Gradbene konstrukcije se navlažijo, če so v stiku z vodo ali vodnoparo.

Navlažujejo se porozne snovi, ki imajo v svoji strukturi drobne pore vkaterih je zrak in omejeno število molekul vodne pare.

O navlaževanju (povečani vlažnosti) gradbenih konstrukcij (snovi)govorimo takrat, ko je preseženo t.i. higroskopsko ravnotežje. To jestanje snovi, ko so molekule vodne pare v porah gradbene snovi venergetskem ravnotežju z okolico.

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

Vzroki navlaževanja in vlažnosti gradbenih konstrukcij

LOTZ ©

Vzroki navlaževanja in vlažnosti gradbenih konstrukcij

prehod vode v pore iz tal ali meteornih padavin;

hidrostatičnega tlaka vode v primeru, ko so površine konstrukcij v vodi (na primer stene bazenov ali vodnih rezervoarjev);

poškodb kot so puščanje vodovodnih ali odtočnih cevi;

visoke vlažnosti zraka, ki je v stiku s konstrukcijo zaradi virov vodne pare v stavbi (človek odda do 60 g v.p./h), pri sušenju perila do 500 g v.p./h)

kondenzacije vodne pare iz zraka na površini konstrukcije

kondenzacije vodne pare, ki se lahko pojavi pri procesu difuzije molekul skozi konstrukcijo;

vlažnost je posledica "vgrajene" vlage, ki ostane v konstrukciji po gradnji.

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Zakaj je navlaževanje gradbenih konstrukcij nezaželeno

ker vlažne konstrukcije povečujejo vlažnost zraka v stavbi ter ustvarjajo pogoje za razvoj mikro organizmov (med najbolj pogostimi onesnaževalci so plesni, pršice, gobe, bakterije in virusi); problem nezdravih stavb (“sick buildings syndrom") že poznamo;

ker se snovem poveča toplotna prevodnost; ker je večina toplotnih izolacij poroznih te delno zgubijo svojo funkcijo !

0,08

0,00

0

0,12

0,16

0,20

4 8 12 16 20

A

B

C

0,04

25

Prostorninska vlažnost (%)Y

Povečevanje toplotne

prevodnosit l gradbenih snovi, ki jih uporabljamo kot toplotne izolatorje

A – polistirol,

B – mineralna volna,

C – penjeni beton

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Zakaj je navlaževanje gradbenih konstrukcij nezaželeno

spremenijo se mehanske lastnosti; večina gradbenih snovi se razteza ko se navlažujejo kar povzroča dodatne mehanske obremenitve;

povečajo se stroški vzdrževanja, saj gradbene snovi, ki so preveč navlažene ali v stiku z vodo razpadejo, rjavijo, …

0,4

0,0

0

0,6

0,8

1,0

20 40 60 80

Razte

zek z

aklj

učn

ega o

meta

(m

m/m

)

Sprememba temperature (K)

0,2

100

0 10 20 30 40 50

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Kako navajamo vlažnost gradbenih snovi

Vlažnost v (masa molekul vode v 1m3

snovi) -> v (kg/m3)

Masna vlažnost x (masa molekul vode v 1kg suhe snovi) -> kg/kg ali %

Prostorninska vlažnost y (psi, prostornina molekul vode v 1m3 snovi) -> m3/m3 ali %)

Za snovi z večjo gostoto (r>500 kg/m3) je številčno nižja masna vlažnost x (kg/kg), za porozne snovi prostorninska vlažnost y (m3/m3), zato ponavadi navajamo te vrednosti

v

x

y

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Kako navajamo vlažnost gradbenih snovi

Kos lesa 500.100.10 mm ima maso 0,35 kg in gostoto suhega lesa 600 kg/m3. Po sušenju je njegova masa 0,30 kg.

Vlažnost v (masa molekul vode v 1m3

snovi) -> v (kg/m3) >(0,35-0,30)/0,5.0,1.0,01. = 100 kg/m3

Masna vlažnost x (masa molekul vode v 1kg suhe snovi) -> kg/kg ali %

((0,35-0,30)/0,3).100 = 16,7 %

Prostorninska vlažnost y (psi, prostornina molekul vode v 1m3 snovi) -> m3/m3 ali %)

((0,35-0,30)/1000 (rvode)/0,30/600(rles)=10%

v

x

y

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Higroskopsko navlaževanje gradbenih snovi

Molekule vodne pare se iz zraka prenesejo tudi v odprte pore gradbene snovi in se oprimejo sten v tankem molekularnem sloju.

Temu pojavu pravimo adsorpcija. Take snovi so higroskopične. Primeri so beton, les, mavec. Nasprotno v nehigroskopične snovi molekule vodne pare ne vstopajo (opekaka, umetne snovi in večina toplotno izolacijskih snovi.

Število molekul vode v porah higroskopičnih snovi je odvisno od vsebnosti vodne pare v zraku, torej delnega tlaka vodne pare v zraku.

Toda vsaka higroskopična snov, ki se nahaja v zraku z relativno vlažnostjo j se bo navlažila zgolj do neke končne vlažnosti v. To točko imenujemo higroskopsko ravnotežje.

Točke higroskopskega ravnotežja pri poljubni relativni vlažnosti zraka j opisuje snovna lastnost, ki jo imenujemo sorpcijska izoterma snovi (sorpcisjka histereza).

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Higroskopsko (sorbcijsko) navlaževanje gradbenih snovi

absorbcija -

navlaževanje

desorbcija -

sušenje

0 20 40 60 80

Vla

žn

ost

gra

db

en

e s

no

vi

v (

kg/m

)3

Relativna vlažnost zraka (%)j

100

Histereza je posledica razlike med procesoma navlaževanja (adsorpcije) in sušenja (desorpcije) gradbene snovi.

Izraz “izoterma” (ali pri konstantni temperaturi) se uporablja zaradi tega, ker je vlažnost v ali masna vlažnosti x snovi pri neki relativni vlažnosti zraka j odvisna predvsem od relativne vlažnosti zraka j in ne od temperature zraka

Ti

(°C)

ji

ji

(%)

0 6% 22%

30 6% 20%

40 6% 19%

Prostorninska vlažnost y lesa

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

j

Proces higroskopskega navlaževanja

v=0 kg/m3, suha snov, nekaj dni T ~ 105°C

A

higroskopsko

področje

0,0

0

vnas

20 40 60 80

Vla

žn

ost

gra

db

en

e s

no

vi

v (

kg/m

)3

Relativna vlažnost zraka (%)j

100

vkap

vkr

B

D

C

področje

kapilarnega srka

A na stenah por se nalagajo ločene molekule, B stene so prekrite z molekulami vode, zaradi nižjega tlaka kapilarna kondenzacija, v narašča hitreje

vkritično pore se napolnijo z vodo, prenos vode v gradbeni snovi se začne

vnas vse pore se napolnijo z vodo

Soli magnezijev, natrijev klorid močno znižajo vkr

MgCl2 (33% j), NaCl (86% j), zato se zidovi s solmi ne sušijo pri j > 75%

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

j

Kapilarno navlaževanje gradbenih snovi

Kapilarno navlaževanje gradbenih konstrukcij je pojav, ko se v porah gradbeni snovi pojavi prenos vode.

Največkrat gre za prenos vode po porah iz tal ali za prenos vode iz meteornih padavin v gradbeno konstrukcijo.

Je naravni proces, ki je posledica privlačnih sil med molekulami vode in površino stene pore. Zato se na neravni gladini vodnega stolpca v pori, ki jo imenujemo meniskus, pojavijo površinske napetosti.

Posledica je znižanje tlaka pk na omočeni strani meniskusa glede na tlak zraka nad stolpcem pz zaradi česar se na ovoju vodnega stolpca pojavijo kapilarne sile, ki delujejo v nasprotno od smeri sile težnosti.

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Kapilarno navlaževanje gradbenih snovi

Kot močenja Q (teta) je lahko pozitiven ali negativen. V prvemprimeru govorimo o močeči kapljevini (to je na primer voda) jekot večji od 0. Posledica je kapilarni dvig. Pri nemočečih

kapljevinah je kot Q negativen in gladina kapljevine se zaradikapilarnega srka spusti navzdol. Taka kapljevina je na primer živosrebro. Za večino gradbenih snovi je kot močenja Q 0°+, karpomeni, da se bo v njih pojavil kapilarni dvig.

Vodni stolpec se dvigne v porah gradbene snovi do višine h, pri kateri se podtlak v vodnem stolpcu izenači s silo težnosti, ki deluje v nasprotni smeri.

r

rvk

v

2p h g h

g rtežnostni pospešek gostota vode

Koeficient površinske napetosti

polmer

r (m)

h

(m)

10-3 0,015

10-4 0.15

10-5 1.5

10-6 15

10-7 150

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Kapilarno navlaževanje gradbenih snovi

Pore niso pravilnih cilindričnih oblik in ne zgolj navpične. Zato višino Lkap do katere se bo gradbena konstrukcija navlažila zaradi kapilarnega srka določimo s pomočjo izmerjenega vdornega koeficienta vode B (m/s0,5). Višina navlaževanja zaradi kapilarnega srka je odvisna tudi od dolžine trajanja procesa t (s):

Celotno količino vode Q, ki je v času trajanja kapilarnega navlaževanja prešla v gradbeno konstrukcijo pa z integriranjem masnega toka vode v obdobju navlaževanja in kapilarne vpojnosti A (kg/m2s0,5).

gradbena

snov

A

(kg/m2s0,5)

B

(m/s0,5)

opeka 0,4 1,4 10-3

penjen

beton

0,1 0,4 10-3

beton

(vodo-

cementni

količnik

0,3)

0,01 0,1 10-3

beton

(vodo-

cementni

količnik

0,7)

0,03 0,3 10-3

apnena

malta

0,3 1,0 10-3

kapL B t m

t

2 20

kg kgAq Q q dt A t

2 t m m

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Kapilarno navlaževanje gradbenih snovi

Določite vlažnost v in masno vlažnost x betonskega zidu z gostoto 2000 kg/m3 po 6 mesecih navlaževanja s kapilarnim vlekom iz podtalnice v zemlji.

gradbena

snov

A

(kg/m2s0,5)

B

(m/s0,5)

opeka 0,4 1,4 10-3

penjen

beton

0,1 0,4 10-3

beton

(vodo-

cementni

količnik

0,3)

0,01 0,1 10-3

beton

(vodo-

cementni

količnik

0,7)

0,03 0,3 10-3

apnena

malta

0,3 1,0 10-3

3kap

8760L B t 0,3 10 3600 24 5,8 m

2

2

kg8760Q A t 0,03 3600 24 584

2 m

Prostornina omočenega zidu je enaka 1m2 . Lkap. Vlažnost v in masna vlažnost x sta zaradi kapilarnega srka enaki:

3

kap

kgQ 584v 101

1 L 1 5,8 m

r

kgw 101X 0,051 5,1%

2000 kg

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

365/2 = 1,19 m

365/2 = 119 [kg/m2]

119

1.1,19100 [kg/m3]

1000,05 [kg/kg] = 5%

Difuzijsko navlaževanje gradbenih snovi

Med področji z različnim delnim tlakom vodne pare se pojavi difuzijski tok molekul vodne pare vse dokler se delni tlaki vodne pare ne izenačijo. Difuzijski tok vodne pare g (kg/m2s) določimo s Fickovim zakonom:

dv/dx imenujemo gradient vlažnosti, konstanto Dv pa difuzijski koeficient vodne pare v zraku in je snovna lastnost zraka. Negativni predznak v zgornji enačbi nakazuje, da je difuzijski tok usmerjen v nasprotni smeri kot gradient specifične vlažnosti.

V poroznih snoveh Dv zamenjamo z dv difuzijsko prepustnostjo vodne pare, ki je tudi snovna lastnost. Dv in dv merimo v m2/s

v1

v1

v2

v2

g

g

dx

dx

dv

dv

snov

zrak

Dv

v

v 2

kgdvg D

dx m s

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Difuzijsko navlaževanje gradbenih snovi

Difuzijski tok poenostavljeno zapišemo z novo spremenljivko m:, ki jo imenujemo difuzijska upornost vodni pari. Je snovna lastnost:

Difuzijski tok vodne pare skozi gradbeno snov določimo z izrazom:

Difuzijski potencial je v tem primeru delni tlak vodne pare v zraku na obeh straneh gradbene konstrukcije !

m

d

2v

2v

D m s1

m s

gradbena

snov

m

(1)

PE folija 800.000

les 70

beton 30

mavec 4

opeka 7

celulozna

toplotna

izolacija

1

mineral-

na volna

1

m

v,1 v,2v,1 v,22

p p gg 0,622 ; p p

d m h

v1

v1

v2

v2

g

g

dx

dx

dv

dv

snov

zrak

Dv

v

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Modeliranje navlaževanja gradbenih konstrukcij

Uravnavaje vlažnosti zraka v stavbi s sorbcijo vodne pare

Dejstvo: vlažnost zraka v stavbi se spreminja periodično zaradi virov vodne pare, na primer zasedenosti stavbe. V tem času molekule vodne pare prehajajo v gradbene snovi, ko virov ni, prestopajo nazaj v zrak.

Uvedemo novo snovno lastnost: difuzivnost vodne pare av (m2/s) – kako hitro se spreminja vlažnost gradbene snovi v katero prehajajo molekule vodne pare iz zraka zaradi spremenjene vlažnosti zraka v(t)

8

9

10

11

12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

čas (h)

v (

g/m

3)

Tipične vrednosti vodne pare v zraku vo 10 g/m3, amplituda va 2 g/m3. Spodaj je matematični zapis zgornje periodične funkcije.

o a 3p

kg2 tv t v v sin

t m

snov av

(m2/s)

dp,v

(mm)

les 0,76 . 10-10 1,4

beton 2,4 . 10-10 2,6

mavec 9,2 . 10-10 5,0

opeka 51 . 10-10 11,8

celulozna

toplotna

izolacija

370 . 10-10 31,9

mineral-

na volna

6480.10-10 133,5

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

Modeliranje navlaževanja gradbenih konstrukcij

Ker predpostavimo, da se vlažnost zraka na meji gradbene konstrukcije spreminja periodično, se bo periodično spreminjala tudi vlažnost gradbene snovi. Merilo globine navlaževanja je periodična globina navlaževanja dp,v.

Dp,v, je globina na kateri se bo amplituda vlažnosti znižala na 36% vrednosti v zraku ob površini, pri 2.dp,v na 15% in pri 3. dp,v na 5%

8

9

10

11

12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

čas (h)

v (

g/m

3)

snov av

(m2/s)

dp,v

(mm)

les 0,76 . 10-10 1,4

beton 2,4 . 10-10 2,6

mavec 9,2 . 10-10 5,0

opeka 51 . 10-10 11,8

celulozna

toplotna

izolacija

370 . 10-10 31,9

mineral-

na volna

6480.10-10 133,5

8

9

10

11

12

0 0,005 0,01 0,015

globina sloja (m)

v (g/m

3)

t = 0 h t=3 ht = 6 h t = 9 ht = 12 h t = 15 ht = 18 h t = 21 h

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

Modeliranje navlaževanja gradbenih konstrukcij

Največji tok vodne pare v snov določimo z izrazom:

8

9

10

11

12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

čas (h)

v (

g/m

3)

8

9

10

11

12

0 0,005 0,01 0,015

globina sloja (m)

v (g/m

3)

t = 0 h t=3 ht = 6 h t = 9 ht = 12 h t = 15 ht = 18 h t = 21 h

d

aa v 2

p,v

v g gsg 2 3600 1000

d h kg m h

difuzijska upornost vodni pari

Količina vodne pare, ki v polperiodi prestopi v gradbeno snov je enaka:

pa 2

t gG g

m

Mavec je material, s katerim uravnavamo vlažnost zraka:

Vprašanje: ali je res, kako učinkovito, kako debela obloga iz mavca je smiselna ?

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

Modeliranje navlaževanja gradbenih konstrukcij

Mavec je material, s katerim uravnavamo vlažnost zraka:

Vprašanje: ali je res, kako učinkovito, kako debela obloga iz mavca je smiselna ? Kaj poznamo: difuzivnost vodne pare av mavca je 9,2 10-10 m2/s

difuzijska upornost vodni pari dv je 2 10-6 m2/s

človek odda 50 g vodne pare vsako uro

10p,v vd 165,8 a 165,8 9,2 10 0,00502 m

a 2

gg 2,03

m h

pa 2

t g24G g 2,03 15,5

m

15 mm je povsem ustrezna debelina obloge iz mavca (3 . dp,v)

Če bi se en človek zadrževal v prostoru 8 ur, bi potrebovali za uravnavanje vlažnosti zraka 25 m2 površine obloge

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Količina vodne pare, ki jo lahko sprejme zrak se znižuje zznižanjem temperature zraka.

Ko je zrak nasičen je njegovarelativna vlažnost j =100% (1).

Delni tlak vodne pare v zraku je tedaj enak tlaku nasičenja (pnas).Ta je tabeliran (izračunamo ga z enačbo) glede na temperaturo zraka.

O vlažnem zraku

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2750

3000

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

Temperatura (°C)

Tla

k v

od

ne p

are

v z

raku (

Pa)

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Tros = 16,8°Cti = 15°C

1

Temperatura rosišča –temperatura pri kateri po ohlajanju zrak postane nasičen v vodno paro (pnas) – primer Ti = 25°C, ji = 60% -> Trosišča je 16,8°C in pnas =1900 Pa

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Modeliranje navlaževanja gradbenih konstrukcij

Difuzija vodne pare skozi gradbene konstrukcije

Dejstvo: načeloma vedno obstaja razlika v vlažnosti zraka v stavbi in okolici. Zato se v gradbenih konstrukcijah (ki so porozne) pojavi difuzijski prehod vodne.

Vprašanje: kje je delni tlak vodne pare višji? (zunaj -5°C, j 90%, znotraj 20°C, j 40%, to opredeljuje smer gibanja molekul vodne pare!

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2750

3000

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

Temperatura (°C)

Tla

k v

od

ne p

are

v z

raku (

Pa)

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Tros = 16,8°Cti = 15°C

1

i nas,Ti i e nas,Te ep p p p kPa j j

Pnas pri -5°C -> 450 Pa

Pnas pri 20°C -> 2300 Pa

pe = 450 . 0,9 = 405 Pa

pi = 2300 . 0,4 =920 Pa

Torej je difuzijski tok usmerjen iz stavbe !

LOTZ ©

Modeliranje navlaževanja gradbenih konstrukcij

Difuzija vodne pare skozi gradbene konstrukcije

Difuzijski tok vodne pare g (g/m2h) določimo z znanim uporom difuziji vodne pare sloja snovi. Ta je zmnožek upornosti difuziji vodne pare snovi m (1) in debeline sloja d (m):

Za večslojne gradbene konstrukcije je skupni Sr vsota vseh upornosti r slojev:

In difuzijski tok g:

m r d m

m i i icel

i i

r r d m

v,i v,e

v,i v,e2i

i

p p gg 0,622 ; p p

r m h

UN

I LJ, F

A, G

radbena f

izik

a;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©