Termoizolacja ścian budynków zabytkowych – wybrane problemy

Zasadniczym efektem docieplenia od wewnątrz jest przyrost zawilgocenia poszczególnych warstw ściany:

• główną przyczyną wzrostu wilgoci w materiałach ściany jest kondensacja pary wodnej, a w konsekwencji możliwy rozwój pleśni.
• inną ważną przyczyną przyrostu wilgoci może być podciąganie kapilarne. Zjawisko to może znacząco wpływać na stan zawilgocenia starych murów ceglanych, zwłaszcza w partiach przyziemia.

Przy łącznym występowaniu tych zjawisk w wielu przypadkach obserwowane są również uszkodzenia spowodowane przez mróz, sól i pęknięcia termiczne. Na FOT. 1–2 pokazano stan ściany zewnętrznej budynku mieszkalnego, w którym wykonano docieplenia ścian piwnicy.

Przy dociepleniu ścian zewnętrznych typowych budynków mieszkalnych wykonanych w technologiach wielkopłytowej, wielkoblokowej, szkieletowej czy też z elementów drobnowymiarowych nowej generacji, jak ceramika poryzowana lub bloczki z betonu lekkiego, zjawiska te mają mniejsze znaczenie, zwłaszcza w przypadku zastosowania typowych dociepleń od strony zewnętrznej. Dla takich układów ściennych wystarczą typowe obliczenia pozwalające projektantowi na spełnienie obowiązujących wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej i uniknięcia kondensacji powierzchniowej.

W przypadku ścian ceglanych, ceglano-kamiennych lub ceglanych o złożonej budowie, jakie występują w budynkach zabytkowych, a w których występuje duża ilość zaprawy wapienno-piaskowej, niezbędne jest prognozowanie zachowania się przegrody w czasie jej eksploatacji, tak aby po zmianie pierwotnej budowy przegrody na inną z materiałem termoizolacyjnym uniknąć niekorzystnych zjawisk i przyśpieszonego starzenia się poszczególnych elementów muru (FOT. 3).

Odpowiednia diagnostyka i ocena pozwoli zaproponować takie środki zapobiegawcze, które pozwolą zachować charakter historyczny budynków dla przyszłych pokoleń wraz z zachowaniem zdrowego mikroklimatu.

Prezentowany artykuł ma charakter przeglądowy. Zebrano w nim informacje dotyczące najczęściej spotykanych uszkodzeń powstałych w wyniku niewłaściwej termoizolacji przegród. Autorzy na podstawie własnych doświadczeń i publikacji naukowych przedstawiają przyczyny ich powstania i negatywne skutki, jakie ze sobą niosą.

Niekorzystne zjawiska i procesy zachodzące w izolowanych ścianach

Kondensacja pary wodnej

Kondensacja może wystąpić na powierzchni lub wewnątrz konstrukcji przegrody. Kondensacja występuje, gdy ciśnienie cząstkowe pary wodnej (p_v) jest większe niż ciśnienie nasycenia (p_sat). Ciśnienie nasycenia zależy od temperatury otoczenia lub powierzchni. Specyficznym typem wewnętrznej kondensacji jest tak zwana letnia kondensacja. Letnia kondensacja ma miejsce, gdy wilgotna ściana jest suszona przez promieniowanie słoneczne, podczas gdy temperatura zewnętrznej strony wzrasta, co prowadzi do wewnętrznego strumienia wilgoci.

Jeśli opór dyfuzyjny warstwy materiału warstwy we wnętrzu konstrukcji jest zbyt wysoki, to latem może wystąpić kondensacja między warstwą izolacyjną a warstwą opóźniającą parowanie. Dzięki materiałom izolacyjnym o wysokim oporze dyfuzyjnym nie dojdzie do letniej kondensacji, ponieważ warstwa izolacyjna działa jak bariera pary w obu kierunkach.

Stan techniczny przegrody w zakresie możliwości wystąpienia kondensacji pary wodnej bada się na ogół uproszczoną metodą obliczeń zwaną metodą Glasera. Metoda Glasera (według normy PN EN ISO 13788 [1]) jest powszechnie stosowaną i akceptowalną metodą określania, czy dana konstrukcja jest wrażliwa na wewnętrzną kondensację. Metoda ta bazuje na szeregu uproszczeń, nie dając wyników, które jednoznacznie odpowiedzą na pytanie o przyrost wilgotności warstw, w tym np. warstwy zaprawy spajającej poszczególne elementy muru. Z tego względu traktowana jest jedynie jako metoda szacowania stanu wilgotnościowego przegrody niż do jej dokładnego prognozowania.

Samo zjawisko migracji wilgoci, wody i pary wodnej w przegrodach z materiałów kapilarno-porowatych jest zjawiskiem dość złożonym i zależnym od wielu czynników, w tym od:

• stanu początkowego zawartości wilgoci w porach materiału,
• struktury porów materiału,
• chłonności powierzchniowej,
• podciągania kapilarnego,
• gradientu temperatury po obu stronach przegrody,
• właściwości cieplnych poszczególnych warstw materiału muru,
• występowania w murze lub materiale przestrzeni powietrznych wentylowanych
• innych czynników.

W tym celu sugeruje się, aby w przypadku murów złożonych o dużej wartości historycznej stosować bardziej złożone modele oparte na układzie nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych, opisujące niestacjonarny sprzężony transport ciepła i wilgoci w materiałach i przegrodach budowlanych [2].

Na potrzeby symulacji zmian zawartości wilgoci w materiałach budowlanych i całych przegrodach, nawet o bardzo złożonej budowie zupełnie wystarczające są programy symulacyjne typu WUFI 2D 3 (4), DELPHI 6. Pomocny może też być zestaw programów WUFI Pro i WUFIBio. Ten ostatni przeznaczony jest do analizy możliwości rozwoju pleśni i grzybów na powierzchni wewnętrznej przegrody budowlanej (RYS. 1).

Rozwój pleśni i korozja biologiczna elementów a wilgotność elementów muru

W większości rodzajów ścian zewnętrznych stosowanie izolacji termicznej i zwiększanie szczelności układu ściennego utrudnia rozwój pleśni. Ryzyko rozwoju pleśni wzrasta, przy wzroście wilgotności powietrza środowiska wewnętrznego na skutek niewłaściwie działającej wentylacji pomieszczeń lub jej braku.

Wilgoć w budynku sprzyja rozwojowi pleśni, roztoczy i owadów. Zwiększa ryzyko niekorzystnych skutków zdrowotnych, objawów oddechowych, infekcji dróg oddechowych i chorób alergicznych [3-4].

Światowa Organizacja Zdrowia wykazała, że około 25% mieszkań socjalnych w Europie jest narażonych na zwiększone ryzyko zdrowotne związane z pleśniami w pomieszczeniach, tj. 45 milionów osób. Około 4,6 miliona z 22 milionów amerykańskich przypadków ­astmy w 2007 roku było związanych z wilgocią.

Znanych jest ponad 100  000 gatunków grzybów, z których około 100-150 gatunków można znaleźć w pomieszczeniach. Formy wewnętrzne mogą rosnąć tylko na powierzchni materiałów, z wyjątkiem drzewnych gatunków podstawczaków.

Według [5] istnieje kilka warunków wymaganych do wzrostu pleśni:

• zakażenie zarodnikami grzybów,
• optymalna temperatura powierzchni, ponieważ formy nie mogą regulować swojej temperatury wewnętrznej,
• wystarczające ilości składników odżywczych w podłożu,
• odpowiednie warunki wilgotnościowe otaczającego środowiska (powietrza i podłoża),
• brak substancji grzybobójczych,
• odpowiednie pH podłoża,
• odpowiednia ilość tlenu.

Temperatury, podłoże, zarodniki, pH i tlen są prawie zawsze wystarczające do wzrostu pleśni w ogrzewanych budynkach. Niektóre formy pleśni mogą rosnąć w zakresie temperatur, który jest uważany za wygodny dla mieszkańców budynku. Forma może znaleźć odpowiednie podłoże nawet na materiałach o niskiej porowatości, takich jak szkło i metal, kiedy na powierzchni materiału gromadzi się kurz.

Zakłada się, że każde podłoże może stanowić do rozwoju pleśni. Wilgoć jest jedynym warunkiem wzrostu pleśni w ogrzewanych budynkach. Prawie wszystkie formy wewnętrzne pleśni mają warunki wzrostu w zakresie wilgotności względnej RH od 80% do 100% [6].

Oprócz poziomu wilgotności względnej miarą wzrostu pleśni jest aktywność wody (RYS. 2–3).

Aktywność wody dostarcza informacji o wodzie w postaci płynnej. Aktywność wody waha się od 0 do 1, gdzie 1 to czysta woda.

Aktywność wody można mierzyć tylko wtedy, gdy roztwór znajduje się w równowadze z otaczającym powietrzem.

W przypadku, gdy istnieje równowaga między powietrzem a roztworem, a pomiędzy roztworem a powietrzem nie występuje przepływ netto wody, wilgotność względna jest taka sama jak aktywność wody [6],

gdzie:

α_w - aktywność wody [-],
p_s - ciśnienie pary wodnej roztworu [Pa],
p_w - ciśnienie pary wodnej czystej wody.

Izoplety to konturowe wykresy tempa wzrostu pleśni w funkcji temperatury i wilgotności, przedstawione w wilgotności względnej lub aktywności wody, w warunkach stanu ustalonego. Wiele pleśni ma optymalną szybkość wzrostu przy aktywności wody większej niż 0,90 [6]. Pleśń przestanie rosnąć, gdy wilgotność względna spadnie poniżej wymaganego poziomu, ale forma niekoniecznie zginie.

Pleśń zaczyna ponownie rosnąć, gdy poziom zostanie przekroczony, nawet w krótkich okresach. Przykładowo grzyby Cladosporium cladosporioides mogą ponownie zacząć rosnąć już po godzinie po dwóch tygodniach wilgotności względnej poniżej progu.

W pracach [7-8] podano, że optymalny zakres temperatur sprzyjający rozwojowo pleśni to przedział 0-50°C. W pracach tych na podstawie temperatury określono graniczny poziom wilgotności, od którego następuje rozwój pleśni.

Według [5] wartość krytyczna wilgotności, przy której następuje rozwój pleśni:

Równanie dla krytycznej wilgotności względnej [7-8] sporządzone zostało na podstawie badań dla kilku gatunków grzybów hodowanych na drewnianym podłożu. Równanie według [5] opracowane zostało w oparciu o rozwój grzyba Aspergillus versicolor, mającego najniższy poziom izotopu do kiełkowania wszystkich form, które są powszechnie spotykane w pomieszczeniach wewnętrznych.

W ocenie przegród pod kątem szacowania ryzyka pojawienia się pleśni na powierzchni wewnętrznej przegrody posługujemy się czynnikiem temperaturowym ƒ_Rsi. Jego wartość graniczna (np. dla Polski – 0,72, Holandia – 0,65) ustalona została w oparciu o warunki wzrostu pleśni z gatunku Aspergillus versicolor.

gdzie: 

θ_si - obliczona temperatura powierzchni wewnętrznej w miejscu krytycznym,
T_i - temperatura powietrza wewnętrznego,
T_e - temperatura powietrza zewnętrznego.

Gdy wartość czynnika temperaturowego jest wyższa niż 0,70, to ryzyko wystąpienia pleśni jest mniejsze niż 5%. W większości państw Europy wartość jest powyżej 0,72. Są jednak państwa, w których wymagania nie są tak rygorystyczne i wartość ta jest w granicach 0,65-0,70 [5].

Pleśń ginie, gdy wilgotność względna spada poniżej wartości progowej. Może być to jednak pozorne. Ponowne przekroczenie progu wilgotności powoduje ponowny rozwój i wzrost pleśni.

W pracy [9] wykazano wzrost pleśni, gdy tylko 10% czasu w okresie pomiaru 30 miesięcy było wyższe niż 80%. Z tego powodu definiuje się czas zwilżania (TOW – Time of Wetness), czyli czas, w którym wilgotność względna jest wyższa niż próg RH, podzielony przez całkowity czas cyklu wynoszący 24 godziny:

Wartość TOW wynosząca 0,2 oznacza, że wilgotność względna wynosi 4,8 godziny powyżej progu wilgotności względnej w ciągu 24 godzin. TOW poniżej 0,5 znacznie opóźnia wzrost pleśni [9].

Sole budowlane

Uszkodzenia spowodowane obecnością soli w murze spowodowane są jej krystalizacją. Wykwit pojawia się, gdy sól krystalizuje na powierzchni materiału, co prowadzi do białych lub szarych plam i pasków. Wykwit pojawia się, gdy odparowanie wody jest wolniejsze niż strumień dostarczanej wody dla roztworów soli. Proces parowania powoduje, że roztwory soli w materiale są transportowane na powierzchnię. Sole w roztworze soli krystalizują na powierzchni materiału, gdy woda w roztworze soli odparuje. Wykwity są jedynie problemem estetycznym i mogą zostać zmyte przez deszcz.

Sole, które krystalizują w porach, powodują wewnętrzne naprężenia mechaniczne wyższe niż wytrzymałość na rozciąganie. Powoduje to pęknięcia pod powierzchnią i odrywanie ziaren kamienia lub całych płytek (FOT. 4–7).

Krystalizacja roztworów soli w materiałach indukuje mechaniczne naprężenia spowodowane rozszerzaniem objętości kryształów soli. Mikropęknięcia występują, gdy ciśnienie spowodowane krystalizacją soli w materiale staje się wyższe niż wytrzymałość na rozciąganie materiału. Gdy roztwory soli przechodzą kilka cykli krystalizacji i rozpuszczania z powodu zwilżania i suszenia, następuje nagromadzenie się mikropęknięć. Zwilżanie prowadzi do rozpuszczenia, podczas gdy suszenie powoduje krystalizację soli obecnych w porach [10].

Większa głębokość penetracji prowadzi do poważniejszych uszkodzeń, które ujawniają się znacznie później z uwagi na fakt, że proces suszenia zajmuje więcej czasu niż proces suszenia w pobliżu powierzchni. Większość fizycznych uszkodzeń soli jest spowodowana przez siarczany, azotany i chlorki [11]. Ale nawet nieniszczące sole mogą powodować powstawanie wykwitów.

Kluczową zmienną, która wpływa na krystalizację soli, jest wilgotność względna otoczenia.

• Rozpuszczalne sole będą pochłaniać wilgoć z powietrza, gdy wilgotność względna otoczenia przekroczy równowagową wartość wilgotności względnej konkretnej soli.
• Gdy wilgotność względna otoczenia jest poniżej wartości progowej, wówczas poziom zasolenia będzie stały.
• Wilgotność względna wyższa od progowej wilgotności względnej powoduje, że sól absorbuje opary i rozpuszcza się.
• Gdy właściwa względna wilgotność równowagowa soli jest niższa niż 50%, sole nie krystalizują w normalnym wewnętrznym środowisku budynku.
• Gdy wilgotność względna wynosi między 50% a 75%, sole te rzadko krystalizują.
• Gdy wilgotność względna w stanie równowagi przekracza 75%, sól łatwo krystalizuje [5].

Zasolenie i krytyczna wilgotność względna

Uszkodzenia spowodowane obecnością soli zależą od trzech właściwości fizycznych materiału:

• zawartości soli,
• porowatości
• i wytrzymałości mechanicznej.

Historyczne mury w wielu przypadkach z natury mają wysokie stężenie siarczanów [5]. Zachowanie soli w porowatym materiale zależy od zawartości wilgoci, rozpuszczalności soli, temperatury i wilgotności. Klasyfikacja zasolenia została określona w projekcie EUREKA EU-1270, który wyróżnia pięć różnych klas zasolenia. Procenty masowe związane z tymi klasami przedstawiono w TABELI.

Procent wagowy jest masą soli podzieloną przez masę całkowitego roztworu. Według [12] są to: 

• Klasa 0: Bardzo niskie stężenie soli: bez szkody dla muru,
• Klasa 1: Niskie zasolenie: małe niebezpieczeństwo uszkodzenia,
• Klasa 2: Średnie zaso­lenie: czas życia tynku i farby jest nieznacznie zmniejszony,
• Klasa 3: Wysokie zasolenie: czas życia farb i tynków znacznie się zmniejsza; zawartość soli powoduje mokre miejsca na ścianie,
• Klasa 4: Ekstremalnie wysokie zasolenie: oczekuje się, że konstrukcja zostanie uszkodzona w bardzo krótkim czasie.

Ocena stopnia szkodliwości soli na podstawie ilości soli zawartej w próbkach wykonywana jest często również na podstawie wytycznych WTA [13].

Miejsca krytyczne w ścianach obiektów murowanych w aspekcie koncentracji wilgoci

Obliczenia cieplno-wilgotnościowe, a szczególnie symulacje przyrostu wilgoci w wytypowanych elementach budynku zabytkowego są pracochłonne, a w przypadku bardzo skomplikowanych modeli geometrycznych - długotrwałe. Budynki zabytkowe z reguły mają dość rozbudowaną formę architektoniczną i skomplikowane geometrycznie detale zarówno powierzchni zewnętrznych, jak i wewnętrznych, a przekroje przez ściany zewnętrzne zazwyczaj mają zróżnicowaną grubość.

Aby obliczenia, a w szczególności symulacje zachowania się poszczególnych elementów murów i połączeń pomiędzy różnie ukształtowanymi materiałowo i geometrycznie detalami, były jak najbardziej wiarygodne, niezbędne są dokładne badania i analizy wykonywane bezpośrednio na budynku, w tym:

• dokładne pomiary geometrii wytypowanych miejsc, takich jak:
  - połączenia ścian wewnętrznych z zewnętrznymi,
  - miejsca o zmiennej geometrii w tym naroża wklęsłe i wypukłe,
  - miejsca połączeń elementów drewnianych z murem zewnętrznym w tym np. oparcia belek stropowych, słupów i rygli drewnianych wbudowanych w mur ceglany itp.,
• pomiary wilgotności materiałów ściany w tym cegieł, zaprawy i drewna,
• pomiar chłodności wody opadowej zewnętrznych warstw powierzchni murów w tym cegieł i tynków (FOT. 8-9).

Ryzyko pojawienia się pleśni szczególnie niebezpieczne jest w przypadku izolacji od wewnątrz ścian w budynkach z elementami drewnianymi np. drewniane belki stropowe.

W pracach [6–7] zwrócono szczególną uwagę na utrzymujący się poziom zawartości wody powyżej 20% wilgotności masowej drewnianych belek stropowych, który może powodować ich korozję biologiczną. Na RYS. 4–5 pokazano przykład symulacji zmian zawilgocenia w czasie połączenia belki drewnianej z murem ceglanym zewnętrznym przy projektowanym dociepleniu od strony zewnętrznej.

Dane geometryczne i początkowe zawilgocenia materiałów przyjęto na podstawie pomiarów wykonanych na obiekcie. Wyniki obliczeń najczęściej przedstawia się w formie rysunkowej (RYS. 6–7).

Degradacja drewna może być spowodowana przez grzyby, bakterie i owady. Bakterie mogą atakować drewno, gdy występuje bardzo niski poziom tlenu. Ale może upłynąć nawet ponad 100 lat, żeby drewno rozłożyło się w warunkach beztlenowych [6]. Grzyby są najczęstszą przyczyną rozkładu drewna, ponieważ mogą rozkładać celulozę i ligninę, podczas gdy bakterie nie mogą niszczyć ligniny. Drewno składa się z 40% do 60% celulozy, 10% do 30% stanowi hemiceluloza, a od 15% do 30% ligniny.

Według [5] krytyczna zawartość wilgoci na początku rozkładu drewna przez grzyby wynosi 0,2 kg/kg. Według [6] rozpad drewna następuje przy zawartości wilgoci masowej powyżej 25% w temperaturze od 0°C do 45°C. Gnicie drewna występuje tylko wtedy, gdy drewno jest mokre. Każdy rodzaj pleśni wymaga wilgotnego środowiska, nawet dla tak zwanych suchych grzybów. Formy te pochłaniają wilgoć z otoczenia powierzchni materiału. Dlatego powierzchnia materiału jest sucha. Doprowadziło to do błędnego wniosku, że grzyby te nie wymagają wilgotnego środowiska. Obecnie wiadomo, że grzyby te mają takie same wymagania odnośnie wilgotności [6].

Wzrost grzybni nie musi koniecznie znajdować się w tym samym miejscu, co obszar wilgotny np. grzyby Serpula lacrymans mogą wyrastać z wilgoci w piwnicy, ale niszczyć drewno na drugim piętrze.

Podsumowanie

Na podstawie prezentowanych materiałów można jednoznacznie stwierdzić, że błędy projektowe i wykonawcze występujące podczas projektowania izolacji cieplnej od strony wewnętrznej, zwłaszcza w obiektach zabytkowych, mogą prowokować wiele niekorzystnych procesów w przegrodzie lub na jej powierzchni. Zmiana zawilgocenia poszczególnych materiałów przegrody budowlanej, w tym materiałów ceramicznych nie stanowi istotnego zagrożenia z punktu widzenia części materiałów budowlanych ściany, stanowić jednak może sprzyjające warunki do rozwoju pleśni i grzybów.

Mikroorganizmy te powodują powstawanie znaczącego zagrożenia dla zdrowia ludzi, a ponadto sprzyjają degradacji drewna i obniżeniu jego własności fizycznych i zdolności do przenoszenia obciążeń. Dlatego tak ważnym jest znajomość przyczyn powstawania uszkodzeń zwłaszcza przy projektowaniu zmian w budowie przegrody i sposobie eksploatacji pomieszczeń w budynkach zabytkowych. Istotnym elementem projektowania docieplenia ścian od wewnątrz są analizy stanu zachowania się przegrody w czasie przyszłej eksploatacji, tak aby projektowane zmiany nie stwarzały zagrożeń zarówno dla ludzi, jak i zabytkowej substancji ścian o walorach historycznych.

Literatura

1. PN EN ISO 13788:2013, "Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej. Metody obliczania".
2. H.M. Künzel, "Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components. One- and two-dimensional calculation using simple parameters", IRB Verlag 1995.
3. J.A. Rubin, K. Orszulik, "Wpływ grzybów pleśniowych na zdrowie ludzi", V Międzynarodowe Sympozjum "Architektura i Technika a Zdrowie", Gliwice 2007.
4. J.A. Rubin, "Grzyby pleśniowe w środowisku mieszkalnym człowieka", IV Międzynarodowa Konferencja Naukowa "Innowacje technologiczne i zrównoważony rozwój w architekturze i w budownictwie", Racibórz 2016.
5. A.J.P.M. Goesten, "Hygrothermal simulation model: Damage as a result of insulating historical buildings", Technische Universiteit Eindhoven; Master Thesis.
6. O.C.G. Adan, R.A. Samson "Fundamentals of mold growth in indoor environments and strategies for healthy living", Wageningen Academic Publishers. 2011.
7. H. Viitanen, T. Ojanen, "Improved Model to Predict Mold Growth in Building Materials", "Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Whole Buildings X- Proceedings CD", 2-7 December 2007, Clearwater Beach, USA.
8. H. Viitanen, J. Vinha, K. Salminen, T. Ojanen, R. Peuhkuri, L. Paajanen, K. Lähdesmäki, "Moisture and Bio-deterioration Risk of Building Materials and Structures", "Journal of Building Physics", 2010.
9. H. L.S.C. Hens, "Fungal Defacement in Buildings: A Performance Related Approach", HVAC&R Research, 5:3, 1999.
10. J. Kubik, A. Kucharczyk, "Salt solution flows in walls of monumental buildings", Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin, Bauphysik 30, 2008.
11. J. Jasieńko, Z. Matkowski, "Zasolenie i zawilgocenie murów ceglanych w obiektach zabutkowych - diagnostyka, metodyka badań, techniki rehabilitacji", "Wiadomości Konserwatorskie" 14/2003.
12. M. Pavlikova, Z. Pavlik, M. Keppert, R. Černy, "Salt transport and storage parameters of renovation plasters and their possible effects on restored buildings’ walls", "Construction and Building Materials" 25/2011.
13. WTA 4-5-99, "Beurteilung von Mauerwerk. Mauerwerkdiagnostik".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!