Monitorování vlhkostního obsahu ve zdivu pomocí infračervené termografie

1. Úvodem

Stanovení vlhkostního obsahu zdiva in-situ je v praxi poměrně složité. Obecně se používají destruktivní metody - jedná se o gravimetrickou a CM metodu - kdy se vlhkost zdiva stanovuje na vzorcích odebraných z konstrukce. Dále se používají metody nedestruktivní - jedná se především o odporovou, indukční a kapacitní metodu. V těchto případech je možné stanovit vlhkost poměrně rychle, jednoduše a s minimálním dopadem na porušení zkušené konstrukce (v případě odporové metody dochází k mírnému narušení povrchu konstrukce při použití vpichových sond). Nevýhodou těchto metod je jejich nižší přesnost, poměrně omezená oblast měření v okolí povrchu konstrukce a vliv salinity zdiva na výsledky měření.

Ve všech případech se však měření provádí bodově ve vybraných místech. Pokud si chceme udělat celkovou představu o distribuci vlhkosti ve zdivu, je nutné provádět měření ve více bodech, které jsou rovnoměrně rozmístěny po povrchu zdiva na základě výsledků měření sestrojit tzv. vlhkostní mapu.

Obr. 1: Vlhkostní mapa sestrojená na základě naměřených vlhkostí kapacitním vlhkoměrem Pro sestrojení vlhkostní mapy v dostatečném rozlišení je však nutné provést relativně velké množství měření, což je poměrně velmi časově náročné. Vyšší rozlišení je nutné především v případě, že se v dané konstrukci monitoruje stav vlhkosti a změna její distribuce (např. při provádění sanačních opatření a odvlhčování konstrukce).

V zimním období, pokud je mezi vnitřním a vnějším prostředím dostatečný teplotní spád, je možné často pro sestrojení vlhkostní mapy požít analogie mezi teplotním a vlhkostním polem - použití infračervené termografie.

2. Vliv vlhkosti na hodnotu součinitele tepelné vodivosti stavebních materiálů

Efektivní hodnota součinitele tepelné vodivosti u stavebního materiálu úzce souvisí s jeho vlhkostním obsahem. Součinitel tepelné vodivosti λ [W m^-1 K^-1] vlhkého materiálu je určen tepelnou vodivostí pevné matrice, tekutých fází, plynných fází a jejich množstvím, fázovými změnami a prostorovým uspořádáním fází. Součinitel tepelné vodivosti obecně roste se zvyšujícím se obsahem vlhkosti. Součinitel tepelné vodivosti suchého pórovitého materiálu lze zjednodušeně vyjádřit následujícím vztahem:

kde:

λdry	výsledný součinitel tepelné vodivosti suchého materiálu [W m-1 K-1],
λmat	součinitel tepelné vodivosti hutného materiálu bez pórů [W m-1 K-1]
λvzd	součinitel tepelné vodivosti vzduchu [W m-1 K-1],
P	pórovitost [-].

V případě materiálu s obsahem vlhkosti, dochází k postupnému zaplňování vzduchových pórů vodou. Nárůst hodnoty součinitele tepelné vodivosti je v oblasti nízké (hygroskopické) vlhkosti strmější. V oblasti vyšší vlhkosti se obvykle intenzita nárůstu hodnoty součinitele tepelné vodivosti v závislosti na přírůstku vlhkostního obsahu snižuje. Součinitel vlhkého materiálu lze zjednodušeně vyjádřit níže uvedenými vztahy.

V oblasti hygroskopické vlhkosti je λ_(w):

Vezmeme-li v úvahu tepelné mosty, které existují ve vzduchosuchém materiálu za normálních podmínek vlivem stálého zaplnění nejmenších pórů vlhkostí w_min (viz výše) a mezní hygroskopickou vlhkost materiálu w_{h max}, obdržíme pro tepelnou vodivost materiálové kostry λ_mat(w) [W.m^-1.K^-1] následující vztah:

přičemž:

kde:

υ	Poissonova konstanta [-]
Em	modul pružnosti [Pa]
pc	kapilární tlak [Pa]
Vm	objem matrice v objemu materiálu [-]
w	vlhkost materiálu [-]
wsat	vlhkost materiálu při saturaci vlhkostí (nasycení) [-]
λmat (w,ε)	součinitel tepelné vodivosti materiálové kostry zohledňující objemové změny materiálu vlivem změny jeho vlhkostního obsahu [W.m-1.K-1]

Mimo oblast hygroskopické vlhkosti λ_(w):

Po dosažení maxima hygroskopické vlhkosti w_{h max} dochází k zaplňování kapilárního systému vlhkostí a paralelní systém vyjádření tepelné vodivosti je modifikován vlivem klikatosti kapilárního systému nerovnoměrně zaplněného vlhkostí. Tento efekt lze kvantifikovat zavedením faktoru stejnoměrnosti R. Tento faktor může být určený na základě strukturálních parametrů pórového systému. Obecně platí následující závislost (Meng 1994):

kde:

Prel	relativní pórovitost [-]
FD	faktor rozměrů pórového systému [-]

Faktor rozměrů pórového systému je definovaný (Meng 1994):

V oblasti podobnosti f lze použít pro výpočet relace:

Konečnou hodnotu součinitele tepelné vodivosti vlhkého materiálu λ_(w) [W.m^-1.K^-1] za oblastí hygroskopické vlhkosti lze vyjádřit:

kde:

f	počet uvažovaných pórových frakcí, wf . Rf je autokorelační funkce vyjádření odchylky reálných pórů od paralelního uspořádání kapilár v ideálním modelu

3. Sestrojení vlhkostní mapy infračervené termografie

Při termovizním měření (stavební termografie) se vyhodnocuje dopadající záření v oblasti infračerveného spektra a získává se viditelná informace (tzv. termogram) o rozložení teplot na povrchu konstrukce. Převážná většina zobrazovacích systémů (zařízení) využívá jako signál k přenosu informací elektromagnetické vlnění v různých částech jeho spektra. Zařízení transformuje 3D scénu na obrazový tok, který je schopen vyvolat zrakový vjem.

Je-li daná konstrukce dostatečně homogenní, lze předpokládat, že rozložení teplotního pole po povrchu konstrukce by mělo být rovnoměrné s mírným poklesem teploty v koutech. Pokud na povrchu konstrukce lokalizujeme výrazné oblasti snížené povrchové teploty, můžeme předpokládat, že v těchto oblastech je vlhkost konstrukce zvýšená.

Obr. 1: Fotografie povrchu stavební konstrukce s vlhkostní
mapou ve spodní části

Pomocí infračervené termografie lze rychle zjistit povrchové teploty a jejich distribuci po povrchu konstrukce. Jak je patrné z níže uvedeného obrázku, v okolí vlhkostní mapy dochází k poklesu povrchové teploty, což je dáno snížením tepelně izolační schopnosti obvodové konstrukce vlivem zvýšeného vlhkostního obsahu.

Obr. 2: Infračervený termografický snímek povrchu konstrukce
s vlhkostní mapou (viz obr. 1)

Na základě stanovení vlhkostí kontaktním vlhkoměrem byla vytvořena vlhkostní mapa inkriminovaného detailu stavební konstrukce, která je uvedena na obrázku níže.

Obr. 3: Vlhkostní mapa sestrojena na základě měření
kontaktním vlhkoměrem (detail. kce. viz obr. 1)

Z infračerveného snímku rozložení teplotního pole v daném detailu konstrukce byla vytvořena 3D teplotní mapa, která je uvedena na obrázku níže.

Obr. 4: 3D infračervený termografický snímek povrchu
konstrukce s vlhkostní mapou (viz obr. 1)

Jak je patrné z obr. 3 a 4, kopíruje termografická mapa rozložení teplot mapu vlhkostní. Míra korelace teplotní a vlhkostní mapy je dána homogenitou konstrukce v inkriminovaných detailech.

4. Závěr

Jak je patrné z uvedeného případu, použití infračervené termografie je velmi rychlá a efektivní metoda při stanovení distribuce vlhkost ve stavební konstrukci. Její hlavní výhodou je mnohonásobně rychlejší informace o distribuci vlhkosti po ploše konstrukce ve srovnání s klasickými metodami. Tato metoda ve však použitelná pouze jako doplňková. Vždy je tedy nutné ověřit bodově výsledky stanovení vlhkosti klasickými metodami (viz výše).

Hlavní oblast použitelnosti této metody je v prvotní diagnostice - hledání příčiny vzniku vlhkostních poruch, kdy je možné během relativně krátkého časového úseku monitorovat vlhkost v relativně velmi vysoké ploše stavební konstrukce.

Dále se jedná o oblast dlouhodobého monitorování vlhkostního stavu stavební konstrukce, které se většinou provádí při sanaci vlhkosti a rekonstrukcích. V těchto případech nás zajímá hranice vlhkostní mapy, která je často vizuálně špatně detekovatelná neboť při vysychání konstrukce dochází ke krystalizaci rozpustných solí ve zdivu, které tvoří na povrchu konstrukce barevné skvrny, které mohou být v některých případech matoucí a zavádějící. Zvýšená salinita povrchu zdiva také často znemožňuje použití některých nedestruktivních metod stanovení vlhkosti.

Infračervená termografie nabízí relativně jednoduchý a rychlý způsob stanovení distribuce vlhkosti ve stavební konstrukci. I když není použitelná ve všech případech, její využitelnost v oblasti diagnostiky poruch stavebních konstrukcích je velmi vysoká a lze předpokládat, že se její využití bude v budoucnu úspěšně rozvíjet.

This outcome has been achieved with the financial support of the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic, project No. 1M6840770001, within activities of the CIDEAS research centre and of the International Project INTAS 04-82-7055.