Studium chování pórobetonu po zabudování do konstrukce z tepelně-vlhkostního hlediska
Příspěvek popisuje výsledky výzkumu zaměřeného na studium reálného tepelně vlhkostního chování různých druhů pórobetonových výrobků určených pro zděné konstrukce, a to především z pohledu závislosti tepelněizolačních vlastností na teplotě a vlhkostním obsahu materiálu.
Úvodem
Pórovité stavební materiály, mají-li aspoň částečně otevřenou pórovou strukturu, obsahují za normálních podmínek ve své struktuře jisté množství vlhkosti, která negativně ovlivňuje jejich tepelněizolační vlastnosti. V případě pórobetonu je do struktury materiálu vneseno poměrně vysoké množství vlhkosti již při výrobě (expediční vlhkost pórobetonových výrobků často převyšuje 35 %). Po výstavbě stavební konstrukce a při započetí užívání obsah zabudované vlhkosti vede ke změně deklarovaných tepelněizolačních vlastností.
Součinitel tepelné vodivosti vyjadřuje schopnost materiálů vést teplo a jeho skutečná hodnota je po zabudování materiálu do konstrukce ovlivněna řadou vnitřních a především vnějších faktorů, mezi nejdůležitější zde patří vlhkost a teplota. Obecně je deklarován způsob přepočtu tepelných vlastností v závislosti na teplotě a vlhkosti v ČSN EN ISO 10456 [1].
Reálné tepelně-vlhkostní vlastnosti materiálu jsou dány specifickými vlastnostmi pórového systému materiálu (velikost, distribuce, uzavřenost pórového systému), který umožňuje transport vlhkosti a její případnou akumulaci. Vlhkost způsobuje u převážné většiny běžných stavebních materiálů zvyšování hodnoty součinitele tepelné vodivosti a tím degradaci tepelněizolačních vlastností. V oblasti hygroskopické vlhkosti dochází při zaplňování pórového systému stavebního materiálu k postupné sorpci vlhkosti na stěny pórů, nejprve v monomolekulární a posléze v multimolekulární vrstvě. Vlivem naabsorbované vlhkosti dochází dále k objemovým změnám materiálu, které jsou způsobeny změnou kapilárního tlaku v závislosti na saturaci kapilárního systému vlhkosti. Po dosažení maxima hygroskopické vlhkosti dochází k zaplňování kapilárního systému vlhkostí. Dochází ke kapilárnímu vedení a výsledná hodnota součinitele tepelné vodivosti je silně ovlivněna složitostí (klikatostí) kapilárního systému nerovnoměrně zaplněného vlhkostí [5, 6].
Zkušební vzorky a metodika práce
Pro studium tepelně-vlhkostního chování pórobetonu byly vybrány různé druhy autoklávovaného pórobetonu na bázi křemičitého písku i popílku. Jednalo se o materiály dostupné na stavebním trhu. Výběr zkušebních vzorků byl cílen na postižení co nejširší škály běžně využívaných druhů pórobetonu pro zděné konstrukce. Konkrétně se jednalo o:
- čtyři druhy pískových pórobetonů: P1,8-300, P2-350, P2-400, P2-500,
- dva druhy popílkových pórobetonů: P2-420, P4-580.
Všechny pórobetonové výrobky byly zajištěny přímo od jednotlivých výrobců. Z každého druhu pórobetonu byly připraveny laboratorní vzorky definovaných rozměrů:
- 5 vzorků pro stanovení součinitele teplené vodivosti (rozměry: 300×300×50mm),
- 5 vzorků pro stanovení objemové hmotnosti a hygroskopických sorpčních vlastností (rozměry: 40×40×160mm).
Vlastnosti vybraných vzorků pórobetonu byly stanoveny při různých vlhkostech a různých teplotách:
- Pro stanovení závislosti součinitele tepelné vodivosti na vlhkosti bylo zvoleno celkem šest různých vlhkostních úrovní (0 %, 3 %, 6 %, 10 %, 20 %, 40 %). První čtyři vlhkosti byly zvoleny jako vlhkosti blízké sorpčním vlhkostem pórobetonu. Vlhkosti 20 % a 40 % byly zvoleny jako vlhkosti odpovídající expediční a povýrobní vlhkosti pórobetonu.
- Pro stanovení závislosti součinitele tepelné vodivosti na teplotě bylo zvoleno celkem pět středních teplot, při kterých byla měření provedena. Jednotlivé teploty (střední teploty), byly zvoleny v rozmezí od -10 °C do 40 °C a byly odstupňovány po 10 °C. Teploty byly zvoleny tak, aby co nejvíce korespondovaly se skutečnými podmínkami, kterým jsou pórobetonové výrobky běžně vystaveny.
Na zkušebních vzorcích bylo provedeno studium tepelně-vlhkostních charakteristik:
- stanovení hygroskopických sorpčních charakteristik zkušebních vzorků.
- stanovení závislosti součinitele tepelné vodivosti na vlhkosti (pro měření byla do zkušebních vzorků vnesena vlhkost ve zvolených úrovních 40 %, 20 %, 10 %, 6 %, 3 %, 0 % hm.)
- stanovení závislosti součinitele tepelné vodivosti na teplotě (měření byla provedena při teplotách -10 °C, 0 °C, 10 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C).
Výsledky měření
Stanovení hygroskopických sorpčních vlastností bylo provedeno v souladu s ČSN EN ISO 12571 [4]. Pro stanovení adsorpční křivky byly vzorky vysušeny na konstantní hmotnost. Při udržování konstantní teploty 23 °C byly vzorky postupně umisťovány do řady zkušebních prostředí, s postupně se zvyšující relativní vlhkostí vzduchu. Byly zvoleny čtyři vlhkosti prostředí (33 %, 55 %, 75 %, 98 %). Počátečním bodem pro desorpci byla relativní vlhkost 98 %. Této vlhkosti bylo dosaženo adsorpcí vysušeného zkušebního vzorku. Při udržování konstantní teploty 23 °C byly vzorky postupně umísťovány do řady zkušebních prostředí, s postupně klesající relativní vlhkostí vzduchu. Byly zvoleny stejné vlhkosti jako při stanovení adsorpční křivky (33 %, 55 %, 75 %, 98 %). Výsledné hodnoty jsou uvedeny jako průměr z hodnot adsorpční a desorpční vlhkosti vzorku pro každou relativní vlhkost (viz. tab č. 1 a graf č. 1).
| Vzorek | Relativní vlhkost [%] | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 33 | 55 | 75 | 98 | |
| P1,8-300 | 0,0 | 1,8 | 2,3 | 2,9 | 7,5 |
| P2-350 | 0,0 | 2,0 | 2,3 | 2,6 | 7,2 |
| P2-400 | 0,0 | 1,8 | 2,1 | 2,6 | 6,4 |
| P2-500 | 0,0 | 1,5 | 1,7 | 2,1 | 6,1 |
| P2-420 | 0,0 | 2,5 | 2,8 | 3,8 | 9,8 |
| P4-580 | 0,0 | 3,5 | 4,7 | 6,9 | 14,7 |
Graf 1: Průběhy rovnovážných vlhkostí jednotlivých druhů pórobetonu při teplotě +23 °C
Z naměřených vlhkostních průběhů je patrné, že popílkové pórobetony jsou citlivější na vzdušnou vlhkost než pórobetony pískové. Zejména popílkový pórobeton P4-580 vykazuje vyšší citlivost na vzdušnou vlhkost již od nízkých relativních vlhkostí. V případě pórobetonu na bázi křemičitého písku se vlhkostní citlivost v závislosti na vzrůstající objemové hmotnosti zkušebních vzorků snižovala. U vzorků popílkových pórobetonů byla zjištěna opačná závislost, se vzrůstající objemovou hmotností došlo ke zvýšení vlhkostní citlivosti.
Studium tepelněizolačních vlastností
Stanovení součinitele tepelné vodivosti bylo provedeno dle ČSN 727012-3 (ISO 8301) [2, 3]. Měření bylo provedeno pro střední teploty -10 °C, 0 °C, 10 °C, 20 °C, 30 °C a 40 °C při teplotním spádu 10 K.
Do zkušebních vzorků bylo vždy před započetím měření vneseno definované množství vlhkosti. Konkrétně se jednalo o šest úrovní vlhkosti 40 %, 20 %, 10 %, 6 %, 3 % a 0 %. Vzorky byly vysušeny nebo navlhčeny tak, aby se jejich vlhkost co nejvíce blížila zvoleným vlhkostem. Následně byly zabaleny do fólie, aby se zabránilo úniku vlhkosti. Vzorky byly před i po měření zváženy pro výpočet změny vlhkosti během měření. Z naměřených hodnot byly sestaveny grafy závislosti součinitele tepelné vodivosti na teplotě a vlhkostí – viz níže.
Vzorek P1,8-300 (pískový pórobeton)
Vzorek P2-350 (pískový pórobeton)
Vzorek P2-400 (pískový pórobeton)
Vzorek P2-500 (pískový pórobeton)
Vzorek P2-420 (popílkový pórobeton)
Vzorek P4-580 (popílkový pórobeton)
Graf 2: Závislost součinitele tepelné vodivosti na teplotě a vlhkosti u vzorků pórobetonu (bližší popis vzorku viz výše)
Z naměřených hodnot je patrné, že teplota i vlhkost mají na tepelněizolační vlastnosti pórobetonu zásadní vliv, přičemž funkční závislost součinitele tepelné vodivosti na vlhkosti je parametrizovaná teplotou.
Vyhodnocení naměřených hodnot
Dle ČSN EN ISO 10456 [1] je možné provést přepočet tepelných hodnot stanovených při jedněch okrajových podmínkách (λ1, R1) na hodnoty odpovídající jiným podmínkám (λ2, R2). V případě přepočtu na jinou materiálovou vlhkost platí:
λ2 = λ1 . Fm (1)
přičemž Fm představuje převodní vlhkostní faktor:
Fm = efu(u1-u2) (2)
kde:
- u
- – hmotnostní vlhkost [kg.kg-1],
- fu
- – převodní součinitel pro hmotnostní vlhkost [kg.kg-1], který je dle ČSN EN ISO 10456, tab. 4 roven fu = 4 kg.kg-1.
V daném případě byla za počáteční stav 1 zvolena hodnota součinitele tepelné vodivosti ve vysušeném stavu (při referenční teplotě +10 °C) λ10,dry, kdy lze předpokládat, že u1 ≈ 0. Bylo zjištěno, že při použití převodního součinitele pro hmotnostní vlhkost fu = 4 kg.kg-1 je vypočítaná závislost součinitele tepelné vodivosti na vlhkosti odlišná od naměřených hodnot. Proto byl proveden výpočet optimální hodnoty převodního součinitele pro hmotnostní vlhkost fu pro každý zkušební vzorek tak, aby součet kvadrátů odchylek naměřených a vypočítaných hodnot byl minimální (metoda nejmenších čtverců). Výsledky výpočtů jsou uvedeny v následující tabulce.
| Vzorek | fu [kg.kg-1] |
|---|---|
| P1,8-300 | 2,07 |
| P2-350 | 1,95 |
| P2-400 | 2,30 |
| P2-500 | 2,40 |
| P2-420 | 2,05 |
| P4-580 | 2,17 |
Jak je patrné z tabulky č. 2, vypočítané hodnoty převodního součinitele pro hmotnostní vlhkost jsou přibližně poloviční oproti hodnotám tabelovaným dle ČSN EN ISO 10456. Průměrná hodnota převodního součinitele pro hmotnostní vlhkost fu,aver byla rovna 2,16 kg.kg-1 (pro všechny zkušební vzorky).
Závěr
Při studiu tepelně-vlhkostního chování pískových a popílkových pórobetonů bylo zjištěno, že popílkové pórobetony reagují na vlhkost citlivěji než pórobetony pískové. V případě pórobetonu na bázi křemičitého písku se vlhkostní citlivost v závislosti na vzrůstající objemové hmotnosti zkušebních vzorků snižovala. U vzorků popílkových pórobetonů byla zjištěna opačná závislost a se vzrůstající objemovou hmotností došlo ke zvýšení vlhkostní citlivosti. Stanovení závislosti součinitele tepelné vodivosti v závislosti na různé vlhkosti a teplotě jednoznačně ukázalo, že působení vlhkosti a teploty má synergický efekt. S rostoucí vlhkostí se součinitel tepelné vodivosti zvyšoval. Při vlhkostech nad 20 % docházelo ke zvyšování součinitele tepelné vodivosti při záporných teplotách (vlivem fázových změn vlhkosti obsažené v pórovém systému). Dále bylo u zkušebních vzorků zjištěno, že jejich vlhkostní citlivost je výrazně nižší, než jsou hodnoty vlhkostních závislostí stanovené v souladu s ČSN EN ISO 10456.
Poděkování
Tento příspěvek byl vypracován s podporou výzkumného záměru MSM 0021630511 a grantového projektu GAČR 103/09/0016.
Reference
- [1] ČSN EN ISO 10456 Stavební materiály a výrobky - Tepelně-vlhkostní vlastnosti - Tabelované návrhové hodnoty a postupy pro stanovení deklarovaných a návrhových tepelných hodnot, ČNI Praha, 2009
- [2] ISO 8301 Thermal insulation -- Determination of steady-state thermal resistance and related properties -- Heat flow meter apparatus, International Organization for Standardization (ISO), Switzerland, 1991
- [3] ČSN 727012-3 Stanovení součinitele tepelné vodivosti materiálů v ustáleném tepelném stavu. Metoda desky. Část 3: Metoda měřidla tepelného toku, ČNI Praha, 1994
- [4] ČSN EN ISO 12571 Tepelně-vlhkostní vlastnosti stavebních materiálů a výrobků – Stanovení hygroskopických sorpčních vlastností, ČSN Praha, 2001
- [5] Spooner, D., C. Autoclaved Aerated Concrete: Moisture and Properties. 1983. Elsevier Scientific Publishing Co. Netherlands, November 1982. ISBN: 0 444 42117 3
- [6] Drochytka, R.; Zach, J.; Hroudova, J. 2010. Problematika stanovení návrhových tepelných hodnot u pórobetonového zdiva. Zkoušení a jakost ve stavebnictvá. Brno, Vysoké učení technické v Brně. 2010. p. 279 - 287. ISBN 978-80-214-4144-6.
- [7] Drochytka, R.; Zach, J. 2009 Studium tepelně-vlhkostního chování pórobetonu. In Maltoviny 2009. Brno. Vysoké učení technické v Brně. ISBN 978-80-87158-20-3.
- [8] Krejčí, J. Studium změny vlastností pórobetonu v závislosti na vlivu prostředí po zabudování do konstrukce. 2010. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební. Brno 2010
This paper describes the results of research aimed at studying the real hygrothermal behaviour of different types of cellular concrete products for masonry structure, particularly in terms of thermal characteristics depending on temperature and moisture content of the material.