartości ciepła właściwego, ciepła parowania i topnienia oraz krzepnięcia powodują, że woda ogrzewa się bardzo wolno, ale za to długo utrzymuje ciepło.

Z powodu wysokich wartości ciepła topnienia lodu proces ten zachodzi bardzo wolno. Ma to duże znaczenie w naturze, bo dzięki tej właściwości nie doznajemy klęsk powodziowych na skutek gwałtownego topnienia śniegu i lodu. Lód, topiąc się, pochłania bardzo duże ilości energii cieplnej i dlatego na dachach proces ten zachodzi powoli, a jeszcze wolniej pod pokryciami. Ma to duże znaczenie dla funkcjonowania dachów. Spowalnia wszystkie procesy zachodzące pod pokryciami i na zewnętrznych stronach wewnętrznych warstw dachu. Trzeba o tym wiedzieć, ponieważ czasami jest to zjawisko korzystne, a czasami nie. Śnieg, jaki dostaje się pod pokrycia, może tam długo topnieć, zamieniając się w zatory śniegowo-lodowe na skutek topienia się w ciągu dania i zamarzania w nocy.

Inną właściwością wody, której nie można pominąć, jest proces zamiany wody w parę, ponieważ zachodzi on w każdej temperaturze. Paruje nie tylko woda, lecz również śnieg i lód, nawet w temperaturze poniżej 0ºC. Przypomnę: jest to sublimacja, czyli przejście bezpośrednio ze stanu stałego w gazowy. Ma to znaczenie dla skuteczności osuszania dachów za pomocą techniki określanej „wentylacją dachów”.

Równie ciekawą cechą wody jest jej duże napięcie powierzchniowe skutkujące zjawiskiem określanym jako menisk wklęsły. Ta właściwość wynika również z tworzenia międzycząsteczkowych wiązań wodorowych w wodzie. W efekcie woda dąży do minimalizacji powierzchni swojego kontaktu z powietrzem i przybrania takiego kształtu, dla którego przy określonej objętości jej powierzchnia jest jak najmniejsza. Wiadomo, że taki kształt ma kula. Przez to spadająca kropla wody ma kształt zbliżony do kuli. 

Tworzenie się menisków wklęsłych dzięki napięciu powierzchniowemu jest przyczyną zjawiska włoskowatości, które polega na wznoszeniu się wody w naczyniach o bardzo małych przekrojach (kształt włosa, który jest cienki, a długi). Z tego powodu woda wsiąka w glebę, mury i skały, a także wznosi się na wysokość kilku metrów w pniach drzew. Ma to znaczenie również na dachach.

Woda często „podciąga się” w górę w materiałach porowatych i szczelinach powstałych po pęknięciach różnych materiałów. W procesach obserwowanych na dachach zjawisko to współdziała z inną ważną cechą wody: z jej lepkością. Przez lepkość wody rozumiemy opór, jaki stawiają cząsteczki wody podczas przemieszczania się obok siebie. Jest on nieduży, ale silniej zależy od temperatury niż napięcie powierzchniowe. Znaczny wzrost lepkości przy obniżeniu temperatury zmniejsza ruchliwość cząsteczek wody (gorzej spływają).

Ważne dla dachów jest również to, że woda jest dobrym rozpuszczalnikiem. Rozpuszcza doskonale wiele związków chemicznych stałych, ciekłych i gazowych, prawie wszystkie substancje nieorganiczne i wiele organicznych. Z tego względu uznawana jest za rozpuszczalnik uniwersalny, rozpuszcza nawet, choć w minimalnym stopniu, złoto i srebro. Dlatego w swojej wędrówce po dachach i ścianach przenosi wiele substancji, co tworzy pewne problemy. Nanosi na trasy swoich wędrówek substancje porowate, a potem idzie ich śladem. 

W czasie większych opadów sącząca się przez szczeliny woda nanosi rozpuszczone lub wchłonięte substancje, a następnie nawet w czasie małych opadów tak wyznaczonymi trasami woda „podciąga się” po naniesionych wcześniej trasach w ilościach i kierunkach, o jakie nikt jej nie posądza. Doskonałym tego przykładem są balkony, na spodzie których, gdy są wadliwie wykonane „kapinosy”, woda sączy się, stale płynąc pod balkonami po poziomych ich spodnich powierzchniach. Podobnie jest w różnych (również niewidocznych) fragmentach dachów.

Jednak wszystkie te cechy wody nie byłyby tak ważne, gdyby nie fakt, że przemiany fazowe wody oraz jej przemieszczanie są ściśle związane ze zjawiskami fizycznymi towarzyszącymi wymianie energii cieplnej stale zachodzącej w dachach. Trzeba pamiętać, że oprócz zmian temperatury, ciśnienia i wilgotności powietrza związanych ze zmianami pogody i z porami roku są jeszcze zmiany dobowe zachodzące na pograniczu dnia i nocy. W zimnych okresach roku takie zmiany powodują powstawanie szronu, który na dachach występuje często, co może być wykorzystane do oceny ich budowy.

Szron na dachu

Dachy niewentylowane lub źle wentylowane ulegają zawilgoceniu, a to między innymi przyspiesza wymianę ciepła przez dach, ponieważ mokra termoizolacja dobrze przewodzi ciepło. Takie dachy są zimne, bo szybko przekazują ciepło z wnętrza na zewnątrz budynku. Można się o tym przekonać, oglądając zdjęcia takich budynków wykonane kamerą termowizyjną.

Kamery termowizyjne zamieniają promieniowanie podczerwone wysyłane przez badany obiekt na światło widzialne. Zazwyczaj miejsca zimne są ciemne (niebieskie), a ciepłe jaśniejsze (żółte). W ten sposób kamery pokazują rozkład temperatur na powierzchni badanego obiektu. Dla badanych budynków tworzą mapę temperatur, pokazując te miejsca, przez które ucieka dużo ciepła.

O jakości izolacji dachu można się również wiele dowiedzieć, nie używając kamer termowizyjnych. Wystarczy obejrzeć dach rankiem w chłodne jesienne lub wiosenne dni, kiedy leży na nim szron lub cienki śnieg. Gdy działa ogrzewanie budynków, topniejący szron pokazuje miejsca słabo izolowane, w których ucieka ciepło przez dach. W tych miejscach są mostki cieplne powodujące intensywne przewodzenie ciepła. Na podstawie zdjęć wykonanych w trakcie zanikania szronu lub śniegu można wywnioskować, jaka jest izolacyjność całego dachu. Popatrzmy na kilka dachów sfotografowanych w takim momencie.

W typowym niewentylowanym dachu (FOT. 1–2) szron topnieje najszybciej przy kalenicy, ponieważ tam gromadzi się ciepłe powietrze, które po schłodzeniu opada na dół poddasza, gdzie znów się ogrzewa i unosi do góry (przekazywanie ciepła na drodze konwekcji). Takie krążenie przyspiesza ucieczkę ciepła przez dach i powoduje większe straty w górnej części dachu.

Natomiast brak szronu przy ścianie lukarny prezentowanego dachu może być wynikiem działania kilku czynników jednocześnie. Ciepło może pochodzić od odbitego od ściany promieniowania słonecznego, ponieważ widoczna na zdjęciu ściana znajduje się od strony południowej. Może również pochodzić z powietrza przepływającego przez nieszczelności połączenia blachy z murem (przewiew). Jednak najbardziej prawdopodobną przyczyną jest brak izolacji termicznej na niewidocznej części ściany, która znajduje się pod blachą. Omawiana lukarna pokazana na FOT. 2 jest ocieplona od zewnątrz.

Na podstawie FOT. 1–2 z dużą dozą prawdopodobieństwa można stwierdzić, że poddasze tego dachu jest częściowo wykorzystane do celów mieszkalnych. Wynika to z rozkładu lukarn i miejsca usytuowania wyłazu. Taki sposób zagospodarowania jest charakterystyczny dla budynków powstających do końca lat 70. ubiegłego wieku (RYS. 2). Dużo informacji o tym dachu dostarczają dobrze widoczne ślady desek, na których ułożona jest blacha. Pełnią one funkcje ołatowania – łaty i kontrłaty są wykonane z desek o szerokości ok. 10–12 cm i są najprawdopodobniej nabite na pełnym deskowaniu. Na prawie całej powierzchni ślady te są bardzo dobrze widoczne, co może świadczyć o wysokim zawilgoceniu tych desek. Ten dach został wykonany w wersji niewentylowanej z pokryciem też niewentylowanym. Świadczą o tym widoczne szczegóły: w okapie brak jakichkolwiek wlotów powietrza, a blaszane gąsiory są uszczelnione (na FOT. 1 widać wysuniętą uszczelkę).

Następny przykład (FOT. 3) pokazuje dach blaszany, który w części nad klatką schodową ma całkowicie stopiony śnieg. Oznacza to dużą ucieczkę ciepła przez źle izolowany w tym miejscu dach. Jest to często spotykany błąd polegający na izolowaniu tylko tej części dachu, która pokrywa pomieszczenia mieszkalne. Jest to duży błąd, ponieważ klatki schodowe łączą kilka kondygnacji, tworząc doskonałe warunki do konwekcyjnego przenoszenia ciepła z wnętrza budynku pod dach. Mają dużą kubaturę i wysokość. Z tego powodu brak izolacji dachu nad klatką powoduje duże straty ciepła w całym budynku.

Na FOT. 3 wyraźnie widać też inne części dachu, w których zachodzi wzmożona ucieczka ciepła. Są to typowe w Polsce miejsca: komin i połączenie ściany z dachem w pobliżu murłaty oraz kalenica. W dwóch pierwszych często są powtarzane błędy polegające na zbyt słabym ich ociepleniu. Wynika to z faktu, że dla układających termoizolację pracowników są to miejsca trudnodostępne. Warto dodać, że tak intensywne topnienie śniegu może jeszcze oznaczać istnienie w tym dachu przewiewów, czyli nieszczelności prowadzących do niekontrolowanych przepływów ciepłego powietrza na zewnątrz, a to już powoduje duże straty ciepła.

Trzeci przypadek (FOT. 4–5) jest bardzo pouczający, bo pozwala stopniować straty w trakcie analizy takich zdjęć. Widoczna połać dachu osłania trzy różne części budynku: taras, korytarz wiodący do tarasu i schody na strych. Dach jest ocieplony tylko nad korytarzem i dobrze to widać – tam blacha jest wilgotna (dolna prawa strona połaci). Jednak ocieplenie to jest stanowczo za małe (10 cm wełny wyprodukowanej w latach 80. XX wieku). Nad tarasem ocieplenia nie ma, ale nie ma też przepływu ciepła. Natomiast tam, gdzie jest nieocieplone przejście na strych (górna prawa strona połaci), na pokryciu nie ma nawet wilgoci. Oznacza to duże straty energii uciekającej z budynku razem z ciepłym powietrzem przepływającym z wnętrza domu i dochodzącym do strychu między innymi przez szpary w nieszczelnych drzwiach. Na sąsiedniej połaci (na prawym brzegu zdjęcia) jest też wyraźna granica wyznaczająca miejsce ocieplone i nieizolowany strych. Zimowe zdjęcie tego samego dachu (FOT. 5) potwierdza duże straty przez źle ocieplony jego fragment.

Przypadek z FOT. 6 jest dość typowy. Większość dachów krytych dachówkami bitumicznymi (papą dachówkopodobną) prezentuje taki obraz w zimnych okresach roku. Wzmożone przenikanie ciepła na krokwiach widać na prawie każdym tak pokrytym budynku. Oprócz tego, na tym dachu widoczne są wszystkie wymienione wyżej wady: przenikanie na połączeniu ze ścianą (nad murłatą) oraz nad klatką schodową i wokół kominów.

Przewodzenie ciepła po krokwiach jest skutkiem kilku przyczyn: ułożenia termoizolacji o zbyt małej wysokości oraz braku wentylacji. Termoizolacja powinna być tak zamontowana między krokwiami, aby jej dolna warstwa osłaniała krokwie od spodu (RYS. 3), zapobiegając powstawaniu mostkowania. Tych warstw powinno być co najmniej dwie: jedna między krokwiami, a druga pod nimi lub nad nimi (w systemie mieszanym nadkrokwiowym).

Natomiast brak wentylacji powoduje stałe zawilgocenie całego dachu, w tym również krokwi, co powoduje wzrost ich przewodności cieplnej. Krokwie stykają się z dwiema strefami o dużej różnicy temperatur i dlatego bardzo łatwo przewodzą ciepło.

Brak wentylacji jest wspólną cechą wszystkich zaprezentowanych dachów. Gdyby pokrycie dachu było oddzielone od reszty dachu warstwą powietrza wentylującego (RYS. 4), nie można by przeprowadzić tak łatwej analizy błędów popełnionych w ich ociepleniu na podstawie obserwacji topniejącego szronu.

Oddzielnego omówienia wymaga połączenie dachu ze ścianami w szczytach budynków, nad murłatami i ściankami działowymi w środku dachu. Na FOT. 3, FOT. 6 i FOT. 8 widoczne są mostki cieplne w miejscu połączenia poszycia z murem przy okapie. W tych miejscach zazwyczaj nie układa się termoizolacji od wewnątrz nad murłatą, lecz zasłania murłatę murem lub tynkiem. Drugą przyczyną są występujące w tych miejscach przewiewy spowodowane złym, bo nieszczelnym ułożeniem paraizolacji (są to bardzo częste przypadki).

Podobne efekty są bardzo często widoczne w miejscu styku murów ścian szczytowych z poszyciem dachu (FOT. 3, FOT. 8 i FOT. 9). Przyczyną takiego mostkowania jest zła tradycja murowania szczytów budynków do płaszczyzny utworzonej przez górne krawędzie krokwi (FOT. 7). Zamiast litego muru wysokość krokwi w tych miejscach powinny wypełniać materiały termoizolacyjne. Wtedy nie byłoby mostkowania ciepła przez mur szczytowy.

Podobnie powinny być wykonane ścianki wewnętrzne. Jak widać na FOT. 8–9, straty ciepła przez tego typu mury stykające się z poszyciem są większe niż przez ściany szczytowe budynków.

Szron na pokryciach leżących na łatach

Wszystkie pokrycia leżące na łatach i kontrłatach (RYS. 4), jeżeli są dobrze wentylowane, nie powinny mieć widocznych miejsc, przez które ucieka ciepło topiące szron lub śnieg. Przy prawidłowym wykonaniu szczeliny wentylacyjnej utworzonej przez kontrłaty, na pokryciu znajdującym się nad nią, szron będzie leżał na całej powierzchni dachu do momentu, aż się stopi. Przepływające w szczelinie powietrze stanowi wystarczającą warstwę izolacyjną (ma temperaturę niewiele wyższą od atmosfery). Jedynie wokół kominków wentylacyjnych lub odpowietrzających instalację kanalizacyjną mogą występować cieplejsze strefy. Widać to na FOT. 10. 

Jednak widać tu również fragmenty ze stopionym śniegiem nie tylko wokół kominków. Nad dwoma oknami dachowymi wyraźnie występują pola o większej temperaturze, co oznacza ucieczkę ciepła z wnętrza budynku w tych miejscach. Jest wysoce prawdopodobne, że pod dachówkami wolnymi od śniegu nie ma wentylacji, a jednocześnie termoizolacja jest za słaba lub zawilgocona. Skutki są widoczne, jednak ustalenie przyczyny wymagałoby dokonania dodatkowych oględzin dachu. FOT. 10 pokazuje jedynie, że ten dach nie jest dobrze izolowany lub że jest źle wentylowany.

Jak widać, szron lub śnieg bardzo dobrze ujawniają mostki cieplne. Z tego powodu warto obejrzeć swój dach, gdy jest on nimi pokryty. We wszystkich zaprezentowanych dachach szybko topniejący szron ujawnił brak wentylacji osuszającej dach lub pokrycie.

Literatura

1. K. Patoka, „Wentylacja dachów – wprowadzenie”, „IZOLACJE” 1/2025.
2. M. Chaplin, http://www1.lsbu.ac.uk/water/martin_chaplin.html