ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI STAVEBNÍCHMATERIÁLŮ VE VAZBĚ NA IZOLAČNÍ VLASTNOSTI

Katedra materiálového inženýrství a chemie ■■■■■

o vnitřní struktura materiálů (struktura – tvar, velikost, složení částic – uspořádání na mikroskopické úrovni < 1m, 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)

Izolační vlastnosti (schopnosti) stavebních materiálů

2

o hustota a objemová hmotnost jsou jako fyzikální veličiny definována poměrem elementární hmotnosti ku elementárnímu objemu

Objemová hmotnost a hustota:

dVdm

[kg/m3]

pro homogenní materiál pak můžeme psát

vVm

kde v 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

Pórovitost materiálu je definována jako poměr objemu dutin k celkovému objemu materiálu.

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)

Pórovitost:

VVo

[-], [%]

7

o navlhavost a vysychavost materiálůo schopnost difúze kapalin a plynů materiályo zvukově izolační vlastnosti (schopnost pohlcovat zvuk)o tepelně izolační vlastnosti (schopnost vést a akumulovat teplo)

Otevřené póry díky spojení s vnějším prostředím, ve které se materiál nachází, přímo ovlivňují:

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

8

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

9

Snímky porézní struktury mšenského pískovce pořízené SEM

10

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 nemůžetěmito pór pohybovat

11

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

12

Příklad distribuční křivky pórů pro vzorek betonu –převládají kapilární mikropóry

13

10000Ř / nm

1 1000010 10000100 100001000 10000

0.08

V Por

e / c

m3 g

-1

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

·10-3

dV/dŘ

/ cm

3 nm-1

g-1

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

·10-3

Příklad distribuční křivky pórů pro vzorek pálené cihly ošetřené injektážními přípravky Aquafin F, Aquafin Q a parafinem

14

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Obj

em p

órů

cm3 /g

Rozměr pórů (m)

n

AF

AQ

parafin

Příklad distribuční křivky pórů pro vzorek pálené cihly ošetřené injektážními přípravky Aquafin F, Aquafin Q a parafinem

15

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.001-0.01 0.01-0.1 0.1-1 1-10 10-100

Obj

em p

órů

(cm

3 /g)

Průměr pórů (m)

n

AF

AQ

parafin

- vlastnost definující chování sypkých materiálů- vyjadřuje poměr objemu mezer mezi zrny k celkovému objemu určitého množství sypké látky

Vh – objem vlastního materiálu bez všech dutin, pórů a mezerVp – objem pórův – objemová hmotnosts – sypná hmotnost

Mezerovitost (M):

16

v

sphphm

VVV

VVVV

VVM

11

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 udáván v [m2/kg].

17

VLHKOSTNÍ VLASTNOSTI STAVEBNÍCHMATERIÁLŮ VE VAZBĚ NA IZOLAČNÍ VLASTNOSTI

Katedra materiálového inženýrství a chemie ■■■■■

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, na životnost, funkčnost 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 (vliv na pevnost)

betony, pórobetony

omítky (sanační, tepelně-izolační)

nátěry a další povrchové úpravy

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

• mw hmotnost vlhkého materiálu [kg, g]• md hmotnost suchého materiálu [kg, g]• mk hmotnost kapaliny [kg, g]• wh hmotnostní vlhkost [%hm.]

25

%100%100

d

k

d

dwh m

mm

mmw

Objemová vlhkost

Vw objem volné vody [m3]Vd objem suchého materiálu [m3]v hustota vody [kgm-3]d objemová hmotnost suchého materiálu [kgm-3]wv objemová vlhkost [% obj.]

26

( )100% . 100% .

100% .

w w dv

d w d

h d

w

V m mw obj objV V

w obj

Transport vlhkostio sorpcí vodní páry

o difúzí vodní páry

o kapilárním vedením – vlhkostní vodivostí (difúzní proces)

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 27

- 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 okolního prostředí

- 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

29

uvacIII

IIucap

I

Vakuová nasákavost

Kapilární nasákavost

Hygroskopická vlhkost95-97%

Kapilární kondenzaceMonomolekulární adsorpce

Multimolekulární adsorpce

u2u1

30

Měření sorpčních izoterem – exikátorová metoda (ustálení roztoku)

31Příklady roztoků solí pro simulaci specifických hodnot relativní vlhkosti

Solný roztok

Teplota/Relativní vlhkost Počet referencí

20°C 23°C 25°C

Silica gel 0.05 0.05 0.05 1

LiCl0.113±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

NaCl0.7547±0.0014 0.7536±0.0013 0.7529±0.0012 1,2,4

- - 0.751 3

NH4Cl 0.7923±0.0044 0.7883±0.0042 0.7857±0.0040 1

KCl0.8511±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

K2SO4

0.979 - 0.976 2

- - 0.97 3

32

Sorpční izoterma pálené cihly, pórobetonu a opuky

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

f[-]

u[kg

kg-1

]

BRI

AACI

CML

33Sorpční izoterma pórobetonu (DVS Advantage)

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 34

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 (možnost odvodit distribuční křivku pórů)

35

Mikro póry Makro póry 10-10 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 1 10-1 10-2

Kapilární tlak [bar]

0.05 0.60 0.93 0.99

Relativní vlhkost [-]

Sorpční izoterma Retenční křivka

Distribuce pórů

38

37

0

1

2

3

0,1 1 10 100Suction [bar]

Moi

stur

e co

nten

t [kg

kg

-1]

Retenční křivka materiálu na bázi kalcium silikátu

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

40

Veličiny používané k hodnocení difúzních vlastností stavebních materiálů:

• součinitel difúze

• součinitel propustnosti pro vodní páru (permeabilita)

• 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, 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)

materiály tepelně-izolačních systémů

40

Tok vodní páry

hnací silou při transportu vodní páry v materiálech je buď gradient parciální hustoty vodní páry, či gradient parciálního tlaku vodní páry

41

wvwv Dgradj

wvwv gradpj

MRTD

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)

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] 44

ppSdm

45

Realizace experimentu v klimatické komoře

Miska s umístěným vzorkem

44

Faktor difúzního odporu [-]

- 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

součinitel propustnosti pro vodní páru [s]

faktor difúzního odporu [-]

N přibližná hodnota difúzního odporu vzduchu 5.45 .109 [s-1] závisející na teplotě

N1

DD a

81.105

15.27310306.2

T

ppDa

45

Realizace experimentu v klimatické komoře – měření v závislosti na teplotě

0

20

40

60

0 50 100Tepl

ota

[°C

]Čas [h]

Odchylky od nastavené teploty

10°C

20°C

30°C

40°C

50°C

45

0.0E+002.0E-064.0E-066.0E-068.0E-061.0E-051.2E-051.4E-051.6E-051.8E-052.0E-05

10 20 30 40 50

Wat

er v

apor

di

ffusi

on c

oefic

ient

[m

2 /s]

Temperature [°C]

2cm

3cm

5cm

0

2E-11

4E-11

6E-11

8E-11

1E-10

1.2E-10

1.4E-10

10 20 30 40 50

Wat

er v

apor

di

ffusi

on

perm

eabi

lity

[s]

Temperature [°C]

2cm

3cm

5cm

0

1

2

3

4

5

6

0 100 000 200 000 300 000

mas

s ga

in[g

]

time [s]

10°C

20°C

30°C

40°C

50°C

47

Ekvivalentní difúzní tloušťka materiálu rd[m]

- závislá na geometrii (tloušťce) materiálu

- používá se hlavně k vyjádření difúzních vlastností povrchových úprav – sanačních omítek, nátěrových systémů apod.

- fyzikálně představuje vrstvu vzduchu, která by kladla difundujícímu plynu stejný odpor, jako deska daného materiálu

d tloušťka materiálu [m]

faktor difúzního odporu [-]

Difúzní odpor materiálu Rd [ms-1]

- v tepelně-technických výpočtech ovlivní množství zkondenzované vodní páry (bilance zkondenzované vlhkosti)

dr d

NrNdR dd

48

ČSN EN 12524 (73 0576) Stavební materiály a výrobky -Tepelně vlhkostní vlastnosti - Tabulkové návrhové hodnoty (r. 2000)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 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

49

50

51

52

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 =S t1/2

-kde I je kumulativní absorpce vody a t čas odpovídající této absorpci, Sorptivita S [m s-1/2]

i =S A t1/2

- i (kg m-2) kumulativní hmotnost vody a A (kg m2s-1/2) absorpční koeficient pro kapalnou vodu

)(TSA w

53

54

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:

je součinitel vlhkostní vodivosti [m2 s-1]

- j vlhkostní tok [kg m-2s-1]

s 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)

hs wj

2

satwA

55

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500 600

Square root of time [s1/2]

Inflo

w [k

g m

-2]

MUDUsDUh

Křivka nasákavosti minerální vlny typu MU a Dus, Duh(Rockwool a.s.)

56

0

10

20

30

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Square root of time [s1/2]

Inflo

w [k

g m

-2]

CSI

CSII

CSIII

CSIV

Křivka nasákavosti materiálu na bázi kalcium silikátu

57

Stanovení součinitele absorpce pro vodu a součinitele vlhkostní vodivosti minerální vlny typu MU

m0 S wsat Vzorek [kg] [m2] [kg m-3] [kg m-2s-1/2] [m

2s-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

x - - 995.459 0.21 4.59E-08

58

- podrobněji lze transport kapalné vlhkosti popsat pomocí nelineární difúzní rovnice

- 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)

))(( wgradwdivtw

59

Profily vlhkosti pro vzorek pórobetonu

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 0.05 0.1 0.15 0.2

vzdálenost [m]

hmot

nost

ní v

lhko

st [k

g/kg

]

12900s16500s20100s2370027300s30900s34500s

60

Součinitel vlhkostní vodivosti pórobetonu

1.00E-09

1.00E-08

1.00E-07

1.00E-06

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

hmotnostní vlhkost [kg/kg]

vlhk

ostn

í vod

ivos

t [m

2 s-1]

Matanov a metoda

Metoda dv ojnéintegraceDif erenční metoda

Gradientov á metoda

61

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

62

Nasákavost vybraných stavebních materiálů.

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

63

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 nasákávánívody 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

64

- 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:

σ povrchové napětí kapaliny [N/m]

úhel smáčení mezi kapalinou a stěnou kapiláry [°]

r poloměr kapiláry [m]

objemová hmotnost kapaliny [kg/m3]

g gravitační zrychlení [m2/s]

grh

cos2

65

‐ 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

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)

rh 149.0 [cm]

63

- 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)

67

- 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

- čas k dosažení výšky h:

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)

hrv

4

cos

cos2 2

r

ht

68

- 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)