123TVVM Měření vlhkosti porézních stavebních materiálů

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

123TVVM – Měření vlhkosti porézních stavebních materiálů Voda ve všech svých fázích vykazuje celou řadu anomálních vlastností, které výrazně ovlivňují také vlastnosti materiálů ve kterých je obsažena – z tohoto důvodu existuje celá řada metod pro její měření stejně jako celá řada měřících zařízení a senzorů. • METODY ABSOLUTNÍ (PŘÍMÉ) - stanovení obsahu vody na základě odstranění vlhkosti z testovaného vzorku (vysoušení, extrakce) • METODY RELATIVNÍ (NEPŘÍMÉ) - obsah vlhkosti je stanoven na základě měření jiné fyzikální veličiny, jejíž hodnota je závislá na množství vody ve vzorku obsažené – tato závislost musí být jasně známa a definována


• METODY ABSOLUTNÍ (PŘÍMÉ)

1. Gravimetrická metoda - voda je ze vzorku odstraněna pomocí vysoušení za přesně definovaných podmínek, a její obsah je určen na základě měření hmotnostní ztráty po sušení případně titraci - voda může být ze vzorku odstraněna také zahříváním horkým suchým vzduchem a jejím zachytáváním v komoře s vysoušecím činidlem - tato metoda je považována za standardní pro stanovení vlhkosti a je velmi často používána pro kalibraci ostatních měřících metod 2. Extrakční metoda - voda je extrahována z materiálu do vhodného rozpouštědla kde je její obsah stanoven pomocí titrace 3. Azeotropická destilace - voda je destilována s organickým rozpouštědlem do kalibrovaného receiveru


• METODY ABSOLUTNÍ (PŘÍMÉ) Titrace - standardní metoda laboratorní chemické kvantitativní analýzy - zakládá se na stanovení neznámé koncentrace známého objemu vzorku (titru) změřením objemu titračního standardu (o známé koncentraci), který jsme spotřebovali, aby látky právě a beze zbytku zreagovaly (tzv. bod ekvivalence). - aby se jednoznačně a přesně zjistilo, kdy nastal bod ekvivalence, většinou se přidává do titrovaného roztoku tzv. indikátor - látka, která výrazně mění barvu podle podmínek. Indikátory jsou většinou buďto selektivní (zbarví se podle přítomnosti nějaké látky, třeba škrob), nebo acidobazické (zbarvují se podle pH). - Měří se např. i změnou napětí na Pt elektrodách polarizovaných střídavým proudem v důsledku úbytku vody. Sleduje se pokles napětí, které se blíží k 0 v bodě ekvivalence - jodometrické stanovení obsahu vody metodou Karl Fischera. Titrace se obvykle provádí čtyřikrát, z toho poprvé je jen orientační.


• METODY RELATIVNÍ (NEPŘÍMÉ) I 1. Odporové metody - elektrický odpor materiálů je závislý na obsahu vlhkosti – tato vlastnost může být využita pro stanovení vlhkosti - tuto metodu není možné použít pro materiály vykazující zvýšený obsah solí – neboť by výrazně došlo k nárůstu elektrické vodivosti v důsledku iontové vodivosti solí 2. Dielektrické metody - metody založené na měření reálné (případně také imaginární) části komplexní relativní permitivity materiálů, která je měřena jako funkce obsahu vody 3. Radiometrické metody - založené na absorpci b či g záření nebo vázání či rozptýlení neutronů 4. Metoda nukleární magnetické rezonance (NMR method) - absorpce vysokofrekvenční energie v materiálu vystaveném magnetickému poli je měřena jako funkce obsahu vody - metoda umožňuje rozlišit volnou a vázanou vodu


• METODY RELATIVNÍ (NEPŘÍMÉ) II 5. Absorpce a reflexe infračerveného záření (IR methods) - měřením reflexe infračerveného záření může být provedeno stanovení množství vody v povrchových oblastech materiálu 6. Chemické metody - metody založené na chemické reakci vody obsažené v materiálu se specifickou chemickou látkou – např. CaC2 7. Ultrazvukové metody je měřena rychlost ultrazvukových vln v závislosti na obsahu vody


STANOVENÍ VLHKOSTNÍ FUNKCE, VLHKOSTNÍCH POMĚRŮ BUDOV A MATERIÁLŮ Průzkumné práce lze dělit do několika dílčích fází: přípravná fáze (získávání informací o budově, projektová dokumentace, apod.), průzkum stavby (prohlídka objektu a zjištění základních technických údajů o budově a okolí), průzkum stavby na základě zjišťování charakteristických veličin měřením – měření vlhkosti, pH, chemismus materiálů, směr přenosu vody – elektroosmotická aktivita, el. vodivost, apod.

Průzkum stavby - odběr vzorků z vyšetřovaného objektu – podrobná laboratorní analýza materiálových vlastností – vlhkostní vodivost, sorpční a desorpční parametry, retence vlhkosti, chemické složení materiálů, mechanické parametry - stanovení distribuce vlhkosti v konstrukci – návrh sanačních opatření - analýza výskytu anorganických solí – kvantitativní a kvalitativní chemická analýza - posouzení inženýrsko-geologických a hydrogeologických poměrů objektu a jeho blízkého okolí


STANOVENÍ VLKHOSTNÍ FUNKCE, VLHKOSTNÍCH POMĚRŮ BUDOV A MATERIÁLŮ II Na základě průzkumu stavby, konstrukcí a materiálů je možné stanovit aktuální stav konstrukcí, provést hrubé odhady jejich další funkce, trvanlivosti a životnosti případně navrhnout potřebná opatření. Pro simulaci chování konstrukce v budoucnu se využívá počítačové modelování – simulace tepelně vlhkostní funkce konstrukce v delším časovém horizontu – možno provést simulaci kritických detailů konstrukce či jejího kritického zatížení – optimalizace návrhu budov či rekonstrukčních prací. Dostatečné množství materiálových charakteristik a parametrů.


DEFINICE A KLASIFIKACE OBSAHU VLHKOSTI Hmotnostní vlhkost

wh 

mw  md m  100%  k  100% md md

- mw hmotnost vlhkého vzorku materiálu [kg, g] - md hmotnost vysušeného materiálu [kg, g], - mk hmotnost vody[kg, g], wh hmotnostní vlhkost [%hm.] Hmotnostní vlhkost wh může být pro materiály s nízkou objemovou hmotností >1 (>100%)


DEFINICE A KLASIFIKACE OBSAHU VLHKOSTI Objemová vlhkost

wv   

Vw ( m  md ) w 100% vol.  w 100% vol.  h d 100% vol. Vd  w  Vd w

Vw objem vody [m3] Vd objem suchého materiálu [m3] w objemová hmotnost vody [kgm-3] d objemová hmotnost suchého materiálu [kgm-3]

Objemová vlhkost materiálu je vždy v intervalu (0; 1) resp. (0; 100%)


DEFINICE A KLASIFIKACE OBSAHU VLHKOSTI II Parciální hustota vody

w 

mw V

[kg/m3]

- mw je hmotnost vody v měřeném vzorku [kg] - V je objem vzorku [m3]

Stupeň nasycení



wh wsat

[%,-]

- wh je hmotnostní vlhkost - wsat je hmotnostní vlhkost v saturovaném stavu (při plném nasycení)


DEFINICE A KLASIFIKACE OBSAHU VLHKOSTI III Hmotnostní vlhkost w h (%)

Klasifikace

wh < 3.0

Velmi nízký obsah vlhkosti

3.0 ≤ wh ≤ 5.0

Nízký obsah vlhkosti

5.0 ≤ wh ≤ 7.5

Zvýšený obsah vlhkosti

7.5 ≤ wh ≤ 10.0

Vysoký obsah vlhkosti

10.0 < wh

Velmi vysoký obsah vlhkosti

(ČSN P 73 0610, 2000) Norma stanoví zásady pro navrhování, provádění, průzkum, kontrolu a údržbu sanačních systémů ve vlhkém cihelném, smíšeném a kamenném zdivu, jehož zvýšená vlhkost je vyvolána působením zemní vlhkosti, vody prosakující, srážkové, povrchové i kondenzované.


GRAVIMETRICKÁ METODA -

-

-

-

-

patrně nejčastěji používaná metoda ve stavební praxi pro pochopení výsledků získaných gravimetrickými měřeními je nezbytné získat informace o vazebné energii vody na porézní matrici materiálu základní klasifikace vody obsažené v porézním materiálu na vodu vázanou a volnou nevystihuje přesně fyzikálněchemickou realitu – kapilárně porézní materiál nemůže obsahovat volnou vodu, neboť molekuly vody přítomné v materiálu jsou vždy vázány jistými silami k jeho matrici! tyto vazebné síly jsou vždy nejvíce intenzivní na počátku sorpční izotermy (nízká RH, formování monomolekulární vrstvy) a následně slábnou s nárůstem vlhkosti v materiálu vazebnou energii vody v porézním materiálu můžeme definovat jako práci nezbytnou ke konverzi jistého specifického množství vody vázané na vodu volnou Leroy (1954) formuloval vztah pro vaz. energii vody, který je analogický vztahu pro osmotický tlak


SORPČNÍ IZOTERMA -

-

závislost obsahu vody na relativní vlhkosti prostředí Nízká relativní vlhkost – pevná vazba vody na matrici – monomolekulární vrstva Se zvyšující se relativní vlhkosti se přidává další vrstvy molekul vody

VAZEBNÁ ENERGIE VODY KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

e -

RT ps ln M p

ps (Pa) - tlak nasycených vodních par při teplotě T (K) p (Pa) - parciální tlak vodních par při teplotě T (K) M (g/mol) - molární hmotnost vody 18.0152 R (J/K mol) – univerzální plynová konstanta 8.31447 J/K mol

OSMOTICKÝ TLAK - tlak indukovaný penetrací rozpouštědla do roztoku – spontánní ředění roztoku – měřen např. pomocí membrány, která odděluje rozpouštědlo a roztok (umožňuje prostup rozpouštědla, ale ne rozpouštěné látky)



p

RT ln A VA pA

VA (m3/mol) parciální molární objem rozpouštědla p  parciální tlak vodní páry nad čistým, A rozpouštědlem (látka A) pA par. tlak vodní páry nad roztokem látky B v rozpouštědle A



Specifická energie e korespondující s osmotickým tlakem  může být vyjádřena vztahem

RT p A RT pA e  ln  ln  A  AVA p A M A p A 

A je hustota rozpouštědla A a MA jeho molární hmotnost vazebná energie – energie nezbytná k odstranění vody z materiálu dle Leroyovy analogie představuje energii nezbytnou k nárůstu parciálního tlaku vodní páry na jeho nasycenou hodnotu při specifické teplotě (e = 0) voda - uvažována jako rozpouštědlo A pevná matrice materiálu – látka B „rozpuštěná substance“


Dosadíme-li do rovnice pro výpočet vazebné energie p A  0 (velmi malý tlak vodní páry) dostáváme e   je tedy evidentní, že s poklesem obsahu vody velmi výrazně narůstá její vazebná energie. !Díky tomu není možné odstranit veškerou vodu obsaženou v materiálu! Specifickou vazebnou energii vody je možné zapsat také vztahem

e  awr , s  b a, b jsou konstanty a wr,s popisuje sušivost materiálu

wr , s

md  m w,b

md [kg] je hmotnost suchého materiálu a mw,b [kg] je hmotnost vázané vody


Stanovení celkového obsahu vody v porézním materiálu v rámci gravimetrického experimentu: 1) Provede se řada experimentů s různými teplotami vysoušení, přičemž se stanoví celková ztráta vody ΔmT jako funkce teploty => ΔmT (T) 2) Dle vztahu e 

p RT ln s M p

se vypočte vazebná energie e jako funkce teploty => e(T) 3) Předpokládá se, že po vysoušení na nejvyšší teplotu Tmax zůstane v materiálu zbytkové množství vazebné vody, které může být popsáno spodní Δm1 a horní Δm2 mezí 4) Vypočte se sušivost pro všechny teploty gravimetrického experimentu, pro T = Tmax platí

mw,b  m1 resp. mw,b  m2


pro Tx < Tmax platí

mw,b  m1  mTmax  mTx respektive

mw,b  m2  mTmax  mTx 5) Vypočte se vazebná energie pro všechny teploty gravimetrického experimentu a vytvoří se pro Δm1 a Δm2 funkce e(wr,s), kde každý bod [wr,s,i,ei...] koresponduje s teplotou Ti - tato závislost má být lineární - jestliže Δm1 a Δm2 byly opravdu dolní a horní mez, budou zakřivení funkcí e (wr,s) odpovídající Δm1 a Δm2 odlišné - správná hodnota Δm leží mezi hodnotami Δm1 a Δm2 a může být jednoduše stanovena postupem popsaným výše


- popsaný způsob pro stanovení zbytkového množství vody v materiálu je vysoce časově náročný - z tohoto důvodu se tato korekce při většině praktických měření neprovádí a volí se takové podmínky vysoušení, aby bylo zbytkové množství vody v materiálu co nejmenší, tj. zanedbatelné v porovnání se ztrátou vlhkosti během vysoušení Dle Leroyovy rovnice máme pro optimální zjištění obsahu vody v materiálu pouze dvě možnosti: 1) zvýšit tlak nasycených vodních par ps – tzn. zvýšit teplotu vysoušení 2) snížit parciální tlak vodní páry p ve vysoušecím zařízením – například pomocí vysoušecího činidla jako je P2O5


- běžnými podmínkami pro vysoušení stavebních materiálů jsou teploty v rozmezí 105 – 110°C bez dalšího vysoušecího činidla - vysoušení probíhá řádově od několika hodin do několika dní v závislosti na obsahu vlhkosti, typu materiálu a rozměru vzorku - některé stavební materiály, zejména obsahující organické sloučeniny, mohou být za těchto teplot chemicky a fyzikálně rozloženy - v tomto případě se volí vysoušecí teplota v intervalu 60-70 °C a měření probíhá za sníženého tlaku – vakuové zařízení (dostačující podtlak je cca 15 kPa) - v případě, že materiály nesnesou teplotní zatížení 60°C může být obsah vlhkosti určen pomocí sušení v exsikátoru za normálních teplotních podmínek s použitím vysoušecího činidla (silica gel, apod.) – rychlost vysoušení je velice pomalá (řádově týdny až měsíce) a je ovlivněna vysoušecí schopností použitého činidla – vyjádřena nejčastěji v mg zbytkové vody na jeden litr vzduchu, patrně nejlepším vysoušecím činidlem je z tohoto hlediska P2O5 0.000025mg/dm3


- další důležitou vlastností vysoušecího činidla je jeho měrný povrch a schopnost regenerace aktivního povrchu po absorpci vody – z tohoto pohledu je velmi výhodné použití BaO – rychle absorbuje vodu a tvoří Ba(OH)2 s 16 molekulami vody na jednu molekulu Ba(OH)2 - přesnost ve stanovení obsahu vlhkosti gravimetrickou metodou je velmi důležitá, jelikož je často užívaná jako metoda pro kalibraci jiných měřidel vlhkosti - kromě zanedbání vlivu zbytkové vody stojí za zmínku také vážení vzorku venku, kde sušárna může přivodit značné chyby, protože sorpční vlhkost z okolního prostředí je velice rychlá pro teplé vzorky právě vyjmuté ze sušárny (vhodné umístit teplé vzorky do předem připraveného exsikátoru s vysoušecím činidlem)


ODPOROVÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI I - změna obsahu vody v materiálu je doprovázena také změnou jeho elektrických vlastností – elektrického odporu, který může být změněn v rozsahu několika řádů (vlhký materiál můžeme považovat za polovodivý nehomogenní materiál) - typický měrný elektrický odpor (resistivita) suchého porézního materiálu je v rozsahu 108 – 1013 Ωm - přítomnost vody může snížit hodnotu resistivity materiálů až na hodnotu 10-4 Ωm - materiál není možné považovat pouze za jednoduchou směs matrice a vody – na el. vlastnosti má vliv vázání vody v materiálu a také přítomnost iontů anorganických solí rozpuštěných ve vodě - nutné je také zohlednit vliv teploty na změnu el. vlastností Vztah pro závislost el. odporu na vlhkosti při specifické teplotě: b (a, b jsou empirické konstanty)

R  a u


ODPOROVÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI II - tento vztah je platný pouze v limitovaném obsahu vlhkosti – typicky pro hygroskopickou vlhkost odpovídající relativní vlhkosti 30 – 90% - pro vyšší obsah vlhkosti klesá el. odpor více pomalu - v praxi jsou pro měření nejčastěji používány jehlové elektrody, které je však nutné instalovat do měřeného materiálu – nutno zajistit dobrý kontakt elektrod s materiálem (nejčastěji se používá 2 či 4 elektrod)


ODPOROVÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI III - největším problémem odporových vlhkoměrů je přítomnost solí v měřeném materiálu – voda vytváří společně s ionty solí vodivý elektrolyt


ODPOROVÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI III - elektrická vodivost elektrolytu je závislá na obsahu iontů rozpuštěných ve vodě - je výrazně limitována umožněním volné migrace iontů


ODPOROVÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI III - při vyšším obsahu solí jsou odporové metody nepoužitelné, neboť chyby měření výrazně narůstají s nárůstem vlhkosti - dalším problémem je také měření velkých odporů, které je značně nepřesné – snížení přesnosti odporových senzorů v oblasti nižších vlhkostí - problémem může být také polarizace elektrod (el.chem. proces na jejich povrchu, měřené odpory jsou vyšší než reálné) - individuální kalibrace pro jednotlivé měřené materiály V praxi se odporové metody používají pouze pro hrubý odhad obsahu vlhkosti (dřevo, beton), sledování vysychání konstrukce či ke zjištění hranice mezi zavlhlým a suchým zdivem v případě sanace vlhkých stavebních konstrukcí.


DIELEKTRICKÉ METODY - dielektrické metody stanovení obsahu vlhkosti spočívají v analýze chování dielektrika (měřený vlhký materiál) v časově proměnném elektrickém poli

- hustota el. proudu procházejícího kondenzátorem je vyjádřena jako:

   dE  j  E   dt

E je intenzita el. pole, σ el. vodivost, (reálná a imaginární část)

 komplexní permitivita

     i 

Vlastnosti dielektrika tedy můžeme charakterizovat el. vodivostí a permitivitou – závislost na složení dielektrika, jeho struktuře, frekvenci elektrického pole, teplotě a tlaku.


DIELEKTRICKÉ METODY II - dielektrické vlastnosti materiálů jsou nejčastěji vyjadřovány pomocí relativní permitivity (0 = 8.854x10-12 F/m – permitivita vakua)

 r 

 0

 r 

  0

- stanovení obsahu vlhkosti dielektrickými metodami je založeno na skutečnosti, že relativní permitivita čisté vody je při 20°C cca 80, přičemž většina stavebních porézních materiálů vykazuje hodnoty relativní permitivity v rozsahu od 2 do 6 - permitivita materiálů je silně ovlivněna možností orientovat molekuly materiálu v elektrickém poli – tato schopnost je velmi vysoká pro vodu v plynné a kapalné fázi, ale je výrazně nižší pro vodu vázanou různými vazebnými a sorpčními silami - pomocí permitivity můžeme rozlišit jednotlivé typy vázané vody X vliv obsahu vody na přesnost měřící metody


DIELEKTRICKÉ METODY III - permitivita vody vázané v monomolekulární vrstvě je cca 2.5 – v dalších vrstvách však dochází k jejímu vysokému nárůstu - závislost relativní permitivity materiálu na obsahu vlhkosti je obvykle charakterizována náhlou změnou při přechodu vody z pouze monomolekulární vrstvy na vrstvu polymolekulární metody měření vlhkosti založené na měření relativní permitivity mají nízkou přesnost v oblasti nízkých vlhkostí a jejich aplikace pro takováto měření není příliš vhodná V závislosti na frekvenci aplikovaného elektrického pole dělíme dielektrické metody na:

1. Kapacitní 2. Mikrovlnné


DIELEKTRICKÉ METODY IV


KAPACITNÍ METODY -

-

tyto metody jsou používány v rozsahu nižších frekvencí 100KHz – 100 MHz kapacitní vlhkoměry pracují jako kondenzátor (stanovení relativní permitivity) a měřený materiál je jeho dielektrikem pro měření se nejčastěji používá deskový kondenzátor, jehož kapacita je dána vztahem

C  0 r 

S d

kde S je plocha elektrod a d jejich vzdálenost – dle tohoto vztahu je možné stanovit relativní permitivitu z naměřené kapacity při známé geometrii kondenzátoru (S/d) Tento vztah je přesný a platný pouze pro nekonečně velké plochy desek, jinak je nutné vzít v potaz také vliv okrajového pole, které zvyšuje celkovou kapacitu kondenzátoru.


KAPACITNÍ METODY II -

relativní permitivita udává, kolikrát je intenzita elektrického pole E v dielektriku menší než E0 ve vakuu, resp. kolikrát je kapacita C kondenzátoru s dielektrikem větší než kapacita C0 kondenzátoru vakuového (vzduchového)

r 

E0 C  E C0


KAPACITNÍ METODY II -

kapacitní vlhkoměry jsou o něco přesnější než odporové, ale přesto nejsou zcela schopny eliminovat odchylku elektrické kapacity v závislosti na koncentraci iontů solí

-

další nevýhodou je poměrně malá hloubka měření – dle literatury je maximální hloubka měření cca 5cm

-

kapacitní vlhkoměry je optimální používat v přesně definovaných laboratorních podmínkách, či u materiálů a konstrukcí kde zjišťujeme pouze povrchovou vlhkost

-

uplatnění kapacitních vlhkoměrů není možné v konstrukcích a materiálech obsahujících vodivé součásti a složky (např. vyztužený beton)


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI -

-

-

-

od kapacitních metod se liší především aplikovanou frekvencí elektrického zdroje mikrovlny zahrnují ve spektru elektromagnetických vln oblast o frekvenci 1GHz – 100GHz (vlnová délka v rozsahu dm a mm) c pro měření vlhkosti se používají mikrovlny v rozsahu  2 – 12GHz – mikrovlnná technologie je v této oblasti nejvíce f vyvinutá, přičemž většina mikrovlnných zařízení (antény, vysílače – WiFi, generátory, radary apod.) pracuje právě v této frekvenční oblasti princip měření vlhkosti je opět založen na stanovení změny relativní permitivity, neboť mikrovlnné metody patří také mezi dielektrické měření je prováděno nejčastěji pomocí vlnovodů, vlnovodových rezonátorů případně jsou měření realizována přímo ve volném prostoru


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI II - měření pomocí vlnovodů – část vlnovodu je zaplněna dielektrikem (měřený materiál), které způsobí změnu rychlosti šíření elektromagnetického vlnění – vlna je odraženo rozhraním vzduch X dielektrikum a rozhraním dielektrikum X kov (vlnovodič) - díky změně rychlosti je možné identifikovat fázový posun vlny, ze kterého je možné stanovit relativní permitivitu materiálu - rozměr vzorku musí odpovídat rozměrům vlny - mezi mikrovlnné metody patří také metoda TDR – Time Domain Reflectometry Method - zařízení pracující na principu TDR vysílá elektromagnetické pulsy a následně měří amplitudu odražených vln v časovém intervalu mezi vysláním pulsu a detekcí jeho odrazu - TDR zařízení se skládá ze čtyř hlavních komponent: pulsní generátor, koaxiální kabel, vzorkovač, oscikoskop




MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI V -

čas a tedy i rychlost šíření pulsu závisí na relativní permitivitě porézního materiálu, která může být popsána vztahem

 ct p    r    2L 

2

 r je relativní permitivita porézního materiálu, c rychlost světla ve vakuu (3E08 m/s), tp – čas průchodu pulsu čidly sond měřený TDR zařízením a L je délka čidla sondy vložené do měřeného porézního materiálu Materiál

Relativní permitivita

Vzduch Voda

1 80 při 20ºC

Led

3 při -5ºC

Čedič Žula

12 7-9

Pískovec

9-11

suchý porézní materiál

vodou částečně nasycený porézní materiál

TDR stopa pro vodu

TDR reflektogramy závislé na obsahu vody.


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI VII -

-

měření pomocí TDR – tři základní kroky: kalibrace sond, úprava vzorku a osazení senzorů, vyhodnocení dat a výpočet vlhkosti pro kalibraci se nejčastěji používá znalosti permitivity vody a další látek, např. benzenu ze změřeného časového intervalu ts a známé relativní permitivity vody w a benzenu b lze délky lp jednotlivých senzorů určeny dle následujících vztahů

w 

c (t w  t ref ) 2l p

b 

c (t b  t ref ) 2l p

t ref 

lp 

 w tb   b t w w  b t w  tb

c 2 w  b

na základě teorie elektromagnetismu a zanedbáním imaginární části komplexní relativní permitivity získáme z měření TDR hodnotu tzv. zjevné relativní permitivity a vyjádřené vztahem

a 

c t probe  t ref  2l p


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI VIII Stanovení obsahu vlhkosti z naměřených hodnot permitivity: 1. Empirická kalibrace pro jednotlivé měřené materiály 2. Aplikace empirických vztahů pro jednotlivé testované materiály 3. Aplikace homogenizačních či směšovacích modelů odvozených na základě teorie efektivního media Empirická kalibrace: - měření kalibračních křivek (závislost permitivity na obsahu vlhkosti) pro měřený materiál Praktický příklad: Materiál na bázi kalcium silikátu: objemová hmotnost 230 kg/m3, celková otevřená pórovitost 87%, tepelná vodivost 0.063 W/mK, faktor difúzního odporu 2.6 (-) z chemického hlediska se jedná o Ca2SiO4


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI IX Praktický příklad empirické kalibrace: pro měření použity vzorky o rozměru 40 x 40 x 100 mm -vzorky navlhčeny a ponechány v uzavřené parotěsné nádobě pro ustálení vlhkosti - kontinuální měření permitivity materiálu až do ustálení její hodnoty – gravimetrické stanovení obsahu vlhkosti 50

Relative permittivity [-]

45

2

y = 2.6739x + 5.2476x + 0.9475 R2 = 0.9898

40 35 30 25 20 15

distilled water

10

0.1 M NaCl

0,01 M NaCl

5 0

0

0.5

1

1.5

2

Moisture content [kg/kg]

2.5

3

3.5


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI X 2. Praktický příklad - pórobeton polské firmy PPH FAELBED a.s. - experimentální uspořádání jako v předchozím experimentu - osazení senzorů do vyvrtaných paralelních otvorů pro hroty sond – horní část senzorů utěsněna silikonovým tmelem 18,00 16,00

y = 510252x6 - 528158x5 + 201757x4 - 34787x3 + 2730,8x2 - 55,393x + 1,1732 2 R = 0,9975

14,00 relativní permitivita є [-]

Celková otevřená pórovitost [m3/m3] Objemová hmotnost [kg/m3] Hustota matrice [kg/m3] Nasycený obsah vlhkosti [kg/m3]

12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25 3

0,30 3

objemový obsah vlhkosti w [m /m ]

0,35

0,40

0.77 480 2060 768


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XI 2. Aplikace empirických vztahů Toppův vztah

 530  292  5.5 2  0.043 3  1000 θ je objemový podíl vody ve zkoumaném porézním materiálu [m3/m3] a  je relativní permitivita, spočítaná na základě měření TDR

Malického vztah

 

0,5

 0.819  0.168  0.159  2  7.17  1.18

- platnost výše uvedených vztahů je limitována pouze pro specifické skupiny materiálů – původně odvozeny pro aplikaci v půdních vědách


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XII 30,00 Wiener - sériový model Wiener - paralelní model model Toppa model Malického Naměřená data

relativní permitivita є [-]

25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

0,00 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

objemový obsah vlhkosti w [m3/m3]

Závislost relativní permitivity na vlhkosti stanovená empirickými konverzními funkcemi Toppa a Malického.


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XIII 3. Aplikace dielektrických směšovacích modelů – teorie homogenizace, praktický příklad při analýze vlhkosti pórobetonu - ve smyslu homogenizační teorie můžeme porézní materiál obecně považovat za směs tří fází - pevné, kapalné a plynné (čtvrtá fáze vázaná voda) - v případě pórobetonu je pevná fáze tvořena jemně mletým křemenným pískem, páleným vápnem, cementem a hliníkovým práškem - kapalná fáze je reprezentována vodou a plynná fáze vzduchem - v případě, že materiál je suchý, uvažujeme jeho strukturu pouze jako směs pevné a plynné fáze - objemová frakce vzduchu, který vyplňuje póry suchého materiálu, je definována jeho celkovou otevřenou pórovitostí - při pronikání vody do materiálu dojde poté k částečnému vytlačení vzduchu z pórů a k jeho nahrazení vodou - chceme-li tedy spočítat relativní permitivitu materiálu, musíme nejprve znát permitivity jednotlivých složek, které materiál tvoří


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XIV 3. Aplikace dielektrických směšovacích modelů – teorie homogenizace, praktický příklad při analýze vlhkosti pórobetonu - výpočet permitivity matrice pórobetonu s na základě naměřené permitivity suchého vzorku materiálu effd - hodnota s určena pomocí Rayleighova vztahu

 effd  1   1    1    f a  a   f s  s  effd  2  s  2   a  2  - fs a fa jsou objemové podíly pevné a plynné fáze v materiálu a a relativní permitivita vzduchu (1.0)


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XV Dielektrické směšovací modely: 4-fázový α model navržený Dobsonem – uvažování vlivu vázané vody



 eff   bw ( bw   fw )  (1  ) s  a  fw   a

- εeff je hodnota relativní permitivity materiálu naměřená metodou TDR - θ objemový obsah vlhkosti [m3/m3] - θbw množství vázané vody na stěny porézního prostoru - εbw relativní permitivita vázané vody (3.1) - εfw relativní permitivita volné vody (79 při 20°C) - εa relativní permitivita vzduchu - ψ celková otevřená pórovitost (0.77 m3/m3) stanovená pomocí vakuové nasákavosti - α je empirický parametr


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XVI 30,00


25,00

20,00

Naměřená data Wiener - sériový model Wiener - paralelní model Dobsonův model ws=0,01 β=0,6 Dobsonův model ws=0,039 β=0,65 Dobsonův model ws=0,068 β=0,75

15,00

10,00

5,00

0,00 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

objemový obsah vlhkosti w [m3/m3]

Závislost relativní permitivity na vlhkosti stanovená Dobsonovým 4-fázovým  modelem


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XVII Dielektrické směšovací modely: -směšovací model Mawella-de Loora



3( s   eff )  2 bw ( bw   fw )  2 ( a   s )

   eff ( s  s )  2( a   fw )  fw  a



s s   )   eff ( s  1)  fw  bw a    eff ( s  s )  2( a   fw )  fw  a

 eff bw (

- Směšovací model Bottchera

 a 1  eff  1  fa     2  eff  2 eff eff  a

    fw   w  1     2 eff   w

    fs   s  1     2 eff   s

 .  


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XVIII 30,00 Naměřená data

25,00

Wiener - sériový model


Wiener - paralelní model Maxwell ws=0,0468

20,00

Maxwell ws=0,0511 Maxwell ws=0,0426

15,00

10,00

5,00

0,00 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25 3

0,30

0,35

0,40

3


Závislost relativní permitivity na vlhkosti vypočtená modelem Maxwella-de Loora


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XIX 30,00 Naměřená data Boettcherův model

25,00 relativní permitivita є [-]

Rayleighův model Wiener - sériový model

20,00

Wiener - paralelní model

15,00

10,00

5,00

0,00 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25 3

0,30

0,35

0,40

3


Závislost relativní permitivity na vlhkosti vypočtená směšovacími vztahy Boettchera a Rayleigha


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XX Dielektrické směšovací modely: - směšovací modely Brugemannova typu navržené Polderem a van Santenem

 eff   s   f j ( j   s )   eff   s   f j ( j   s )   eff   s   f j ( j  M ) 

3 eff 2 eff   j

sférické uspořádání složek materiálu

5 eff   j 3 eff  3 j 2 j   eff 3 j

jehlicovité uspořádání

plošné (deskovité) uspořádání složek


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXI 30,00 Naměřená data

25,00

Wiener - sériový model


Wiener - paralelní model Polder - koule model Polder - desky model

20,00

Polder - jehly model

15,00

10,00

5,00

0,00 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25 3

0,30

0,35

0,40

3


Závislost relativní permitivity na vlhkosti vypočtená směšovacími vztahy Poldera a van Santena.


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXII Dielektrické směšovací modely: - Lichteneckerův model

 eff k  f1k  f   k  f  k - parametr k nabývá hodnot v intervalu [-1,1] - extrémní hodnoty parametru k tedy reprezentují Wienerovy meze - parametr k tedy popisuje přechod od anizotropie při k = -1.0 k anizotropii při k = 1.0 - výše uvedená rovnice je konzistentní s celou řadou dalších aproximací, například Looyenga zavádí ve svých výpočtech funkce efektivní permitivity k = 1/3


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXIII 30,00


25,00

20,00

Wiener - sériový model Wiener - paralelní model Loyenga model Naměřená data Lichteneckerova rovnice k=0,6

15,00

10,00

5,00

0,00 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25 3

0,30

0,35

0,40

3


Závislost relativní permitivity na vlhkosti vypočtená směšovacími vztahy Poldera a van Santena.


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXIV Využití metody TDR pro měření obsahu solí - kombinované senzory TDR umožňují nejen měření relativní permitivity materiálu, ale zároveň umožňují i měření jeho elektrické vodivosti - elektrická vodivost udává velikost elektrického proudu procházejícího vodičem při jednotkovém napětí na koncích vodiče I S 1 -2 -1 3 2 G     - jednotkou je siemens S = m kg s A U l R -  – konduktivita (měrná eletrická vodivost) látky S/m - S obsah průřezu vodiče, l délka vodiče

Measured quantity Relative permittivity  Electrical conductivity  Temperature T

Measuring range 2 ÷ 90 0 ÷ 1 S/m -30 ÷ +80°C

Accuracy Absolute error: ± 1 for 2 ≤ ε ≤6 ± 2 for ε ≥ 6 Relative error: ± 5% Absolute error: max. ± 2


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXV Využití metody TDR pro měření obsahu solí – praktický příklad - měření vlhkostních profilů a profilů koncentrace solí v kalcium silikátu při penetraci 1M vodného roztoku NaCl - kalibrace pomocí gravimetrické metody a iontově selektivních elektrod


MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXVI


RADIOMETRICKÉ METODY - metody založené na absorpci radioaktivního záření v materiálu - nejčastěji se využívá absorpce rychlých neutronů či absorpce g záření Neutronová metoda: - využívá zpomalení rychlých neutronů v důsledku jejich interakce s atomovými jádry s malou atomovou hmotností -ztráta energie neutronů v důsledku kolize s atomovými jádry závisí na hmotnosti atomového jádra – k největší ztrátě energie dochází při kolize neutronů s částicemi o stejné hmotnosti - v případě kolize s jádry o vysoké atomové hmotnosti dochází ke snížení ztráty energie neutronů, neboť v podstatě dochází k odražení neutronů od těchto velkých jader - průměrný počet kolizí nezbytných k poklesu energie rychlých neutronů (typicky 9 MeV) na úroveň tepelné energie (cca 0.025 eV) je pro vodík 18, 114 pro uhlík, 150 pro kyslík apod. (pozn. 1eV = cca 1.602x10-9 J – energie, kterou získá el. proběhnutím el. pole s potenciálem jednoho voltu)


RADIOMETRICKÉ METODY II Dělení neutronů dle energie: - chladné neutrony <0,002 eV - tepelné neutrony 0,002 – 0,5 eV

- rezonanční neutrony 0,5 – 1000 eV - neutrony středních energií 1 keV – 500 keV - rychlé neutrony 500 keV – 10 MeV - neutrony s vysokými energiemi 10 MeV – 50 MeV

-neutrony s velmi vysokými energiemi >50 MeV V běžných anorganických materiálech je hlavní látkou obsahující vodík (nejefektivnější moderátor zpomalování neutronů) voda – z tohoto důvodu

voda přítomná v materiálu významně ovlivňuje absorpci rychlých neutronů a proto na základě měření jejich zpomalení můžeme množství vody stanovit.


RADIOMETRICKÉ METODY III - klasické experimentální uspořádání – cylindricky symetrické - do měřeného materiálu je vyvrtán kruhový otvor, do kterého je osazen zdroj rychlých neutronů - neutrony jsou paprskovitě emitovány a v důsledku srážek s okolními jádry výrazně ztrácejí svou kinetickou energii - zpomalené neutrony vytvoří kolem zdroje záření kruhový mrak, přičemž poloměr tohoto mraku závisí na obsahu vlhkosti ve vzorku - vysoký obsah vlhkosti vede k rychlejšímu zpomalení neutronů a poloměr je menší při vyšší hustotě neutronů - při nízkém obsahu vlhkosti je poloměr mraku neutronů větší, ale koncentrace neutronů je v něm menší Pro vlhkost platí následující vztah

1/ 3

a r    w

kde w je obsah vlhkosti, a empirická konstanta a r poloměr shluku zpomalených elektronů


RADIOMETRICKÉ METODY IV - zdrojem neutronů je obvykle směs některých izotopů emitujících  částice a berylium, přičemž neutrony jsou uvolněny dle následující rovnice

  29Be01n126C  5.65MeV

4 2

- jako zdroj  částic může být využito například 226Ra, 241Am, 239Pu, 210Po 4 Ra 222 Rn  86 2 He  E

226 88

- nejvíce výhodnou je směs Am-Be, která poskytuje dostatečné množství neutronů a zároveň druhotné g záření je zanedbatelné – ochrana zdraví při práci - pro detekci zpomalených neutronů se používají bórové počítače – jestliže zpomalený neutron přijde do kontaktu s jádrem bóru 10B je pohlcen a  částice je vyzářena a detekována počítačem - nutné opět vytvořit kalibrační křivku například pomocí gravimetrické metody


POHLCOVÁNÍ g ZÁŘENÍ I - vysoce energetické elektromagnetické záření - intenzita radiace po průchodu materiálem tl. d

I  I 0  e m d  I s - I0 intenzita dopadajícího záření, m m2/kg) absorpční koeficient,  objemová hmotnost materiálu, Is intenzita rozptýleného záření - energie základního záření je v rozsahu 0.5 -3 MeV - energie rozptýleného záření je 0.1-0.15MeV – množství změřeného rozptýleného záření závisí na sensitivitě senzoru – pokud použijeme detektor, který zachycuje záření vyšší než 0.15 MeV – redukujeme vliv

rozptýleného záření na minimum - nejčastější zdroje g záření: 60CO, 137Cs, 241Am – nejbezpečnější je Am, který má poločas rozpadu 458 let


POHLCOVÁNÍ g ZÁŘENÍ II - při měření je uplatněn princip superpozice – vliv suchého materiálu a vlhkosti na pohlcování záření - efektivní absorpční koeficient směsi je dán vztahem

mm  mwc  md (1  c) mw, md absorpční koeficienty vody a suchého materiálu, c – hmotností koncentrace vody

c

mw w    w mw  md  w   d 

 objemová hmotnost směsi - zanedbáme-li rozptýlenou radiaci dostaneme po několika úpravách


POHLCOVÁNÍ g ZÁŘENÍ III obsah vlhkosti je definován

poté

pro suchý materiál platí

finální vztah pro stanovení vlhkosti

při měření stanovujeme pouze Id, Im - minimální vliv obsahu solí na přesnost měření


INFRAČERVENÁ SPEKTROSKOPIE I - pro měření je použito reflexe infračerveného záření od povrchu měřeného materiálu - amplituda odražené energie je závislá na obsahu vlhkosti v materiálu, přičemž tato závislost je nejvíce patrná pro záření o vlnových délkách 1.4mm a 1.9mm - při stanovení obsahu vlhkosti pomocí infračervené spektroskopie musí být vyloučeny všechny ostatní vlivy, které ovlivňují reflexi infračerveného záření, jako například hrubost povrchu měřeného vzorku - hlavní uplatnění infračervené spektroskopie je v oblasti vlhkostí do 10% v této oblasti jsou chyby měření relativně malé - pro aplikaci je opět nutné vytvořit kalibrační křivku pro jednotlivé testované materiály - hlavní nevýhodou této metody je, že slouží pouze pro stanovení povrchové vlhkosti a ne průměrné vlhkosti měřeného vzorku


CHEMICKÉ METODY - chemické metody měření vlhkosti jsou založeny na chemické reakci vody obsažené v porézním materiálu s chemickým činidlem - chemické činidlo musí mít následující vlastnosti: • jeho reakce s vodou musí být dostatečně rychlá • z chemické reakčního produktu musí být možné kvantifikovat obsah vlhkosti • chemická reakce činidla a vody musí být charakteristická jenom pro vodu • ukončení vyvolané chemické reakce musí být snadno detekovatelné Fischerova metoda - měření vzorek je nejprve rozemlet a poté smíchán s metanolem a titrován s roztokem obsahujícím jód, oxid siřičitý, pyridin a metanol

H 2O  I 2  SO2  3C5 H 5 N  2C5 H 5 NHI  C5 H 5 NSO3

C5 H 5 NSO3  CH 3OH  C5 H 5 NHSO4CH 3


CHEMICKÉ METODY II - z rovnic je patrné, že 1 mol jódu, 1 mol oxidu siřičitého a 3 moly metanolu jsou spotřebovány jedním molem vody - během měření je vzorek umístěn do titrační nádoby s obsahem metanolu 50-100cm3 - postupně je přidáváno Fischerovo činidlo až do dosažení bodu ekvivalence – tzn. do doby, dokud nezreaguje veškerá voda ve vzorku - na základě objemu činidla, které je nezbytné ke zreagování obsažené vody, je možné dle předchozích rovnic vypočítat její obsah - dosažení bodu ekvivalence je identifikováno vizuálně, na základě změny barvy titrovaného roztoku z původní žluté na hnědo-červenou Z dalších chemických metod se používají nejčastěji metody založené na generování plynů v důsledku reakce chemického činidla s vodou. obsah vlhkosti je pak stanoven na základě měření objemu generovaného plynu či jeho tlaku v uzavřené nádobě – nutno sestavit kalibrační křivku pro specifické činidlo x tlak, resp. množství plynu


CHEMICKÉ METODY III - nejčastěji se používá karbid vápníku CaC2, hydrid vápenatý CaH2 a LiAlH4 (tetrahydridohlinitan litnatý) - z pohledu bezpečnosti se jako nejvhodnější reakční činidlo jeví CaC2 – v důsledku jeho reakce s vodou vzniká ethyn (acetylen), který v uzavřené nádobě vyvozuje tlak, jehož velikost je závislá na obsahu vody v materiálu

CaC2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + C2H2 CaH2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + 2 H2 LiAlH4 + 4 H2O → LiOH + Al(OH)3 + 4 H2 - zbývající dvě reakční činidla generují vodík, jehož reakce s kyslíkem za normálních atmosferických podmínek představuje závažný problém – měření musí být provedeno v atmosféře bez kyslíku a generovaný vodík musí být sbírán do byrety, kde je provedeno změření jeho objemu


ULTRAZVUKOVÉ METODY - rychlost šíření ultrazvuku (mechanické vlnění o frekvenci vyšší než 20 kHz) nebo jeho útlum v materiálu závisí jednak na samotném měřeném

materiálu a jednak na teplotě - závislost obsahu vody na rychlosti ultrazvuku je pro většinu materiálů nelineární (navíc je silně ovlivněna teplotou) - měření musí být prováděna v klimatizační komoře, nebo je nutné zavést

teplotní kompenzace – z tohoto důvodu není tato metoda v praxi často využívána (aplikace spíše pro měření homogenity deskových materiálů) EXTRAKČNÍ METODY

- voda je extrahována pomocí organického rozpouštědla - glycerol, acetone, ethanol - množství vody ve vzorku je určeno na základě změny hustoty rozpouštědla, jeho permitivity, indexu lomu, apod.

- je nutné zdůraznit, že touto metodou není možné stanovit obsah celkové vody v materiálu, ale odstraní se pouze voda vázáná do určité hodnoty její vazebné energie (závislé také na použitém extrakčním činidle)

123TVVM Měření vlhkosti porézních stavebních materiálů

Recommend Documents