zde - K123-Katedra stavebních materiálů
Transkript
zde - K123-Katedra stavebních materiálů
Katedra materiálového inženýrství a chemie ■■■■■ ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ VE VAZBĚ NA IZOLAČNÍ VLASTNOSTI Izolační vlastnosti (schopnosti) stavebních materiálů o vnitřní struktura materiálů (struktura – tvar, velikost, složení částic – uspořádání na mikroskopické úrovni < 1μm, textura – uspořádání částic, vrstvení, prostorové rozložení atd., pozorování > 0.1 mm) o látkové složení materiálů o typ materiálu – porézní materiály, hutné materiály, homogenní a nehomogenní materiály, isotropní materiály, anisotropní materiály (ortotropní materiály – vláknové kompozity) o vliv vnějších podmínek na vlastnosti materiálů (teplota, vlhkost, relativní vlhkost, tlak) 2 Objemová hmotnost a hustota: o h hustota t t a objemová bj áh hmotnost t t jjsou jjako k ffyzikální ikál í veličina liči definována poměrem elementární hmotnosti ku elementárnímu objemu dm ρ = dV [kg/m3] pro homogenní materiál pak můžeme psát m ρ = = ρv V kde ρv je objemová hmotnost materiálu, definovaná poměrem celkové hmotnosti vzorku ku celkovému objemu vzorku včetně pórů a mezer (hustota matrice – objem bez mezer) 3 o Stavební materiály však většinou za homogenní považovat nemůžeme. o Jednak se u nich vyskytuje pórovitost, jednak bývají často p tvořenyy směsí několika komponent. o Zpravidla se však u všech materiálů pro dostatečně velké objemy může uvažovat určitá objemová stejnorodost. o Proto se v technické praxi pro charakteristiku daného materiálu zavádí veličina zvaná objemová hmotnost. o Objemová hmotnost látek je závislá na hustotě základních složek daného materiálu materiálu, ale velmi silně i na jeho pórovitosti. pórovitosti U sypkých látek (stěrk, písek) či stlačitelných látek (minerální vlna, skelná vlna atd.) i na stlačitelnosti – zhutnění (sypná hmotnost – zahrnuje celkový objem zrnité soustavy včetně objemu mezi zrny) – nutno zohlednit při návrhu a provádění konstrukcí 4 Např. N ř u pórovitého ó itéh kkameniva i můžeme ůž tedy t d rozlišit lišit celkem lk čtyři různé veličiny: o sypná hmotnost ve stavu volně sypaném (např. 400 kg/m3) o sypná hmotnost ve stavu setřeseném (např. 600 kg/m3) o objemová hmotnost zrn (např. 850 kg/m3) – nezapočítá se objem mezer mezi zrny o hustota zrn (např. 2550 kg/m3, dle typu kameniva) 5 Objemová hmotnost se bude také měnit s vlhkostí materiálu, neboť póry se budou plnit vodou a celková hmotnost, tedy i objemová hmotnost, bude narůstat. Objemová hmotnost je veličina důležitá pro charakteristiku stavebních materiálů nejenom z hlediska tíhových, ale i v p y veličin ((tepelná p vodivost,, souvislosti s řadou tepelně-fyzikálních měrná tepelná kapacita) a akustických veličin. 6 7 8 Pórovitost: Pórovitost materiálu je definována jako poměr objemu dutin k celkovému objemu materiálu. Vo ψ= V [-], [%] Otevřená pórovitost část celkové pórovitosti j tzv. otevřené p póry, y, tj. j p póry y spojené p j sp povrchem zahrnující látky či materiálu - otevřené póry mohou vznikat např. únikem plynů během výroby (lehčené materiály), postupným odpařováním (vysušováním) vody z materiálů (beton, omítky, keramika, cementové kompozity), záměrným provzdušněním (lehké betony) a napěněním materiálů (perlit) 9 Otevřené póry díky spojení s vnějším prostředím, ve které se materiál nachází,, přímo p ovlivňují: j o navlhavost a vysychavost materiálů o schopnost difúze kapalin a plynů materiály o zvukově izolační vlastnosti (schopnost pohlcovat zvuk) o tepelně izolační vlastnosti (schopnost vést a akumulovat teplo) U Uzavřená ř á pórovitost ó i část celkové pórovitosti zahrnující tzv. uzavřené póry (nespojené s povrchem – neúčastní se transportních procesů) - uzavřené póry vznikají např. slinutím keramického střepu či hydratací cementového tmele (gelové póry) a neumožňují přijímat do objemu materiálu vzdušnou vlhkost 10 Pórovitost vybraných stavebních materiálů Materiál Pórovitost [% obj.] Cihly pálené 20 - 37 Malta cementová 31 Malta vápenná 41 Sádra 51 - 66 Písek 39 Drobný štěrk 42 Mramor 2-3 Pískovec 1 - 31 Vápenec 31 Břidlice 1,5 – 2,5 11 Snímky porézní struktury mšenského pískovce pořízené SEM 12 Z hlediska transportních procesů jsou porézní látky klasifikovány y podle p velikosti p pórů – distribuční křivky yp pórů. Velikost pórů ovlivňuje j zaplňování pórů vodou či jinými j ý látkami vlivem působení absorpčních a kapilárních sil. R děl í pórů Rozdělení ó ů podle dl velikosti lik ti submikroskopické (ultrakapilární) póry – poloměr < 10-99 m, m rozměry těchto pórů jsou porovnatelné s rozměry molekul, mohou se zde vytvářet řetězce vody a voda se nemůže těmito pór pohybovat 13 kapilární póry – rozměr 10-9 – 10-3 m, voda a plyny se zde chovají jako v soustavě kapilár, pohyb vody je vyvoláván povrchovým h ý napětím ětí (k (kapilárními ilá í i silami) il i) rozdělení kapilárních pórů: • kapilární mikropóry: 2 . 10-9 – 2 . 10-6 m • kapilární přechodové póry: 2 . 10-6 – 60 . 10-6 m • kapilární makropóry: 60 . 10-6 – 2 . 10-3 m makropóry k ó a vzdušné d š é póry ó – již se neuplatňují l tň jí kkapilární ilá í síly íl neboť dutiny (póry) jsou příliš rozsáhlé a převládá vliv gravitace 14 0.08 2.0 1.5 V Poore / cm 3 g -1 0.06 0.04 1.0 0.02 0.5 0.00 0.0 10000 1 10 100 Ř / nm 1000 dV/dŘ Ř / cm 3nm m -1g -1 ·10-3 Příklad distribuční křivky pórů pro vzorek betonu – převládají kapilární mikropóry 15 0.02 n AF AQ 0.015 Objjem pórů cm3/g g parafin 0.01 0.005 0 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Rozměr pórů (μm) Příklad distribuční křivky pórů pro vzorek pálené cihly ošetřené injektážními j přípravky p p y Aquafin q F, Aquafin q Qap parafinem 16 0.1 0.09 Objem pórů (cm3//g) 0.08 0.07 n 0.06 AF 0.05 AQ 0.04 parafin 0.03 0.02 0.01 0 0.001-0.01 0.01-0.1 0.1-1 1-10 10-100 Průměr pórů (μm) Příklad distribuční křivky pórů pro vzorek pálené cihly ošetřené injektážními přípravky Aquafin F, Aquafin Q a parafinem 17 Mezerovitost (M): - vlastnost definující chování sypkých materiálů yj j p poměr objemu j mezer mezi zrny y k celkovému - vyjadřuje objemu určitého množství sypké látky Vh −Vp Vm V −Vh −Vp ρs M= = = 1− = 1− V V V ρv Vh – objem vlastního materiálu bez všech dutin, pórů a mezer Vp – objem pórů ρv – objemová hmotnost ρs – sypná hmotnost 18 Zrnitost a měrný povrch: - jedna j d ze základních ákl d í h vlastností l í sypkých ký h lá látek k - poměrná skladba zrn jednotlivých velikostí Zrnitost ovlivňuje následující parametry: • mezerovitost • sypnou hmotnost • propustnost • stlačitelnost a další mechanické parametry • tepelné a akustické vlastnosti • vlastnosti výsledných kompozitních látek Měrný (specifický) povrch – vyjadřuje celkovou povrchovou plochu všech zrn jednotkového množství látky. Rozměr je udáván v [m2/kg]. 19 Katedra materiálového inženýrství a chemie ■■■■■ VLHKOSTNÍ VLASTNOSTI STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ VE VAZBĚ NA IZOLAČNÍ VLASTNOSTI Vlhkostní vlastnosti stavebních materiálů: - vlhkost p pórovitých ý materiálů, nasákavost, vzlínavost, sorpční izotermy, retenční křivky vlhkosti, navlhavost, vysychavost, součinitel difúze, faktor difúzního odporu, ekvivalentní difúzní tloušťka materiálu, propustnost velmi důležité p parametry, y, které mohou být ý při p nesprávném použití materiálů v konstrukcích zdrojem poruch (vliv na hygienické parametry obytných prostor, na náklady na vytápění, na životnost, funkčnost a trvanlivost konstrukce) vlhkostní ost vlastnosti ast ost přímo p oo ovlivňují uj da další š materiálové vlastnosti jako je objemová hmotnost, mrazuvzdornost, tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, pevnost, deformace atd. 21 přímá vazba k porézní struktuře materiálů (velikost a objem j p pórů), ) významné ý zejména j p pro následující j typy ypy materiálů: tepelně-izolační tepelně izolační materiály keramické materiály (vliv na pevnost) betony, betony pórobetony omítky (sanační, tepelně-izolační) nátěry a další povrchové úpravy 22 Vlhkost pórovitých materiálů - pórovité stavební materiály se prakticky v suchém stavu nevyskytují – i v případě, že jsou trvale zabudovány v konstrukcích Formy vlhkosti v materiálech volná voda ((vyplňuje yp j velké p póry y a dutiny) y) fyzikálně vázaná (van der Waalsovy síly) kapilární voda (tvoří výplň malých pórů a kapilár) adsorbovaná voda (vyplňuje nejmenší póry a pokrývá stěny porézního prostoru) chemicky vázaná voda (tvoří součást základní mřížky materiálů, např. ř jjako k voda d kkrystalová, t l á sádra ád – vysoušení, š í anhydrit) h d it) 23 Rozdělení vlhkosti v materiálu podle zdroje vlhkosti vlhkost výrobní (technologická, počáteční), dána mokrými procesy při výrobě materiálu vlhkost zemní – transportována do materiálu na principu kapilárního vzlínání (významná v objektech bez horizontální izolace nebo s nefunkční hydroizolací) sorpční vlhkost – přijímána materiály z okolního vlhkého vzduchu zkondenzovaná voda, která se sráží jak na povrchu tak uvnitř materiálu (konstrukcí) – vodní páry z exteriérového vzduchu, vodní páry prostupující konstrukcemi obvodových plášťů, vodní páry z interiéru vstupující do konstrukce provozní vlhkost – závislá na typu využití prostorů, vytápění a větrání (chladící haly, toalety, mokré průmyslové provozy, atd ) atd.) 24 Vlhkost z pohledu jejího časového vývoje - vlhkost se mění nejen během výroby, ale i po celou dobu životnosti materiálu či konstrukce výrobní vlhkost – po krátkém čase (v případě mokrých výrobních procesů) významně klesá skladovací vlhkost – ovlivňuje způsob následného zpracování materiálu trvalá vlhkost – trvalá vlhkost je charakteristická pro materiály zabudované do konstrukce – kritická vlhkost – maximální přípustná vlhkost materiálu zabudovaného do konstrukce,, po p p překročení této hodnoty y materiál p podstatně mění své vlastnosti (pevnost, objem, tepelnou vodivost, chemické vlastnosti apod.) do té míry, že jeho další použití je nevhodné a nebezpečné 25 26 Vlhkost – veličiny, základní vztahy Hmotnostní vlhkost m w − md mk wh = ⋅ 100 % = ⋅ 100 % md md •mw hmotnost vlhkého materiálu [kg, g] •m md hmotnost suchého materiálu [kg [kg, g] •mk hmotnost kapaliny [kg, g] •w wh hmotnostní vlhkost [%hm.] 27 Objemová vlhkost Vw ( mw − md ) wv = ⋅100%obj. = ⋅100%obj. = ρ w ⋅ Vd Vd = Vw Vd ρv ρd wv wh ρ d ρw ⋅100%obj. objem volné vody [m3] objem suchého materiálu [m3] hustota vody [kgm-3] objemová hmotnost suchého materiálu [kgm-3] objemová vlhkost [% obj obj.]] 28 Transport vlhkosti o sorpcí p vodní p páry y o difúzí vodní páry p vedením – vlhkostní vodivostí ((difúzní p proces)) o kapilárním Sorpce vlhkosti - přijímání vlhkosti pohlcováním vodní páry ze vzduchu • adsorpce – způsobena mezimolekulárními van der Waalsovými silami, kterými se navzájem přitahují molekuly pevných látek a vodní páry, adsorpce vede ke vzniku molekulárních vrstev vodní páry na stěnách pórů • absorpce – kapalná nebo plynná fáze se vstřebává difúzí a vedením vlhkosti dovnitř tuhé fáze • chemisorpce – uplatnění chemických vazeb vody a tuhé 29 fáze materiálu - rovnovážná sorpční vlhkost – materiál nevykazuje v čase přírůstek ani úbytek vlhkosti - hygroskopická h k i ká vlhkost lhk t – vzniká iká v materiálu t iál v případě, ří dě žže okolní vzduch je plně nasycen vodními parami (maximální rovnovážná sorpční vlhkost) Stanovení sorpční izotermy – parametr akumulace plynné vlhkosti - vyjadřuje závislost mezi obsahem vlhkosti v materiálu a relativní vlhkostí okolního prostředí - sorpční proces má dvě fáze: 1 povrchová adsorpce při nižších hodnotách relativní vlhkosti 1. 2. kapilární kondenzace – relativní vlhkost více než 40%, u pórů o rozměru 2 – 50nm (Thomson-Lord (Thomson Lord Kelvin) 30 uvac ucap III Vakuová nasákavost II Kapilární nasákavost I Hygroskopická vlhkost 95-97% u2 u1 Kapilární kondenzace Monomolekulární adsorpce Multimolekulární adsorpce 31 S hé Schéma měření ěř í sorpčních č í h iizoterem t 32 Počet referencí Teplota/Relativní vlhkost Solný roztok 20°C 20 C 23°C 23 C 25°C 25 C 0.05 0.05 0.05 1 0.113±0.0031 0.113±0.0028 0.113±0.0027 1,3,4 0.111 - 0.111 2 MgCl2.6H2O 0.3307±0.0018 0.329±0.0017 0.3278±0.0016 1,2,3,4 K2CO3 0.441 - 0.440 1 N NO2 NaNO 0 654 0.654 - 0 643 0.643 23 2,3 0.7547±0.0014 0.7536±0.0013 0.7529±0.0012 1,2,4 - - 0.751 3 0 7923±0 0044 0.7923±0.0044 0 7883±0 0042 0.7883±0.0042 0 7857±0 0040 0.7857±0.0040 1 0.8511±0.0029 0.8465±0.0027 0.8434±0.0026 1,4 - - 0.842 3 KNO3 0 932 0.932 - 0 920 0.920 4 K2Cr2O7 0.970 - 0.970 1 0.979 - 0.976 2 - - 0.97 3 Silica gel LiCl NaCl NH4Cl KCl K2SO4 Příklady roztoků solí pro simulaci specifických hodnot relativní vlhkosti 31 0,1 BRI 0,08 AACI u[kg kg -1] CML 0,06 0 04 0,04 0,02 0 0 0,1 0, 0,2 0, 0,3 0,4 0, 0,5 0,6 0,7 0, 0,8 0,9 1 f[-] Sorpční izoterma pálené cihly, pórobetonu a opuky 34 Sorpční izoterma pórobetonu (DVS Advantage) 35 Navlhavost a vysýchavost - přímo souvisí se sorpční schopností materiálů - navlhavost představuje v podstatě sorpční vlhkost, kterou materiál přijímají z vlhkého vzduchu - proces pohlcování vodní páry probíhá až do rovnovážného stavu vlhkosti materiálu, přičemž rovnovážná sorpční vlhkost je závislá teplotě a relativní vlhkosti vzduchu a na barometrickém tlaku - v případě, že dochází k poklesu vlhkosti okolního prostředí materiálu a parciální tlak vodní páry v materiálu je vyšší, nastává desorpce (vysýchavost) - obě tyto veličiny je možné vyjádřit hmotnostně nebo objemově a výpočet lze provést dle stejných vztahů jako pro výpočet hmotnostní a objemové vlhkosti - tyto vlastnosti opět závisí na pórovitosti materiálu a na velikosti a tvaru pórů 36 Retenční křivka vlhkosti - akumulační parametr kapalné vlhkosti - slouží k popisu akumulace vlhkosti v nadhygroskopické oblasti (transport kapalné vlhkosti je dominantní složka při transportu vlhkosti) - definuje závislost mezi obsahem vlhkosti v materiálu a kapilárním tlakem 10 -10 Mikro póry 10-9 10-8 10+4 0.05 10+3 0.60 -7 -6 10 10 Průměr pórů [m] Makro póry 10-5 10-4 10+2 10+1 1 Kapilární tlak [bar] 0.93 10-1 10-3 10-2 0.99 Relativní vlhkost [-] Sorpční izoterma Retenční křivka Distribuce pórů 34 38 Moistu ure content [k kg kg -1] 3 2 1 0 0,1 1 10 100 Suction [bar] Retenční křivka materiálu na bázi kalcium silikátu 39 Difúze vlhkosti (kapalné, plynné) - schopnost pronikání molekul plynů, páry a kapalin do porézního prostoru materiálů - k difúzi difú i vodní d í páry á dochází d há í ttehdy, hd pokud k d materiál t iál odděluje dděl j d dvě ě prostředí mezi nimiž je rozdíl částečných tlaků vodní páry - difúze probíhá z místa s vyšším tlakem do místa nižšího parciálního tlaku vodní páry - k difúzi dochází v kapilárách, které mají průměr větší než 10-7m, protože v těchto kapilárách nedochází ke kapilární kondenzaci 40 Veličiny používané k hodnocení difúzních vlastností stavebních materiálů: • součinitel difúze • součinitel propustnosti pro vodní páru • faktor difúzního odporu • ekvivalentní součinitel difúze (nehomogenní materiály) • ekvivalentní faktor difúzního odporu (nehomogenní materiály) • ekvivalentní difúzní tloušťka materiálu – schopnost materiálu propouštět vodní páru difúzí v závislosti na jeho tloušťce 41 Materiály u kterých je nutné znát jejich difúzní vlastnosti materiály bránící (či limitující) pronikání vodní páry např. do základových a střešních konstrukcí (parozábrany (parozábrany, hydroizolační materiály) materiály y současně bránící pronikání p vodní p páry yap plynů y z podloží do vnitřního prostoru staveb (protiradonové fólie) materiály pro sanace vlhkého zdiva (např. sanační omítky, které umožňují odvod vlhkosti z konstrukcí systémem pórů) materiály povrchových úprav konstrukcí (nátěrové systémy) materiály t iál ttepelně-izolačních l ě i l č í h systémů té ů 42 Tok vodní páry hnací h í silou il při ři transportu t t vodní d í páry á v materiálech t iál h jje b buď ď gradient parciální hustoty vodní páry, či gradient parciálního tlaku vodní páry jwv = − Dgradρ wv jwv = −δgradpwv D =δ RT M 43 δ − součinitel propustnosti pro vodní páru [s], [kgm-1s-1Pa-1] - vyjadřuje schopnost materiálu propouštět vodní páru difúzí - je závislý na teplotě (se vzrůstem teploty stoupá) - závislý na rozdílu relativních vlhkostí - vlhkosti (se vzrůstající vlhkostí se zmenšuje) - množství, velikosti, otevřenosti či uzavřenosti pórů a na jejich vzájemné propojenosti - určení p pomocí miskové metody y dle ČSN 72 7030,, 72 7031,, 72 7032 (Měření difúze vodních par stavebních materiálů a konstrukcí při teplotním spádu – platnost 01/1984 - 09/2006 – zrušena bez náhrady) Δm ⋅ d δ = S ⋅ τ ⋅ Δp p δ je součinitel propustnosti pro vodní páru [s] Δm je množství vodní páry prodifundované f vzorkem [kg] d je tloušťka vzorku [m] S je plocha vzorku [m2] τ časový interval korespondující s Δm [s] Δpp rozdíl parciálních tlaků vodní páry změřený ve vzduchu nad a pod povrchem vzorku [Pa] 44 Miska s umístěným ý vzorkem Realizace experimentu v klimatické komoře 45 Faktor difúzního odporu μ [-] - vyjadřuje schopnost materiálů propouštět vodní páru - udává, kolikrát větší difúzní odpor klade určitá látka v porovnání se stejně tlustou vrstvou vzduchu o stejné teplotě - prakticky není ovlivněn druhem difundujícího plynu – vázán pouze na kapilárně pórovitou strukturu materiálu a jeho aktuálním stavem 1 μ= N ⋅δ δ součinitel propustnosti pro vodní páru [s] μ faktor difúzního odporu [-] N přibližná hodnota difúzního odporu vzduchu 5.45 .109 [s-1] závisející na teplotě 46 Ekvivalentní difúzní tloušťka materiálu rd [m] - závislá na geometrii (tloušťce) materiálu - používá se hlavně k vyjádření difúzních vlastností povrchových úprav – sanačních omítek, omítek nátěrových systémů apod. - fyzikálně představuje vrstvu vzduchu, která by kladla difundujícímu plynu stejný odpor, jako deska daného materiálu d r = μ ⋅d d tloušťka materiálu [m] μ faktor difúzního odporu p [[-]] Difúzní odpor materiálu Rd [ms-1] - v tepelně-technických výpočtech ovlivní množství zkondenzované vodní páry (bilance zkondenzované vlhkosti) Rd = μ ⋅ d ⋅ N = rd ⋅ N 47 ČSN EN 12524 (73 0576) Stavební materiály a výrobky Tepelně vlhkostní vlastnosti - Tabulkové návrhové h d t hodnoty Uvádí obecné tabulkové hodnoty základních tepelně vlhkostních vlastností materiálů používaných ve stavebnictví. Rozlišuje se mezi deklarovanou hodnotou (odvozenou z naměřených údajů za referenčních tepelných a vlhkostních podmínek, podle daného způsobu statistického zpracování) a hodnotou návrhovou, která á se použije ž ve výpočtech ý č při ř zabudování á í materiálu á do stavebníí konstrukce za běžných podmínek. Hodnoty jsou odvozeny v souladu s ČSN EN ISO 10456. Tab 1 Běžné stavební materiály - základní vlhkostní veličiny Tab 2 Typická vlhkost materiálů při referenčních podmínkách a odpovídající převodní součinitele, kterými se převádí hodnoty získané za jednoho souboru okrajových podmínek na jiný soubor okrajových podmínek. Tab 3 Hodnoty ekvivalentní difúzní tloušťky pro foliové materiály a nátěry 48 49 50 51 Transport kapalné vlhkosti - difúze, kapilární vedení, vlhkostní vodivost - nejjednodušší možností jak popsat transport kapalné vody porézní strukturou materiálu je stanovení absorpčního koeficientu pro vodu A [kg m-2s-1/2] ze vztahu II=S S t1/2 -kde I je kumulativní absorpce vody a t čas odpovídající této absorpci, Sorptivita S [m s-1/2] i=SAt1/2 - i ((kg g m-2) kumulativní hmotnost vody y a A ((kg g m2s-1/2) absorpční koeficient pro kapalnou vodu A = S ⋅ ρ w (T ) 52 53 Absorpční koeficient pro vodu nám však podává informace pouze o vlhkostním toku, ale neříká nám nic o distribuci vlhkosti v materiálu - z tohoto důvodu transport kapalné vlhkosti popíšeme následovně: vlhkostní tok: r j = − ρ sκ∇wh − κ je součinitel vlhkostní vodivosti [m2 s-1] - j vlhkostní tok [kg m-2s-1] − ρs hustota matrice (parciální hustota pevné fáze) - wh hmotnostní vlhkost Přímou aplikací rovnice pro výpočet vlhkostního toku dostaneme vztah pro průměrnou hodnotu součinitele vlhkostní vodivosti (Kumaran, 1994) - kde wsat je nasycený obsah vlhkosti (kapilární) 2 ⎛ A⎞ κ ≈ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ wsat ⎠ 54 40 35 In nflow [kg m-2] 30 2 25 20 15 10 MU DUs DUh 5 0 0 100 200 300 400 500 600 1/2 Square root of time [s ] Křivka nasákavosti minerální vlny typu MU a Dus, Duh (Rockwool a.s.) 55 40 Inflow [kg m-2] 30 20 CSI CSII 10 CSIII CSIV 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Square root of time [s1/2] Křivka nasákavosti materiálu na bázi kalcium silikátu 56 m0 S wsat Α κ [kg] [m2] [kg m-3] [kg m-2s-1/2] [m s ] 1 1. 9 49E 03 9.49E-03 9 146E 03 9.146E-03 995 745 995.745 0 21 0.21 4 45E 08 4.45E-08 2. 1.69E-02 1.635E-02 996.553 0.22 4.87E-08 3 3. 1 60E 02 1.60E-02 1 538E 02 1.538E-02 994 079 994.079 0 21 0.21 4 46E 08 4.46E-08 x - - 995.459 0.21 4.59E-08 Vzorek 2 -1 Stanovení součinitele absorpce pro vodu a součinitele vlhkostní vodivosti minerální vlny typu MU 57 - podrobněji lze transport kapalné vlhkosti popsat pomocí nelineární difúzní rovnice ∂w = div (κ ( w) grad w) ∂t - součinitel vlhkostní vodivosti je zaveden jako funkce obsahu vlhkosti - určíme čí na základě ákl dě inverzní i í analýzy lý vlhkostních lhk t í h profilů, filů které kt é stanovíme v rámci jednorozměrných experimentů (Lykov, 1958) - obsah vlhkosti – metody přímé, nepřímé (TDR, NMR, odporové senzory, kapacitní senzory) 58 0.8 hmotno ostní vlhkostt [kg/kg] 0.7 12900s 0.6 16500s 05 0.5 20100 20100s 23700 0.4 27300s 30900s 0.3 34500 34500s 0.2 0.1 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 vzdálenost [m] Profily vlhkosti pro vzorek pórobetonu 59 1.00E-06 vlhkosttní vodivostt [m 2 s -1 ] Matanov a metoda Metoda dv ojné integrace Dif erenční metoda 1.00E-07 Gradientov á metoda 1 00E 08 1.00E-08 1.00E-09 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 hmotnostní vlhkost [kg/kg] g g Součinitel vlhkostní vodivosti pórobetonu 60 Nasákavost – maximální nasákavost - maximální množství vlhkosti, které v materiálu může být obsaženo - udává se buď její hmotnostní nebo objemová hodnota - je definována buď po jisté době ponoření vzorku do vody (kapaliny) – např. po 1 hod., 24 hod., atd. nebo svou maximální hodnotou, kdy všechny otevřené póry materiálu jsou již vyplněny vodou (závisí na principu měření – kapilární nasákavost, vakuová nasákavost, atd.) - nasákavost objemová se může pohybovat v rozsahu 0 100% - nasákavost hmotnostní může u materiálů lehčích než voda hodnotu 100% značně překročit 61 Materiál Hmotnostní nasákavost % Objemová nasákavost % Dřevo 140 - 170 55 - 70 Ocel -0 -0 Cihly plné, pálené 20 - 25 36 - 55 Beton hutný 6 - 13 13 - 30 Pórobeton ó 40 - 90 35 – 40 Pěnový polystyren 70 - 500 <7 Nasákavost vybraných stavebních materiálů. 62 Vzlínavost (kapilarita), kapilární vedení vlhkosti - vlastnost pórovitých materiálů, která se projevuje při jejich částečném ponoření do kapaliny - charakteristická pro vodou smáčivé materiály, materiály což je naprostá většina stavebních látek - při kontaktu otevřených pórů s vodou dochází k nasákávání vody vlivem kapilárních a sorpčních sil - materiály s většími póry nasákávají rychleji, ale výška vzlinutí ut je nízká á - jemně pórovité materiály sají vodu pomaleji, avšak vystupuje podstatně výše - vzlínající vlhkost je nejčastější způsob vlhnutí konstrukcí vystavených působení zemní vlhkosti 63 - vzlínaní vody lze zjednodušeně popsat pomocí mechanismu kapilární elevace – charakterizována rozdílem výšky hladiny k kapaliny li v kkapiláře ilář protiti úrovni ú i hladiny hl di v okolí k lí - vyvoláno kapilárními silami mezi molekulami kapaliny a povrchem p p pevné látky y (p (povrchové napětí p kapaliny p y způsobuje p j pohyb sloupce kapaliny ve směru výslednice sil) - pro maximální výšku vzlínání vlhkosti platí: σ povrchové napětí kapaliny [N/m] 2 ⋅ σ ⋅ cos θ h= r⋅ρ ⋅g θ úhel smáčení mezi kapalinou a stěnou kapiláry [°] r poloměr kapiláry [m] ρ objemová bj áh hmotnost t t kkapaliny li [k [kg/m / 3] g gravitační zrychlení [m/s2] 64 - pro smáčivé kapaliny se cosθ blíží 1, přičemž voda má povrchové napětí cca 0.073 N/m - vztah pro výpočet maximální výšky vzlínání pro vodu můžeme tedy zjednodušit na formu h= 0 . 149 r [cm] Závislost povrchového napětí vody na teplotě - střední průměr rozměru pórů v běžném cihelném zdivu se pohybuje k l kolem h hodnoty d t 10-55 m – odpovídá d ídá výška ýšk vzlínání lí á í vlhkosti lhk ti cca 1 1.49 49 m (t (tuto t hodnotu potvrzuje i praxe, neboť velká část starších objektů je zavlhčena 65 do výšky 1,5 m) - jsou-li stěny kapilár pokryty látkami, které ztěžují nebo zabraňují smáčení, změní se odpovídajícím způsobem i úhel smáčení áč í - je-li úhel smáčení θ > 90° dostaneme zápornou výšku vzlínání – vzniká tzv. kapilární p deprese p ((hydrofobita y materiálu)) 63 - vzlínání je dynamický jev, u něhož není rozhodující pouze kapilární výška, ale také rychlost s jakou se voda odpařuje a čas potřebný k dosažení kapilární výšky h - rychlost vzlínání: v= r ⋅ σ ⋅ cos θ 4 ⋅η ⋅ h η viskozita kapaliny 2 ⋅η ⋅ h 2 - čas k dosažení výšky h: t = r ⋅ σ ⋅ cos θ Transport vlhkosti vzlínáním se projevuje u stavebních materiálů s poloměrem pórů od 10-7 do 10-4 m (největší transport pro poloměr pórů 10-55 m) 67 - voda stoupá kapilárou, ale nepronikne pře póry velkého průměru, neboť kapilární zdvih je menší než výška kapiláry transport vlhkosti se však nezastaví – voda se na konci kapiláry odpaří a difunduje k protější stěně, kde pára opět kondenzuje a v tekutém stavu vzlíná kapilárami k dalšímu póru - mimo volné vody vzlíná po stěnách kapilár také vrstva pevně vázané vody v tloušťce několika molekul – na povrchu pórů tvoří film, který má zcela odlišné vlastnosti než volná voda (nemrzne při 0°C, nelze ji zcela odpařit) 68