La humedad y los materiales
La humedad y los materiales están involucrados en la mayoría de los problemas de construcción. Los más graves generan daño estructural.
- Debido a la descomposición de la madera,
- asimismo por el crecimiento de hongos poco saludables,
- además de la corrosión,
- a la vez, la congelación y descongelación,
- finalmente, el daño a los acabados interiores sensibles a la humedad.
Para evitar estos problemas, se necesita entender la humedad, los materiales afectados por la humedad y cómo interactúa con los materiales. De esto se trata este artículo de daños por humedad.
Los materiales afectados por la humedad
Se pueden clasificar los materiales de diferentes maneras:
- los materiales orgánicos basados en carbono e hidrógeno,
- y los materiales a base de minerales con silicatos y calcitas.
Otra diferenciación útil son los materiales porosos y materiales NO porosos. Muchos son porosos. A su vez, 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 por cada gramo para el caso de las placas de yeso,
- 20 m2 por cada gramo 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. Entonces NO tienen área de superficie interna. Y tampoco 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. Ciertamente experimentamos el agua en todos sus estados durante nuestra vida diaria. Asimismo, el estado adsorbido es el menos comprendido, y lo descubriremos más adelante.
La humedad es una molécula con dos átomos de hidrógeno cargados positivamente. Además de un átomo de oxígeno cargado negativamente (H2O). También 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. Y 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 y los daños por humedad
La molécula de agua polar imán es atraída por muchos materiales en estado de vapor y líquido. Ciertamente las gotas de agua se pegan a su piel y al espejo después de la ducha.
En realidad, el agua líquida se engancha a los tubos muy pequeños. Así, denominados capilares, presentes en los materiales porosos. Finalmente, 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. A su vez, 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. Por ejemplo, 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 cosas. Incluso cómo los materiales como Gore-Tex y el Tyvek para aislamiento térmico, pueden ser simultáneamente impermeables y altamente permeables al vapor.
Daños por 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. A la vez, 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.
Las moléculas de vapor de agua en el aire se adsorben en las superficies internas de estos materiales. Así el contenido de agua de los materiales aumenta significativamente. De esta forma tales materiales se describen como higroscópicos.
Materiales que recogen la humedad
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, no podrá almacenar más humedad. Luego cuando se excede este contenido de humedad, el material estará saturado en exceso. Después 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. Finalmente, 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 régimen de adsorción o régimen higroscópico (Regiones AC),
- además, el régimen capilar (D)
- y finalmente, el régimen sobre saturado (E)
A la vez, es muy importante reconocer que el contenido de humedad varía principalmente con la humedad relativa, NO con la humedad absoluta.
Absoluta
Humedad absoluta son los gramos de vapor de agua contenido en un m3 de aire [gramos de vapor por cada metro cúbico de aire].
Específica
Es cambiando las unidades de medición, hablamos de kg de agua por kg de aire seco. Tanto en la humedad absoluta como en la específica, el agua siempre está en forma gaseosa de vapor.
Relativa
Humedad relativa es la relación entre cantidad de vapor de agua contenida en el aire y la máxima cantidad que el aire sería capaz de contener a esa temperatura (humedad absoluta de saturación).
La humedad en ambiente seco
Cuando el ambiente es seco, es decir, la humedad relativa es baja, el agua se evapora rápidamente, promoviendo el proceso de enfriamiento por evaporación. Sin embargo, cuando la humedad relativa es muy alta, el ambiente no admite más vapor de agua (es decir, está saturado) y, por tanto, el sudor no se evapora.
La humedad cuando llueve
Cuando llueve, la humedad relativa alcanza casi el 100% y en un día frío, la humedad relativa es muy baja. Principalmente, cuando el aire está más caliente, puede contener más fluidos.
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. Además 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. A la vez, 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 super saturado, 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. Además de 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. Todo ello, a medida que las moléculas de agua se fuerzan.
Esta fuerza de compresión interna provoca la expansión inicial del ladrillo. Luego la expansión por humectación de otros materiales porosos como la arcilla y la madera.
Humectación y secado
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. También 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 muy floja. A la vez 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, causando daños por humedad.
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.
Controlar la humedad relativa
Es por estas razones, que los especialistas controlan la humedad relativa alrededor de un material, NO el contenido de humedad, los daños por humedad y la disolución por congelación y descongelación. Por ejemplo el yeso, requiere 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. Luego la humedad capilar y adsorbida solo se puede secar por evaporación y luego por difusión.
El agua es una molécula única y fascinante. Ciertamente comprender cómo y por qué la humedad interactúa con los materiales y produce daños por humedad, es fundamental para el diseño y la construcción. Además del funcionamiento de edificios saludables, duraderos y que ahorren energía.
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