Analýza vlhkostního stavu porézních stavebních konstrukcí

Natural hazards (optimisation of protection, interaction with structures)

Analýza vlhkostního stavu porézních stavebních konstrukcí V. Kuráž, J. Římal & V. Křístek Fakulta stavební, ČVUT v Praze,Česká republika

RESUME: The Analyses of the moisture content of porous building structures. Moisture content in building porous materials and structures is the very important parameter relevant for their other physical characteristics. At present, new apparatus for moisture content measurement have been developed, based mainly on the dielectric principle. The basic part of the apparatus seems to be the sensor, it means measuring condenser with the dielectric formed by the moist porous material in the case of dielectric method measurement. Types of sensors which have been developed and tested: Sensors with cylindrical rotationally symmetrical electrodes where the measured porous material was placed outside the electrodes. Sensors with planar electrodes composed of a central circular electrode where the measured porous material was placed alongside one or both sides of the electrode plane (permanently built-in electrodes, or electrodes for surface measurement). Following characteristics for the sensors described above were assessed: • Effective depth of electrostatic field penetration into the measured dielectric • Linearity of sensors calibration curves. This parameter may be assessed assuming that in porous materials permittivity groves linearly with moisture as a relationship of the sensor capacity increment to the measured permittivity. • In cylindrical sensors, the “height range” was also assessed; it means the effective layer of measured porous material. The results of moisture content measurement using permanently built-up sensors with planar electrodes in the Karlín locality is presented together with the evaluation of results. It was proved, that the source of the moisture can be identified based on the time and space distribution of moisture content. The presented moisture content sensors have been successfully tested also for surface measurement of building structure and concrete monoliths.

3ĜtURGQtNDWDVWURI\RSWLPDOL]DFHRFKUDQ\LQWHUDNFHVHVWDYHEQtPLNRQVWUXNFHPL

185


1 ÚVOD Vlhkost porézních stavebních materiálů a zemin je velmi důležitým parametrem, na kterém jsou závislé jejich další fyzikální vlastnosti těchto materiálů. Principielně není podstatný rozdíl mezi měřením půdní vlhkosti a vlhkosti soudržných, nebo sypkých stavebních materiálů. Jak je prokázáno dlouhodobým výzkumem, monitoring vlhkostních a teplotních změn zděných konstrukcí je velmi důležitý také z hlediska včasné identifikace možných statických závad. Včasnou diagnostikou těchto problémů můžeme výrazně zvýšit životnost staveb a redukovat případné náklady na jejich údržbu a rekonstrukce. Používané metody měření vlhkosti můžeme rozdělit na metody: - přímé, kdy je vlhkost w (v procentech hmotnosti) stanovována gravimetricky po vysušení materiálu podle definice w=mw/ms .100 (% hmotn.), kde mw je hmotnost vody, obsažené ve vzorku, a ms je hmotnost sušiny. - nepřímé , kdy je vlhkost stanovována na základě měření fyzikální, nebo fyzikálněchemické vlastnosti materiálu, která je funkčně závislá na množství volné, chemicky nevázané vody. Přímé metody preferujeme v případě jednorázových měření, kde nejsou na závadu změny vlastností po vysušení vzorku. Metoda se často používá pro kalibraci nepřímých metod . Pro dlouhodobá, příp. též nedestruktivní měření jsou naopak vhodnější nepřímé měřicí metody, převádějící informaci o měřené vlhkosti na jinou fyzikální veličinu. V současné době jsou nejčastěji používány elektrické metody a to vodivostní nebo metody dielektrické. Nevýhodou vodivostních metod je výrazný vliv chemického složení na měřenou elektrickou vodivost (nebo odpor). Dále závislost měřené veličiny na vlhkosti není lineární, metody mají lepší rozlišení v oblasti nižších vlhkostí a se zvyšováním vlhkosti se strmost kalibrační čáry snižuje. Jejich nespornou výhodou je však jednoduchost, jak vlastního měrného zařízení, tak měření a s tím související nízká cena. Měřící zařízení by mělo splňovat následující podmínky: měřená elektrická veličina je funkčně vázána na vlhkost s tím, že další vlivy (např. teplota, chemické složení) lze zanedbat nebo redukovat kalibrační závislost (převod měř. veličiny na vlhkost) je pokud možno lineární, jednoznačná (nemá hysterezí charakter) a časově stabilní. Uvedené podmínky nejlépe splňují dielektrické metody, které také patří k nejpoužívanějším a na jejich rozvoj se také autoři zaměřili.

2 ZÁKLADY DIELEKTRICKÉHO MĚŘENÍ VLHKOSTI PORÉZNÍCH MATERIÁLŮ.

2.1 Teoretická část Elektromagnetické vlastnosti ne-magnetických porézních materiálů (mezi něž patří velká většina zemin i stavebních materiálů) můžeme charakterizovat celkovou permitivitou ε* ε* = (εR - i. ε i ).ε0 , (1) Kde εR je reálná a ε i imaginární složka permitivity, funkčně závislá na vodivosti ε0 je permitivita vakua (8,85.10-12 F.m-1), i= √-1

186



Jak uvádí Campbell (1990), používáme-li pro měření nízké frekvenční rozsahy, ε i je výrazně závislá na změně iontové vodivosti, tato veličina je dále závislá na teplotě. Naopak, používáme-li pro měření vysoké frekvence (řádově desítky až stovky MHz), imaginární složky permitivity můžeme zanedbat (Topp et all, 1980, Campbell 1990). Potom můžeme zjednodušit (1) následovně: ε* = εr .ε0 kde εr je relativní permitivita, která vyjadřuje změnu kapacity kondensátoru, umístíme-li mezi polepy kondensátoru namísto vakua dielektrikum, v našem případě vlhký porézní materiál. Vlhký porézní materiál můžeme považovat za heterogenní směs tří složek: pevná fáze, jejíž relativní permitivita se pohybuje v rozmezí 2-10 v závislosti na mineralogickém složení, obsažené plyny (hodnota relativní permitivity vzduchu je přibližně rovná 1) volná voda v pórech (hodnota relativní permitivity se rovná 81 při teplotě 180 C). Relativní permitivita vlhkého porézního materiálu bude tedy funkcí vlhkosti. Vzhledem k tomu, že závislost εr(θ) není lineární, navrhl Kašpar (1969) použít při měření vlhkosti rezonanční metody, Kuráž et al (1970) navrhli rezonanční schéma pro měření vlhkosti zemin, kde byla měřena rezonanční frekvence oscilačního obvodu. Kuráž a Matoušek (1978) použili pro měření princip převodníku frekvence–kapacita, přičemž vyhodnocují rozdílovou frekvenci měrného oscilátoru, ve kterém je dielektrikem kondensátoru vlhký porézní materiál a oscilátoru, který pracuje na konstantní frekvenci 60 MHz. Autoři prokázali, že v oblasti malých změn kmitočtu měrného oscilátoru je velikost rozdílového kmitočtu přímo úměrná změně kapacity a tudíž i relativní permitivity měřeného porézního materiálu způsobené změnou vlhkosti. Pro měření vlhkosti porézních materiálů se v současné době používá celá řada obdobných zařízení, nicméně v každém případě základem pro měření jsou kapacitní čidla, která jsou z hlediska výsledku měření nejdůležitější.

2.2. Rozbor používaných kapacitních čidel Pro dielektrická měření vlhkosti porézních materiálů používáme resonanční obvod s konstantní indukčností a otevřený kondensátorem s různě tvarovanými elektrodami v jehož elektrickém poli je umístěn měřený porézní materiál. Kapacita kondensátoru je funkčně závislá na relativní permitivitě, tedy také na vlhkosti. Rezonanční frekvence obvodu bude proměnná v závislosti na změně kapacity a tedy také vlhkosti. Dále se budeme zabývat rozborem kapacitních čidel použitelných pro toto měření, jejich optimalizací a vlastnostmi. Uvedené výsledky a závěry platí obecně, nejen pro výše uvedený Dielektrický měřič vlhkosti. Podle tvaru elektrod jsme používali dvě skupiny kapacitních čidel pro měření vlhkosti: -

Čidla s válcovými rotačně symetrickými elektrodami, kde byl měřený porézní materiál umístěn vně (výjimečně také uvnitř) válcové plochy elektrod (viz obr. 1 nahoře)


187


-

Čidla s rovinnými elektrodami, tvořenými centrální kruhovou elektrodou obklopenou vnější elektrodou (viz obr. 2 ), kde byl měřený porézní materiál umístěn po jedné nebo obou stranách roviny elektrod.

V dalších odstavcích uvádíme několik příkladů těchto realizovaných čidel: Čidla s válcovými elektrodami: -

Válcové čidlo, použité v sondě pro měření rozdělení vlhkosti v přístupové pažnici. Pažnice je napevno zabudovaná v měřeném porézním materiálu (půdní profil, masivní betonová konstrukce apod.). Sonda je v přístupové pažnici volně posuvná a umožňuje opakované dlouhodobé měření rozdělení vlhkosti po vrstvách. Čidlo má vnější průměr 58 mm, obsahuje tři elektrody (vnitřní E1, obě krajní elektrody jsou vodivě propojené a tvoří elektrodu E2). Sestava elektrod je uchycena na vnitřním povrchu izolačního pláště měřicí sondy. Výška elektrod je 20 mm, vzdálenost mezi nimi je 10 mm. Průměr sondy byl navržen tak, aby bylo možné pro měření použít standardní novodurovou přístupovou trubku (vnitřní průměr 61 mm, vnější 63 mm). Toto uspořádání je spolu se znázorněním jedné čtvrtiny řezu rotačně symetrického elektrostatického pole válcových elektrod uvedeno na obr.1. Na obrázku je zakreslena reálná situace, kdy je mezi nosnou trubkou s elektrodami a přístupovou izolační pažnicí navíc určitá vzduchová mezera, kterou se vždy snažíme minimalizovat (viz dále). Čidla s rovinnými elektrodami.

188

-

Příložná sonda s rovinným čidlem, určená pro povrchová měření vlhkosti, byla vyvinuta ve dvou variantách velikostí centrální kruhové elektrody (průměry 50 a 70 mm). Tato sonda byla používána pro opakovaná povrchová měření vlhkosti (např. povrchová půdní vrstva, stěny, podlahy apod.). Umožňuje měření vlhkosti povrchové vrstvy tloušťky asi 5 cm.

-

Další čidlo s plošnými koncentrickými elektrodami s centrální elektrodou průměru 30 mm bylo určeno pro dlouhodobé kontinuální měření vlhkosti v průběhu hydratace betonu. Čidlo bylo umístěno pod dnem izolační nádobky tuhnoucí betonovou směsí.

-

Zabudovatelné plošné koncentrické elektrody určené pro dlouhodobé opakované měření (obr. 2). Centrální elektroda byla navržena jako kruhová (vnitřní průměr 20 mm), obklopená mezikružím (průměry 30 a 42 mm), tvořícím druhou elektrodu otevřeného kondensátoru, v jehož oboustranném rozptylovém poli se po obou stranách elektrod nachází měřený porézní materiál. Vodivé elektrody jsou vytvořeny metodou plošných spojů na sklolaminátové podložce. Byly používány dvě varianty čidel, lišící se tloušťkou sklolaminátové podložky (0,5 a 1,5 mm).



Fig. 1.: Rozložení ekvipotenciál ve vzduchu u čidla s válcovými elektrodami E1 a E2. The distribution of equipotentials in air for sensors with cylindrical electrodes E1 and E2.


189


Čidla s rovinnými elektrodami. -

Příložná sonda s rovinným čidlem, určená pro povrchová měření vlhkosti, byla vyvinuta ve dvou variantách velikostí centrální kruhové elektrody (průměry 50 a 70 mm). Tato sonda byla používána pro opakovaná povrchová měření vlhkosti (např. povrchová půdní vrstva, stěny, podlahy apod.). Umožňuje měření vlhkosti povrchové vrstvy tloušťky asi 5 cm.

-

Zabudovatelné plošné koncentrické elektrody určené pro dlouhodobé opakované měření (obr. 2). Centrální elektroda byla navržena jako kruhová (vnitřní průměr 20 mm), obklopená mezikružím (průměry 30 a 42 mm), tvořícím dru

Fig. 1.: Rozložení ekvipotenciál ve vzduchu u čidla s válcovými elektrodami E1 a E2. The distribution of the equipotentials in air for senzore with cylindrical electrodes E1 and E2.

Fig. 2.:Typický tvar rozložení ekvipotenciál ve vzduchu u kruhového rovinného čidla (1/2 rot.sym. pole). A typoval shape of the distribution of equipotentials in air for a circular planar sensors.

Pro všechny uvedené typy elektrod bylo matematicky modelováno jejich elektrické rozptylové pole metodou konečných prvků za použití programového systému TRICOMP 5.0 firmy Field Precision [3]. Při výpočtu jsme použili tzv. dielektrické řešení, t.zn. všechny materiály v řešeném prostoru považujeme za dobré izolanty se stálými hodnotami relativní permitivity εr a řešené oblasti jsou bez prostorového náboje. Bylo prokázáno, že uvedené dielektrické řešení je možno použít stejně dobře i pro méně dokonalé izolanty, měřené v oblasti kmitočtů řádu desítek MHz, kdy byla ověřena jen velmi malá závislost měřených hodnot na vodivosti měřených porézních materiálů, měřených při základním měřícím kmitočtu kolem 60 MHz. Vzhledem k rotační symetrii systému, kolem osy procházející středem elektrod kolmo na jejich rovinu (nebo rotační symetrii systému válcových elektrod), bylo možno pro

190



zkrácení výpočtu s výhodou použít speciální Neumannovy podmínky, kdy derivace potenciálu Φ ve směru kolmém k rozhraní je rovna nule, siločáry pole jsou s ním rovnoběžné. Tato podmínka je u metody konečných prvků automaticky splněna na rozhraních s pevně nestanoveným (unfixed) potenciálem [3]. Rovněž byly použity Dirichletovy hraniční podmínky, které definují hraniční body oblastí s fixním potenciálem, tedy např. elektrody (vnitřní E1 s potenciálem Φ1 a vnější E2 s potenciálem Φ2 = 0 V) nebo hraniční body celého řešeného prostoru s nulovým potenciálem. Siločáry elektrického pole jsou kolmé k takovýmto ekvipotenciálním povrchům. Pro jednoduchost výpočtu je vhodné definovat hodnotu. Dále byly vypočteny příslušné objemové integrály energie modelovaného elektrostatického pole a z nich pak celková kapacita C kondenzátoru s daným uspořádáním elektrod a příslušným dielektrikem. Vypočtené hodnoty kapacit pro různé velikosti reletivních dielektrických konstant jsme pak dále obvykle vyjadřovali v procentech hodnoty kapacity daného uspořádání pro EPSI = 80 (voda). Takto byly stanoveny velikosti kapacit navržených čidel při různých tloušťkách izolačních nebo vzduchových mezer mezi elektrodami a měřeným dielektrikem (pro různé velikosti rel. diel. konstant, viz dále tzv. „linearita“). Obdobně jsme postupovali při výpočtech kapacit pro proměnlivé tloušťky vrstev dielektrik, s cílem odhadnout velikost tzv. „dosahu“ měření pro jednotlivá čidla. Efektivní hloubku vniku elektrostatického pole do měřeného dielektrika, nebo-li jeho efektivní dosah, si můžeme definovat jako tloušťku měřené vrstvy, při níž je např. dosaženo 95% změny kapacity čidla (od počáteční hodnoty kapacity se vzduchovým dielektrikem, tedy pro EPSI = 1) vzhledem k maximální hodnotě tohoto nárůstu kapacity, dosažené při postupném zvyšování tloušťky měřeného materiálu na hodnotu, kdy již nedochází k dalšímu pozorovatelnému přírůstku kapacity. Postupným výpočtem matematického modelu pole pro různou tloušťku vrstev dielektrika byly zjištěny odpovídající hodnoty kapacit čidla a vyjádřeny v procentech max. dosažitelné hodnoty údaje. Výpočty byly provedeny pro řadu různých hodnot rel. diel. konstant v rozsahu 1 až 80. Bylo přitom zjištěno, že hloubkový dosah pole se mírně snižuje s rostoucí velikostí diel. konstanty měřeného materiálu. Uvádíme zde proto výsledky výpočtu jen pro EPSI = 80. Porovnání „dosahu“ pro různé průměry vnitřních elektrod kruhových rovinných čidel je na obr. 3. Z grafu je možné odečíst přibližné velikosti dosahu pole od měřicích elektrod (pro 95% max. hodnoty ) od cca 12 do 45 mm při průměrech vnitřních elektrod v rozmezí 20 až 70 mm.


191


Fig. 3.: Závislost vzrůstu kapacity na tloušťce měřeného dielektrika. Calculated dependences of capacitance growths on the thickness of the measured layer of material.

U cylindrické sondy podle obr. 1 nás ještě může zajímat schopnost čidla rozlišit jednotlivé vlhkostní vrstvy v příčném směru na jeho rotační osu. Bylo ověřeno, že díky fokusačnímu efektu obou krajních, vzájemně propojených elektrod E2, je rozlišení vlkostních vrstev velmi dobré. Měřicí pole prakticky zaniká ve vzdálenosti cca 5 cm od středu centrální elektrody. Nejvyšší hodnoty potenciálu (a to asi 80% napětí centr. elektrody) je v daném uspořádání dosaženo na povrchu pažnice (průběh 0 cm) nad středem centrální elektrody E1 (pro Z = 0).

192



Tzv. linearitu čidel můžeme posuzovat za předpokladu, že u porézních materiálů narůstá rel. dielektrická konstanta s hmotnostní vlhkostí lineárně, jako závislost přírůstku kapacity čidla na relativní dielektrické konstantě měřeného materiálu. Vzhledem k vysoké dielektrické konstantě vody je pak změna kapacity čidla úměrná též hmotnostní vlhkosti porézního materiálu. Na vztah mezi velikostí dielektrické konstanty a kapacitou čidla má nepříznivý vliv tloušťka nosné a isolační destičky, vložené mezi elektrodami a vlastním měřeným materiálem. Nepříznivě se projevují i nechtěné vzduchové mezery mezi čidlem a měřeným materiálem, kaverny apod., které se proto snažíme co nejvíce omezovat.

3 PŘÍPADOVÁ STUDIE KARLÍN Uvedené kapacitní snímače byly úspěšně použity pro měření vlhkosti stavebních materiálů a konstrukcí. Jako příklad uvádíme měření v lokalitě Karlín. Ve sklepním prostoru v Křižíkově ulici byla tato měření součástí řešení komplexní studie, jejímž cílem bylo stanovení příčin nepříznivého vlhkostního stavu tohoto objektu. Do spar cihelného zdiva byla osazena čidla s plošnými koncentrickými elektrodami dle obr. 2. ve výši od podlahy 60, 110, 160 a 350 cm. Vlhkost byla měřena cca po dobu 10 měsíců v 2-týdenních intervalech. Na závěr měření byly odebrány vzorky pro kalibraci výsledků gravimetrickou metodou. I přes relativně malý počet kalibračních hodnot byla dosažena velmi dobrá shoda (R2 = 0,98). Výsledky jsou uvedeny na obr. č. 4 . Srovnáme-li průběh vlhkosti ve výšce 60 cm s dalšími úrovněmi měření, zjistíme, že nejvyšší vlhkost byla po celou dobu měření v úrovni 110 cm nad podlahou, naopak v úrovni 60 cm se vlhkost výrazně snížila. Na základě těchto výsledků můžeme vyloučit vliv vysoké hladiny podzemní vody, dominantní vliv zde má špatná izolace zdi v prostoru dvora. 4 ZÁVĚRY Ve studii jsou předloženy závěry testování cylindrických a plošných elektrod vhodných pro měření vlhkosti porézních stavebních materiálů a konstrukcí dielektrickou metodou. Vhodnost použité metody je dokumentována na výsledcích měření vlhkosti zděné sklepní konstrukce v lokalitě Karlín. Výsledky prokázaly původ nepříznivého vlhkostního stavu. V závislosti na požadovaných výstupech je nutno volit odpovídající tvar a uspořádání měrných elektrod. Zjednodušeně je možno konstatovat, že dosah měrných elektrod je cca 2 cm s tím, že největší vliv na výsledky měření má vrstva cca 0,5 cm. Z toho plyne, že sonda musí být velmi pečlivě osazena, v dosahu měření musí být eliminovány případné kaverny a nerovnosti. Rovněž zvrstvení měřeného dielektrika (isolační nosná destička apod.) vede k tomu, že kalibrační závislost je nelineární a snižuje přesnost a citlivost měření.


193


Časový průběh vlhkosti - Karlín 35

vlhkost (%hmot.)

30 25 60cm 20

110cm 160cm

15

350cm 10 5

11.4.2007

11.3.2007

11.2.2007

11.1.2007

11.12.2006

11.11.2006

11.10.2006

11.9.2006

11.8.2006

11.7.2006

0

datum

Fig. 4. Časový průběh změn vlhkosti zděné konstrukce – lokalita Karlín. Time dependence of the moisture content distribution – Karlin location.

Reference Campbell, J.E. 2007. Interplay of Soil Moisture, Conductivity and Temperature in Soil Moisture Sensors – A Theoretical Overview and Practical Implications. In: Transactions The Second International Symposium on Soil Water Measurement, Maryland, paper 1.2. Kašpar, I. 1969. Měření vlhkosti stavebních materiálů. Habilitační práce, ČVUT v Praze Kuráž,V., Kutílek, M. &Kašpar, I. 1970. A Resonance Capacitance Soil Moisture Meter. Soil Sci 4, 110, pp. 278-279 Kuráž, V., Matoušek, J. 1978. A Dielectric Soil Moisture Meter. Patent No. 172234 Kuráž, V., Matoušek, J. 2007. Numerical Modelling and experimental verification of Plate Electrodes for Dielectric Measurement of Water Content in Porous Materials. In: Transactions The Second International Symposium on Soil Water Measurement, Maryland, paper 2.3. Manuals of the Field Precision Company. Topp, G.C., Davis, J.L. & Annan, A.P. 1980. Electromagnetic Determination of Soil Water Content. Wat. Res. Res. 16, pp. 574-582. This research has been supported by MSM 6840770005 and by the Grant Agency of the Czech Republic with grants No. 103/09/1149 and No. 103/08/1677

194


Analýza vlhkostního stavu porézních stavebních konstrukcí

Recommend Documents