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
