KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
VLASTNOSTI REÁLNÝCH STAVEBNÍCH HMOT
Vlastnosti stavebních hmot – úvod, shrnutí • základní stavební jednotkou látek jsou atomy – hmotné částice o hmotnosti 10-22 – 10-24 g (velikost desetiny nanometrů) • molekuly – tvarově definovatelné stabilní útvary (viz. přednáška č. 2) • prvky – látky tvoření jedním druhem atomů • sloučeniny – látky tvořené jedním druhem molekul (rozměry v řádech nanometrů až makromolekuly) • tvorba sloučenin z prvků, přeměna jednotlivých sloučenin a procesy izolace prvků jsou chemické procesy označované jako chemické reakce
při chemických reakcích se mění vazebné síly mezi jednotlivými atomy, vznikají nebo zanikají chemické vazby (přednáška č. 3)
Vlastnosti stavebních hmot • Vlastnosti stavebních hmot jsou určeny povahou a velikostí soudružných sil, které působí mezi jednotlivými atomy, ionty případně molekulami Dělení materiálů: 1) anorganické materiály – kovové nekovové (keramika, sklo, anorganická pojiva, povrchové povlaky, monokrystaly – NaCl, diamant) 2) organické materiály – dřevo, ovčí vlna, plasty, papír, sláma 3) kompositní materiály – matrice s výztuží (kombinace nejméně dvou různých materiálů); sklokeramika, železobeton, sklocement • vnitřní textura a struktura materiálů (rozlišujeme podle úrovně sledování) - textura popisuje vzájemné prostorové uspořádání částic a pórů na makroskopické úrovni (od 0,1 mm) - struktura charakterizuje druh a skladbu jednotlivých fází látek bez ohledu na prostorové uspořádání na mikroskopické úrovni ( 〈1μm)
Idealizované mikrostruktury (Chemie ve stavebnictví – O. Henning, V. Lach, SNTL, 1983)
A) polykrystalická s různě velkými zrny, B) polykrystalická s prakticky stejně velkými zrny, C) polykrystalická s orientovanými zrny (mikrotextura), D) mikrostruktura s malými póry, E) mikrostruktura s póry velikosti zrna, F) mikrostruktura s velkými póry, G) mikrostruktura o dvou fázích, krystalické a skelné (čárkovaná), H) mikrostruktura o dvou fázích, přičemž krystalická nemá přímou vazbu
Schéma vzniku mikrostruktury keramického střepu Surovinová směs (disperzní soustava) _______________________ směs různě velikých zrn minerálů (fází) lisování, konsolidace přechodná mikrostruktura (výlisku, výsušku) _______________________ uspořádání a spojení zrn minerálů (fází) mezimolekulárními silami, přítomnost pórů mezi zrny slinování (výpal), kompaktace výsledná mikrostruktura (vypáleného střepu) _______________________ uspořádání a spojení zrn reakčními produkty změna zrn a pórů (fázového složení)
Schéma vzniku mikrostruktury zatvrdlé maltoviny surovina nebo směs (disperzní soustava) _______________________ směs různě velikých zrn jednoho nebo více minerálů tepelné zpracování, slinování mikrostruktura maltoviny kompaktní (např. slínek)
rozrušená (např. cement
uspořádání a spojení zrn
oddělená a volná zrna
minerálů, póry
nebo shluky zrn minerálů určité velikosti + H2O, tuhnutí, tvrdnutí
mikrostruktura zatvrdlé maltoviny _______________________ zrna hydratačních produktů maltoviny spojená v souvislou tuhou fázi
Schéma výroby portlandského cementu Typický rozměr slínku
Rotační pec pro výpal slínku 1400 – 1450°C
Princip výroby cementu (opakování) Výroba surovinové moučky Na základě přesných chemických analýz se upraví poměr jednotlivých složek surovinové směsi. Jsou to především vápence znečištěné příměsí silikátů a železité konkrece. Surovinová směs je mleta v oběhových kulových mlýnech a současně se sušena. Hotová moučka se poté dopravuje do železobetonových zásobních a homogenizačních sil. Výpal portlandského slínku Nejdůležitějším procesem výroby cementu je výpal slínku. Surovinová moučka prochází výměníkem tepla, ve kterém dochází k předehřátí suroviny na teplotu 800 °C. Ve výměníku dochází k využití tepla kouřových plynů a k dokonalému zachycení oxidu siřičitého, který se přeměňuje na síran vápenatý (sádru). Pálením až na mez slinutí (cca 1450 °C) se tvoří umělé, tzv. slínkové minerály, které se následným prudkým schlazením v chladiči stabilizují a vzniká slínek. Slínek je následně dopraven do zásobních sil. Mletí cementu Ze slínkových sil se slínek odebírá pro mletí v cementových mlýnech, kde se mele společně s regulátory tuhnutí (energosádrovec), případně dalšími složkami (struskou, popílkem a jinými) na hotový produkt – cement (jaké překvapení po tak dlouhém čtení), který je veden do cementových sil a následně expedován.
Vlastnosti stavebních hmot - látkové složení materiálů (typy látek, pevné, kapalné, plynné, amorfní) - typ materiálu – porézní materiály, hutné materiály, homogenní a nehomogenní materiály, isotropní materiály, anisotropní materiály (ortotropní materiály – vláknové kompozity) - heterogenní látky – v materiálu existují oblasti, které jsou ohraničené vůči svému okolí a mají jiné vlastnosti nebo i složení než toto okolí – typické pro většinu pevných látek (kromě některých slitin) – typickou heterogenní oblastí jsou póry, kompozity, sypké látky - vliv vnějších podmínek na vlastnosti materiálů (teplota, vlhkost, relativní vlhkost, tlak) !!!
Vlastnosti stavebních hmot – vývoj inteligentních materiálů – materiálové inženýrství - materiály (v zásadě i konstrukce), které mohou některou svou vlastnost vhodně měnit v reakci na změnu okolního prostředí - např. paropropustné fólie s proměnným difúzním odporem, vnitřní omítky, schopné v teplých dnech akumulovat teplo, skla reagující na intenzitu zabarvení (možnost využití i pro vytápění – inteligentní fasády) - ve vývoji jsou také materiály, které jsou schopny změny svých vlastností na základě nejakého konkrétního signálu – např. např. lepidla s ferofluidovými nanočásticemi na bázi oxidu železa (tyto částice fungují jako antény, které jsou schopny zachytit mikrovlnné záření a jeho působením se velmi rychle ohřát na teplotu potřebnou k vytvrzení hmoty – lepení na povel) - samočistící krytiny, samočistící obkladačky - potaženy speciálními anorganicko-organickými povlaky, které odpuzují nečistotu, mastnotu i oplachovou vodu
Vlastnosti stavebních hmot – vývoj inteligentních materiálů – materiálové inženýrství - rychlý vývoj inteligentních materiálů např. v oblasti outdoorového vybavení - inteligentní textílie fungující podobným způsobem jako PCM (phase change materials) materiály - tyto nové textilní materiály se vyznačují schopností reagovat na aktuální klimatické podmínky i na teplo a vlhkost produkovanou nositelem(čím větší zátěž/aktivitu nositel podstupuje, tím více materiály dýchají a větrají) - Fyzikálně je toto dáno proměnlivou strukturou polymerů hydrofilní membrány reagující na teplo (tím pádem i pot) produkované nositelem textilie - materiály s tvarovou pamětí, polymerní pěny – definování pevnosti - vodivé polymery - spojují v sobě elektrické chování typické pro polovodiče s materiálovými vlastnostmi umožňujícími jednoduché zpracování, mohou měnit svou strukturu, a tedy – v závislosti na odezvě okolního prostředí – i své fyzikální vlastnosti (V roce 2001 Nobelova cena - Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid a Hideki Širakawa)
Předpokladem pro rozvoj inteligentních materiálů je zvládnutí nannotechnologických operací, které umožní vytvořit promyšleně koncipované materiálové struktury na molekulové úrovni!!!
Vlastnosti stavebních materiálů Základní fyzikální vlastnosti Vlhkostní a difúzní vlastnosti Mechanické vlastnosti Tepelné vlastnosti Akustické vlastnosti Radioaktivita Chemické vlastnosti
Základní fyzikální vlastnosti • vlastnosti, k jejichž určení postačí stanovení hmotnosti a rozměrů či objemu zkoušeného vzorku materiálu • jsou to vlastnosti, které do jisté míry materiál charakterizují a na nichž ostatní vlastnosti závisejí • objemová hmotnost • hustota (dříve specifická hmotnost), hustota matrice • hutnost • pórovitost • zrnitost
Objemová hmotnost a hustota • hustota a objemová hmotnost jsou jako fyzikální veličiny definovány poměrem elementární hmotnosti ku elementárnímu objemu (u hustoty se jedná o objem bez mezer a dutin, u objemové hmotnosti včetně pórů)
dm 3 dV [kg/m ] pro homogenní materiál pak můžeme psát m ρ = = ρ v V
ρ =
kde ρv je objemová hmotnost materiálu, definovaná poměrem celkové hmotnosti vzorku ku celkovému objemu vzorku včetně pórů a mezer.
Experimentální stanovení objemové hmotnosti a hustoty • Gravimetrická metoda – ze změřených rozměrů daného vzorku a jeho hmotnosti lze vypočítat objemovou hmotnost materiálu • Metoda vakuové nasákavosti - z hmotnosti suchého vzorku ms, hmotnosti vodou nasyceného vzorku mv a hmotnosti ponořeného vodou nasyceného vzorku, tzv. Archimédovy hmotnosti ma, se vypočítá objem vzorku dle rovnice
V=
mv − ma
ρl
kde ρl je hustota kapaliny (vody)
základní vlastnosti, jako jsou obsah nasycené vlhkosti wc a hustota materiálu ρmat se určují z následujících rovnic
mv − ms wc =ψ 0 ρv = V
ρmat
ms = V (1 − Ψ0 )
Experimentální stanovení hustoty matrice • určení objemu stavebních materiálů s nepravidelným tvarem a povrchem je velmi obtížné, a proto se využívá nepřímé metody, tzv. pyknometrické, kdy je měření objemu nahrazeno vážením vzorku v pyknometru • pyknometr je speciální nádoba se zátkou, ve které je kapilára pro výtok přebytečné kapaliny, tudíž je objem pyknometru vždy shodný
ρ = ρ mat
m1 = ∗ ρ l [kg m-3] m3 − ( m 2 − m1 )
kde m1 je hmotnost suchého vzorku [kg], m2 je hmotnost zavřeného pyknometru se vzorkem a kapalinou [kg], m3 je hmotnost pyknometru se zátkou naplněného zcela kapalinou [kg], ρl je hustota měřené kapaliny [kg m-3]
• stavební materiály však většinou za homogenní považovat nemůžeme jednak se u nich vyskytuje pórovitost, jednak bývají často tvořeny směsí několika komponent (principy homogenizace) • zpravidla se však u všech materiálů pro dostatečně velké objemy může uvažovat určitá objemová stejnorodost (vzorky reprezentativního objemu) - proto se v technické praxi pro charakteristiku daného materiálu zavádí veličina zvaná objemová hmotnost - objemová hmotnost látek je závislá na hustotě základních složek daného materiálu, ale velmi silně i na jeho 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).
Např. u pórovitého kameniva můžeme tedy rozlišit celkem čtyři různé veličiny: • sypná hmotnost ve stavu volně sypaném (např. 400 kg/m3) • sypná hmotnost ve stavu setřeseném (např. 600 kg/m3) • objemová hmotnost zrn (např. 850 kg/m3) – nezapočítá se objem mezer mezi zrny • hustota zrn (např. 2550 kg/m3, dle typu kameniva) ! 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 vlhkost je veličina důležitá pro charakteristiku stavebních materiálů nejenom z hlediska tíhových, ale i v souvislosti s řadou tepelně-technických veličin (tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita) mechanických veličin a akustických veličin.
Hutnost • Popisuje, jak je celkový objem materiálu vyplněn pevnou fází (definuje se pouze u pevných látek) • matematicky je vyjádřena jako poměr objemu pevné fáze k celkovému objemu nebo poměrem objemové hmotnosti k hustotě
Vh ρv h= = V ρ • v praxi se udává jako desetinné číslo nebo v procentech • u sypkých látek se zavádí stupeň nebo také míra zhutnění (poměr sypné hmotnosti při určitém zhutnění ku sypné hmotnosti při dokonalém zhutnění)
Pórovitost • pórovitost materiálu je definována jako poměr objemu dutin k celkovému objemu materiálu.
Vo ψ= V
[-], [%]
část celkové pórovitosti Otevřená pórovitost zahrnující tzv. otevřené póry, tj. póry spojené s povrchem 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)
Otevřené póry díky spojení s vnějším prostředím, ve které se materiál nachází, přímo ovlivňují: • navlhavost a vysychavost materiálů • schopnost difúze kapalin a plynů materiály • zvukově izolační vlastnosti (schopnost pohlcovat zvuk) • tepelně izolační vlastnosti (schopnost vést a akumulovat teplo) • mechanické vlastnosti (velmi důležité – přínos materiálového inženýrství)
uzavřená pórovitost část celkové pórovitosti zahrnující tzv. uzavřené póry (nespojené s povrchem – neúčastní se transportních procesů) - uzavřené póry vznikají např. slinutím keramického střepu a neumožňují přijímat do objemu materiálu vzdušnou vlhkost - póry nejsou jednoduché kapiláry, ale jejich tvar je složitý a proměnlivý. Proto se pórovitost materiálu popisuje pomocí distribuce pórů, což je funkce stanovující velikost a rozdělení pórů. Pro její určení se používají různé metody, např. porozimetre rtuťová či sorpce plynů, elektronová či optická mikroskopie, nasávání či vytěsňování kapalin - pórovitost popisuje také měrný povrch, který se může stanovit provzdušňovací metodou, nebo adsorpcí dusíku metodou BET - celkovou pórovitost materiálu můžeme vypočítat dle rovnice
ρv ψ c = 100*(1 − ) ρ mat
Plynová adsorpční porozimetrie Vhodná pro mikro a mezopóry (přechodové póry) (poloměr pórů < 25 nm) stanovení: měrného povrchu látek distribuce pórů na úrovni mikro a mezopórů
Sorptomatic 1990
Plynová adsorpční porozimetrie Objemové zastoupení přechodových pórů v metakaolinu:
Měrný povrch (BET): 11.3 m2 g-1 Objem přechodových pórů: 0.021 cm3 g-1
Rtuťová porozimetrie Vhodná pro přechodové a makro-póry (polměr pórů > 2 nm) stanovení:
distribuce makro a mezo-pórů měrného povrchu distribuce částic
Pascal 140+440
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
Z hlediska transportních procesů jsou porézní látky klasifikovány podle velikosti pórů – distribuční křivky pórů - velikost pórů ovlivňuje zaplňování pórů vodou či jinými látkami vlivem působení absorpčních a kapilárních sil 0.08
2.0
1.5
V P o re / 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
d V /d Ř / c m 3 n m -1 g -1
·10-3
příklad distribuční křivky pórů pro vzorek betonu (převládají kapilární mikropóry)
Rozdělení pórů dle velikosti • submikroskopické (ultrakapilární) póry – poloměr < 10-9 m, rozměry těchto pórů jsou porovnatelné s rozměry molekul, mohou se zde vytvářet řetězce vody a voda se nemůže těmito pór pohybovat • kapilární póry – rozměr 10-9 – 10-3 m, voda a plyny se zde chovají jako v soustavě kapilár, pohyb vody je vyvoláván povrchovým napětím (kapilárními silami) 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 a vzdušné póry – již se neuplatňují kapilární síly neboť dutiny (póry) jsou příliš rozsáhlé a převládá vliv gravitace
Mezerovitost (M) • vlastnost zjišťovaná u sypkých materiálů • vyjadřuje poměr objemu mezer mezi zrny k celkovému objemu určitého množství sypké látky • veličina závislá na sypné hmotnosti
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
Zrnitost a měrný povrch • jedna ze základních vlastností sypkých látek • poměrná skladba zrn jednotlivých velikostí – granulometrie (sítový rozbor - křivka zrnitosti, malá zrna se většinou měří sedimentací dle Stokesova zákona – měření rychlosti sedimentace a následný výpočet poloměru částic) Zrnitost ovlivňuje následující parametry: • • • • •
mezerovitost sypnou hmotnost propustnost stlačitelnost a další mechanické parametry tepelné a akustické vlastnosti
Měrný (specifický) povrch – vyjadřuje celkovou povrchovou plochu všech zrn jednotkového množství látky. Rozměr je udáván v [m2/kg], použití např. při klasifikaci jemnosti mletí cementu (běžné cementy 250 – 350 m2/kg)
Vlhkostní vlastnosti stavebních materiálů • vlhkost pórovitých materiálů, nasákavost, vzlínavost, sorpční izotermy, retenční křivky vlhkosti, navlhavost, vysychavost, součinitel difúze, faktor difúzního odporu, ekvivalentní difúzní tloušťka materiálu, propustnost velmi důležité parametry, které mohou být při nesprávném použití materiálů v konstrukcích zdrojem poruch (vliv na hygienické parametry obytných prostor, na náklady na vytápění a na životnost a trvanlivost konstrukce) vlhkostní vlastnosti přímo ovlivňují další materiálové vlastnosti jako je objemová hmotnost, mrazuvzdornost, tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, pevnost, deformace atd.
přímá vazba k porézní struktuře materiálů (velikost a objem pórů), významné zejména pro následující typy materiálů: o tepelně-izolační materiály o keramické materiály o betony, pórobetony o omítky (sanační, tepelně-izolační) o nátěry
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 velké póry a dutiny) • 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. jako voda krystalová, sádra – vysoušení, anhydrit)
Rozdělení vlhkosti v materiálu podle zdroje vlhkosti: o vlhkost výrobní (technologická, počáteční), dána mokrými procesy při výrobě materiálu o vlhkost zemní – transportována do materiálu na principu kapilárního vzlínání (významná v objektech bez horizontální izolace nebo s nefunkční hydroizolací) o sorpční vlhkost – přijímána materiály z okolního vzduchu o zkondenzovaná voda, která se sráží jak na povrchu tak uvnitř materiálu (konstrukcí) – vodní páry z exteriérového vzduchu, vodní páry prostupující konstrukcemi obvodových plášťů o provozní vlhkost – závislá na typu využití prostorů, vytápění a větrání (chladící haly, toalety, mokré průmyslové provozy, atd.)
Rozdělení vlhkosti v z pohledu jejího časového vývoje – vlhkost se mění nejen během výroby, ale i po celou dobu životnosti materiálu či konstrukce o výrobní vlhkost – po krátkém čase (v případě mokrých výrobních procesů) významně klesá o skladovací vlhkost – ovlivňuje způsob následného zpracování materiálu o trvalá vlhkost – trvalá vlhkost je charakteristická pro materiály zabudované do konstrukce – kritická vlhkost – maximální přípustná vlhkost materiálu zabudovaného do konstrukce, po překročení této hodnoty materiál podstatně mění své vlastnosti (pevnost, objem, tepelnou vodivost, chemické vlastnosti apod.) do té míry, že jeho další použití je nevhodné a nebezpečné
Vlhkost – veličiny, základní vztahy • Hmotnostní vlhkost:
mw − md mk wh = ⋅ 100% = ⋅ 100% md md • • • •
mw hmotnost vlhkého materiálu [kg, g] md hmotnost suchého materiálu [kg, g] mk hmotnost kapaliny [kg, g] wh hmotnostní vlhkost [%hm.]
• Objemová vlhkost:
(mw − md ) wh ρd Vw ⋅100%obj. = ⋅100%obj. wv = ⋅100%obj. = Vd ρw ⋅Vd ρw • Vw objem volné vody [m3] • Vd objem suchého materiálu [m3] ρw hustota vody [kgm-3] ρd objemová hmotnost suchého materiálu [kgm-3]
Transport vlhkosti: • sorpcí vodní páry • difúzí vodní páry • kapilárním vedením – vlhkostní vodivostí 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 fáze materiálu
- rovnovážná sorpční vlhkost – materiál nevykazuje v čase přírůstek ani úbytek vlhkosti - hygroskopická vlhkost – vzniká v materiálu v případě, že 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 sorpční proces má dvě fáze: - povrchová adsorpce při nižších hodnotách relativní vlhkosti - kapilární kondenzace – relativní vlhkost více než 40%, u pórů o rozměru 2 – 50nm (Thomson-Lord Kelvin)
uvac
III
ucap
II
Vakuová nasákavost
Kapilární nasákavost
I
ξ (T, φ)
Hygroskopická vlhkost
95%
Monomolekulární adsorpce Multimolekulární adsorpce
Kapilární kondenzace
- schéma měření sorpčních izoterem
Temperature/Relative humidity Salt
Number of references
20°C
23°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
NaNO2
0.654
-
0.643
2,3
0.7547±0.0014
0.7536±0.0013
0.7529±0.0012
1,2,4
-
-
0.751
3
0.7923±0.0044
0.7883±0.0042
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
-
0.920
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.
0,1
BRI
0,08
AACI
u[kg kg -1]
CML 0,06
0,04
0,02
0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
f[-]
Sorpční izoterma pálené cihly, pórobetonu a opuky.
0,9
1
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 (vysychavost) - 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
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 Mikro póry
Makro póry 1 10-9
10-10
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
0 -
3
Průměr pórů [m] 10+4
10+3
10+
10+2
1
1
10-1
Kapilární tlak [bar] 0.05
0.60
0.93
0.99
Relativní vlhkost [-] Sorpční izoterma
Retenční křivka Distribuce pórů
10-2
Hygroskopická vlhkost
Nadhygroskopická vlhkost
ϕ [-]
0.113
0.753
0.969
0.999
0.999
0.999
p [Pa]
2.95E+08
3.84E+07
4.26E+06
4.00E+05
6.00E+04
1.00E+03
Vztah mezi relativní vlhkostí φ a kapilárním tlakem pc v pórech popisuje z a izotermínch podmínek Kelvinova rovnice
⎛ pv pc ⎞ ⎟⎟ φ= = exp ⎜⎜ − p vs ⎝ ρ l RT ⎠ kde pv a pvs jsou tlaky vodní páry a nasycené vodní páry [Pa], ρl objemová hmotnost vody [kg m-3], R univerzální plynová konstanta [J mol-1K-1] a T je teplota [K]
Moisture content [kg kg -1]
3
2
1
0 0,1
1
10 Suction [bar]
Retenční křivka materiálu na bázi kalcium silikátu
100
Difúze vlhkosti (kapalné, plynné) - schopnost pronikání molekul plynů, páry a kapalin do porézního prostoru materiálů - k difúzi vodní páry dochází tehdy, pokud materiál odděluje dvě 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
Veličiny používané k hodnocení difúzních vlastností stavebních materiálů: • součinitel difúze • 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
Součinitel difúze δ − součinitel difúzní vodivosti, 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 pomocí miskové metody dle ČSN 72 7031
δ =
Δm ⋅ d S ⋅ τ ⋅ Δp p
δ je součinitel propustnosti pro vodní páru [s] Δm je množství vodní páry prodifundované 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]
0 0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
180000
200000
Decrease of water mass[g]
-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 Time [s]
Křivka transportu vodní páry pro materiál na bázi kalcium silikátu CSI
t [s]
T [K]
P [Pa]
Δmw [kg]
S [m2]
D [m2s-1]
δ [s]
μ [-]
180000
300.3
3656
7.733E-03
5.25E-03
1.10E-05
7.80E-11
2.10
Faktor difúzního odporu μ [-] - vyjadřuje schopnost materiálu propouštět vodní páru difúzí
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
Ekvivalentní difúzní tloušťka materiálu rd [m] - závislá na geometrii (tloušťce) materiálu - používá se hlavně k vyjádření difúzních vlastností povrchový úprav – sanačních omítek, nátěrových systémů apod.
rd = μ ⋅ d d tloušťka materiálu [m] μ faktor difúzního odporu [-]
Difúzní odpor materiálu Rd [ms-1] - v tepelně-technických výpočtech ovlivní množství zkondenzované vodní páry např. v souvrství materiálů tvořících skladby střešních konstrukcí(bilance zkondenzované vlhkosti) - D – tloušťka materiálu - N – přibližná hodnota difúzního odporu vzduchu (5.45 x109s-1)
Rd = μ ⋅ d ⋅ N = rd ⋅ N
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
I=A t1/2 - I je sorptivita a udává celkové množství vody na jednotku plochy [kg m-2], která je v přímém kontaktu s vodu, t je čas po který je studovaný vzorek v kontaktu s vodou [s].
wcap.h
inflow (kg/m²)
second stage first stage
1/2
A (kg/m²s )
1/2
square root of time (s )
- 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, wh hmotnostní vlhkost - přímou aplikací rovnice pro výpočet vlhkostního toku dostaneme vztah pro průměrnou hodnotu součinitele vlhkostní vodivosti (Kumaran, 1994) 2
⎛ A⎞ κ ≈⎜⎜ ⎟⎟ ⎝wsat⎠ - kde wsat je nasycený obsah vlhkosti (kapilární)
40 35
Inflow [kg m-2]
30 25 20 15 10
MU DUs DUh
5 0 0
100
200
300
400
500
1/2
Square root of time [s ]
Křivka nasákavosti minerální vlny typu MU a Dus, Duh (Rockwool a.s.).
600
40
Inflow [kg m-2]
30
20
CSI CSII
10
CSIII CSIV
0 0
50
100
150
200
250
300
350
Square root of time [s1/2]
Křivka nasákavosti materiálu na bázi kalcium silikátu.
400
450
m0
S
wsat
Α
κ
[kg]
[m2]
[kg m-3]
[kg m-2s-1/2]
[m2s-1]
1.
9.49E-03
9.146E-03
995.745
0.21
4.45E-08
2.
1.69E-02
1.635E-02
996.553
0.22
4.87E-08
3.
1.60E-02
1.538E-02
994.079
0.21
4.46E-08
-
-
995.459
0.21
4.59E-08
Vzorek
Stanovení součinitele absorpce pro vodu a součinitele vlhkostní vodivosti minerální vlny typu MU. - 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 na základě inverzní analýzy vlhkostních profilů, které stanovíme v rámci jednorozměrných experimentů (Lykov, 1958) - obsah vlhkosti – metody přímé, nepřímé (TDR, NMR, odporové senzory, kapacitní senzory)
relative moisture content [kg/kg]
0.8 0.7 0.6
12900s
0.5
20100s
16500s 23700
0.4
27300s 30900s
0.3
34500s
0.2 0.1 0 0
0.05
0.1 position [m]
Profily vlhkosti pro vzorek pórobetonu
0.15
0.2
1.00E-06 moisture diffusivity [m2s-1]
Matano method Double integration method Dif f erence method
1.00E-07
Gradient method
1.00E-08
1.00E-09 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
relative moisture content [kg/kg]
součinitel vlhkostní vodivosti v závislosti na obsahu vlhkosti pro pórobeton
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
Materiál
Hmotnostní nasákavost %
Dřevo
140 - 170
55 - 70
Ocel
-0
-0
Cihly plné, pálené
20 - 25
36 - 55
Beton hutný
6 - 13
13 - 30
Pórobeton
40 - 90
35 – 40
70 - 500
<7
Pěnový polystyren
Objemová nasákavost %
Nasákavost vybraných stavebních materiálů.
Vzlínavost (kapilarita) kapilární vedení vlhkosti - vlastnost pórovitých materiálů, která se projevuje při jejich částečném ponoření do kapaliny - charakteristická pro vodou smáčivé materiály, což je naprostá většina stavebních látek - při kontaktu otevřených pórů s vodou dochází k nasákání vody vlivem kapilárních a sorpčních sil - materiály s většími póry nasákávají rychleji, ale výška vzlinutí je nízká - jemně pórovité materiály sají vodu pomaleji, avšak vystupuje podstatně výše - vzlínající vlhkost je nejčastější způsob vlhnutí konstrukcí vystavených působení zemní vlhkosti - vzlínaní vody lze zjednodušeně popsat pomocí mechanismu kapilární elevace – charakterizována rozdílem výšky hladiny kapaliny v kapiláře proti úrovni hladiny v okolí vyvoláno kapilárními silami mezi molekulami kapaliny a povrchem pevné látky (povrchové napětí kapaliny způsobuje pohyb sloupce kapaliny ve směru výslednice sil)
Vzlínavost (kapilarita) kapilární vedení vlhkosti
2 ⋅ σ ⋅ cos θ r⋅ρ ⋅g
- pro maximální výšku vzlínání vlhkosti platí: h = σ povrchové napětí kapaliny [N/m] θ úhel smáčení mezi kapalinou a stěnou kapiláry [°] r poloměr kapiláry [m] ρ objemová hmotnost kapaliny [kg/m3] g gravitační zrychlení [m/s2]
- 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
0 .149 h= r
- střední průměr rozměru pórů v běžném cihelném zdivu se pohybuje kolem hodnoty 10-5 m – odpovídá výška vzlínání vlhkosti cca 1.49 m (tuto hodnotu potvrzuje i praxe, neboť velká část starších objektů je zavlhčena do výšky 1,5 m)
Závislost povrchového napětí vody na teplotě.
- jsou-li stěny kapilár pokryty látkami, které ztěžují nebo zabraňují smáčení, změní se odpovídajícím způsobem i úhel smáčení - je-li úhel smáčení θ > 90° dostaneme zápornou výšku vzlínání – vzniká tzv. kapilární deprese (hydrofobita materiálu)
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 čas k dosažení výšky h:
2 ⋅η ⋅ h 2 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 10-5 m)
- 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, jiné dielektrické vlastnosti, které se blíží vlastnostem ledu)
