KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE VLASTNOSTI REÁLNÝCH STAVEBNÍCH HMOT

Transkript

1 KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE VLASTNOSTI REÁLNÝCH STAVEBNÍCH HMOT

2 Vlastnosti stavebních hmot úvod, shrnutí základní stavební jednotkou látek jsou atomy hmotné částice o hmotnosti 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)

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)

4 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

5 Schéma vzniku mikrostruktury keramického střepu Surovinová směs (disperzní soustava) směs různě velikých zrn minerálů (fází) přechodná mikrostruktura (výlisku, výsušku) uspořádání a spojení zrn minerálů (fází) mezimolekulárními silami, přítomnost pórů mezi zrny výsledná mikrostruktura (vypáleného střepu) lisování, konsolidace slinování (výpal), kompaktace uspořádání a spojení zrn reakčními produkty změna zrn a pórů (fázového složení)

6 Schéma vzniku mikrostruktury zatvrdlé maltoviny surovina nebo směs (disperzní soustava) směs různě velikých zrn jednoho nebo více minerálů mikrostruktura maltoviny kompaktní (např. slínek) rozrušená (např. cement uspořádání a spojení zrn oddělená a volná zrna minerálů, póry nebo shluky zrn minerálů mikrostruktura zatvrdlé maltoviny tepelné zpracování, slinování určité velikosti + H 2 O, tuhnutí, tvrdnutí zrna hydratačních produktů maltoviny spojená v souvislou tuhou fázi

7 Schéma výroby portlandského cementu Typický rozměr slínku C Rotační pec pro výpal slínku

8 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.

9 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)!!!

10 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

11 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!!!

12 Vlastnosti stavebních materiálů Základní fyzikální vlastnosti Vlhkostní a difúzní vlastnosti Mechanické vlastnosti Tepelné vlastnosti Akustické vlastnosti Radioaktivita Chemické vlastnosti

13 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

14 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) ρ = dm dv ρ = m V = [kg/m 3 ] pro homogenní materiál pak můžeme psát ρ v kde ρ v je objemová hmotnost materiálu, definovaná poměrem celkové hmotnosti vzorku ku celkovému objemu vzorku včetně pórů a mezer.

15 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 m s, hmotnosti vodou nasyceného vzorku m v a hmotnosti ponořeného vodou nasyceného vzorku, tzv. Archimédovy hmotnosti m a, se vypočítá objem vzorku dle rovnice V m v m = a ρ l kde ρ l je hustota kapaliny (vody) základní vlastnosti, jako jsou obsah nasycené vlhkosti w c a hustota materiálu ρ mat se určují z následujících rovnic w c m m ψ v s s v = 0 mat V ( 1 Ψ ) 0 = ρ V ρ = m

16 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 m ρ 1 = ρ mat = l m3 ( m2 m1) ρ [kg m -3 ] kde m 1 je hmotnost suchého vzorku [kg], m 2 je hmotnost zavřeného pyknometru se vzorkem a kapalinou [kg], m 3 je hmotnost pyknometru se zátkou naplněného zcela kapalinou [kg], ρ l je hustota měřené kapaliny [kg m -3 ]

17 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).

18 Např. u pórovitého kameniva můžeme tedy rozlišit celkem čtyři různé veličiny: sypná hmotnost ve stavu volně sypaném (např. 400 kg/m 3 ) sypná hmotnost ve stavu setřeseném (např. 600 kg/m 3 ) objemová hmotnost zrn (např. 850 kg/m 3 ) nezapočítá se objem mezer mezi zrny hustota zrn (např kg/m 3, 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.

19

20

21 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 V h ρ h = = v 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)

22 Pórovitost pórovitost materiálu je definována jako poměr objemu dutin k celkovému objemu materiálu. V ψ = o 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)

23 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)

24 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 ψ c ρv = 100*(1 ) ρ mat

25 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

26 Plynová adsorpční porozimetrie Objemové zastoupení přechodových pórů v metakaolinu: Měrný povrch (BET): 11.3 m 2 g -1 Objem přechodových pórů: cm 3 g -1

27 Rtuťová porozimetrie Vhodná pro přechodové a makro-póry (polměr pórů >2 nm) stanovení: distribuce makro a mezo-pórů měrného povrchu distribuce částic Pascal

28 Materiál Pórovitost [% obj.] Cihly pálené Malta cementová 31 Malta vápenná 41 Sádra Písek 39 Drobný štěrk 42 Mramor 2-3 Pískovec 1-31 Vápenec 31 Břidlice 1,5 2,5

29

30 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 V Pore / cm 3 g dv/dř / cm 3 nm -1 g Ř / nm příklad distribuční křivky pórů pro vzorek betonu (převládají kapilární mikropóry)

31 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 m, voda a plyny se zde chovají jako v soustavě kapilár, pohyb vody je vyvoláván povrchovým napětím (kapilárními silami) rozdělení kapilárních pórů: kapilární mikropóry: m kapilární přechodové póry: m kapilární makropóry: m makropóry a vzdušné póry již se neuplatňují kapilární síly neboť dutiny (póry) jsou příliš rozsáhlé a převládá vliv gravitace

32 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 M V V V V V m h p h p = = = 1 = 1 V V V V ρs ρ v V h objem vlastního materiálu bez všech dutin, pórů a mezer V p objem pórů ρ v objemová hmotnost ρ s sypná hmotnost

33 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 [m 2 /kg], použití např. při klasifikaci jemnosti mletí cementu (běžné cementy m 2 /kg)

34 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.

35 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

36 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)

37 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) osorpční 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.)

38 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 otrvalávlhkost trvalá vlhkost je charakteristická pro materiály zabudované do konstrukce kritická vlhkost maximálnípřípustná 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

39

40 Vlhkost veličiny, základní vztahy Hmotnostní vlhkost: w h = m w m d m d mk 100% = 100% m d m w hmotnost vlhkého materiálu [kg, g] m d hmotnost suchého materiálu [kg, g] m k hmotnost kapaliny [kg, g] w h hmotnostní vlhkost [%hm.]

41 Objemová vlhkost: w v V = V w d ( mw md ) wh ρd 100% obj. = 100% obj. = 100% obj. ρ V ρ w d w V w objem volné vody [m 3 ] V d objem suchého materiálu [m 3 ] ρ w hustota vody [kgm -3 ] ρ d objemová hmotnost suchého materiálu [kgm -3 ]

42 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

43 - 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)

44 u vac III Vakuová nasákavost u cap II Kapilární nasákavost I ξ (T, φ) Hygroskopická vlhkost 95% Monomolekulární adsorpce Multimolekulární adsorpce Kapilární kondenzace

45 - schéma měření sorpčních izoterem

46 Salt Temperature/Relative humidity 20 C 23 C 25 C Number of references Silica gel LiCl 0.113± ± ± ,3, MgCl 2.6H 2 O ± ± ± ,2,3,4 K 2 CO NaNO ,3 NaCl ± ± ± ,2, NH 4 Cl ± ± ± KCl ± ± ± , KNO K 2 Cr 2 O K 2 SO Příklady roztoků solí pro simulaci specifických hodnot relativní vlhkosti.

47 0,1 0,08 BRI AACI CML u[kg kg -1 ] 0,06 0,04 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.

48 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

49 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 Průměr pórů [m] Kapilární tlak [bar] Relativní vlhkost [-] Sorpční izoterma Retenční křivka Distribuce pórů

50 Hygroskopická vlhkost Nadhygroskopická vlhkost ϕ [-] p [Pa] 2.95E E E E E E+03 Vztah mezi relativní vlhkostí φ a kapilárním tlakem p c v pórech popisuje z a izotermínch podmínek Kelvinova rovnice p = v p = c φ exp p RT vs ρ l kde p v a p vs jsou tlaky vodní páry a nasycené vodní páry [Pa], ρ l objemová hmotnost vody [kg m -3 ], R univerzální plynová konstanta [J mol -1 K -1] at je teplota [K]

51

52 3 Moisture content [kg kg -1 ] , Suction [bar] Retenční křivka materiálu na bázi kalcium silikátu

53 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 10-7 m, protože v těchto kapilárách nedochází ke kapilární kondenzaci

54 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

55 Součinitel difúze δ součinitel difúzní vodivosti, součinitel propustnosti pro vodní páru [s], [kgm -1 s -1 Pa -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 δ = S Δm d τ Δ p 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] Δp p rozdíl parciálních tlaků vodní páry změřený ve vzduchu nad a pod povrchem vzorku [Pa]

56

57 Decrease of water mass[g] Time [s] Křivka transportu vodní páry pro materiál na bázi kalcium silikátu CSI t [s] T [K] P [Pa] Δm w [kg] S [m 2 ] D [m 2 s -1 ] E E E E δ [s] μ [-]

58 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 [s -1 ] závisející na teplotě

59 Ekvivalentní difúzní tloušťka materiálu r d [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 [-]

60 Difúzní odpor materiálu R d [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 x10 9 s -1 ) R = μ dn = r N d d

61

62

63

64 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 -2 s -1/2 ] ze vztahu I=A t 1/2 - 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].

65 w cap.h second stage inflow (kg/m²) A (kg/m²s 1/2 ) first stage square root of time (s 1/2 )

66 - 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 κ s w h κ je součinitel vlhkostní vodivosti [m 2 s -1 ], j vlhkostní tok [kg m -2 s -1 ], ρ s hustota matrice, w h hmotnostní vlhkost - přímou aplikací rovnice pro výpočet vlhkostního toku dostaneme vztah pro průměrnou hodnotu součinitele vlhkostní vodivosti (Kumaran, 1994) - kde w sat je nasycený obsah vlhkosti (kapilární) κ w sat 2 A

67 Inflow [kg m -2 ] MU DUs DUh Square root of time [s 1/2 ] Křivka nasákavosti minerální vlny typu MU a Dus, Duh (Rockwool a.s.).

68 40 30 Inflow [kg m -2 ] CSI CSII CSIII CSIV Square root of time [s 1/2 ] Křivka nasákavosti materiálu na bázi kalcium silikátu.

69 Vzorek m 0 S w sat Α κ [kg] [m 2 ] [kg m -3 ] [kg m -2 s -1/2 ] [m 2 s -1 ] E E E E E E E E E E-08 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 ( κ ( 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) =

70 relative moisture content [kg/kg] s 16500s 20100s s 30900s 34500s position [m] Profily vlhkosti pro vzorek pórobetonu

71 1.00E-06 moisture diffusivity [m 2 s -1 ] 1.00E E-08 Matano method Double integration method Dif f erence method Gradient method 1.00E relative moisture content [kg/kg] součinitel vlhkostní vodivosti v závislosti na obsahu vlhkosti pro pórobeton

72 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

73 Materiál Hmotnostní nasákavost % Objemová nasákavost % Dřevo Ocel -0-0 Cihly plné, pálené Beton hutný Pórobeton Pěnový polystyren < 7 Nasákavost vybraných stavebních materiálů.

74 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)

75 Vzlínavost (kapilarita) kapilární vedení vlhkosti - pro maximální výšku vzlínání vlhkosti platí: σ povrchové napětí kapaliny [N/m] θ úhel smáčení mezi kapalinou a stěnou kapiláry [ ] r poloměr kapiláry [m] ρ objemová hmotnost kapaliny [kg/m 3 ] g gravitační zrychlení [m/s 2 ] - pro smáčivé kapaliny se cosθ blíží 1, přičemž voda má povrchové napětí cca N/m - vztah pro výpočet maximální výšky vzlínání pro vodu můžeme tedy zjednodušit na formu 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) h = h 2 σ cosθ = r ρ g

76 Závislost povrchového napětí vody na teplotě.

77 - 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)

78 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: η viskozita kapaliny čas k dosažení výšky h: v = r σ cosθ 4 η h 2 2 η h t = r σ cosθ - 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)

79

80 - 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)