ĆWICZENIE NR 1

POMIAR WSPÓŁCZYNNIKA PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ

1.1. Elementarne wiadomości z zakresu teorii przewodnictwa cieplnego.

Różnice temperatur między poszczególnymi punktami rozpatrywanej przestrzeni wywołują przepływ ciepła.

Gęstość strumienia cieplnego, czyli ilość ciepła przepływająca w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni związana jest z właściwościami pola temperatury empirycznym prawem Fouriera:

q = -λ*grad t (1.1)

Gdzie:

λ - współczynnik przewodzenia ciepła (przy założeniu izotropowości ciał).

q - wektor gęstości strumienia cieplnego

Gradient pola temperatur (grad t) jest operatorem różniczkowym określającym zmiany przyrostów temperatury w funkcji współrzędnych przestrzennych rozpatrywanego obszaru. W przypadku rozpatrywania jednej zmiennej przestrzennej, tzn., gdy temperatura nie zależy np. od współrzędnych "y" i "x", a zmienia się wzdłuż osi "z", prawo (1.1) przybiera prostą postać równania różniczkowego zwyczajnego:

q = - λ*dt/dz ( 1 . 2 )

Jeśli temperatura jest stała w całej przestrzeni, prawa strona równania jest równa zero, a strumień cieplny jest zerowy. Nie ma przepływu ciepła między punktami o tej samej temperaturze, co jest zgodne z sensem fizycznym zagadnienia. Przechodząc od równania (1.2) do równania różniczkowego i korzystając z definicji gęstości strumienia cieplnego możemy uzyskać wzór określający współczynnik λ:

λ=Q*Δz/S*τ*Δt=q* Δz/ Δt (1.3)

Q - ilość ciepła

Δz- grubość warstwy przegrody -

τ -czas

Δt- różnica temperatur na powierzchni przegród

Współczynnik przewodności cieplnej określany jest, zatem przez ilość ciepła przepływającą w warunkach ustalonego przepływu w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię płaskiej przegrody z danego materiału o grubości 1m przy różnicy temperatur na powierzchniach 1°C.

λ [W/m*K] - układ SI

Wielkościami pochodnymi od współczynnika przewodności cieplnej λ stosowanymi w obliczeniach inżynierskich są: opór cieplny R i współczynnik przenikania ciepła U. Opór cieplny jednomateriałowej przegrody lub warstwy wchodzącej w skład przegrody jest proporcjonalny do jej grubości i odwrotnie proporcjonalny do współczynnika przewodności cieplnej λ.

R= Δx/λ = d/λ [m²*K/W] ( 1.4 )

d - grubość warstwy

Całkowity opór cieplny wielowarstwowej przegrody płaskiej jest sumą oporów cieplnych

poszczególnych warstw, uzupełnioną o opory wnikania ciepła przy powierzchniach R_i i R_e.

R= R_i +R₁+R₂+....+R_n+R_p+R_e= 1/α_i+Σd_i/λ_i+R_p+1/α_e ( 1.5 )

α_i, α_e - współczynniki przejmowania ciepła odpowiednio na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody

R_p - opór cieplny nie wentylowanej szczeliny powietrznej

Natomiast współczynnik przenikania ciepła U jest odwrotnością całkowitego oporu cieplnego:

U=1/R ( 1.6 )

1.2. Przewodność cieplna materiałów budowlanych

W punkcie 1.1 przyjęliśmy, że współczynnik λ jest wielkością stałą dla danego materiału. W rzeczywistości większość materiałów wykazuje anizotropię termiczną (materiały krystaliczne i włókniste), co oznacza, że λ zależy od kierunku przepływu ciepła. Ma to np. miejsce w przypadku drewna. Dla drewna sosnowego przy przepływie w poprzek włókien

λ =0,16 W/m²*K zaś przy przepływie wzdłuż włókien λ =0,35 W/m²*K . Podobne zjawisko występuje w takich materiałach jak maty i płyty z wełny szklanej i mineralnej.

W materiałach porowatych, włóknistych lub ziarnistych ma miejsce nie tylko przewodzenie ciepła, ale złożona wymiana ciepła: przez przewodzenie w substancji stałej oraz przez przewodzenie i promieniowanie w komórkach powietrznych. Ponieważ współczynnik przewodzenia ciepła dla powietrza jest znacznie mniejszy niż dla substancji stałej, więc ze spadkiem gęstości materiału (a tym samym wzrostem porowatości) maleje również jego przewodność cieplna. Między poszczególnymi materiałami o tej samej substancji stałej i tej samej gęstości mogą istnieć znaczne różnice wartości współczynników przewodzenia ciepła. Wynika to z faktu, że przewodność cieplna zależy również od struktury porów, tj. od udziału porów różnej średnicy w ogólnej objętości porów.

Rys. 1.1. Wpływ porowatości na współczynnik przewodzenia ciepła.

Współczynnik λ zależy również od temperatury i zwiększa się wraz z jej wzrostem. W przypadku materiałów budowlanych i w zakresie temperatur występujących w przegrodach w normalnych warunkach ich użytkowania zmiany te są pomijalnie małe. O wiele istotniejszy jest wpływ zawilgocenia na współczynnik przewodności cieplnej.

Woda zapełniająca pory materiałów budowlanych ma współczynnik przewodności cieplnej około dwudziestokrotnie większy niż powietrze; λ dla wody wynosi ok. 0,56 W/m²*K dla powietrza w temperaturze 0 Cº wynosi 0,024 W/m²*K. Z tego względu współczynnik przewodności cieplnej w znacznym stopniu zależy od wilgotności materiału i warunków eksploatacyjnych pomieszczeń. Dla niektórych przegród wykonywanych przy użyciu procesów mokrych lub z materiałów o znacznej początkowej ilości wilgoci technologicznej wzrost współczynnika λ może być nawet dwukrotny w porównaniu do λ dla wilgotności eksploatacyjnej. Natomiast wiele materiałów ma w warunkach eksploatacji wartość λ 1,5-krotnie większą niż dla materiału suchego.

Rys. 1.2. Wpływ wilgotności na współczynnik przewodzenia ciepła.

- cegła klinkierowa ρ=2251 kg/m3

- cegła ceramiczna ρ = 1807 kg/m3

- cegła z ziemi okrzemkowej ρ = 1130 kg/m

Pojawienie się lodu w porach powinno powodować dalsze zwiększenie współczynnika przewodności cieplnej, ponieważ λ lodu wynosi 2,3 W/m²*K. Ponieważ jednak zamrożenie wody w porach odbywa się w temperaturze niższej niż 0 Cº (w porach o średnicy 0,24mm przy temperaturze -14,2°C), więc zagadnienie to ma drugorzędne znaczenie.

Wpływ wilgotności na przewodność cieplną materiałów uwzględniony jest w obowiązującej obecnie normie PN-91/B-02020 w postaci dwóch wartości obliczeniowych współczynników przewodności cieplnej odpowiadających pomieszczeniom wilgotnym i średniowilgotnym.

1.3. Metody pomiarów przewodności cieplnej.

Istnieją dwie grupy metod pomiaru przewodności cieplnej materiałów:

a) metody stacjonarne lub metody ustalonego strumienia cieplnego

b) metody niestacjonarne lub metody nieustalonego strumienia cieplnego.

W metodach stacjonarnych strumień ciepła przepływający przez próbkę powinien być stały, co do wartości, a temperatura powierzchni ustalona. Współczynnik przewodzenia ciepła określa się mierząc gęstość strumienia cieplnego i różnicę temperatur po obu stronach próbki. Dużą niedogodnością tych metod jest długi czas potrzebny na przeprowadzenie pomiaru, który wynosi od kilku do kilkudziesięciu godzin. W związku z tym wynikają poważne trudności przy badaniach materiałów wilgotnych, w których podczas pomiaru może nastąpić odparowanie wilgoci.

W metodach niestacjonarnych wykonuje się pomiary temperatur i czasu przy zmiennym strumieniu cieplnym. Zaletą jest krótki czas prowadzenia pomiaru. Niekiedy jest jednak konieczne wykonanie dodatkowych badań ciepła właściwego i gęstości badanego materiału.

1.3.1. Metody stacjonarne.

W zależności od kształtu próbek (płaskie, cylindryczne, kuliste) korzysta się przy określaniu λ z różnych wzorów będących konsekwencją rozwiązania jednowymiarowych równań przewodzenia ciepła, zapisanych w odpowiednim układzie współrzędnych (kartezjański, walcowy, sferyczny).

1. próbka płaska, aparat płytowy

b) próbki cylindryczne; aparat rurowy

c) próbki sferyczne; aparat kulowy

1.3.2. Metody niestacjonarne.

Niestacjonarne metody pomiaru polegają na wykorzystywaniu zależności między gęstością strumienia cieplnego a temperaturą w warunkach nieustalonego przepływu ciepła przez badany materiał. Układem pomiarowym, który można zakwalifikować do tej grupy metod jest sonda liniowa o stałym wydatku. Idea przyrządu polega na umieszczeniu w badanym ośrodku drutu grzejnego zasilanego prądem elektrycznym w taki sposób, że wydzielający się strumień ciepła Joule'a-Lenza jest stały w czasie. W wyniku wydzielania ciepła następuje nagrzewanie się drutu i jednoczesne oddawanie ciepła przez przewodzenie do otaczającego ośrodka.

ĆWICZENIE NR 2

POMIAR WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA U

1. Podstawowe wiadomości o wymianie ciepła.

Między ośrodkami różniącymi się temperaturą wymiana ciepła może zachodzić poprzez konwekcję, promieniowanie lub przewodzenie.

Konwekcja (unoszenie ciepła) występuje wówczas, gdy makroskopowe cząsteczki ośrodka, w którym odbywa się ruch ciepła, zmieniają swoje położenie. Zjawisko to charakterystyczne jest dla cieczy i gazów. Rozróżnia się dwa rodzaje konwekcji: swobodną i wymuszoną. Przy konwekcji swobodnej ruch powietrza jest wynikiem różnic gęstości, spowodowanych wzrostem objętości przy ogrzewaniu. Ten rodzaj konwekcji jest typowy dla wnętrza pomieszczenia. Przy konwekcji wymuszonej ruch powietrza spowodowany jest działaniem wiatru, wentylatorów itp. Ten typ konwekcji przeważa na zewnętrznych powierzchniach budynku,

Promieniowanie jest to przenoszenie energii w ośrodku gazowym lub w próżni pomiędzy dwoma promieniującymi powierzchniami za pomocą fal elektromagnetycznych. Następuje tu dwukrotna zamiana energii: cieplnej na elektromagnetyczną na powierzchni ciała wypromieniowującego ciepło i elektromagnetycznej na cieplną na powierzchni ciała pochłaniającego ciepło. Powierzchnie wszystkich ciał o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (-273,16°C=0K) są źródłami promieniowania cieplnego o natężeniu zależnym od właściwości i temperatury powierzchni..

Przewodzenie ciepła jest zjawiskiem polegającym na przenoszeniu energii cieplnej

wewnątrz makroskopowo nieruchomego ośrodka materialnego w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych. Ten sposób wymiany ciepła jest charakterystyczny dla ciał stałych, a gęstość strumienia ciepła przepływającego z obszaru o temperatura wyższej do obszaru o temperaturze niższej określa empiryczne prawo Fouriera;

q=-λgrad t (2 .4)

Jeśli założymy, że:

- przepływ ciepła odbywa się w warunkach ustalonych, tzn. strumień ciepła i temperatura nie
zmieniają się w czasie

- pole temperatur jest jednowymiarowe (temperatura zmienia się tylko wzdłuż grubości
przegrody)

- ruch ciepła odbywa się prostopadle do płaszczyzny przegrody

to rozwiązując równanie (1.4) dla przegrody jednowarstwowej otrzymamy zależność:

q= (t₁-t₂)*λ/d= Δt/R (2.5)

Δt = t₁-t₂ - różnica temperatur na powierzchniach warstwy materiału

R =d/λ - opór cieplny warstwy materiału o grubości d i współczynniku przewodzenia ciepła λ.

Współczynnik przenikania ciepła definiowany jest jako gęstość ustalonego strumienia ciepła przepływającego między dwoma obszarami powietrznymi przedzielonymi przegrodą, przy różnica temperatur między tymi obszarami (Δt) wynoszącej 1K. Jednostką U jest [W/m²*K].

2. Obliczanie przenikania ciepła przez przegrody zewnętrzne.

Współczynnik przenikania ciepła U₀ przegród jednolitych bez mostków termicznych należy obliczać wg wzoru:

U₀=1/ R_i+ΣR+ R_e ( 2.1 )

gdzie:

ΣR - opór cieplny przegrody będący sumą oporów cieplnych wszystkich jej warstw, łącznie z zamkniętymi pustkami powietrznymi

R_i, R_e - opory przejmowania ciepła

R_i =1/α_i , R_e=1/α_e

Należy zauważyć, że chociaż kolejność warstw przegrody nie wpływa na wielkość U, to jednak decyduje ona o rozkładzie temperatur wewnątrz danej przegrody,

Rys.2.1 Rozkład temperatur w ścianie zewnętrznej:

a) ocieplonej od wewnątrz

b) ocieplonej od zewnątrz

Przy tym samym współczynniku U, w przypadku ocieplenia od wewnątrz większa część ściany znajduje się w strefie temperatur ujemnych. Ściana taka ma małą stateczność cieplną (w razie przerw w ogrzewaniu szybko się ochładza), a możliwość kondensacji wilgoci jest znacznie większa niż dla przegrody ocieplonej od zewnątrz. Jeśli izolacyjności cieplne poszczególnych obszarów przegrody różnią się znacznie, miejsca o mniejszej izolacyjności uznaje się za mostki cieplne (liniowe lub punktowe). W miejscach tych występuje zwiększony przepływ ciepła, a na ich wewnętrznej powierzchni utrzymuje się niższa temperatura w porównaniu z temperaturą pozostałej części przegrody. Skutkiem tego może być wykraplanie się pary wodnej na powierzchni mostków, powodujące powstawanie plam, a nawet pleśni. Mostki liniowe mogą być spowodowane nieciągłościami lub pocienieniem warstwy izolacji termicznej, np. w obszarze węzłów konstrukcyjnych, wieńców w ścianach zewnętrznych, nadproży itp.

3. Pomiar współczynnika przenikania ciepła.

W celu obliczenia współczynnika przenikania ciepła przez nieprzezroczyste przegrody budowlane konieczna jest znajomość właściwości cieplnych materiałów, z których wykonano przegrodę, ich kształtu i wymiarów, różnic temperatur po obu stronach przegrody oraz wartości współczynników przejmowania ciepła. Ścisłe ustalenie tych wielkości dla zewnętrznych przegród budynków jest bardzo trudne. Ulegają bowiem zmianie właściwości cieplne materiałów izolacyjnych i konstrukcyjnych w czasie wykonywania i eksploatacji budynków (np.: na skutek zmiany wilgotności tych elementów). Nie są również ściśle znane wymiary i właściwości mostków cieplnych stanowiących fragmenty przegród budowlanych.

Ponadto zmieniają się wartości współczynników przejmowania ciepła w zależności od kierunku i prędkości wiatru czy też różnicy temperatur. Przegroda budynku w ciągu całego roku znajduje się w stanie nieustalonej wymiany ciepła wywołanej ciągłymi zmianami parametrów klimatu zewnętrznego oraz wahaniami temperatur wewnętrznych.

Z tych powodów rzeczywisty współczynnik przenikania ciepła można wyznaczyć jedynie metodami eksperymentalnymi - mierząc gęstość strumienia cieplnego (q) przepływającego przez przegrodę oraz różnicę temperatur (Δt) po obu jej stronach.

3.1. Pomiar gęstości strumienia cieplnego metodą ścianki pomocniczej.

Jedną z podstawowych metod pomiaru gęstości strumienia cieplnego jest metoda ścianki pomocniczej. Metodę tę stosuje się zarówno w badaniach laboratoryjnych jak i w kontrolnych pomiarach inżynierskich wykonanych już przegród.

Badanie przeprowadza się naklejając na cieplejszą powierzchnię przegrody płytkę pomiarową (stanowiącą "ściankę dodatkową"). Pomiar opiera się na założeniu, że gęstość strumienia cieplnego q przepływającego w warunkach ustalonego przepływu przez badaną próbkę lub przegrodę jest równa gęstości strumienia cieplnego q przepływającego przez ściankę pomocniczą. Założenie to jest słuszne w przypadkach, gdy opór cieplny warstwy dodatkowej jest mały w porównaniu z oporem warstwy badanej. Z tych względów nie zaleca się stosować tej metody do elementów o małej oporności cieplnej. Należy również w odpowiedni sposób mocować płytki, aby zmniejszyć opór styku płytki pomiarowej z badaną przegrodą.

ĆWICZENIE NR 3

TERMOWIZJA

Badanie termowizyjne polega na mierzeniu fal elektromagnetycznych emitowanych przez ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Każde ciało, którego temperatura jest wyższa od wspomnianego zera, emituje takie fale.

Promieniowanie to nazywa się promieniowaniem podczerwonym /z angielskiego Infrared a w skrócie Ir/  lub promieniowaniem cieplnym.

Intensywność promieniowania cieplnego jest wprost proporcjonalna do temperatury badanego obiektu, stąd mierząc promieniowanie emitowane przez dane ciało, po prostu mierzymy jego temperaturę.

Ciało doskonale czarne

Obiektem, ciałem o idealnych właściwościach promieniowania podczerwonego jest ciało doskonale czarne.

Nie istnieje w rzeczywistości, ale dobrym jego modelem jest duża wnęka z niewielkim otworem, pokryta od wewnątrz czarną substancją, np. sadzą.

Powierzchnia otworu zachowuje się niemal jak ciało doskonale czarne - promieniowanie wpadające do wnęki odbija się wielokrotnie od jej ścian i jest niemal całkowicie pochłaniane, natomiast parametry promieniowania wychodzącego z jej wnętrza zależą tylko od temperatury wewnątrz wnęki.

Współczynnik emisyjności

Rzeczywiste obiekty mniej lub bardziej odbiegają od tego modelu i dlatego przy pomiarach należy uwzględnić tę odchyłkę poprzez wprowadzenie współczynnika emisyjności. Jego wartość określa możliwość wysyłania promieniowania podczerwonego przez dane ciało. Współczynnik emisyjności dla ciała doskonale czarnego wynosi 1, a dla ciał rzeczywistych zależy od ich składu chemicznego oraz sposobu wykończenia powierzchni.

Współczynnik emisyjności określa zdolność danego ciała do emitowania własnej energii (poza energią odbitą i przepuszczoną). Współczynnik ten jest liczbą z przedziału 0-1. Generalnie im jest on bliższy 1 tym pomiar jest prostszy i dokładniejszy. Najwięcej kłopotów sprawiają błyszczące, metaliczne powierzchnie.

Zasada działania

Aparatura termowizyjna jest odmianą telewizji wrażliwej na fragment zakresu promieniowania podczerwonego. Tworzenie obrazu polega na rejestracji przez kamerę promieniowania emitowanego przez obserwowany obiekt, a następnie przetworzeniu na kolorową mapę temperatur.

Zastosowania termowizji

• wad technologicznych przegród budynków, błędów w dociepleniu, mostków cieplnych, zawilgoceń, filtracji powietrza

• lokalizacji rur z ciepłą wodą, oraz wycieków i nieszczelności

• zwiększonej rezystancji dla rozdzielni wszystkich napięć, transformatorów, szafek elektrycznych, uszkodzonych bezpieczników, lini WN i wszelkich złączy elektrycznych

• złego stanu izolacji cieplnej kotłów, rurociągów, izolowanych kanałów, elektrofiltrów, kadzi ( diagnostyka przedremontowa i powykonawcza ),

• lokalizacji przebiegu sieci ciepłowniczej ( inwentaryzacja ),

• złego stanu przewodów doprowadzających gazy

• złego stanu wanien szklarskich i elektrolitycznych

• wadliwie pracujących urządzeń mechanicznych (nadmierne przegrzanie)

• wewnętrznych samozapłonów hałd węglowych,

• uszkodzeń wymurówki pieców, kominów żelbetowych

• ognisk pożarów leśnych

• chorób (zastosowania medyczne)

Zalety termowizji

• Termografia podczerwieni jest metodą badań nieniszczącą

• Metoda bezkontaktowa

• Promieniowanie bezpieczne dla otoczenia

• Szeroki zakres zastosowań oraz szeroki zakres mierzonych temperatur

• umożliwia obserwację wartości temperatury badanego wycinka obiektu jednocześnie w każdym jego punkcie, bez konieczności żmudnego zbierania informacji punkt po punkcie

• pomiar dokonywany jest w czasie rzeczywistym. Obraz rozkładu temperatury badanego obiektu otrzymujemy natychmiast w chwili dokonywania pomiaru i natychmiast może być on analizowany, przesłany, archiwizowany

Ograniczenia termowizji

• Wysoki koszt aparatury (w przypadku termografii aktywnej dodatkowy koszt układu stymulacji cieplnej).

• Między kamerą podczerwieni, a powierzchnią badaną nie mogą znajdować się przeszkody

• Zjawiska konwekcji, promieniowania i przewodnictwa ciepła zakłócają pomiar

• Trudności otrzymania jednorodnego nagrzewania dużej powierzchni przy stosowaniu aktywnej termografii podczerwieni

• Przy zastosowaniu aktywnej podczerwieni można wykryć defekty tylko w powierzchniowej warstwie materiału

• Wyznaczanie rozkładu na powierzchni obiektu nieprzezroczystego dla podczerwieni wymaga znajomości wartości emisyjności powierzchni.

Ćwiczenie 4

WŁAŚCIWOŚCI WILGOTNOŚCIOWE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

3.1. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

Dla właściwego zaprojektowania pod względem cieplno-wilgotnościowym przegród budowlanych, a w szczególności doboru do nich odpowiednich materia­łów budowlanych, konieczna jest znajomość struktury materiałów i wynikających stąd ich cech cieplno-wilgotnościowych. Właściwości strukturalne materiałów, a więc masa objętościowa, czyli gęstość pozorna i porowatość oraz sposób badania tych cech, stanowią przedmiot materiałoznawstwa budowlanego.

W budownictwie najczęściej używa się pojęcia tzw. wilgotności masowej. Wartość ta wyrażana jest stosunkiem procentowym masy wody zawartej w badanym materiale do jego masy w stanie suchym.

Dodatkowo oznaczana jest również wilgotność objętościowa w postaci procentowego stosunku objętości wody w badanym materiale do objętości materiału w stanie suchym.

"Wilgoć" nie jest pojęciem jednoznacznym; pod tym pojęciem rozumie się parę wodną, wilgoć tzw. sorpcyjną lub błonkową i wodę w stanie ciekłym Przyjmuje się klasyfikację, zgodnie, z którą wilgoć w materiałach budowlanych może występować jako woda związana:

• chemicznie,

• fizykochemicznie,

• fizykomechanicznie

Woda związana chemicznie (inaczej woda konstytutywna) znajduje się w strukturze niektórych materiałów w ścisłych stosunkach ilościowych, np. w związkach typu hydratów w gipsach, zaprawach oraz betonach zwykłych i komórkowych. Jest ona silnie związana ze związkami chemicznymi wchodzącymi w skład tych materiałów i oddzielić ją można tylko przez prażenie w odpowiednio wysokiej temperaturze.

Woda związana fizykochemicznie (inaczej wilgoć sorpcyjna) w materiałach budowlanych występuje na rozwiniętej powierzchni porów i kapilar materiału. Zjawisko to związane jest z istnieniem tzw. sił van der Walsa (sił bliskiego zasięgu) oddziałujących na cząstki gazu w pobliżu powierzchni ciała stałego.

Całkowite zapełnienie makrokapilar może nastąpić jedynie w drodze bezpośredniego styku materiału z wodą, przy czym woda w materiale związana będzie siłami kapilarnymi (woda związana fizyko-mechanicznie).

3.2. BADANIE WŁAŚCIWOŚCI WILGOTNOŚCIOWYCH

Pomiar bezpośredni - pomiar, którego wynik otrzymuje się na podstawie bezpośredniego wskazania narzędzia pomiarowego, wywzorcowanego w jednostkach miary mierzonej wielkości.

Pomiar pośredni - pomiar, którego wynik otrzymuje się na podstawie bezpośredniego pomiaru innych wielkości, opierając się na znanej zależności między tymi wielkościami a wielkością mierzoną.

Do metod bezpośrednich zalicza się jedynie metodę laboratoryjną (wagowo-suszarkową). Metoda ta, obarczona wieloma ograniczeniami uważana jest, za jedyny miarodajny sposób pomiaru wilgoci. W badaniach wilgotności stosuje się również szereg metod pośrednich wykorzystujących właściwości fizyczne i chemiczne wody zawartej w materiale.

Podział metod pośrednich badania wilgotności materiałów przedstawia się następująco:

Metody chemiczne.

1. karbidowa

2. Karla-Fishera

3. papierków wskaźnikowych

Metody fizyczne.

1. elektryczne

• mikrofalowa

• dielektryczna

• opornościowa

nieelektryczne

W budownictwie do badań wilgotnościowych stosuje się w rzeczywistości jedynie kilka metod. Do najważniejszych należą: metoda laboratoryjna, dielektryczna, opornościowa i karbidowa. Pozostałe metody mają raczej znaczenie bardziej teoretyczne niż praktyczne.

3.2.1 Badanie wilgotności materiałów

Zadaniem tych badań jest ustalenie zawartości wody w materiale. Wilgotność tę określa się procentową zawartością wody w materiale w stosunku masowym lub objętościowym.

Wilgotność masową materiału obliczamy ze wzoru:

W_m=(G_m-G_s)*100%/G_s (3.1)

gdzie:

G_m — masa materiału zawilgoconego,

G_s — masa materiału suchego.

Jakkolwiek powszechnie stosuje się określenie wilgotności masowej, to jednak przeliczenie jej na objętościową jest bardzo proste, a mianowicie:

W_v=W_m*ρ/1000 [%] (3.2)

gdzie:

ρ — masa objętościowa materiału badanego, kg/m³.

W badaniu wilgotności materiału można wydzielić cztery etapy, a mianowicie:

1— pobranie próbki,

2— ustalenie masy próbki zawilgoconej,

3— suszenie próbki,

4— ustalenie masy próbki suchej.

Etap 1, tj. pobieranie próbek do badania, jest bardzo istotny. Pobieranie próbek z przegrody przeprowadza się najczęściej przez dokonanie odwiertu, co łączy się jednak z wytwarzaniem się podwyższonej temperatury powodującej odparowanie części wilgoci z próbki, a zatem może stanowić błąd w ocenie faktycznej wilgotności. Mniejszym błędem obarczone jest pobieranie próbek za pomocą wybijaka rurkowego.

Pobraną próbkę należy bezzwłocznie włożyć do szczelnego naczynia o objętości możliwie równej lub podobnej objętości próbki wyjętej z odwiertu, aby uniemożliwić absorpcję lub desorpcję wilgoci z tej próbki.

Etap 2, tj. ustalenie masy próbki zawilgoconej, polega na zważeniu jej łącznie z naczyniem na wadze analitycznej z dokładnością od 0,001 do 0,0001 g. Udźwig takich wag wynosi zwykle około 200 g, a zatem wielkość próbki nie powinna być większa.

Etap 3 to wysuszenie próbki w suszarce laboratoryjnej, przy czym większość materiałów suszy się w temperaturze 100°C. Materiały, które mają temperaturę przemiany fazowej niższą lub zawierają związaną krystalicznie wodę, suszy się w odpowiedniej temperaturze niższej (np. gips w temperaturze 60°C).

Etap 4, tj. ustalenie masy próbki wysuszonej, polega na kilkakrotnym sprawdzeniu ubytku tej masy i przyjęciu ostatecznej masy za miarodajną, gdy nie ma już ubytku w czasie. Każdorazowo próbki wyjęte z suszarki winny być studzone w tem­peraturze około 30-40°C w suchym powietrzu dla uniknięcia adsorpcji. W tym celu jeszcze w suszarce naczynie z próbkami nakrywa się wieczkiem i przenosi do eksykatora zawierającego silny sorbent (np. żel krzemionkowy). Tam pozostają do ostygnięcia. Po ustaleniu się masy próbki suchej wyjmujemy ją z naczynia i naczynie suszymy w temperaturze 100°C aż do ustalenia się stałej masy. Otrzymane wartości wstawiamy do wzoru (3.1).

Pobór próbek do badań

• Próbki pobierane powinny być z głębokości 1/3 - 1/4 grubości muru.

• W celu określenia rozkładu zawilgocenie w zależności od wysokości muru badanie należy wykonać w poziomie posadzki (wewnątrz obiektu) lub terenu (na zewnątrz) oraz przynajmniej jeden pomiar powyżej pierwszego (np. na wysokości 1m). W miejscach gdzie wysokość została zmieniona każdorazowo należy dokonać jej pomiaru.

• Materiał do badań musi pochodzić z całej długości otworu.

• Zwiercinę należy umieścić w szczelnym opakowaniu i w przypadku konieczności transportu przechowywać w lodówce, (jeżeli oznaczenie wilgotności wykonywane jest w dłuższym okresie od momentu pobrania próbek). W przypadku kilkudniowych badań na obiekcie próbki można zamrozić i w takim stanie przewozić do laboratorium.

• Otwory, z których pobierany jest materiał do badań należy uzupełnić materiałem zgodnym z pobranym z muru.

• Należy wykonać dodatkową dokumentację fotograficzną miejsc poboru. Umożliwi to późniejsze naniesienie punktów na dokumentację rysunkową.

Opisany sposób badania wilgotności materiałów w przegrodach jest sposo­bem tradycyjnym często stosowanym. Jednak należy tu jeszcze omówić inne sposoby badania wilgotności przegród: metodę karbidową oraz dielektryczną i opornościową.

3.2.2 Metoda chemiczna.

Metoda karbidowa jest metodą chemiczną i polega na pobraniu próbki z przegrody przez wywiercenie i wprowadzenie jej wraz z ampułką zawierającą węglik wapnia (karbid) do szczelnego ciśnieniowego naczynia stalowego, wyposażonego w manometr. Przez lekkie wstrząsanie naczynia następuje rozbicie ampułki oraz zmieszanie zawartości. Zachodząca reakcja powoduje wydzielanie się acetylenu i wzrost ciśnienia w butli, którego wartość ustala się po pewnym czasie. Wilgotność próbki odpowiadająca wytworzonemu ciś­nieniu można odczytać z dołączonej do urządzenia tabelki. Dokładność pomiaru wynosi ±3%. Głównym powodem niezgodności jest to, że karbid nie wchodzi w reakcję z wodą związaną chemicznie. Różnice są bardzo widoczne podczas badania materiałów silnie zasolonych.

Reakcja zachodzi według wzoru:

CaC₂ + 2H₂O ⇒ C₂H₂ + Ca(OH)₂

Masa próbki badanego materiału, zakres pomiarowy manometru i wymiary komory pomiarowej zostały tak dobrane, że manometr jest wyskalowany bezpośrednio w procentach wilgotności względnej. Manometr znajduje się pod dnem pojemnika pomiarowego

3.2.3 Metody elektryczne.

Z grupy metod elektrycznych przy pomiarach wilgotności najczęściej stosowane są metody opornościowa i dielektryczna. W ofercie firm oferujących tego typu mierniki są urządzenia bazujące na jednej z metod lub też coraz częściej wielofunkcyjne.

Metoda dielektryczna polega na wykorzystaniu zja­wisk zmiany pojemności elektrycznej materiału wraz ze zmianą zawartości wilgoci. Istnieje, bowiem związek między wilgotnością materiału a jego stałą dielektrycz­ną. Dzięki dużej różnicy między wartością stałej dielektrycznej wody i bezwodnych substancji można przyjąć proporcjonalność między wilgotnością materiałów a ich stałą dielektrycz­ną. Zaletą tej metody jest brak inwazyjności oraz łatwość i szybkość pomiaru. Największym mankamentem niewielka głębokość pomiaru zwykle do kilkudziesięciu milimetrów.

Metodę opornościową zaliczamy do metod niszczących, gdyż pomiar polega na wykonaniu niewielkich otworów w badanym materiale. Zakres ingerencji jest na tyle mały, że może być ona z powodzeniem stosowana również w obiektach zabytkowych. Pomiar bazuje na pomiarze rezystancji zawilgoconego materiału pomiędzy układem dwóch elektrod. Zdecydowanie częściej mierniki opornościowe wykorzystywane są do pomiaru wilgotności materiałów drewnianych i drewnopochodnych. Przy pomiarach metodami opornościowymi należy także pamiętać, że w przypadku występowania zasolenia dochodzi do wypaczenia wyników.

Z powodu niewielkiej głębokości pomiaru, wpływu zasolenia pomiary metodami elektrycznymi mogą mieć jedynie charakter informacyjny. Pozwalają natomiast na dość sprawne wyszukiwanie miejsc zawilgoconych oraz są niezwykle pomocne przy tworzeniu tzw. „map zawilgocenia” obrazujących rozkład zawilgoceń na powierzchni przegród.

Nowoczesne wilgotnościomierze elektryczne takie jak przedstawiony na fotografii LB-795 z reguły wyposażone są w dwa rodzaje czujników wilgotności:

rezystancyjny (metoda opornościowa),

pojemnościowy (metoda dielektryczna).

Taki większy zakres możliwości pomiarów wilgotności daje możliwość porównania wyników uzyskanych dwiema różnymi metodami a przez to sprawdzenia ich wiarygodności

3.2.2. Badanie nasiąkliwości materiałów.

Przez nasiąkliwość materiału rozumiemy jego zdolność do całkowitego pochłaniania wody przez pory i kapilary. Określa się ją jako procentową zawartość wody w stosunku do masy materiału lub jego objętości, a raczej stosuje się określenie nasiąkliwości wagowej, jakkolwiek przeliczenie na objętościową jest proste, jak to już podano przy omawianiu wilgotności materiału. Nasiąkliwość masową określa się więc według poniższego wzoru:

N=(G_m-G_s) *100%/G_s ( 4.4 )

gdzie:

N — nasiąkliwość masowa w %,

G_m — masa materiału nasyconego wilgocią w g,

G_s — masa materiału suchego.

Materiały o porach zamkniętych lub ich przewadze oraz materiały o małej porowatości wykazują bardzo małą nasiąkliwość. W naturalnych warunkach woda wypiera z porów materiału tylko część powietrza. W porach bardzo małych zastępuje około 30% objętości powietrza, w dużych dochodzi do 70%.

W badaniu nasiąkliwości można wydzielić trzy etapy:

1— suszenie materiału,

2— nasączanie wodą,

3— ważenie i ustalenie masy materiału nasączonego.

Etap 1 prowadzi się wg zasad podanych przy suszeniu do badań wilgotności. W etapie drugim wysuszoną próbkę materiału zanurza się w destylowanej wodzie do 1/4 jej objętości. Po dwóch godzinach dolewa się wody do naczyńka z próbką do około 1/2 jej objętości, a po trzech godzinach do 3/4, pozostawiając próbkę w wodzie przez 24 godziny, po czym zalewa się ją w całości.

Taki sposób działania wynika z dążności do maksymalnego napełnienia porów i kapilar po wypchnięciu z nich powietrza. Zanurzenie próbki do 1/4 objętości stwarza warunki do kapilarnego podciągania. Kiedy woda w próbce podciągnie się powyżej zwierciadła wody w naczyniu, wówczas podnosimy poziom tego zwierciadła, dolewając ją do 1/2 objętości, a następnie do 3/4. Takie zasady dotyczą materiałów o małej zdolności podciągania kapilarnego. Podany czas można więc zmieniać i regulować zdolności kapilarne materiału, co jest widoczne na zewnątrz próbki. Zanurzenie od razu próbki na całą objętość materiału spowodowałoby wystąpienie nad tym materiałem ciśnienia hydrostatycznego,

przeciwstawnego ciśnieniu działającemu od dołu i z boków próbki, co mogłoby zamknąć w niej pewną ilość powietrza. Praktyka wykazuje, że na ogół, według podanych zasad, uzyskuje się wypełnienie ok. 80% porów.

Etap 3 polega na sprawdzaniu w czasie masy próbki aż do jej ustalenia się, co dowodzi pełnego nasączenia. Na tej podstawie, znając masy próbki mokrej i suchej, obliczamy z podanego wzoru jej nasiąkliwość masową.

3.2.3 Badanie sorpcji materiałów

Jak wiadomo materiały porowate o właściwościach hydrofilowych chłoną wilgoć z powietrza w ilości zależnej od stopnia jego zawilgocenia. Chłonięcie w ten sposób wilgoci z powietrza nazywamy sorpcją, a oddawanie jej do powietrza otoczenia — desorpcją. Wartość sorpcji zależna jest od wilgotności względnej powietrza, od wielkości powierzchni rozwiniętych porów i kapilar, a więc od porowatości materiału oraz od temperatury.

W przebiegu sorpcji można wyróżnić trzy fazy widoczne na rys. 3.2:

1— początkowy odcinek izotermy sorpcji w zakresie wilgotności powietrza do 15-20%, charakteryzujący się wypukłością krzywizny ku górze, odpowiada wodzie związanej w postaci błonki monomolekularnej,

2— środkowy odcinek izotermy w zakresie wilgotności względnej powietrza ponad 20% do 90% odpowiada wodzie związanej w postaci błonki polimolekularnej,

3— trzeci odcinek, tj. przy wilgotności powyżej 90%, wskazuje na występowanie zjawiska tzw. kondensacji kapilarnej, spowodowanej obecnością menisków wklęsłych.

Rys. 3.2. Przykład izoterm absorpcji i desorpcji: 1 — absorpcja, 2 — desorpcja

Materiały budowlane o dużej sorpcyjności nie powinny być stosowane do obudowy pomieszczeń o dużej wilgotności względnej. W przebiegu badania wydzielić można 4 etapy:

1— przygotowanie próbki,

2— suszenie próbki,

3— proces sorpcji w ustalonej wilgotności powietrza,

4— określenie wilgotności sorpcyjnej.

Etap 1, przygotowanie próbki, polega na jej rozkruszeniu na ziarna o wielkości 1-2mm , przy czym części pylaste trzeba odsiać, aby nie zwiększały powierzchni adsorpcyjnej. Można badać również większe próbki materiału, ale wówczas badanie trwa znacznie dłużej.

Etap 2, tj. suszenie, przeprowadza się według zasad opisanych przy badaniu wilgotności materiału.

Etap 3, właściwa sorpcja, polega na umieszczeniu próbki wysuszonej do stałej masy w eksykatorze o stałej, znanej, ustalonej wilgotności względnej powietrza — rys. 4.3. Dla utrzymania nie zmieniającej się wilgotności względnej powietrza próbkę umieszcza się w atmosferze nad nasyconym roztworem odpowiednich soli. Nad tymi roztwora­mi otrzymuje się następujące wilgotności względne powietrza w temp. 25 °C:

chlorek litu — LiCl — 12%

chlorek magnezu — MgCl₂ — 32%

azotan magnezu — Mg(NO₃)₂ — 54%

chlorek sodu — NaCl — 75%

azotan potasu — K(NO₂)₃ — 95%.

W temperaturze 20°C wilgotności powietrza są prawie takie same, natomiast w niższych i wy­ższych temperaturach występują znaczne odchyle­nia. Właściwą wartość sorpcji określa się po kilka- krotnym zważeniu próbki aż do ustalenia się masy. Osiągnięcie równowagi sorpcyjnej trwa od kilku tygodni do kilku miesięcy, zależnie od badanego materiału i wilgotności względnej powietrza

Najdłużej ustala się równowaga sorpcyjna przy wilgotności powietrza bliskiej 100%. Próbki wysuszone, włożone do eksykatorów, pochłaniają początkowo szybko wilgoć, w miarę zaś zbliżania się do równowagi sorpcyjnej przyrosty masy są coraz wolniejsze. Na podstawie wyników badań wykreśla się linie krzywe stanowiące tzw. izotermy wilgoci

Zawilgocenia sorpcyjne oblicza się w procentach w stosunku do suchej masy ze wzoru:

u_m=(G₁-G₀)*100/G₀ (%) (3.5)

gdzie:

u_m - wilgotność sorpcyjna w procentach suchej masy,

G₀ - masa próbki w stanie absolutnie suchym,

G₁ - masa próbki w stanie równowagi sorpcyjnej.

Desorpcję materiałów bada się tak samo, ale materiału tego nie suszy się przed badaniem, lecz wkłada do eksykatora w stanie wilgotnym. W tym przypadku następuje wchłanianie, początkowo szybko materiału bada się tak samo, ale materiału tego nie suszy się przed badaniem, lecz wkłada do, a potem coraz wolniej. Po ustaleniu się masy próbki suszy się i oblicza desorpcję.

W badaniu sorpcji i desorpcji trzeba utrzymywać w eksykatorze stałą tem­peraturę i wilgotność względną powie­trza. Jakiekolwiek zmiany powodują za­kłócenia i uniemożliwiają osiągnięcie wilgotności równoważnej. Jeśli badanie sorpcji wykonuje się przy wilgotności względnej powietrza bliskiej 100%, to obniżenie temperatury powoduje wykraplanie się pary wodnej, wskutek czego krople rosy osiadają na pokrywie ek­sykatora, a potem mogą skapywać i zawilgacać próbki. W rezultacie można otrzymać błędny wynik. Aby zabezpie­czyć się przed taką ewentualnością trze­ba umieścić w eksykatorze nad naczyń­kiem daszek, który osłaniałby je przed spadającymi kroplami rosy.

Przykładowo średnie wartości sorpcji i desorpcji wilgoci przez cegłę ceramicz­ną przedstawiono na rys. 3.4. Dla przy­spieszenia badań sorpcji i zwiększenia ich dokładności opracowano w Zakładzie Budownictwa Ogólnego Politechniki Rzeszowskiej specjalną metodę i urządzenie umożliwiające badanie sorpcji danego materiału jednorazowo dla 6 wartości wilgotności względnych powietrza w temperaturach od — 5°C do + 40°C. Urządzenie to umożliwia ustalenie izoterm wilgoci sorpcyjnej w tych zakresach.

3.2.4. Badanie higroskopijności materiałów

Przez higroskopijność materiału rozumie się jego sorpcję przy wilgotności względnej powietrza 100% po 10 dobach. Badanie przeprowadza się tak jak badanie sorpcji, a różnica polega na tym, że na dnie eksykatora znajduje się woda destylowana.

Ćwiczenie 5

4.1. Wilgoć w budynku.

Skutki zawilgocenia.

• Obniżenie izolacyjności cieplnej materiałów.

• Obniżenie wytrzymałości materiałów i nośności elementów konstrukcyjnych.

• Zagrożenie korozją biologiczną.

• Przyśpieszenie procesu starzenia obiektu.

• Procesy niszczenia związane z działaniem soli.

Źródłem zawilgocenia może być woda:

• technologicznie wprowadzona do obiektu w trakcie wznoszenia,

• opadowa,

• gruntowa, podciągana kapilarnie,

• pochodząca z kondensacji pary wodnej,

• pochodząca z awarii instalacji.

4.2 Stopnie zawilgocenia

W ocenie stopnia zawilgocenia istotnym jest określenie dopuszczalnych wartości wilgotności przegród w zależności od rodzaju materiałów. W literaturze technicznej można spotkać różne wartości dopuszczalnej wilgotności dla tego samego materiału lub przegrody. Nieobowiązująca już norma PN-82/B-02020 „Ochrona cieplna budynków” podawała dopuszczalne wartości materiałów budowlanych stosowanych w zewnętrznych przegrodach ogrzewanych budynków (Tab.1). Nowelizacja z 1991 roku pomija te dane. Problemem jest to, że obecnie żadne dokumenty nie precyzują w sposób dokładny wymagań. Zamieszczone poniżej dane podają dopuszczalną wartość wilgotności w stanie tzw. suchym oraz jej maksymalny przyrost.

Lp.	RODZAJ MATERIAŁU LUB PRZEGRODY	WILGOTNOŚĆ PRZED OKRESEM ZAWILGOCENIA [%]	DOPUSZCZALNY PRZYROST WILGOTNOŚCI [%]
1.	ŚCIANA Z CEGŁY CERAMICZNEJ	1,5	1,5
2.	ŚCIANA Z PUSTAKÓW CERAMICZNYCH	1	2
3.	ŚCIANA Z CEGŁY SILIKATOWEJ	3	2
4.	BETON KOMÓRKOWY	3	4

Tab. 1. Dopuszczalne wilgotności materiałów w zewnętrznych przegrodach budowlanych.

Informacja o wilgotności masowej, wyrażonej w procentach pozwala na zdefiniowanie przegrody pod kątem jej stopnia zawilgocenia. Zamieszczona poniżej tabela [Tab. 2] określa dodatkowo stan wilgotnościowy murów ceglanych. Niestety brak jest informacji, jakie należałoby przyjąć zakresy wilgotności masowych przy ustalaniu stopnia zawilgocenia dla innych materiałów.

STOPNIE ZAWILGOCENIA MURÓW CEGLANYCH
I	0 - 3 %	Mury o dopuszczalnej wilgotności
II	3 % - 5 %	Mury o podwyższonej wilgotności
III	5 % - 8 %	Mury średnio wilgotne
IV	8 % - 12 %	Mury mocno wilgotne
V	> 12 %	Mury mokre

Tab. 2. Stopnie zawilgocenia murów ceglanych.

Opisane badania ze względu na szereg negatywnych skutków związanych z nadmiernym zawilgoceniem należą do elementarnych. Jeżeli podczas wizji lokalnej okaże się, że na zły stan techniczny mogła mieć wpływ wilgoć to istnieje uzasadniona konieczność wykonania tego typu badań. Dokładna analiza stanu wilgotnościowego (źródła, rozkład, stopień) jest nieodzowna przy projektowaniu prac remontowo-osuszeniowych.

13

Rys. 3.3. Badanie sorpcji wilgoci:

1 — eksykator,

2 — pró­bki,

3 — nasycony roz­twór soli,

4 — nierozpuszczone cząsteczki soli

---