Účinky vlhkosti na konstrukce staveb z porézních materiálů

1. ELEVACE VODY KAPILÁRAMI STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ

Poznatky o působení sil vlivem elevace (vzlínaní) vody v pórovém systému stavebních materiálů, lze získat pomocí známých fyzikálních vztahů [1], a tím stanovit velikost přitažlivých sil mezi molekulami látek vytvářejících adhezi, tj. vzájemnou přilnavost mezi jednotlivými molekulami látek (obr. 1).

Elevaci vody v průřezu kapiláry z hlediska jejího objemu Q_v, ze vyjádřit vztahem:

kde

h	výška vzlínavosti vody v mm,
r	poloměr kapiláry v mm,
ρv	tíha vody v g.mm-3.

Při elevaci vody kapilárou dochází ke tření vody o stěny kapilár a z tohoto jevu lze stanovit velikost vznikající síly S pomocí vztahu:

kde

F	je smykový tok napětí, udávaný konstantou 0,00765 g.mm-1 [1],
υ	je úhel odklonu síly F od vertikály, pro praktické použití lze považovat υ = 0, takže cos υ = 1.

Obr. 1 Velikost přitažlivých sil mezi molekulami
látek vytvářejících adhezi

Z podmínky rovnováhy působících sil Q = S, lze stanovit tlakové napětí vztahem:

1.1 Stanovení teoretického poloměru kapiláry

Pomocí parametru objemové nasákavosti materiálu, který lze stanovit běžnou laboratorní zkouškou [2, 3, 4, 5], je možné teoreticky určit poloměr kapiláry.

Pro názornou ukázku stanovení poloměru kapiláry, byla vybrána krychle o délce hrany 1 000 mm nasycená vodou. Podle konkrétní hodnoty nasákavosti materiálu "w", lze stanovit objem kapilár Q_k, a tím i váhové množství vody v kapilárách Q_v.

Objem kapilár Q_k lze stanovit podle vztahu:

kde

V	je objem krychle v mm-3,
w	nasákavost v % objemu.

Váhové množství vody Q_v v kapilárách je potom možno určit ze vztahu:

kde ρ_v je uvažováno 1 000 kg.m^-3, tj. 0,001 g.mm^-3.

Náhradní teoretickou délku kapilár l_k lze určit výpočtem ze vztahu:

Z teoretického předpokladu transportu vody v kapilárách, lze stanovit jejich počet "n" pomocí vztahu:

Protože do hmoty ve tvaru krychle může pronikat voda jak na protilehlých stranách, tak i současně ortogonálně na dalších stranách, lze určit parametr délky kapilár a_k ze vztahu:

Prostým porovnáním objemů lze potom stanovit teoretický poloměr kapiláry:

Příklad:

Po opadnutí vody po povodni byl posuzován cihelný pilíř 450/600 mm, vyzděný z plných cihel P15 na maltu MV4, který byl na celou svou výšku 2,6 m zaplaven vodou. Laboratorně byla zjištěna nasákavost zdiva w = 36 % objemu.

Objem kapilár Q_k = 360.10⁶ mm^-3, což odpovídá váhovému množství vody Q_v = 360.10³ g.

Náhradní délka kapilár podle vztahu (4) činí:

tomu odpovídá teoretický počet kapilár n, stanovený ze vztahu:

Teoretický poloměr kapiláry r je odvozen ze vztahu (5) a činí:

Napětí v tlaku σ ve zdivu vlivem působení vlhkosti (elevace vody) se vypočítá ze vztahu:

Dovolené výpočtové napětí ve zdivu je pouze 1,2 MPa. Vlivem působící vlhkosti se zmenšila únosnost zdiva z hlediska působícího napětí o 79 %.

Podle [6] prokázal Witzany pokles únosnosti zdiva při vlhkosti 15,8 % hmot. o 60 %. To odpovídá cca 28 % objemové nasákavosti zdiva a potvrzuje výše uvedený teoretický rozbor.

2. Účinky vlhkosti na porézní stavební materiály při vysoušení

Při odstraňování vody z kapilár porézního stavebního materiálu dochází k obrácenému působení smykových sil a v důsledku toho k tahovým napětím na konstrukci.

2.1 Napětí porézních materiálů v průběhu času

Vzhledem k pohybu kapaliny v kapilárách, je třeba sledovat vnitřní tření vody o stěny kapilár. Toto tření se úměrně zvětšuje s gradientem rychlosti pohybu vody.

Pro představu je znázorněna kapilára jako úzká trubice, kterou proudí voda. Rychlost vody při stěnách je nulová a narůstá směrem k ose kapilární trubice (obr. 2).

Obr. 2 Rychlost vody při stěnách a směrem k ose kapilární trubice

Při ustáleném toku ve vzdálenosti y od osy kapiláry O-O´ je rychlost kapaliny v (obr. 2). Tlak vody v souosém kapilárním válci o poloměru y a délky Δh klesá o hodnotu Δp = p' - p, takže přetlak vznikající na obou základnách válce činí:

Tento vznikající přetlak je přitom v rovnováze s vnitřním třením kapilárního pláště, který odpovídá válcové ploše. Na tuto plochu pláště o velikosti 2π.y.Δh působí tečné napětí τ:

kde η je koeficient vnitřního tření (viskozity) kapaliny.

Protože síla vlivem vnitřního tření je rovna vytvořenému přetlaku, lze definovat vztah:

Z rovnice (8) potom vyplývá vztah pro rychlost proudění kapaliny:

Řešením rovnice (8a) lze získat objem vody V, který proteče za dobu t kapilárou o délce h při tlakovém rozdílu p:

V technické soustavě součinitel viskozity vody při teplotě 20°C lze zavést hodnotou η = 1 kg.m^-2.sec, což odpovídá η = 0,001 g.mm^-2.sec. S rostoucí teplotou se hodnota koeficientu vnitřního tření η zmenšuje podle tab. 1 [1].

Teplota °C	Koeficient vnitřního tření η H2O (g.mm-2.sec)
0	0,00179
10	0,00131
20	0,0010
30	0,00080
40	0,00066
60	0,00047
80	0,00036
100	0,00028

Tab. 1 - Závislost koeficientu vnitřního tření na teplotě

Teoretickou délku kapiláry v průběhu času t lze získat z porovnání objemů vody při tlaku a z rovnice (9) pomocí vztahu (10):

Vzhledem k vlhkosti ve stěnách především některých starších objektů, která se zpravidla vykresluje v kapilární výšce elevace vody h, lze získat v určitém časovém intervalu t napětí σ v konstrukci, a to pomocí vztahu (10) rovnicí ve tvaru:

Při vysoušení zdiva dochází k obrácenému jevu, který se projevuje ve formě tahových napětí v konstrukci. Tato napětí by neměla přestoupit velikost tlakových napětí v konstrukci nebo max. pevnost stavebních materiálů v tahu.

2.2 Vliv vlhkosti a teploty na vnější omítku

Za účelem poznání působení vlivů vlhkosti a teploty na vnější omítku (fasádu), kde zpravidla nejčastěji dochází k projevům trhlin, je v této části provedeno jejich posouzení. S ohledem na popsanou teorii v předchozích částech, je tento účinek dokumentován na konkrétním příkladu.

Vnější vápenná omítka, provedená na zděném objektu, byla vlivem nárazových dešťových srážek nasycena vodou a při kontrolní zkoušce vykázala 15 obj. % vlhkosti. Během následujícího působení slunečního záření a teploty v letním období došlo k vysoušení omítkové vrstvy při průměrné teplotě 20°C po celkovou dobu t = 300 hodin, tj. 3 600.10.30 = 1 080 000 vteřin.

Náhradní délka kapilár podle vztahu (4) činí:

Počet kapilár

Teoretický poloměr kapiláry

Viskozita vody η je zavedena hodnotou 0,001g.mm^-2.sec (pro teplotu 20 °C). Teoretická délka kapiláry v průběhu času 300 hodin podle vztahu (10) činí:

Tahové napětí v omítce vlivem vysoušení podle vztahu (8) činí:

Vyvozené tahové napětí v omítkové vrstvě vlivem jejího vysoušení překračuje max. hodnotu pevnosti vápenné omítky v tahu o více jak 100 %. Důsledkem je pak sledovaný rozvoj trhlin na fasádě objektu.

3. ZÁVĚR

Při procesu vysoušení zdiva dochází ke vzniku tahových napětí, která za určitých podmínek mohou vyvolat poruchy konstrukce nebo její části vlivem překročení dovoleného namáhání či pevnostní charakteristiky zabudovaného stavebního materiálu. Proto je nutno věnovat maximální pozornost správnému nastavení teplotního režimu vysoušení, zejména při použití výkonných zdrojů tepla jako jsou různé typy vysoušečů a jejich výkon přizpůsobit stavu a provedení stavební konstrukce.

Zpracováno za podpory grantu 103/05/2227 GADA ČR.

Literatura:

[1] HOZÁK, Z., KUPKA, F., ŠINDELÁŘ, V., Základy technické fyziky, Praha 1955.
[2] ČSN EN 1925 Zkušební metody přírodního kamene - Stanovení součinitele nasákavosti vodou působením vzlínavosti.
[3] ČSN EN 772-11 Zkušební metody pro zdicí prvky - Část 11: Stanovení nasákavosti betonových tvárnic a zdicích prvků z umělého a přírodního kamene vlivem kapilarity a počáteční rychlosti nasákavosti pálených zdicích prvků.
[4] ČSN 73 1357-2 Stanovení kapilárních vlastností pórobetonu. Vzlínavost a nasákavost.
[5] ČSN 73 2448:1968 Stanovení vlhkosti a nasákavosti malty.
[6] WITZANY, J., ČEJKA, T., ZIGLER, R., Vliv vlhkosti na dlouhodobé přetváření zdiva, Stavební listy 11-12/2005, str. 39.