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
ƒ 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
ƒ 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
ƒ 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:
ƒ tepelně-izolační
tepelně izolační materiály
ƒ keramické materiály (vliv na pevnost)
ƒ betony,
betony pórobetony
ƒ omítky (sanační, tepelně-izolační)
ƒ 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
ƒ volná voda ((vyplňuje
yp j velké p
póry
y a dutiny)
y)
ƒ fyzikálně vázaná (van der Waalsovy síly)
ƒ kapilární voda (tvoří výplň malých pórů a kapilár)
ƒ adsorbovaná voda (vyplňuje nejmenší póry a pokrývá stěny
porézního prostoru)
ƒ 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
ƒ vlhkost výrobní (technologická, počáteční), dána mokrými
procesy při výrobě materiálu
ƒ vlhkost zemní – transportována do materiálu na principu
kapilárního vzlínání (významná v objektech bez horizontální
izolace nebo s nefunkční hydroizolací)
ƒ sorpční vlhkost – přijímána materiály z okolního vlhkého
vzduchu
ƒ 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
ƒ 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
ƒ výrobní vlhkost – po krátkém čase (v případě mokrých
výrobních procesů) významně klesá
ƒ skladovací vlhkost – ovlivňuje způsob následného
zpracování materiálu
ƒ 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
ƒ materiály bránící (či limitující) pronikání vodní páry např.
do základových a střešních konstrukcí (parozábrany
(parozábrany,
hydroizolační materiály)
ƒ materiály
y současně bránící pronikání
p
vodní p
páry
yap
plynů
y
z podloží do vnitřního prostoru staveb (protiradonové fólie)
ƒ materiály pro sanace vlhkého zdiva (např. sanační
omítky, které umožňují odvod vlhkosti z konstrukcí
systémem pórů)
ƒ materiály povrchových úprav konstrukcí (nátěrové
systémy)
ƒ materiály
t iál ttepelně-izolačních
l ě i l č í h systémů
té ů
42
Tok vodní páry
ƒ 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