КАПІЛЯРНА ВОЛОГА — ФІЗИКА ЯВИЩА ТА ЗАХИСТ ФУНДАМЕНТІВ В УКРАЇНІ

Капілярний підйом — це природний феномен, що відбувається в пористих матеріалах, коли рідина (у нашому випадку, вода) піднімається вгору по вузьких каналах або порах, всупереч силі тяжіння. Цей процес регулюється кількома основними фізичними принципами. Перш за все, це поверхневий натяг води, який створює меніск на межі розділу рідина-повітря у капілярі. Молекули води притягуються одна до одної (когезія) та до стінок капіляра (адгезія). Якщо сили адгезії між водою і матеріалом пори сильніші за сили когезії всередині води, вода змочує стінки пори, і меніск стає увігнутим. Цей увігнутий меніск створює різницю тисків (капілярний тиск), який втягує воду вгору. Висота капілярного підйому (h) може бути розрахована за законом Жюрена:

h = (2γ cosθ) / (ρgr)

Де:

• γ (гамма) — коефіцієнт поверхневого натягу рідини (для води при 20°C приблизно 0.072 Н/м);
• θ (тета) — кут змочування (для чистої води та гідрофільних матеріалів, таких як бетон або цегла, кут наближається до 0°, cosθ = 1);
• ρ (ро) — густина рідини (для води 1000 кг/м³);
• g — прискорення вільного падіння (приблизно 9.81 м/с²);
• r — радіус капіляра.

З цієї формули чітко видно, що чим менший радіус пори (r), тим вище може піднятися вода. У дрібнопористих матеріалах, таких як щільні глинисті ґрунти або дрібнозернисті бетони, вода може підніматися на кілька метрів. Наприклад, у порах радіусом 0.1 мкм (10⁻⁷ м) вода може піднятися на 14.7 метрів! Це пояснює, чому навіть у, здавалося б, сухих ґрунтах або стінах може бути значна кількість капілярної вологи. Розуміння цієї фізики є ключовим для правильного проєктування гідроізоляції та вибору будівельних матеріалів.

Крім того, важливу роль відіграє пористість матеріалу — співвідношення об'єму пор до загального об'єму матеріалу. Висока відкрита пористість з дрібними, взаємопов'язаними порами створює ідеальні умови для капілярного підйому. Наприклад, такі матеріали, як газобетон, цегла, керамзитобетон мають високу відкриту пористість, що робить їх вразливими до капілярної вологи. Гідрофобізація поверхонь матеріалів може збільшити кут змочування (θ), зменшуючи таким чином висоту капілярного підйому, але це лише додатковий, а не основний засіб захисту.

Вологісний режим фундаментів визначає їхню довговічність, несучу здатність та, що не менш важливо, теплотехнічну ефективність. Згідно з ДБН В.2.1-10:2009 'Основи та фундаменти будинків і споруд', фундаменти повинні бути захищені від впливу ґрунтових та поверхневих вод. Капілярний підйом є основним механізмом надходження вологи у фундаментні конструкції, якщо відсутня належна горизонтальна гідроізоляція. Постійне зволоження фундаментів призводить до ряду негативних наслідків:

1. Зниження міцності матеріалів: Бетон, цегла, камінь при насиченні водою втрачають частину своєї несучої здатності. Це особливо критично при циклічних заморожуваннях-відтаваннях, коли вода, що замерзає в порах, розширюється, створюючи внутрішній тиск, що руйнує матеріал.
2. Підвищення теплопровідності: Вода має значно вищий коефіцієнт теплопровідності (λ ≈ 0.6 Вт/(м·К)) порівняно з сухим повітрям (λ ≈ 0.026 Вт/(м·К)) або сухими будівельними матеріалами (наприклад, сухий бетон λ ≈ 1.2-1.7 Вт/(м·К), але при насиченні вологою може зрости до 2.0-2.5 Вт/(м·К)). Зволожений фундамент стає потужним 'мішком холоду', призводячи до значних тепловтрат.
3. Біодеградація: Волога сприяє розвитку плісняви, грибків та інших мікроорганізмів, які не тільки руйнують матеріали, але й погіршують якість повітря в приміщенні.
4. Корозія арматури: Наявність вологи прискорює електрохімічну корозію сталевої арматури в залізобетонних конструкціях, що призводить до зниження несучої здатності та руйнування бетону (бетонні елементи можуть відколюватися).

Для забезпечення належного вологісного режиму необхідно проєктувати комплексну систему захисту, яка включає не тільки гідроізоляцію, але й дренажні системи та вимощення. Дренажні системи відводять ґрунтові води від фундаменту, зменшуючи ймовірність їхнього контакту з конструкцією та, відповідно, капілярного підйому. Важливо враховувати, що навіть тимчасове підвищення рівня ґрунтових вод або тривалі опади можуть спричинити насичення прилеглого ґрунту та початок капілярного підйому.

Тип ґрунту є визначальним фактором інтенсивності та висоти капілярного підйому. Різні ґрунти мають відмінну структуру пор, що безпосередньо впливає на величину радіуса капілярів (r) у формулі Жюрена. Знання цих характеристик критично важливе для інженерно-геологічних вишукувань та адекватного проєктування фундаментів.

1. Піщані ґрунти: Мають великі, добре дреновані пори. Радіус капілярів у них відносно великий, тому капілярний підйом у чистих пісках незначний – зазвичай до 0.5 метра. Пісок швидко віддає вологу і не схильний до тривалого утримування води.
2. Супіски та суглинки: Це проміжні ґрунти, що містять суміш піску, глини та мулу. Їхня пористість менша, ніж у піску, а радіус капілярів дрібніший. Висота капілярного підйому може становити від 1 до 3 метрів. Ці ґрунти є більш небезпечними з точки зору капілярного підйому, оскільки вони здатні утримувати вологу значний час.
3. Глинисті ґрунти: Характеризуються найдрібнішими порами, часто з дуже великою поверхневою активністю частинок. Радіус капілярів у глинах мікроскопічний, що дозволяє воді підніматися на висоту до 5-10 метрів і навіть вище в деяких випадках. Глини також мають низьку водопроникність, що призводить до тривалого утримування вологи та повільного висихання. Це робить їх найпроблемнішими ґрунтами з точки зору капілярного підйому.
4. Лесові ґрунти: Особливий вид суглинків, що мають високу пористість та схильність до просідання при зволоженні. Хоча їхня природна вологість може бути низькою, при піднятті ґрунтових вод або тривалих опадах капілярний підйом може бути інтенсивним, а зволоження лесу призводить до втрати його несучої здатності.

В Україні поширені всі ці типи ґрунтів. Наприклад, у Київській області часто зустрічаються суглинки та глини, що вимагає особливо ретельного підходу до гідроізоляції фундаментів. Детальний аналіз ґрунту ділянки, визначення рівня ґрунтових вод (РГВ) та їхньої мінливості є першочерговими завданнями для будь-якого будівельного проєкту, адже правильний вибір типу бетону для фундаменту та гідроізоляції залежить саме від цих даних.

Морозне пучіння ґрунтів є одним з найбільш руйнівних процесів для фундаментів, і воно нерозривно пов'язане з капілярною вологою. Це явище відбувається, коли вода в порах ґрунту замерзає, розширюючись приблизно на 9% свого об'єму. Однак основна руйнівна сила пучіння полягає не стільки в цьому початковому розширенні, скільки у формуванні крижаних лінз у ґрунті.

Механізм морозного пучіння:

1. Надходження капілярної вологи: За наявності джерела води (наприклад, ґрунтових вод або водонасиченого шару) і негативних температур на поверхні, вода починає підніматися вгору по капілярах ґрунту до зони промерзання.
2. Формування крижаних лінз: Коли вода досягає зони, де температура опускається нижче 0°C, вона починає замерзати. Але замість того, щоб замерзнути рівномірно по всьому об'єму, вода концентрується і утворює горизонтальні крижані лінзи або шари. Це відбувається через градієнт температур і переміщення води до фронту промерзання під дією осмотичного та капілярного тиску.
3. Збільшення об'єму: Ці крижані лінзи можуть рости, постійно 'підсмоктуючи' нову порцію капілярної вологи знизу, і досягати значних розмірів. Об'ємне розширення цих лінз, а не лише початкових 9% замерзлої води, спричиняє значний підйом та нерівномірну деформацію ґрунту.
4. Руйнівна дія: Тиск, що створюється при розширенні крижаних лінз, може досягати сотень кілопаскалів, що значно перевищує несучу здатність більшості ґрунтів і навіть міцність бетонних фундаментів. Це призводить до нерівномірного підйому, перекосів та тріщин у фундаментах, стінах, вимощенні та інженерних комунікаціях.

Ступінь пучіння залежить від декількох факторів: типу ґрунту (дрібні піски, супіски, суглинки та глини є пучиністими), рівня ґрунтових вод, глибини промерзання ґрунту та температурного режиму взимку. В Україні, з її континентальним кліматом і глибоким промерзанням ґрунту (від 0.8 м на півдні до 1.5 м на півночі), проблема морозного пучіння є вкрай актуальною. Захист від цього явища вимагає комплексного підходу: заглиблення фундаменту нижче нормативної глибини промерзання (з використанням даних ДБН В.2.1-10:2009), улаштування дренажних систем та ефективної горизонтальної гідроізоляції для розриву капілярного підйому.

Одним з найменш очевидних, але економічно значущих наслідків капілярної вологи є значна деградація теплотехнічних характеристик фундаменту. Коефіцієнт теплопередачі U-value (або термічний опір R-value) є ключовим показником енергоефективності будівельних конструкцій. Він відображає, скільки тепла проходить крізь 1 м² конструкції за 1 секунду при різниці температур в 1°К. Зволоження матеріалів фундаменту прямо пропорційно збільшує U-value, тобто погіршує теплоізоляційні властивості.

Як це відбувається? Теплопровідність матеріалу (коефіцієнт λ) — це його здатність проводити тепло. Вода, як зазначалося раніше, має значно вищий коефіцієнт теплопровідності порівняно з повітрям або сухими будівельними матеріалами. Коли пори матеріалу заповнюються водою, повітряні порожнини (які є чудовими теплоізоляторами) замінюються водою. Це різко збільшує загальну теплопровідність конструкції. Наприклад, для мінеральної вати λ сухої може бути 0.04 Вт/(м·К), але при зволоженні навіть на кілька відсотків, її ефективна λ може зрости вдвічі або втричі. Аналогічно для бетону або цегли, зростання вологості на 1% може збільшити λ на 5-10%.

Згідно з європейськими стандартами, такими як EN ISO 10211, при розрахунках U-value конструкцій необхідно враховувати експлуатаційну вологість матеріалів, а не лише їхні сухі значення. Для українських умов, де вологість ґрунтів може бути високою, ігнорування капілярної вологи в розрахунках призводить до систематичного недооцінювання тепловтрат. Зволожений фундамент стає потужним 'мішком холоду', що тягне за собою:

• Значні втрати тепла через підлогу та стіни першого поверху, збільшуючи витрати на опалення.
• Зниження температури внутрішніх поверхонь стін, що може спричинити конденсацію та розвиток плісняви, навіть якщо стіни мають достатню теплоізоляцію вище рівня ґрунту.
• Формування 'термічних мостів' у зонах контакту зволоженого фундаменту з зовнішніми стінами, посилюючи тепловтрати.

Правильне проєктування гідро- та теплоізоляції фундаменту, що ефективно блокує капілярний підйом, є невід'ємною частиною створення будівель з близьким до нульового споживанням енергії (ZEB) та досягнення високих показників енергоефективності. Ігнорування цієї проблеми призводить до постійних додаткових експлуатаційних витрат та зниження комфорту проживання.

Ефективний захист від капілярної вологи в українських будівельних умовах вимагає комплексного підходу, що інтегрує як горизонтальну, так і вертикальну гідроізоляцію, а також дренажні системи. Згідно з ДБН В.2.1-10:2009 та ДБН В.2.6-31:2021 'Теплова ізоляція будівель', ключовим є розрив капілярного підйому. Розглянемо детальніше ключові вузли та технології.

1. Горизонтальна гідроізоляція фундаменту (відсічна гідроізоляція): Це найважливіший елемент захисту. Вона встановлюється на двох рівнях:
   • На рівні обрізу фундаменту, під першим рядом кладки стін (або під ростверком), на 15-30 см вище рівня ґрунту. Це створює бар'єр, що запобігає підйому капілярної вологи зі стін фундаменту в несучі стіни будівлі.
   • На рівні підготовки під підлогу першого поверху (якщо підлога по ґрунту).

   Матеріали: Бітумно-полімерні рулонні матеріали (наплавні або самоклеючі), полімерні мембрани (наприклад, з ПВХ, ЕПДМ), спеціальні мастики або проникаюча гідроізоляція. Важливо забезпечити суцільність шару без розривів і належне перекриття стиків. Перевага надається двошаровим системам для підвищеної надійності.

2. Вертикальна гідроізоляція фундаменту: Захищає зовнішню поверхню стін фундаменту та підземної частини цоколя від бічного проникнення вологи з ґрунту. Вона обов'язкова для всіх фундаментів, що заглиблюються в ґрунт.
   • Матеріали: Обмазувальні бітумні мастики (гарячі або холодні), бітумно-полімерні емульсії, цементно-полімерні склади, рулонні наплавні матеріали. Важливо наносити на підготовлену, очищену та загрунтовану поверхню. Товщина шару залежить від матеріалу та рівня ґрунтових вод.
   • Додатковий захист: Профіловані мембрани з HDPE (високощільного поліетилену) з шипами. Вони створюють вентиляційний зазор між ґрунтом і гідроізоляційним шаром, що дозволяє волозі стікати вниз, захищаючи гідроізоляцію від механічних пошкоджень та забезпечуючи додатковий дренажний ефект.
3. Дренажні системи: Відводять надлишкову вологу від фундаменту. Це може бути кільцевий дренаж навколо будівлі або пластовий дренаж під підлогою по ґрунту. Системи включають дренажні труби (перфоровані), фільтруючі обсипки (гравій, щебінь), геотекстиль (для запобігання замулюванню).
4. Вимощення: По периметру будинку необхідно влаштувати вимощення з ухилом від стіни для відведення поверхневих опадів. Це зменшує навантаження на вертикальну гідроізоляцію та обмежує надходження води у прифундаментний ґрунт.

Детальні вузли включають заведення горизонтальної гідроізоляції на вертикальну, утворюючи суцільний 'килим' навколо основи будівлі, а також правильне сполучення з теплоізоляцією фундаменту (екструдований пінополістирол XPS), яка повинна бути водостійкою.

При плануванні будівництва часто фокусуються на початкових інвестиціях, недооцінюючи довгострокові експлуатаційні витрати. Однак, у контексті капілярної вологи, ігнорування адекватного захисту може призвести до значного збільшення Total Cost of Ownership (TCO) — загальної вартості володіння об'єктом протягом усього його життєвого циклу. TCO включає не лише початкові витрати на будівництво, але й витрати на експлуатацію, обслуговування, ремонти та можливі реконструкції.

Вартість ігнорування адекватного захисту від капілярної вологи включає:

1. Збільшення енерговитрат: Як вже згадувалося, зволожені фундаменти мають значно вищу теплопровідність. Це призводить до постійних, непередбачених тепловтрат, які щороку відображаються у підвищених рахунках за опалення. За 10-15 років ці додаткові витрати можуть перевищити початкову вартість якісної гідроізоляції.
2. Постійні ремонти та відновлення: Деградація будівельних матеріалів (бетону, цегли, штукатурки) внаслідок капілярної вологи та морозного пучіння вимагає регулярних, часто дорогих ремонтів. Це можуть бути відновлення фасадної штукатурки, заміна відсирілих оздоблювальних матеріалів, ремонт тріщин у фундаменті та стінах. Ремонти підземних частин будівлі особливо складні та дорогі, вимагаючи часто повного відкопування фундаменту.
3. Проблеми зі здоров'ям та комфортом: Волога в приміщеннях створює сприятливі умови для розвитку плісняви та грибків, які є причиною алергічних реакцій, астми та інших респіраторних захворювань. Неприємний запах сирості та висока вологість повітря знижують комфорт проживання та можуть негативно впливати на меблі та оздоблення. Це непрямі витрати, які важко кількісно оцінити, але вони суттєво впливають на якість життя.
4. Зниження ринкової вартості нерухомості: Будинки з проблемами вологи та плісняви мають значно нижчу ринкову вартість. Потенційні покупці часто уникають такої нерухомості або вимагають значних знижок, щоб покрити майбутні витрати на ремонт.
5. Руйнування конструкцій та втрата стійкості: У найгірших випадках, тривалий вплив капілярної вологи та морозного пучіння може призвести до серйозних структурних пошкоджень, аж до втрати несучої здатності фундаменту та необхідності капітального ремонту або навіть знесення будівлі.

Інвестиції в якісну гідроізоляцію на етапі будівництва, що складають відносно невелику частку від загального кошторису (зазвичай 1-3%), є однією з найвигідніших довгострокових інвестицій у довговічність, енергоефективність та цінність вашої нерухомості. Це дозволяє уникнути значно більших витрат у майбутньому та забезпечити здоровий та комфортний мікроклімат у приміщеннях.

Ефективний захист від капілярної вологи починається задовго до початку будівельних робіт — з етапу проєктування. Правильний підхід дозволить запобігти більшості проблем та забезпечить довговічність будівлі. Нижче представлений практичний гайд з ключових кроків та рекомендацій.

1. Інженерно-геологічні вишукування: Це фундаментальний крок. Необхідно провести буріння свердловин на ділянці для визначення:
   • Типу та складу ґрунтів на різних глибинах (пісок, суглинок, глина, лес).
   • Рівня ґрунтових вод (РГВ), його сезонних коливань та можливих прогнозних максимумів.
   • Фільтраційних властивостей ґрунтів.
   • Наявності специфічних ґрунтів (просадочних, пучинистих).

   Ці дані є основою для вибору типу фундаменту, глибини його закладення та розробки системи гідроізоляції та дренажу.

2. Проєктування фундаменту та гідроізоляції:
   • Вибір типу гідроізоляції: Залежить від РГВ та агресивності ґрунтових вод. При низькому РГВ (нижче підошви фундаменту) достатньо обмазувальної гідроізоляції та горизонтальної відсічної. При високому РГВ або наявності водонасичених ґрунтів потрібна рулонна або проникаюча гідроізоляція, виконана у вигляді суцільного 'килима'.
   • Два рівні горизонтальної гідроізоляції: Обов'язково передбачити відсічну гідроізоляцію між фундаментом і стінами (на 15-30 см вище рівня ґрунту) та гідроізоляцію під підлогою першого поверху (якщо вона по ґрунту).
   • Вертикальна гідроізоляція: Повинна захищати всю підземну частину фундаменту та цоколя. Застосування профілованих мембран поверх гідроізоляції рекомендовано для захисту та додаткового дренажу.
   • Теплоізоляція фундаменту: Для зменшення тепловтрат та запобігання промерзання стін фундаменту, необхідно передбачити зовнішню теплоізоляцію з матеріалів з низьким водопоглинанням (наприклад, XPS).
3. Виконання робіт:
   • Підготовка поверхні: Перед нанесенням будь-якої гідроізоляції поверхні фундаменту повинні бути чистими, сухими, рівними, без пилу та відшарувань. Усі шви та тріщини заробляються.
   • Застосування матеріалів: Суворо дотримуватися технології виробника матеріалів (температурний режим, кількість шарів, час висихання).
   • Контроль якості: Важливо забезпечити суцільність та герметичність всіх шарів гідроізоляції. Після монтажу бажано провести візуальний огляд та, за можливості, гідроізоляційні випробування.
   • Улаштування дренажу та вимощення: Дренажні системи повинні бути встановлені до зворотної засипки фундаменту, а вимощення — після завершення основних земляних робіт, з дотриманням ухилу.
4. Матеріали: Для гідроізоляції фундаменту та його стін застосовують такі матеріали: бітумні мастики та емульсії, рулонні бітумно-полімерні матеріали (Техноніколь, Ізопласт), полімерні мембрани (ПВХ, EPDM), проникаючі гідроізоляції (Пенетрон, Кристалізол), профілізовані HDPE-мембрани.

Дотримання цих кроків гарантує надійний захист вашого будинку від руйнівного впливу капілярної вологи та забезпечує комфортне та енергоефективне проживання на довгі роки.