VLASTNOSTI STAVEBNÍCH HMOT VE VZTAHU K JEJICH STRUKTUŘE II

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

VLASTNOSTI STAVEBNÍCH HMOT VE VZTAHU K JEJICH STRUKTUŘE II

K123 MAIN – Materiálové inženýrství, [email protected]

K123 MAIN – Materiálové inženýrství

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 materiálu) - 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

Vliv obsahu solí na akumulaci vodní páry roztok NaCl


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 10-10

Makro póry 10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

Průměr pórů [m] 10+4

10+3

10+2

10+1

10-1

1

Kapilární tlak [bar] 1 bar = 100 kPa = 0.1 MPa 0.05

0.60

0.93

0.99

Relativní vlhkost [-] Sorpční izoterma

Retenční křivka Distribuce pórů

10-2



Vztah mezi relativní vlhkostí  a kapilárním tlakem pc v pórech popisuje za izotermních podmínek Kelvinova rovnice

 pv pc   exp    p vs   l RT

  

kde pv a pvs jsou tlaky vodní páry a nasycené vodní páry [Pa], l objemová hmotnost vody [kg m-3], R univerzální plynová konstanta [J mol-1K-1] a T je teplota [K]. Vyjádření RH pomocí par. tlaku vodní páry hmotnost kapalné fáze

molární

přepis Kelvinovy rovnice: Kelvinova rovnice určuje limitní hodnotu RH, která může být v kapiláře o poloměru r dosažena.

pro tuto RH je v kapiláře dosaženo rovnováhy mezi kapalnou vodou a vodní parou – pokud dojde k nárůstu množství vodní páry nad tuto hodnotu – dochází ke kapilární kondenzaci, numerické dosazení pro Kelvinovu rovnici:

- r = 1 nm –  = 0.35 - r = 2 nm –  = 0.59 - r = 50 nm –  = 0.98 – oblast kapilární kondenzace začíná pro r = 1 nm (2 nm) a končí pro r = 50 nm - pro menší póry je dominantní povrchová adsorpce - ve větších pórech je transportována jen vodní pára, kapalná voda se může objevit pouze jako důsledek kapilárního nasákání v důsledku přímého kontaktu materiálu s vodou

Stanovení retenční křivky z kumulativní křivky objemu pórů w = w(pc) - měřeno pomocí rtuťové porozimetrie - není nutné aplikovat metodu tlakové desky (problém s vyvozením dostatečných tlaků) - kumulativní křivka – závislost Vp (objem pórů) na jejich průměru d - Vp(d)

w  d   b V pt  V p  d   - Vpt – celkový objem pórů (m3/g) - b objemová hmotnost materiálu - w(d) objemová vlhkost (m3/m3)

pc  d  

4 d

- kapilární tlak (povrchové napětí kapaliny při teplotě 25°C – 0.073 N/m)

Stanovení retenční křivky pomocí interpolace - použití v případě, kdy by testované materiály nevydržely tlak při realizaci experimentu s tlakovou deskou - vychází z hygroskopického obsahu vlhkosti na adsorpční izotermě whyg a saturovaného obsahu vlhkosti wsat

známe tedy dva body křivky

w(pc); w(0) = wsat, w(pc, hyg) = whyg w(pc, hyg) – kapilární tlak odpovídající maximální hodnotě RH na adsorpční izotermě - jednoduchý interpolační vztah

Kelvinova rovnice



u = (mw – m0) / m0




Moisture content [kg kg -1]


3

2

1

0 0,1

1

10 Suction [bar]

Retenční křivka materiálu na bázi kalcium silikátu

100


Materiál

KM Beta - VPC Heluz Family 50 Lícová cihla

Referenční vzorky Bulk Matrix Open density density porosity (kg/m3) (kg/m3) (%) 1 961 2 553 23.2

Vzorky vystavené 2 roky vnějšímu klimatu Bulk Matrix Open density density porosity (kg/m3) (kg/m3) (%) 1 961 2603 24.7

1 441

2 839

49.2

1 266

2824

55.2

2 219

2 601

14.7

2 219

2636

15.8

Mšenský p.

1 874

2 656

29.4

1 844

2662

30.7

Kocbeřšký p.

2 242

2 653

15.5

2 228

2662

16.3



-

s nárůstem pórovitosti nárůst akumulace vlhkosti vliv distribuce pórů – nárůst retenční kapacity při malých tlacích – způsobeno vyšším obsahem větších pórů (vlivem mrazu) pokles retenční kapacity v oblasti vyšších tlaků – menší množství malých pórů


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 (transport vodní páry):


• 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 D (m2s-1), 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

 

m  d S    p p

D

  R T M

 je součinitel propustnosti pro vodní páru [s] m je množství vodní páry prodifundované vzorkem [kg] d je tloušťka vzorku [m] S je plocha vzorku [m2]  časový interval korespondující s m [s] pp 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]

mw [kg]

S [m2]

D [m2s-1]

 [s]

 [-]

180000

300.3

3656

7.733E-03

5.25E-03

1.10E-05

7.80E-11

2.10

Faktor difúzního odporu  [-]


- vyjadřuje kolikrát je transport vodní páry materiálem pomalejší v porovnání s transportem vodní páry ve vzduchu

1  N 



Dvzduch D

 součinitel propustnosti pro vodní páru [s]  faktor difúzního odporu [-] N přibližná hodnota difúzního odporu vzduchu 5.45 .109 [s-1] závisející na teplotě 1.81

Dvzduch  2.306  105

p0  T    p  273.15 

po – standardní atmosférický tlak – sea level – 101 325 Pa p – tlak při experimentu


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    d d tloušťka materiálu [m]  faktor difúzního odporu [-] - popisuje jakou tloušťku by musela mít vrstva vzduchu, aby měla stejný difúzní odpor jako měřený stavební materiál


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    d  N  rd  N - odpory jednotlivých vrstev ve vícevrstvých konstrukcích se sčítají





CS Objemová

Hustota

Pórovitost

hmotnost

matrice

(-)

(kg/m3)

(kg/m3)

260

2 260

0.88

Transport kapalné vlhkosti - difúze, kapilární vedení - vlhkostní vodivost, hydraulická


vodivost -

nejjednodušší možností jak popsat transport kapalné vody porézní strukturou materiálu je stanovení absorpčního koeficientu pro vodu A (kg/m2s1/2) a sorptivity S (m/s1/2)

I  S  t1 / 2 , I je kumulativní obsah vody (m), t(s) čas absorpce vody

i  A  t1 / 2 , i - udává celkové množství vody na jednotku plochy (kg/m2), která je v přímém kontaktu s vodu, t je čas po který je studovaný vzorek v kontaktu s vodou (s).

A  S  w.



Schéma standardního testu sorptivity – nasákavosti z volné hladiny vody


- 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:

 j    swh

  je součinitel vlhkostní vodivosti [m2 s-1], j vlhkostní tok [kg m-2s-1], s hustota matrice, wh hmotnostní vlhkost - přímou aplikací rovnice pro výpočet vlhkostního toku dostaneme vztah pro průměrnou hodnotu součinitele vlhkostní vodivosti (Kumaran, 1994)

 A       wsat  - kde wsat je nasycený obsah vlhkosti (kapilární)

2

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





[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

t

 div ( ( w) grad w)

- 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

relative moisture content [kg/kg]

Součinitel vlhkostní vodivosti v závislosti na obsahu vlhkosti pro pórobeton

0.7


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 - pro maximální výšku vzlínání vlhkosti platí: h  2    cos  σ povrchové napětí kapaliny [N/m] rg  úhel smáčení mezi kapalinou a stěnou kapiláry [°] r poloměr kapiláry [m]  objemová hmotnost kapaliny [kg/m3] g gravitační zrychlení [m/s2] - pro smáčivé kapaliny se cos 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  > 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:

 viskozita kapaliny

r    cos  v 4   h

2   h 2 čas k dosažení výšky h: t  r    cos  - 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)

Tepelné vlastnosti stavebních hmot • mechanismy transportu tepla KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

• normové veličiny • měrná tepelná vodivost • měrná tepelná kapacita • lineární, délková teplotní roztažnost • tepelná jímavost • součinitel teplotní vodivosti • tepelný odpor vrstvy materiálu • součinitel prostupu tepla • metody měření • příklady vlastností materiálů

Literatura • Stavební hmoty, L. Svoboda a kolektiv, JAGA Group s.r.o.,


Bratislava, 2004.

• ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov (2005, 2011, 2012) • Nizkoenergetické domy – principy a příklady, Jan Tywoniak a kol., Grada Publishing, a.s., 2005. • Fyzika stavebního inženýra – J. Binko, I. Kašpar, SNTL/ALFA, 1983. • Meranie termofyzikálních veličín – J. Krempaský, SAV Bratislava, 1969. • Praktická fyzika – Z. Horák, SNTL, Praha 1958. • Fyzikální a mechanická zkoušení stavebních materiálů -Michalko O., Mikš A., Semerák P., Klečka T., ČVUT 1998.


Tepelné vlastnosti stavebních materiálů • Transport tepla – v závislosti na fyzikální podstatě jevů, který je teplo transportováno, můžeme rozlišit tři různé způsoby jeho přenosu: - vedením (kondukcí) v látkách - prouděním (konvekcí) látek - zářením (radiací) Vedení - přenos tepla vedením probíhá ve spojitém látkovém prostředí - stavební částice látky si předávají kinetickou energii neuspořádaných tepelných pohybů, která se tím přenáší z míst vyšší teploty do míst o nižší teplotě látky - vedení tepla probíhá v látkách pevných, kapalných i plynných


Proudění - přenos tepla prouděním látky je vázán taktéž na spojité látkové prostředí - probíhá pouze v tekutinách, tj. v kapalinách a plynech - samovolné proudění je vyvoláno tím, že se ohříváním v důsledku roztažnosti zmenšuje hustota látek - pokud vznikne mezi místem ohřevu a místem ochlazení v tekutině teplotní rozdíl, ohřívaná část tekutiny stoupá při vytlačování ochlazené těžší části - v kapalinách a zvláště v plynech přenos tepla prouděním převažuje nad přenosem tepla vedením Záření - přenos tepla zářením nevyžaduje látkové prostředí - teplo se přenáší elektromagnetickým zářením - energetická výměna mezi plochami o různé teplotě - pokud je přenos tepla zprostředkován převážně infračerveným zářením IR (vlnová délka 760 nm – 1 mm), nazývá se tento přenos sálání


Vliv tepla na materiály • Vlivem tepelné energie přidané do materiálu dochází ke změně jeho teploty, která je doprovázena změnami rozměrů materiálu (objemu), změnou pevnosti, tvrdosti, tažnosti, změny skupenství, atd. tepelnou závislost obecně vykazují veškeré materiálové parametry!!! - délkové (objemové) změny vyvolané v materiálu vlivem změny teploty mohou vést (v závislosti na pevnostních charakteristikách materiálu) ke vzniku trhlin citlivá především souvrství materiálů o různé tepelné roztažnosti (výhodné spolupůsobení betonu a oceli) - tepelná energie může v materiálu vyvolat i další významné změny vedoucí až narušení celistvosti – tepelná dekompozice (např. rozpad po vysušení – sádra, rozklad portlanditu ve struktuře ztvrdlého cementového kamene, přemena alfa- beta, apod.)


Tepelné materiálové parametry parametry důležité především pro materiály konstrukcí, které oddělují prostředí s rozdílnými teplotními, vlhkostními a tlakovými parametry tepelné materiálové parametry dělíme na: o tepelně fyzikální veličiny – měrná tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, lineární délková teplotní roztažnost, objemová roztažnost o tepelně technické veličiny – tepelná jímavost, tepelný odpor vrstvy materiálu, součinitel prostupu tepla

Tepelné materiálové parametry


o akumulační (tepelná kapacita – měrná, objemová) o transportní (součinitel tepelné vodivosti, teplotní vodivost) o mechanické (teplotní roztažnost, objemové změny, smršťování)


Normy definující tepelné vlastnosti stavebních materiálů a požadavky na tepelně izolační funkci stavebních konstrukcí: ČSN 73 0540-1 Tepelná ochrana budov. Část 1: Termíny, definice a veličiny pro navrhování a ověřování. (červen 2005), nahrazení normy z roku 1994. ČSN EN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky - 2011 – nahrazení stávajících norem z let 1994, 2002, 2005, 2007. ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov. Část 3: Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování. (listopad 2005), nahrazení normy z roku 1994. ČSN 73 0540-4 Tepelná ochrana budov. Část 4: Výpočtové metody. (červen 2005), nahrazení normy z roku 1994. ČSN EN 12524 Stavební materiály a výrobky – Tepelné a vlhkostní vlastnosti – Tabulkové návrhové hodnoty (2001) – zrušeno k 1.10.2010


ČSN EN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky. (1.10.2011) - norma stanovuje požadavky na měrnou spotřebu energie pro vytápění a celkovou spotřebu energie v budově a to včetně spotřeby energie pro osvětlení vyjma technologického vybavení Energetický druh budovy

Jednotka

Spotřeba energie v domě Pro vytápění Celková

Pasivní dům

[kWh.m-2.h-1]

15

42

Nízkoenergetický dům

[kWh.m-2.h-1]

50

130

Běžná novostavba

[kWh.m-2.h-1]

115

170

Starý dům

[kWh.m-2.h-1]

220

280

Tepelně-technické normy zavádějí tři typy tepelně fyzikálních veličin: o normové hodnoty – číselná hodnota veličiny stanovená KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

normalizovaným postupem o charakteristické hodnoty – číselná hodnota veličiny statisticky vyhodnocená z naměřených hodnot o výpočtové hodnoty – stanovené výpočtem podle norem na základě normové nebo charakteristické hodnoty této veličiny (případně přímo tabulková hodnota dle normy) – zavedení bezpečnostních přirážek, koeficientů, hodnot určujících vlastnosti materiálu apod.

Tepelně-fyzikální veličiny


Měrná tepelná vodivost - základní tepelně-fyzikální vlastnost homogenních stavebních materiálů - vyjadřuje schopnost příslušného materiálu vést teplo za podmínek, že v materiálu jsou místa s teplotním gradientem - charakterizuje ji součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] - má číselnou hodnotu jako hustota tepelného toku při gradientu teploty 1 K na m-1 v dané látce Transport tepla lze například popsat Fourierovým vztahem

q  gradT kde q je vektor hustoty tepelného toku, T je teplota

Rychlost přenosu tepla se vyjadřuje veličinou zvanou tepelný tok nebo tepelný výkon definovanou


dQ Iq  d kde Q značí množství přenášeného tepla a  příslušný čas. Plošná hustota tepelného toku JQ je definována jako

q

dI Q dS n

Hnací silou vedení tepla je teplotní spád vyjádřený gradientem teploty.


• součinitel tepelné vodivosti nemá pro žádný materiál stálou hodnotou, neboť závisí na struktuře látky, pórovitosti, teplotě, tlaku, vlhkosti, stlačení, sypné hmotnosti atd. • vysokou tepelnou vodivostí se vyznačují kovy, například měď 402 W m-1K-1, nižší mají kapaliny, např. voda 0,56 W m-1K-1, nejhůře vedou teplo plyny, např. suchý vzduch 0,0258 W m-1K1 • součinitel tepelné vodivosti se dosazuje do tepelně technických výpočtů při návrhu a posuzování stavebních konstrukcí a budov (výpočet součinitele prostupu tepla, tepelný odpor konstrukce, celková energetická bilance budovy, atd.)


Podle velikosti součinitele tepelné vodivosti můžeme materiály rozdělit na: • vysoce tepelně izolační materiály  0,03 – 0,10 Wm-1K-1 (objemová hmotnost do 500 kgm-3) • materiály s dobrými tepelně izolačními vlastnostmi 0,10 – 0,30 Wm-1K-1 (objemová hmotnost do 800 kgm-3) • materiály se středními tepelně izolačními vlastnostmi  0,30 – 0,60 Wm-1K-1 (objemová hmotnost do 1600 kgm-3) • materiály s běžnými tepelně izolačními vlastnostmi  0,60 – 1,25 Wm-1K-1 (objemová hmotnost do 2400 kgm-3) • hutné anorganické materiály  1,25 – 3,5 Wm-1K-1 (objemová hmotnost > 2400 kgm-3) • ostatní hutné ortotropní materiály  > 3,5 Wm-1K-1 kovy s velikostí tepelné vodivosti  > 50 Wm-1K-1


Závislost součinitele tepelné vodivosti na objemové hmotnosti


Závislost s. tepelné vodivosti na objemové hmotnosti 1 – lehký beton z experlitu, 2 – pórobeton, 3 – plynosilikát, 4 – lehký beton z keramzitu, 5 - cihelný střep


Závislost s. tepelné vodivosti Liaporu na sypné hmotnosti

- na součinitel vlhkostní vodivosti má výrazný vliv vlhkost materiálu (s


nárůstem vlhkosti dochází k poklesu tepelně izolačních vlastností) - způsobeno součinitelem tepelné vodivosti vody (cca 0,58 Wm-1K-1), která je cca 25x > než tepelná vodivost vzduchu (cca 0,025 Wm-1K-1) a také tím, že dochází šíření tepla prouděním - v případě, kdy dojde k zmrznutí vlhkosti, dochází k dalšímu nárůstu součinitele tepelné vodivosti (  = 2,3 Wm-1K-1 při -10°C)

(W/mK)

Teplota (°C) 0

10

20

30

voda

0.555

0.571

0.587

0.603

vzduch

0.0235

0.0243

0.0250

0.0257


- podstatný nárůst součinitele tepelné vodivosti vlivem nárůstu vlhkosti má významné důsledky při praktickém provádění konstrukcí (zejména tepelných izolací, pórobetonu, apod.) nasákavé materiály je nutné v průběhu skladování, montáže a i po zabudování do konstrukce dostatečně chránit proti pronikání vlhkosti - při návrhu konstrukcí a konstrukčních detailů je tedy nutné počítat se součinitelem tepelné vodivosti, který odpovídá praktické vlhkosti materiálu (ne dokonale vysušenému materiálu – pozor na vzdušnou vlhkost, viz. sorpční izotermy)

- v ČSN 73 0540-1 je vyjádřena změna velikosti součinitele tepelné vodivosti v závislosti na změně vlhkosti pomocí součinitele Zu [-] (dříve Zw)


- vlhkostní součinitel materiálu Zu [-]

Zu 

a2

k

- a2 součinitel regresní lineární závislosti součinitele teplotní vodivosti na hmotnostní vlhkosti (směrnice závislosti) - k charakteristická hodnota součinitele tepelné vodivosti


Závislost součinitele tepelné vodivosti na obsahu vlhkosti.


Závislost součinitele tepelné vodivosti na obsahu vlhkosti desek EPS – S - s každým objemovým % obsahu vlhkosti roste tepelná vodivost o 3 - 4 % (měřeno na zkušebních tělesech o objemové hmotnosti 16 kg/m3).


Závislost součinitele tepelné vodivosti na obsahu vlhkosti sanačních omítek.


- pro zvýšení tepelně izolačních vlastností materiálu je výhodnější větší množství malých pórů oproti pórům velkým, ve kterých probíhá radiace - anisotropní materiály mají v jednotlivých směrech různé hodnoty součinitele tepelné vodivosti (minerální vlny, lamináty s výztuží ze skleněných vláken) Druh dřeva

Objemová hmotnost  (kg/m3)

Součinitel tepelné vodivosti  (W/mK) kolmo na vlákna

rovnoběžně s vlákny

Borovice

550

0.17

0.35

Dub

800

0.23

0.41

- u porézních materiálů dochází se zvyšováním teploty k intenzivnějšímu sálání v pórech


nárůst součinitele tepelné vodivosti - pro informativní stanovení závislosti mezi teplotou a součinitelem tepelné vodivosti je možno použít vztah:

t  0  0, 0025t - 0 součinitel tepelné vodivosti při teplotě 0°C [W/m-1K-1] - t teplota, pro kterou se stanovuje tepelná vodivost [°C]


Závislost součinitele tepelné vodivosti na teplotě EPS desky (měřeno na zkušebních tělesech o objemové hmotnosti 20 kg/m3).

APLIKACE „SEMI-SCALE“ EXPERIMENTŮ PŘI STANOVENÍ TEPELNĚ-VLHKOSTNÍ FUNKCE STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ A KONSTRUKCÍ

PRAHA, 31. října 2013


STANOVENÍ TEPELNÝCH VLASTNOSTÍ CIHELNÝCH BLOKŮ 

není možné použít běžné metody a zařízení pro měření tepelných vlastností – metoda záblesku, impulzní metoda, metoda teplého drátu – transientní metody, metody stacionární – guarded hot plate uspořádání – malé vzorky, především deskového tvaru



využití semi-scale experimentů

APLIKACE „SEMI-SCALE“ EXPERIMENTŮ PŘI STANOVENÍ TEPELNĚ-VLHKOSTNÍ FUNKCE STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ A KONSTRUKCÍ


PRAHA, 31. října 2013

a) vzduchové dutiny b) dutiny vyplněny polystyrenem c) dutiny vyplněny minerální vlnou d) dutiny vyplněné drcenou PU pěnou


 v klimatických komorách byly nastaveny diferenční teploty 15/30°C, relativní vlhkost ≈ 30%

simulován 1-D transport tepla – dosažení


ustáleného tepelného toku  kombinované senzory RH/T Ahlborn (Německo) – kapacitní senzory RH jsou aplikovatelné v rozsahu 5-98% s přesností ± 2%, NTC termistory měří s přesností ± 0.1°C v rozsahu teploty 0°C to 70°C  tepelný tok byl monitorován senzorem Ahlborn FQA020C – kruhový tvar průměru 33 mm, přesnost ± 5% z měřené hodnoty

q    gradT , Bulk density (kg/m3) 1 389

Matrix density (kg/m3) 2 830

Total open porosity (-) 0.51



Výplň dutin Vzduch

Polystyren

Efektivní tepelná vodivost (W·m-1·K-1) Tepelný odpor (m2·K·W-1)

0.124

Součinitel přestupu tepla (W·m-2·K-1)

PU

0.085

Hydrofobizovaná min. vlna 0.077

Hydrofilní minerální vlna 0.074

0.081

4.03

5.88

6.49

6.76

6.17

0.25

0.17

0.15

0.15

0.16

Materiál Hořečnatá deska Aerogel

Material Aerogel Hořečnatá deska Kompozit

Material

Objemová hmotnost[ kg/m3]

Hustota matrice [kg/m3]

Pórovitost [%]

925 210

1 932 1775

52.5 88.2

c [J/(m3K)] 1 758.4 3 366.3 -

a [m2/s] 0.228 0.022 -

μ [-]

D [m2/s] Dry cup

Aerogel Parotěsná vrstva Hořečnatá deska Kompozit

8.6·10-6 1.3·10-8 1.3·10-6 7.9·10-7

3.5 1 770.1 17.1 29.0

λ [W/(mK)] 0.016 0.371 -

d [m] 0.02 0.0092 -

D μ 2 [m /s] [-] Wet cup 8.5·10-6 2.7 -6 2.6·10 9.0 6.3·10-7 36.8

R [kg/m3] 0.02 1.33 1.35

VLASTNOSTI STAVEBNÍCH HMOT VE VZTAHU K JEJICH STRUKTUŘE II

Recommend Documents