Навесной вентилируемый фасад: механизмы проникновения воды

1. Понимать общие принципы проникновения воды

Дождевая вода является причиной многих строительных проблем. Предотвращение проникновения дождевой воды в здание является одной из самых трудных задач, с которыми сталкиваются строители. Чтобы эффективно решать эти задачи на всех уровнях строительства — при проектировании, строительстве, контроле и приемке — нужно понимание основных принципов и явлений, которые «помогают» дождевой воде проникать сквозь стены и крыши.

Чтобы сделать навесной вентилируемый фасад надежной защитой от проникновения дождевой воды и другой наружной влаги, очень полезно понимать, как и почему ведет себя вода в своем стремлении попасть через облицовку внутрь фасада.

Ниже представлен обзор общих механизмов (физических сил и явлений), которые способствуют проникновению воды за наружную облицовку фасада. Если пренебрегать этими механизмами при проектировании и строительстве, то здание будет обречено на массовое проникновение в него различных видов влаги.

Каждый хорошо спроектированный стык или соединение различных материалов и элементов фасада должны быть способными противостоять всем механизмам движения влаги, которые описаны ниже. Надо при этом учитывать, что каждый механизм может действовать в комбинации с одним или несколькими другими механизмами.

2. Гравитация

Два важных свойства гравитации:

направлена вниз,
действует постоянно.

Эти свойства дают возможность легко предсказать движение воды под воздействием гравитации. Однако гравитация остается основной причиной проникновения воды из-за неграмотного проектирования и небрежных строительных работ. Кроме того, вода может проникать одним или несколькими механизмами, а гравитация только усиливает их действие. Даже мельчайшие дефекты во внешней оболочке задания могут быть причиной проникновения значительных количеств воды.

Рисунок 1 — Проникновение воды под воздействием гравитации

Для малоэтажных зданий проблемы от проникновения воды под воздействием гравитации являются обычно большей проблемой. В высотных зданиях доминирует вода, которая проникает за счет разности давления снаружи и внутри наружной оболочки здания.

3. Кинетическая энергия

Капли дождя двигаются под воздействием ветра, но не всегда точно следуют за ветром, так как плотность воды значительно больше плотности воздуха. Поэтому ветер может легко обходить здание, а капли дождя, которые он несет, скорее всего, ударятся об наружную оболочку здания.

Когда дождевая вода ударяет в стену, она образует пленку и начинает течь вниз под воздействием гравитации. Ветер, который дует на эту пленку, меняет направление ее течения и заставляет воду течь в сторону или даже вверх.

Капля дождя, которую несет ветер, может ударять в какую-либо поверхность с силой, которая достаточна для того, чтобы протолкнуть ее через швы или наружной облицовки фасада, как это показано на рисунке 2(а).

Дождевые капли могут также отскакивать от горизонтальных поверхностей, в результате чего вода двигается вверх и попадает в стыки стены, как это показано на рисунке 2(б).

Рисунок 2 — Проникновение воды под воздействием кинетической энергии капель

4. Разность давлений

Когда ветер дует на стену, например, на облицовку фасада, он создает на наружной стороне облицовки более высокое давление воздуха, чем на внутренней ее стороне.

Воздух пытается выровнять эту разность давлений путем перетекания из зоны с более высоким давлением в зону с более низким давлением.

Это означает, что воздух будет двигаться через любую щель или трещину, чтобы снизить разность давлений, как показано на рисунке 3. Если в это время одновременно дует ветер и идет дождь, то воздух будет нести с собой через щели воду, в результате чего, будет протекание воды внутрь фасада.

Рисунок 3 — Проникновение воды под воздействием разности давлений

5. Поверхностное натяжение

5.1. Молекулярное притяжение

Поверхностное натяжение (или молекулярное притяжение) является причиной того, почему дождевые капли и капли воды имеют свою особенную форму. Молекула воды является полярной, то есть положительно заряженной с одного конца и отрицательно — с другого. Это дает молекулам воды возможность свободно соединяться друг с другом.

Когда капля воды вступает в контакт с каким-либо материалом, она притягивается к его поверхности. Это притяжение может быть достаточно сильным, чтобы капля могла сопротивляться гравитации и держаться на горизонтальных поверхностях, как это показано на рисунке 4(а).

5.2. Поверхностное натяжение для различных материалов

Различные строительные материалы имеют различное притяжение к воде. На поверхностях с низким притяжением к воде капли выглядят в виде шарика и большим углом контакта (рисунок 5(а)). Примерами являются многие металлы, свежие лакокрасочные покрытия, стекло и водоотталкивающие материалы, например, воск. Чистые поверхности также хуже притягивают воду, чем загрязненные.

На поверхностях с сильным притяжением к воде капли имеют приплюснутую форму и малый угол контакта (рисунок 5(б)). Примерами являются выветренное лакокрасочное покрытие, древесина, бумага, штукатурка или бетон.

Рисунок 5 — Поверхностное натяжение воды

6. Капиллярное притяжение

Поверхностное натяжение вызывает капиллярное притяжение, которое дает воде возможность проходить через очень тонкие щели и трещины.

Если воду поместить между двумя параллельными вертикальными поверхностями, то она принимает на верхнем краю форму мениска, как это показано на рисунке 5(в). Это притяжение втягивает воду вверх по щели до тех пор, пока натяжение на мениске не сравняется с силой гравитации, которая действует вниз. Высота такого капилляра зависит от размеров щели и того, насколько поверхность притягивается к воде.

Высота, на которую вода поднимается за счет капиллярного притяжения, увеличивается с уменьшением ширины щели. Это проявляется в способности пористых материалов поглощать воду или передавать воду через очень узкие трещины или щели стыков между материалами (рисунок 6(б)).

Рисунок 6 — Капиллярное проникновение воды

Мельчайшие щелки и «дырки» внутри пористых материалов позволяют капиллярным силам затягивать в него влагу (рисунок 6(а)). Эта способность материалов к впитыванию позволяет воде проходить значительные расстояния, включая движение вверх вопреки гравитации.

Основные факторы, которые «организуют» капиллярное движение воды — это ширина щели и наличие источника воды.

6. Водяной пар: конвекция и диффузия

6.1 Конвекция

Воздух может двигаться через щели и трещины в наружной оболочке (ограждении) здания и нести с собой водяные пары. Такие щели и трещины могут быть связаны с электрическими входами в здание, соединениями типа стена/потолок и стена/пол, негерметичными стыками внутренней отделки и так далее.

6.2. Диффузия

Воздух по обе стороны крыши или наружной стены имеет обычно различную температуру и относительную влажность. Это приводит к различию в «давлении водяного пара» между внутренним и наружным воздухом.

Водяной пар перетекает из областей с более высоким давлением водяного пара в области с более низким давлением водяного пара. Диффузия водяного пара между двумя объемами воздуха, наружным и внутренним, происходит в следующих двух типичных случаях:

Снаружи и внутри воздух имеет одинаковую температуру, но различную относительную влажность. Водяной пар будет «перетекать» из объема с высокой относительной влажностью, где давление водяного пара выше, к объему с низкой относительной влажностью, где давление водяного пара ниже.
Снаружи и внутри различная температура, но одинаковая относительная влажность. Водяной пар будет двигаться из объема с более высокой температурой, где давление водяного пара выше, к объему с более низкой температурой, где давление водяного пара ниже.

Если температура внутри здания выше, чем снаружи, то водяной пар, скорее всего, будет диффундировать изнутри здания наружу. Это будет происходить потому, что внутренний теплый воздух обычно имеет более высокое давление водяного пара, чем наружный холодный воздух.

6.3. Справка: Относительная влажность

Водяной пар (вода в газообразной форме) смешивается с воздухом и получается «влажный» воздух. Влажность измеряется в относительных терминах. Относительная влажность измеряет фактическое содержание водяного пара в виде процентов по отношению к максимальному содержанию пара, которое воздух может поглотить при данной температуре и давлении. Когда температура воздуха поднимается, количество воды, которое может содержать воздух, увеличивается.

7. Конденсация

7.1. Внутренняя конденсация

Градиент давления водяного пара вызывает его диффузию, но когда водяной пар диффундирует через стену, то на своем пути он может проходить через изменение температуры между внутренней и наружной поверхностью стены. Это изменение температуры называют «температурным градиентом».

Когда внутренний воздух вступает в контакт холодной поверхностью, такой как облицовка стены, температура воздуха падает и на этой поверхности может конденсироваться жидкая вода.

Внутренние поверхности здания могут быть недостаточно холодными для конденсации. Однако, в некоторой точке температурного градиента по толщине стены может быть достигнута температура, при которой образуется жидкая вода, как это показано на рисунке 7. Такую конденсацию называют внутренней конденсацией.

Рисунок 7 — Внутренняя конденсация

Со временем постоянное намокание от конденсации водяного пара внутри материалов может иметь на них такое же неблагоприятное воздействие, как и на материалы, которые подвергаются намоканию от обычных протечек воды внутрь здания.

Другая ситуация, связанная с конденсацией водяного пара, может возникать, когда воздух с высокой относительной влажностью попадает из вентилируемого воздушного зазора (полости) в вентилируемый зазор крыши или зону стыка наружной облицовки стены и крыши. Это может приводить к конденсации жидкой воды на холодных поверхностях крыши.

7.2. Справка: Насыщение водяного пара

Когда воздух содержит максимальное количество водяного пара, которое он способен удерживать при данных температуре и давлении, то относительная влажность этого воздуха составляет 100 %. Это состояние известно как «насыщение пара». Если температура воздуха начнет понижаться, то вода будет конденсироваться в виде жидкости.