La humedad y los materiales
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La humedad y los materiales

375268 • 03/02/2019

La humedad está involucrada en la mayoría de los problemas de construcción. Las más graves generan  daño estructural debido a la descomposición de la madera, el crecimiento de hongos poco saludables, la corrosión, la congelación y descongelación y el daño a los acabados interiores sensibles a la humedad.

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Para evitar estos problemas, se necesita entender la humedad, la naturaleza de los materiales y cómo interactúa con los materiales. Este contenido intenta tratar de estos fundamentos.

Los materiales afectados por la humedad

Se pueden clasificar los materiales de diferentes maneras, los materiales orgánicos basados en moléculas de carbono e hidrógeno y los materiales  a base de minerales basados en moléculas con silicatos y calcitas.

Otra diferenciación útil son los materiales porosos o no porosos,  muchos son porosos, y si los poros son microscópicos, del orden de milésimas de pulgada, tendrán áreas de superficie interna muy grandes.

El área de la superficie interior es de aproximadamente 0.2 m2/gr para el caso de las placas de yeso y 20 m2/gr para la pasta de cemento y aún más para madera o celulosa.

El vidrio, el acero y los plásticos no tienen esencialmente porosidad, dado que no tienen poros, no tienen área de superficie interna y no permiten ninguna absorción de agua ni transmisión de humedad significativas.

La humedad, la molécula de agua y sus estados

El agua existe en fase líquida, sólida, de vapor y adsorbida, a diferencia de otros materiales, experimentamos el agua en todos sus estados durante nuestra vida diaria y de los estados, el estado adsorbido es el menos comprendido, y lo descubriremos más adelante.

La humedad es una molécula con dos átomos de hidrógeno cargados positivamente y un átomo de oxígeno cargado negativamente (H2O), y la molécula tiene un diámetro de solo 0.3 nanómetros, o sea que mil millones de esto tendido de extremo a extremo tendrían aproximadamente un pie de largo, unos 30 cm.

Esta distribución de cargas de la molécula espacialmente desequilibrada significa que el H2O es una molécula polar que se comporta como un imán pequeño, es decir, el extremo de hidrógeno es permanentemente positivo y el extremo de oxígeno es permanentemente negativo.

La interacción del agua, la humedad y los materiales

La molécula de agua polar imán es atraída por muchos materiales en estado de vapor y líquido, las gotas de agua se pegan a su piel y al espejo después de la ducha. En realidad, el agua líquida se aspira a los tubos muy pequeños, denominados capilares, presentes en los materiales porosos, y cuanto  más pequeño es el tubo, mayor es la succión capilar.

La succión o absorción de los capilares interconectados explica como el agua se desplaza en el ladrillo, como llega hasta la parte superior de los árboles altos. Algunos materiales, como la silicona, los aceites y algunos plásticos rechazan el agua, y esta repulsión hace que el agua forme gotas, como la veríamos sobre hormigón empapado en aceite o como el agua sobre papel encerado.

La naturaleza polar hace que las moléculas de agua interactúen con otras moléculas de agua, el hidrógeno de una molécula atrae el oxígeno de otra y hace que el agua se agrupe. Así el agua líquida tiende a existir en grandes grupos, a medida que aumenta la temperatura, los grupos ganan más energía y se dividen en grupos más pequeños.

Cuando el agua líquida se evapora, las moléculas ganan tanta energía que actúan individualmente como moléculas de vapor solitario,. La diferencia de tamaño entre los grupos de moléculas de agua líquida y la molécula de vapor solitario ayuda a explicar cómo los materiales como Gore-Tex y el Tyvek para aislamiento térmico, pueden ser simultáneamente impermeables y altamente permeables al vapor.

El almacenamiento de humedad y la respuesta de los materiales

Las superficies en contacto con las moléculas de vapor de agua tienen la tendencia a capturar y retener las moléculas de agua debido a la naturaleza polar de la molécula de agua y este proceso se llama adsorción.

Estos son materiales hidrófilos , mientras que los materiales que repelen el agua se denominan hidrófobos, de esta forma la mayoría de los materiales de construcción son hidrófilos.

A medida que las moléculas de vapor de agua en el aire se adsorben a las superficies internas de estos materiales, el contenido de agua de los materiales aumenta significativamente. De esta forma tales materiales se describen como higroscópicos.

El vidrio, el plástico y el acero no tienen poros internos y, por lo tanto, no son higroscópicos, no recogen la humedad del vapor de agua en el aire. Los desecantes son un tipo especial de material higroscópico y pueden absorber una gran cantidad de humedad, por lo general varias veces su peso en seco a altas humedades relativas.

Cuando un material ha adsorbido toda la humedad que puede, se almacenará más humedad en los poros y grietas dentro del material por succión capilar o por absorción. De esta forma la madera absorberá el vapor del aire hasta un contenido de humedad de aproximadamente 25% o 30% con un 98% de humedad relativa, pero la madera saturada totalmente, humedecida con agua líquida puede contener de dos a cuatro veces esta cantidad de humedad.

Una vez que un material está saturado en sus capilares, generalmente no podrá almacenar más humedad y cuando se excede este contenido de humedad, el material estará saturado en exceso y no se podrá introducir más agua en el material y los mecanismos de drenaje, si están disponibles, comenzarán a eliminar el exceso de humedad.

En resumen, el agua líquida se absorbe en los poros capilares y se pueden adsorber cantidades significativas de vapor de agua a la superficie de las paredes de los poros.

Los regímenes de almacenamiento de humedad

Los regímenes son el de adsorción o higroscópico (Regiones AC), el régimen capilar (D) y el régimen sobresaturado (E), es muy importante reconocer que el contenido de humedad varía principalmente con la humedad relativa, no con la humedad absoluta.

En el régimen higroscópico, el vapor de agua se adsorbe a las paredes de los poros, a medida que aumenta la humedad relativa, se adhieren más capas, aunque las primeras capas están más fuertemente unidas (Regiones A y B).

En la Región C, las capas crecen a un tamaño tal que comienzan a interactuar e interconectarse y la tensión superficial del agua hace que se formen meniscos dentro de los poros más pequeños.

En las humedades relativas más altas, todos, excepto los poros más grandes, están llenos de agua, en el régimen capilar (Región D) se designa como la parte de la función de almacenamiento de humedad por encima del contenido crítico de humedad.

Se forma una fase líquida continua y finalmente, en el estado supersaturado, la humedad relativa es siempre del 100% y no hay más agua que se absorba en un material, las fuerzas externas como la gravedad y el aire deben forzarla.

Implicaciones prácticas de la humedad en los materiales

Los materiales como la madera, el mortero, el yeso y el concreto comienzan su vida con todos sus poros llenos de agua, a medida que el material se seca, el contenido de agua en los poros cae y el agua adsorbida intentará salir de la superficie de los poros.

La fuerza de la unión entre las moléculas de agua que forman las capas adsorbidas, da como resultado fuerzas de tensión a medida que avanza el secado. Son estas fuerzas de tensión internas las que provocan tensiones por contracción y el consiguiente agrietamiento en la madera, la arcilla, el hormigón y el yeso.

De otro modo el ladrillo comienza su vida en un horno de alta temperatura, completamente seco y cuando posteriormente el vapor de agua entra en los poros, se desarrollan fuerzas de compresión a medida que las moléculas de agua se fuerzan. Esta fuerza de compresión interna provoca la expansión inicial del ladrillo y la expansión por humectación de otros materiales porosos como la arcilla y la madera.

Así la humectación y el secado debido a la adsorción causarán expansión y contracción en muchos materiales, esto explica por qué las puertas de madera tienden a estar ajustadas en una estación húmeda y sueltas  en una estación seca. La expansión y la contracción relacionadas con la humedad también explican el ahuecamiento en maderas y la ondulación o  rizo de una losa en hormigón.

En la parte superior del régimen higroscópico, una vez que la humedad relativa supera aproximadamente el 80%, el vapor de agua adsorbido se adhiere de forma tan floja que puede estar disponible para el crecimiento y la corrosión por los hongos.   Sin embargo, para niveles peligrosos de corrosión y crecimiento de moho, se pueden necesitar humedades mucho más altas e incluso agua líquida.

El tiempo, la temperatura y la humedad relativa son las variables ambientales más importantes que afectan la durabilidad, el contenido de humedad puede estar relacionado con la humedad relativa por la isoterma de adsorción.

El crecimiento de hongos puede comenzar en la mayoría de las superficies cuando la humedad almacenada produce una humedad relativa local de más del 80% después de muchos meses.

La corrosión y la descomposición requieren niveles más altos de humedad, más del 90% y temperaturas superiores a 15 °C, durante meses, para proceder a tasas peligrosas.

Es por estas razones que se debe controlar la humedad relativa alrededor de un material, NO el contenido de humedad, el daño y la disolución por congelación y descongelación, por ejemplo el yeso, requieren que el material esté cerca de la saturación capilar, o sea un 100% de humedad relativa.

Para secar un material previamente humedecido, se debe reducir la humedad relativa dentro de los materiales lo más rápido posible. Debe quedar claro que el drenaje no es suficiente para este propósito, ya que dejará una gran cantidad de material saturado a un 100% de humedad relativa, la humedad capilar y adsorbida solo se puede secar por evaporación y luego por difusión.

El agua es una molécula única y fascinante, comprender cómo y por qué la humedad interactúa con los materiales es fundamental para el diseño, la construcción y el funcionamiento de edificios saludables, duraderos y que ahorren energía.

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