Vlhkostní vlastnosti smrkového dřeva

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl oceněn odbornou porotou konference a okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

V důsledku komplexní struktury dřeva není doposud možné získat pomocí pokročilých výpočetních modelů reálný průběh transportu kapalné vody ve dřevě.

Tato práce se zabývá dlouhodobým experimentálním měřením nasákavosti při částečném ponoření (dále absorpční test) pro smrkové dřevo ve třech směrech podle orientace vláken – radiálním, tangenciálním a axiálním (podélným). Navazuje na předchozí výzkum publikovaný ve sborníku SVK Dřevěné konstrukce a dřevostavby 2019 [1], ve kterém byly navrženy úpravy postupu měření nasákavosti vycházející z normy ČSN EN ISO 15148 [2] vzhledem ke struktuře dřeva.

Během předchozího měření ověřen vliv navlhavosti na průběh křivky nasákavosti během experimentu, tzn. že absorpční proces je kombinací příjmu kapalné vody a příjmu vzdušné vlhkosti. Tento vliv je pro další práci s naměřenými daty nežádoucí.

Cílem této práce je navrhnout set experimentů pro eliminování vlivu navlhavosti a naměření přesných parametrů pro formulaci součinitele transportu kapalné vody ve dřevě v závislosti na vlhkosti dřeva a jeho struktuře. Tento parametr je nezbytný pro pokročilé modelování dynamického tepelně-vlhkostního transportu v konstrukcích, které umožňuje např. predikci vlhkosti v konstrukci s ohledem na proměnné klimatické podmínky.

2. Literární přehled/popis současného stavu

V posledních letech byl prováděn výzkum vlhkostních vlastností dřeva pomocí pokročilých nedestruktivních metod, např. rentgenové, gama a neutronové radiografie a magnetické resonance (MRI). Tyto metody umožňují sledovat rozložení vlhkosti ve vzorku v čase. Tímto způsobem prováděli grafickou analýzu absorpce vody ve dřevě např. Zillig [3] a Sedighi-Gilani [4].

Stále nejběžnějším způsobem měření nasákavosti dřeva je však ruční metoda, která je v normách popsána pro různé materiály. Pro dřevo stanovuje postup norma ČSN 49 0104 z roku 1988 [5]. Zjišťuje se zde největší množství vody, které je zkušební těleso schopné přijmout při dlouhodobém uložení ve vodě. Postup a především způsob vyhodnocení naměřených hodnot dle [5] však neumožňuje odvození součinitele přenosu kapalné vody potřebného pro výpočetní modely, nepostihuje totiž vývoj obsahu vlhkosti v čase. Způsob měření nasákavosti v závislosti na čase specifikuje norma ČSN EN ISO 15148 pro pórovité materiály [2]. Postupy dle této normy ale dostatečně nezohledňují specifické chování dřeva, jakožto ortotropního materiálu.

Zillig se ve své disertační práci [6] zabýval měřením nasákavosti a navlhavosti dřeva a modelováním celkového příjmu vody v průběhu 14 dní. Z předchozího výzkumu bylo však zjištěno, že ke kapilárnímu nasycení v případě dřeva dochází až po delší době v řádu měsíců. Postup měření v této práci vychází jednak ze zmíněné disertační práce [6], předchozího výzkumu [1], a práce Marín-Calleja [7], ve které již v roce 1996 navrhl kontinuální vážení vzorku za konstantních okrajových podmínek z podvěsu vah pro homogenní pórovité materiály.

3. Metodika

Pro eliminování vlivu navlhavosti a zjištění správnosti naměřených dat byly navrženy 3 různé experimenty:

• Změření nasákavosti absorpčním testem plně vysušených vzorků
• Změření navlhavosti plně vysušených vzorků
• Změření nasákavosti předem nakondicionovaných vzorků při 94% relativní vlhkosti, tj. ve stavu blízkému nasycení vláken.

Pro plně vysušené vzorky bylo následně provedeno prosté odečtení samotné navlhavosti od nasákavosti změřené absorpčním testem. Výsledná křivka byla porovnána s křivkou kapilární nasákavosti předem nakondicionovaných vzorků při vysoké relativní vlhkosti. Naměřená data byla použita jako vstupní parametry do programu WUFI 6 pro simulování experimentu.

Příprava vzorků

Vzorky smrkového bělového dřeva o rozměrech 25 × 20 × 10 mm byly nejprve plně vysušeny v exikátoru s molekulovým sítem pro zjištění objemové hmotnosti v suchém stavu. Poté byly rozděleny podle orientace pro měření v radiálním, tangenciálním a axiálním směru, viz Obr. 1 vlevo. Tři vzorky v každém směru byly nakondicionovány v exikátoru při teplotě 23,0 ± 2 °C se solí KNO₃, tj. při relativní vlhkosti 94,0 ±2 %. Patnáct vzorků v radiálním směru bylo ponecháno v relativní vlhkosti 0,0 ± 2 % a při teplotě 23,0 ± 2 °C. Po ustálení hmotnosti při daných okrajových podmínkách byly vzorky zaizolovány na příslušných bočních stranách bitumenovou páskou. Nakondicionované vzorky byly opatřeny závěsným systémem. Vysušené vzorky byly bezkontaktně zaizolovány z vrchní strany izolační lepenkou a osm vzorků bylo speciálně upraveno pro měření navlhavosti, viz Obr. 1 uprostřed. Následně byly opět kondicionovány/sušeny až do znovu-ustálení hmotnosti minimálně na ±0,1 % hmotnosti vzorku během 24 hodin.

Obr. 1 Způsob rozdělení vzorků podle orientace (vlevo), způsob připravení vzorků pro měření navlhavosti (uprostřed) a schéma způsobu měření navlhavosti (vpravo)

Stanovení nasákavosti a navlhavosti

Pro stanovení koeficientu transportu kapalné vody pro sání D_ws je potřeba naměřit absorpční koeficient A_cap a obsah vlhkosti zcela kapilárně nasyceného vzorku w_cap. Tyto parametry se nejčastěji zjišťují absorpčním testem z křivky nasákavosti. Měření nasákavosti plně vysušených vzorků bylo provedeno absorpčním testem při teplotě a vlhkosti vzduchu v laboratoři. Tyto okrajové podmínky byly kontinuálně monitorovány. Měření nasákavosti nakondicionovaných vzorků bylo stanoveno také absorpčním testem při konstantních podmínkách 94,0 ± 2 % RH a teplotě 23 ± 2 °C. Pro zajištění konstantních okrajových podmínek byl zhotoven speciální exikátor, který umožňuje vážení vzorků z podvěsu. Váhy jsou v průběhu vážení napojeny na počítač, kam jsou zaznamenávána naměřená data.

Postup měření nasákavosti plně vysušených vzorků:

Vzorky jsou po ustálení hmotnosti při sušení vloženy do nádoby s demineralizovanou vodou a je spuštěn časovač. V určených intervalech jsou vzorky vždy vyndány z vody, jejich spodní povrch je jemně otřen vlhkým hadříkem tak, aby na něm nezůstávaly kapky vody a bitumenová páska ze strany vzorku byla papírovou utěrkou otřena do sucha. Poté jsou vzorky zváženy s přesností 0,001 g a vráceny zpět na podložku. Tento proces je proveden vždy za právě 30 s a doba, po kterou vzorky nejsou v kontaktu s vodou, je zohledněna při zpracování dat. Postup se opakuje do dosažení téměř úplného nasycení vodou v axiálním směru a ustálení hmotnosti v radiálním a tangenciálním směru.

Postup měření nasákavosti nakondicionovaných vzorků:

Vzorky jsou po ustálení hmotnosti při kondicionování vloženy do nádoby s demineralizovanou vodou ve speciálním exikátoru, viz Obr. 2 vpravo. Postup měření absorpčním testem je téměř totožný, jako v případě měření plně vysušených vzorků s tím rozdílem, že jsou vzorky po celou dobu ponechány ve speciálním exikátoru za konstantních podmínek a jsou váženy z podvěsu vah.

Postup měření navlhavosti vysušených vzorků:

Speciálně upravené vzorky jsou po ustálení hmotnosti při sušení vloženy na připravené podstavce tak, aby nebyly v kontaktu s kapalnou vodou, ale byly vystaveny nasycenému vzduchu, viz Obr. 1 vpravo. V určitých intervalech jsou vzorky váženy s přesností 0,001 g do ustálení hmotnosti, podobně jako při absorpčním testu.

Obr. 2 Experimentální set pro měření nasákavosti a navlhavosti vysušených vzorků (vlevo) a nasákavosti nakondicionovaných vzorků ve speciálním exikátoru (vpravo)

Zpracování dat A_cap, w_cap a D_ws

Absorpční koeficient je vyjádřen z rovnice přímky jako tangenta nárůstu kumulovaného obsahu vody poděleného odmocninou z času během 1. fáze křivky nasákavosti:

(1)

kde je

m_wet

hmotnost nasáklého vzorku na konci měření [kg],

m_dry

hmotnost suchého vzorku na začátku měření [kg],

A

kontaktní plocha vzorku s vodou [m²],

A_cap

absorpční koeficient [kg/(m²ꞏs^½)],

t^½

odmocnina času [s^½],

k₁

konstantní aplikační koeficient, který vyjadřuje posunutí na ose „y“.

Obsah vlhkosti zcela kapilárně nasyceného vzorku se určuje z křivky nasákavosti nalezením průsečíku mezi 1. a 2. fází absorpčního procesu. V případě dřeva se nalezení průsečíku v této práci provedlo v radiálním směru a bylo použito i pro ostatní směry. Množství nasáklé vody vztažené na plochu vzorku v tomto průsečíků je poděleno výškou vzorku:

(2) [kg/m³]

kde je

w_cap

obsah vlhkosti zcela kapilárně nasyceného vzorku [kg/m³],

H 

výška vzorku [m],

cross

průsečík mezi 1. a 2. fází absorpčního procesu. [8]

Z těchto naměřených parametrů je vyjádřen součinitel transportu kapalné vody pro sání ve dřevě v závislosti na vlhkosti dřeva podle vztahu:

(3) [m²/s]

kde je

D_ws

součinitel transportu kapalné vody [m²/s],

w

obsah vlhkosti ve vzorku [kg/m³].

Simulace v programu WUFI 6

V programu WUFI 6 byla provedena simulace absorpčního testu kapilární nasákavosti částečným ponořením vzorků nakondicionovaných při relativní vlhkosti 94 %. Vlhkostně závislý součinitel transportu kapalné vody D_ws byl do programu zadán dle vzorce (3) s využitím naměřených parametrů A_cap a w_cap, viz tab. 1. Další transportní charakteristiky byly převzaty z výsledků dřívějších experimentů v laboratoři UCEEB provedených na identickém dřevě (vlhkostně závislý faktor difúzního odporu a funkce rovnovážné vlhkosti).

4. Výsledky

Křivky na Obr. 3 znázorňují průběh nasákavosti vzorků bělového dřeva nakondicionovaných při relativní vlhkosti 94 %. Je patrné, že v radiálním směru dosáhlo bělové dřevo stavu plného kapilárního nasycení. Obr. 4 ukazuje průběhy samotné navlhavosti a kombinace navlhavosti s kapilární nasákavostí u bělového dřeva v radiálním směru, v obou případech z absolutně suchého stavu.

Obr. 3 Křivky nasákavosti bělového dřeva při RH 94 % předem nakondicionovaných vzorků

Obr. 4 Nasákavost a navlhavost bělového dřeva v radiálním směru plně vysušených vzorků

Na Obr. 5 je průběh navlhavosti graficky odečten od křivky zahrnující navlhavost i nasákavost. Tím je získán teoretický průběh samotné kapilární nasákavosti dřeva z absolutně suchého stavu (červená křivka), který je porovnán s průběhem kapilární nasákavosti vzorků nakondicionovaných při 94 % relativní vlhkosti, tj. s minimalizovaným vlivem navlhavosti (černá křivka).

Na Obr. 6 je vyobrazeno porovnání experimentálního měření nasákavosti vzorků nakondicionovaných při relativní vlhkosti 94 % se simulací v programu WUFI 6 za stejných počátečních a okrajových podmínek.

Obr. 5 Porovnání křivky nasákavosti při RH 94 % nakondicionovaných vzorků (černá křivka) s kapilární nasákavostí bez vlivu navlhavosti plně vysušených vzorků (červená křivka)

Obr. 6 Porovnání nasákavosti nakondicionovaných vzorků bělového dřeva v radiálním směru s modelem

V Tab. 1 jsou pro bělové dřevo v radiálním směru uvedeny číselné hodnoty absorpčního koeficientu během první fáze (cca 1 týden) kapilární nasákavosti A_cap, a celkového obsahu vlhkosti v kapilárně zcela nasycených vzorcích, w_tot, který je součtem obsahu kapalné vody v lumenech, w_cap, a obsahu adsorbátu v buněčných stěnách, w_cw.

5. Diskuse

Zajímavé je srovnání průběhu nasákavosti vzorků bělového dřeva v radiálním směru nakondicionovaných při relativní vlhkosti 94 % na Obr. 3 s dříve provedenými experimenty nasákavosti na plně vysušeném jádrovém dřevě [1], které v radiálním směru stavu plného kapilárního nasycení nedosáhlo. Tento rozdíl je pravděpodobně způsoben rozdílným chováním dřeňových paprsků u jádrového a bělového dřeva. Pro ověření tohoto fenoménu probíhají další experimenty.

Na Obr. 5 je patrná dobrá shoda mezi teoretickým průběhem kapilární nasákavosti z absolutně suchého stavu bez vlivu navlhavosti (červenou křivkou) a průběhem kapilární nasákavosti nakondicionovaných vzorků při relativní vlhkosti 94 % (černou křivkou). Tato shoda je důkazem nezanedbatelného vlivu navlhavosti na hmotnostní změnu vzorků dřeva během zkoušky kapilární nasákavosti částečným ponořením suchých vzorků. Je také zřejmé, že obsah vlhkosti ve dřevě při plném kapilárním nasycení je součtem adsorbátu v buněčných stěnách a kapalné vody v lumenech.

Z průběhů křivek na Obr. 6 je patrné, že se podařilo dosáhnout poměrně dobré shody namodelované křivky a křivky vycházející z experimentálně naměřených dat. Kromě vlhkostně závislého součinitele transportu kapalné vody Dws vypočítaného z experimentálně naměřených parametrů A_cap a w_cap, bylo třeba do programu zadat hodnoty experimentálně naměřeného vlhkostně závislého faktoru difúzního odporu a funkce rovnovážné vlhkosti. Při použití předem nadefinovaných materiálových charakteristik z databáze WUFI této shody nebylo možné dosáhnout.

6. Závěr

Cílem této práce bylo navrhnout set experimentů pro eliminování vlivu navlhavosti a naměření přesných parametrů pro formulaci součinitele transportu kapalné vody ve dřevě v závislosti na vlhkosti dřeva a jeho struktuře. Naměřené parametry byly použity jako vstupní data pro pokročilé modelování dynamického transportu vlhkosti v programu WUFI 6. Podařilo se dosáhnout poměrně dobré shody mezi namodelovanou a experimentálně naměřenou křivkou nasákavosti. Naměřené hodnoty jsou zároveň v dobré shodě s publikovanými daty [1], [6].

Byl ověřen rozdíl mezi principiálními anatomickými směry dřeva – v axiálním směru byl zaznamenán přibližně 5× větší nárůst hmotnosti než v tangenciálním směru.

Měření také ukázalo, že navlhlé bělové dřevo, tj. ustálené při vysoké relativní vlhkosti, má větší kapilární příjem vody v radiální směru než ve směru tangenciálním a je v radiálním směru schopno dosáhnout plně kapilárně nasyceného stavu. Zároveň je zajímavé srovnání s dříve provedenými experimenty nasákavosti na plně vysušeném jádrovém dřevě, které v radiálním směru stavu plného kapilárního nasycení nedosáhlo. Tento rozdíl je pravděpodobně způsoben rozdílným chováním dřeňových paprsků u jádrového a bělového dřeva.

Kapilární příjem vzorků nakondicionovaných při vysoké relativní vlhkosti byl ve všech anatomických směrech naměřen menší než v případě plně vysušených vzorků, což dokazuje ovlivnění absorpčního procesu navlhavostí.

Experiment také ukázal, že průběh hmotnostních přírůstků vlhkosti ve dřevě při zkoušce kapilární nasákavosti dřeva vynesený proti odmocnině z času není lineární, jako je tomu u pórovitých materiálů na silikátové bázi (např. cihelný střep). Je proto pravděpodobné, že pro popis součinitele transportu kapalné vody D_ws dřeva existuje vhodnější funkční předpis, než udává rovnice (3). Zde se otevírá prostor pro další výzkum.

Tento výzkum pokračuje měřením nasákavosti na vzorcích jádrového dřeva, které vykazují rozdílný průběh transportu kapalné vody. Cílem je zpřesnění matematického modelu transportu vlhkosti ve dřevě a aplikování modelu pro predikování chování dřeva v konstrukci vystavené obecným okrajovým podmínkám.

Poděkování

Tento výzkum byl podpořen SGS grantem č. 19/095/OHK1/2T/11 – Měření vlhkostních vlastností stavebních materiálů.

Použité zdroje

1. PROKOPOVÁ, Lenka. DŘEVĚNÉ KONSTRUKCE A DŘEVOSTAVBY SE ZVLÁŠTNÍM ZAMĚŘENÍM NA OBČANSKOU VÝSTAVBU: Petra Schůtová: Nasákavost smrkového dřeva. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta architektury, 2019. ISBN 978-80-01-06647-8.
2. ČSN EN ISO 15148: Tepelně vlhkostní chování stavebních materiálů a výrobků – Stanovení nasákavosti částečným ponořením. 1. Praha: ČESKÝ NORMALIZAČNÍ INSTITUT, 2004.
3. ZILLIG, Wolfgang. Liquid water transport in wood: Towards a mesoscopic approach. In: Research in Building Physics and Building Engineering. London: Taylor&Francis Group, 2015, s. 107-114. ISBN 0-415-41675-2.
4. SEDIGHI-GILANI, Marjan. Liquid uptake in Scots pine sapwood and hardwood visualized and quantified by neutron radiography. Materials and Structures. 2014, 47(6), 1083-1096.
   https://link.springer.com/article/10.1617%2Fs11527-013-0112-7. ISSN 1359-5997.
5. ČSN 49 0104 Skúšky vlastností rasteného dreva: Metóda zisťovania nasiakavosti a navlhavosti. 1. Praha: ÚNM, 1988.
6. ZILLIG, Wolfgang. Moisture transport in wood using a multiscale approach. Leuven, 2009. Doctoral dissertation. Katholieke Universiteit Leuven.
7. MARTÍN-CALLEJA, J. New method for performing capillary absorption test. American Ceramic Society Bulletin. 1996, (75), 66-70.
8. FENG, Chi a Hans JANSSEN. Hygric properties of porous building materials (III): Impact factors and data processing methods of the capillary absorption test. Building and Environment. 2018, (134), 21-34.