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,textura – uspořádání částic, vrstvení atd.) 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 hustota a objemová hmotnost jsou jako fyzikální veličina definována poměrem elementární hmotnosti ku elementárnímu objemu
dm ρ = dV
[kg/m3]
pro homogenní materiál pak můžeme psát
m ρ = = ρv V kde ρb 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 tvořeny 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, 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) – nutno zohlednit při návrhu a provádění konstrukcí 4
Např. u pórovitého kameniva můžeme tedy rozlišit celkem 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 souvislosti s řadou tepelně-fyzikálních veličin (tepelná vodivost, 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 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)
9
Otevřené póry díky spojení s vnějším prostředím, ve které se materiál nachází, přímo ovlivňují: 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) Uzavřená pórovitost 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 podle velikosti pórů – distribuční křivky pórů. Velikost pórů ovlivňuje zaplňování pórů vodou či jinými látkami vlivem působení absorpčních a kapilárních sil. Rozdělení pórů podle 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
13
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
14
0.08
2.0
1.5
V Pore / 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 / c m 3nm -1g -1
·10-3
Příklad distribuční křivky pórů pro vzorek betonu – převládají kapilární mikropóry 12
Mezerovitost (M): -vlastnost definující chování sypkých materiálů - vyjadřuje poměr objemu mezer mezi zrny k celkovému 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 9
Zrnitost a měrný povrch: - jedna ze základních vlastností sypkých látek -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 14 udáván v [m2/kg].
Katedra materiálového inženýrství a chemie ■■■■■
VLHKOSTNÍ VLASTNOSTI STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ VE VAZBĚ NA IZOLAČNÍ VLASTNOSTI
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.
19
přímá vazba k porézní struktuře materiálů (velikost a objem pórů), významné zejména pro následující typy materiálů: tepelně-izolační materiály keramické materiály betony, pórobetony omítky (sanační, tepelně-izolační) nátěry
20
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) 21
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.) 22
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 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 23
24
Vlhkost – veličiny, základní vztahy Hmotnostní vlhkost
m w − 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.]
25
Objemová vlhkost
Vw ( mw − md ) wv = ⋅100%obj. = ⋅100%obj. = Vd ρ w ⋅ 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.]
26
Transport vlhkosti o sorpcí vodní páry o difúzí vodní páry o 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 27 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: 1. povrchová adsorpce při nižších hodnotách relativní vlhkosti 2. kapilární kondenzace – relativní vlhkost více než 40%, u pórů o rozměru 2 – 50nm (Thomson-Lord Kelvin) 28
uvac
ucap
III
Vakuová nasákavost
II
Kapilární nasákavost
I
95%
Hygroskopická vlhkost
u2 u1
Monomolekulární adsorpce
Multimolekulární adsorpce
Kapilární kondenzace
29
Schéma měření sorpčních izoterem
30
Počet referencí
Teplota/Relativní vlhkost Solný roztok 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
31
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
0,9
1
f[-]
Sorpční izoterma pálené cihly, pórobetonu a opuky 32
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 33
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
ϕ [-] p [Pa]
Hygroskopická vlhkost 0.113 0.753 0.969 2.95E+08 3.84E+07 4.26E+06
Nadhygroskopická vlhkost 0.999 0.999 0.999 4.00E+05 6.00E+04 1.00E+03
35
Moisture content [kg kg -1]
3
2
1
0 0,1
1
10
100
Suction [bar]
Retenční křivka materiálu na bázi kalcium silikátu
36
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
37
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 38
Materiály u kterých je nutné znát jejich difúzní vlastnosti materiály bránící (či limitující) pronikání vodní páry např. do základových a střešních konstrukcí (parozábrany, hydroizolační materiály) materiály současně bránící pronikání vodní páry a plynů 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) 39
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 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 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 40 povrchem vzorku [Pa]
Miska s umístěným vzorkem
Realizace experimentu v klimatické komoře
41
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 42
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. - fyzikálně představuje vrstvu vzduchu, která by kladla difundujícímu plynu stejný odpor, jako deska daného materiálu
rd = μ ⋅ d
d tloušťka materiálu [m] μfaktor difúzního odporu [-] Difúzní odpor materiálu Rd [ms-1] - v tepelně-technických výpočtech ovlivní množství zkondenzované vodní páry (bilance zkondenzované vlhkosti)
Rd = μ ⋅ d ⋅ N = rd ⋅ N
43
ČSN EN 12524 (73 0576) Stavební materiály a výrobky Tepelně vlhkostní vlastnosti - Tabulkové návrhové 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 se použije ve výpočtech při zabudování materiálu do stavební konstrukce za běžných podmínek. Hodnoty jsou odvozeny v souladu s ČSN EN ISO 10456. Tab 1 Běžné stavební materiály - základní tepelné 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
43
45
46
48
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 - kde 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].
48
wcap.h
inflow (kg/m²)
second stage first stage
A (kg/m²s1/2)
square root of time (s1/2)
49
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) - kde wsat je nasycený obsah vlhkosti (kapilární)
2
⎛ A⎞ κ ≈ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ wsat ⎠
50
40 35
Inflow [kg m-2]
30 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.)
51
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
52
m0
S
wsat
Α
κ
[kg]
[m2]
[kg m-3]
[kg m-2s-1/2]
[m s ]
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
x
-
-
995.459
0.21
4.59E-08
Vzorek
2 -1
Stanovení součinitele absorpce pro vodu a součinitele vlhkostní vodivosti minerální vlny typu MU
53
- 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)
54
0.8 hmotnostní vlhkost [kg/kg]
0.7 12900s
0.6
16500s
0.5
20100s 23700
0.4
27300s 30900s
0.3
34500s
0.2 0.1 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2
vzdálenost [m]
Profily vlhkosti pro vzorek pórobetonu
55
1.00E-06
vlhkostní vodivost [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-09 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
hmotnostní vlhkost [kg/kg]
Součinitel vlhkostní vodivosti pórobetonu
56
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
57
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
40 - 90
35 – 40
Pěnový polystyren
70 - 500
<7
Nasákavost vybraných stavebních materiálů.
58
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 nasákávání 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
59
-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) - pro maximální výšku vzlínání vlhkosti platí: h = 2 ⋅ σ ⋅ cos θ
r⋅ρ ⋅g
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] 60
- 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= [cm]
r
Závislost povrchového napětí vody na teplotě - 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)
61
- 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)
62
- 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)
63
- 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)
64
