Technologie vysoušení nosných konstrukcí
Nové technologie vysoušení nosných konstrukcí pomocí vysokofrekvenčního elektromagnetického záření (EMW) značně urychují proces odstranění přebytečné vlhkosti. Tento článek popisuje známé fyzikální jevy, které se objevují v průběhu tohoto procesu, a srovnává nečastěji používané způsoby vysoušení budov.
1. Úvod
Stavební firmy, nebo přímo majitelé nemovitostí se občas setkávají s nutností vysušení vlhkého zdiva. Příčinou nadměrného obsahu vody ve zdivu může být:
- zaplavení budovy vodou z povodňové vlny,
- porucha potrubí vnitřního vodovodu, kanalizace či ústředního vytápění, elektroinstalace,
- pronikaní vody z vnějšího prostředí.
Po odeznění, či odstranění příčin, tak zůstává ve zdivu nemalé množství vody, které je nutné odstranit. Tedy prostor, co v nejkratším čase vysušit, aby mohl být opět plnohodnotně využíván.
| Hodnocení vlhkosti | Vlhkost zdiva [% hm.] |
|---|---|
| velmi nízká | < 3 |
| nízká | 3–5 |
| zvýšená | 5–7,5 |
| vysoká | 7,5–10 |
| velmi vysoká | > 10 |
Doba potřebná k dosažení požadovaného stavu, to znamená rychlost vysoušení např. mikrovlnným zářením, je závislá na mnoha faktorech. Jedná se především o:
- rychlost odpařování vody z povrchu vysoušené konstrukce,
- teplota a vlhkost venkovního vzduchu,
- transport vody z hloubky k povrchu,
- rychlost proudění okolního vzduchu,
- barometrický tlak vzduchu,
- objemovou hmotnost vysoušeného materiálu, apod. [2], [3]
2. Odpařování povrchové vlhkosti
Vypařování – je skupenská přeměna, při které se kapalina mění na plyn pouze z povrchu (ne z celého objemu jako při varu). Kapalina při vypařování odebírá teplo z okolí.
Podle kinetické teorie se z kapaliny vypařují ty molekuly, jejichž energie je dostatečná k překonání kohezních sil a jejichž pohyb směřuje k volnému povrchu kapaliny, takže projdou povrchovou vrstvou a opustí kapalinu. Kapalinu tedy opouštějí molekuly s největší energií. Pokud je těchto molekul větší množství, vede to ke snížení střední energie zbývajících molekul kapaliny. To se při adiabatickém vypařování projeví snížením teploty kapaliny.
Množství energie, která je potřebná k odpaření 1 kg vody, je závislé na její teplotě.
L je měrné skupenské teplo.
Pohybuje se v rozmezí od 2500 kJ/kg při teplotě 0 °C, po 2250 kJ/kg při teplotě 100 °C. => (0,64–0,7 [kW/kg]).
Tuto energii je nutno dodat, nebo toto množství bude odebráno okolí. A to ve formě ochlazení vysoušeného materiálu, či okolního vzduchu.
S poklesem teploty povrchu vysoušeného materiálu a vody v něm obsažené, bude rychlost odpařování, za udržení ostatních hodnot na stejné úrovni klesat. A naopak, s nárůstem teploty se rychlost odpařování zvyšuje.
Na rychlost odpařování, to znamená množství vypařené vody za jednotku času, mají vliv i další faktory:
- odpařováním vody z vysoušeného materiálu dochází k postupnému nasycování okolního vzduchu vodní parou. V případech nulového, nebo minimálního proudění vzduchu, se mohou vyskytnout situace, že vzduch je nasycen vodní parou tak, že další již není schopen absorbovat. Kdy teploty rosného bodu je rovna povrchové teplotě vysoušeného materiálu,
- vlhký vzduch je proto nutné odvádět. Ať již nuceně, nebo přirozeným větráním,
- dalším faktorem, který rychlost odpařování ovlivňuje je velikost plochy, ze které je vlhkost odpařována. [1]
3. Transport vody v průřezu zdiva
Odpařováním dochází k vysoušení povrchové vrstvy. Při konstantní teplotě povrchu, tak klesá rychlost odpařování. Současně dochází ke zvýšení gradientu vlhkosti mezi povrchem a hlubšími vrstvami konstrukce.
3.1. Kapilární transport
Bylo zjištěno, že tvar, polarita a spád elektrických polí ve vlhkém zdivu úzce souvisí se směrem, rychlostí a s množstvím vody pohybující se zdivem a s jejím chemickým složením. Elektrická pole vznikají ve zdivu v důsledku proudění vody kapilárními silami, tedy jako potenciál proudění. Vznik elektrického pole je tedy nezbytným průvodním jevem pohybu vody patřičným zdivem. Elektrická pole vznikají i z jiných příčin. Veškeré kovové části, které jsou zabudovány v zavlhlém zdivu a korodují, jsou zdrojem elektrických galvanických článků, které ovlivňují pohyb vody. Tato napětí dosahují hodnot až 1000 mV. Spolupůsobí též chemické vlivy. Elektrická pole se mohou vytvářet ve zdivu v důsledku rozdílné pohyblivosti iontů rozpuštěných solí ve vzlínající vodě. Ty se koncentrují při hranici odpařování. Kationty a anionty nejsou však stejně pohyblivé. Z toho důvodu nacházíme u zavlhlého zdiva zpravidla kladný pól v zóně odpařování a záporný pól u paty zdiva. K dalším chemickým vlivům patří skutečnost, že veškeré stavební hmoty s rozdílnou hodnotou pH dodávají elektrická napětí. Tato napětí U se podle „Nernsta“ určí ze vztahu: U = 0,058 pH. [5]
Protože mezi starým zdivem s pH = 7 a opraveným místem zdiva např. betonem s pH 13 je diference 6 pH jednotek, vytváří se zde rozdíl potenciálu asi 350 mV. S pohybem vody se setkáváme ve zdivu i v příčném směru. Ze strany stěny o teplotě vyšší, než je teplota strany protější, popř. od místa s větším částečným tlakem vodní páry ve vzduchu dochází k difúzi vodní páry k místu s menším tlakem. K difúzi dochází jen v kapilárách a pórech vyplněných vzduchem a v těch kapilárách a pórech, které nejsou zcela vyplněny vodou. Druhá síla, která působí v tomto směru, je termoosmóza. Ta převádí vodu ve směru k místům s vyšší teplotou, tj. působí v opačném směru než difúze. Přitom kapiláry a póry zdiva musí být zcela vyplněny vodou. Obecně lze konstatovat, že difúze působí převážně v kapilárách a pórech větších průměrů a naopak termoosmóza v kapilárách nejužších. [5], [6]
Vzlínání vlhkosti se projevuje u stavebních materiálů s poloměrem pórů od 10−7 do 10−4 m. Vzlínání závisí na tvaru a poloměru pórů. Se zmenšujícím se poloměrem pórů roste výška vzlínání, s rostoucím poloměrem se zvětšuje množství vlhkosti pronikající do zdiva. Největší transport vlhkosti se odehrává v pórech o poloměru 10−5 m. Voda stoupá kapilárou, ale nepronikne přes pór velkého průměru, neboť kapilární zdvih je menší než výška kapiláry. Vzlínání vlhkosti se však nezastaví. Voda se na konci kapiláry odpaří a difunduje k protější stěně, kde pára opět kondenzuje a v tekutém stavu vzlíná kapilárními silami k dalšímu póru. Mimo volné vody vzlíná po stěnách kapilár a póry vrstvička pevně vázané vody v tloušťce několika molekul. Na povrchu kapiláry tvoří pevný film, který má jiné fyzikální vlastnosti než voda volná.
Nemrzne při teplotě 0 °C a nelze ji zcela odpařit ani při několika „stech“ stupních. [1], [4], [5]
3.2. Tlakový transport
Ohřevem vody uvnitř stavební konstrukce, či stavebního materiálu, dochází ke zvětšení jejího objemu. A tím ke zvýšení tlaku, který působí všemi směry. Tedy i směrem k povrchu. Vzlínání vlhkosti se urychluje.
Obecně platí:
kde je
- V
- – objem kapaliny po zahřátí [m3]
- V1
- – počáteční objem kapaliny (při teplotě t1) [m3]
- ∆t
- – rozdíl teplot; ∆t = t − t1 [°C]
- β
- – teplotní součinitel objemové roztažnosti kapalin (βkapalin > βpevných látek)
např.: při 20 °C je βvoda = 1,8 ∙ 10−4 [K−1]
Vzniklý přetlak působí všemi směry, tedy i směrem k povrchu. V mezičase, mezi jednotlivými úseky ohřevů, kdy se postupně ochlazuje povrchová vrstva, tak mohou nastat situace, kdy množství vody vytlačené z hloubky tělesa se nestačí odpařit. Na povrchu se to projevuje ve formě kapek.
Zvětšení objemu vody, a tím i nárůst tlaků tím způsobených, může mít ale i negativní vlivy. Například při vysoušení některých složených konstrukcí, nebo dutinových keramických materiálů.
Každá dutina, která obsahuje zvýšenou vlhkost, se při nevhodně zvoleném postupu ohřevu může stát samostatným tzv. „parním kotlem“ s rizikem destrukce. Obdobné nebezpečí platí i pro vysoušení dřeva a dřevo obsahujících materiálů.
Proto je potřeba volit postup vysoušení s ohledem na druh vysoušeného materiálu či složení stavební konstrukce. V naprosté většině se bude jednat o vysoušení přerušované, složené z úseků ohřevu a úseků chladnutí. Jednoznačné schéma, které by určovalo, jak v daném případě postupovat, neexistuje. A zvolení vhodného postupu je otázkou odbornosti a zkušenosti obsluhy. [1], [8]
4. Porovnání rychlosti a nákladů různých technologií vysoušení
Při vysoušení staveb či jejich částí, u kterých je potřeba odstranit nežádoucí zvýšenou vodu, se v praxi využívá celá řada různých postupů.
4.1. Přirozené vysoušení
Voda je odstraňována pouze působením okolních klimatických podmínek. Toto je jedna z podmínek. Při vypařování vody z povrchu dochází k ochlazování povrchu vysoušeného materiálu (tedy i vody v něm obsažené) i okolního vzduchu. Bez zajištění dostatečného odvětrávání vlhkého vzduchu se proces vysoušení zpomaluje. Vysoušení celkově probíhá pomalu. Rozdíly vody v různých částech průřezu konstrukce se zmenšují plynule. Nedochází k žádným teplotním výkyvům, a tím i k nežádoucímu pnutí.
Rychlost vysoušení je ve značné míře závislá na vnějších klimatických podmínkách. Tedy teplotě a relativní vlhkosti vzduchu v exteriéru a interiéru.
Vždy se však jedná o proces dlouhodobý, trvající často i několik roků. Jedinou výhodou jsou pouze minimální finanční náklady.
Negativní vliv na dobu potřebnou k dosažení požadovaného výsledku mívá velmi rozšířený názor, že nejvhodnější doba k vysoušení je letní období a v chladné části roku se má větrat minimálně. Platí to především v případech vysoušení vlhkých suterénních a sklepních prostor. Pravdou je však opačný způsob.
4.2. Kondenzační a adsorpční vysoušení
Tato technologie je založena na principu průběžného snižování relativní vlhkosti vzduchu ve vysoušeném prostoru. V důsledku toho se zvyšuje rychlost odpařování vody z povrchových vrstev, ale také klesá jejich povrchová teplota. Množství tepla, které vzniká při kondenzaci vodních par, tuto skutečnost většinou eliminuje. Rychlost vysoušení je závislá především na schopnosti konstrukce transportovat vodu z hlubších vrstev k povrchu a samozřejmě také na výkonu instalovaného zařízení. Zrychleným vysoušením povrchových vrstev ovšem může docházet k značnému gradientu vlhkosti v průřezu konstrukce. Doba potřebná k dosažení požadovaného stavu je oproti přirozenému vysoušení výrazně kratší.
Je však nutné počítat s náklady na zapůjčení a provoz přístrojů. Jedná se však o proces velmi finančně a časově nákladný a tato metoda je velmi málo účinná.
4.3. Teplovzdušné vysoušení
Zde se jedná o ohřev povrchu vysoušené konstrukce, při kterém se výrazně zvýší rychlost odpařování vody. Současně s vodou je však ohříván konstrukční materiál. Protože naprostá většina stavebních materiálů má nízkou tepelnou vodivost, dochází k prohřátí pouze povrchových vrstev. Výrazným aspektem, který ovlivňuje dobu potřebnou k vysušení, je i zde schopnost konstrukce transportovat vodu obsaženou v materiálu. Při použití těchto technologií dochází ke značným rozdílům vlhkosti i teplot v jednotlivých vrstvách, což může způsobovat nežádoucí pnutí konstrukcí.
V naprosté většině případů se jedná také o technologii časově a energeticky nákladnou.
4.4. Topné tyče
Jedná se o další variantu urychlení vysoušení s využitím ohřevu konstrukce. Pro instalaci topných tyčí je nutné vyvrtat do zdiva mnoho otvorů, do kterých se topné tyče nasunou. Ohřívány jsou tedy stěny otvorů a jejích těsné okolí. K odpařování tak dochází nejen na povrchu ohřívaného masivu, ale současně i na površích ohřívaných otvorů v jeho hloubce. Vyvrtané otvory průměru 30–50 mm ale mohou narušovat statiku konstrukcí. K hloubkovému ohřevu většiny stavebních materiálů je ovšem potřeba značné množství dodané energie.
4.5. Mikrovlnný ohřev
Samostatnou kapitolou při využívání mikrovlnné technologie jsou bezpečnostní rizika. Mikrovlnné elektromagnetické záření patří mezi záření neionizující. To znamená, že se vyskytují pouze v době, kdy je zapnutý jejích zdroj. Při vypnutí zdroje záření zmizí. Neakumulují se.
Pobyt v prostředí, kde se toto záření vyskytuje, ale může mít negativní vliv na zdraví. Proto se musí při práci se zařízením vysílajícím mikrovlnné záření dodržovat přísná bezpečnostní opatření.
Princip vysoušení využitím mikrovlnné technologie se ode všech předcházejících postupů zásadně liší. Většina nejčastěji používaných stavebních materiálů je pro mikrovlnné elektromagnetické záření transparentní. Jedná se především o keramiku, kámen, beton, dřevo a podobně. Některé materiály zabudované v konstrukcích mikrovlny odrážejí – např. kovy. A některé ji pohlcují. Zde se jedná především o vodu. A některé další bipolární materiály.
Při kontaktu mikrovlnného záření s molekulami vody dochází k přeměně elektromagnetické energie nejprve na energii tepelnou, ve formě zvýšení rychlosti pohybu jednotlivých molekul, a následně, v důsledku tření molekul mezi sebou, k přeměně na energii kinetickou. Dochází k ohřevu vody. Ohřev okolních stavebních materiálů následuje až sekundárně.
Hloubka „prohřevu“ je závislá na mnoha faktorech a na vodě obsažené v povrchových vrstvách a výkonu použitého zařízení.
Rychlost vysoušení stavebních konstrukcí a materiálů při využití mikrovlnné technologie výrazně ovlivňují dva faktory.
- zvýšení teploty vody na povrchu vysoušeného materiálu. Úměrně s tím se zvýší počet molekul, jejichž energie je dostatečná k překonání kohezních sil, takže projdou povrchovou vrstvou a opustí kapalinu.
- zvýšení teploty vody uvnitř vysoušeného materiálu způsobí nárůst jejího objemu.
Ohřátím vody o 1 °C se zvětší její objem o 0,18 %. V běžných případech, kdy působením mikrovlnné energie dojde k nárůstu teploty vody v hloubce ohřívaného tělesa o 50 °C (z 15 °C na 65 °C), se zvětší její objem o 9 %.
| nároky na vybavení | nároky na obsluhu | doba vysoušení | náklady | |
|---|---|---|---|---|
| přirozené vysoušení | 1 | 1 | 10 | 1 |
| kondenzační a absorbční vysoušení | 4 | 2 | 6 | 3 |
| teplovzdušné vysoušení | 6 | 4 | 5 | 6 |
| topné tyče | 7 | 6 | 4 | 6 |
| mikrovlnné vysoušení | 10 | 10 | 1 | 10 |
[2], [6], [7]
5. Závěr
Z hodnocení kladů a záporů jednotlivých základních postupů vyplývá, každá technologie má své opodstatněné využití v praxi. Vždy záleží na poměru časové a finanční náročnosti. Důležitým aspektem je také efektivita příslušné technologie.
V případech, kdy je hlavním požadavkem co nejrychlejší vysoušení, je jednoznačně nejvýhodnější využití mikrovlnného záření. Doba potřebná k dosažení požadovaného stavu je při využití EMW záření výrazně nižší.
Čas potřebný k vysušení cihelného zdiva např. po záplavách se z doby několika roků (při přirozeném vysoušení), či mnoha měsíců (při využití různých vysoušečů), zkrátil na dobu v řádu několika týdnů. Čas potřebný k eliminaci vody z konstrukce je velmi důležitým aspektem pro eliminaci růstu biotických škůdců, kteří jsou škodliví pro lidský organismus.
Poděkování
Tento článek vznikl za podpory GAČR P104/10/P388 „Experimentální analýza účinnosti mikrovlnného záření při likvidaci biologických činitelů způsobujících korozi stavebních materiálů“.
Literatura
- [1] NOVOTNÝ, M.; ŠUHAJDA, K.; SOBOTKA, J.; GINTAR, J.; ŠUHAJDOVÁ, E.; MÁTL, M.; JIROUŠEK, Z., USE OF MICROWAVE RADIATION IN BUILDING INDUSTRY THROUGH APPLICATION OF WOOD ELEMENT DRYING, článek ve WOOD RESEARCH, ISSN 1336-4561, Výskumný ústav papiera a celulózy, a.s., BRATISLAVA, 2014.
- [2] NOVOTNÝ, M.; JIROUŠEK, Z.; SOBOTKA, J.; ŠUHAJDA, K., MIKROVLNNÁ STERILIZACE DŘEVĚNÝCH PRVKŮ NAPADENÝCH BIOTICKÝMI ŠKŮDCI Zdroj: http://stavba.tzb-info.cz/drevene-a-ocelove-konstrukce/11774-mikrovlnna-sterilizace-drevenych-prvku-napadenych-biotickymi-skudci, článek v TZB-info, ISSN 1801-4399, TZB-INFO, Topinfo s.r.o., Křenova 438/3, 162 00 Praha 6, PRAHA, 2014.
- [3] SOBOTKA, J.; JIROUŠEK, Z., SANACE DŘEVĚNÝCH PRVKŮ KITTELOVA DOMU, článek v Materiály pro stavbu , ISSN 1213-0311, Business Media CZ, s.r.o., Praha, 2014.
- [4] SOBOTKA, J., JIROUŠEK, Z., Šuhajda K, Likvidace a sterilizace biotických činitelů pomocí mikrovlnné technologie, Sanace a rekonstrukce staveb 2012, CRRB-14 International Conference on Rehabilitation and Reconstruction of Building – Vědeckotechnická společnost pro sanace staveb a péči o památky – WTA CZ. ISBN 978-82-02-02414-9.
- [5] ŠUHAJDA, K; NOVOTNY, M; ŠKRAMLIK, J.; Monitoring of Effectivity of Microwave Desiccation by Means of rod plug-in Antenna, článek v The e-Journal of Nondestructive Testing, ISSN 1435-4934, Journal & Exhibition of non destructive Testing, Kirchwald, Germany, 2008. 4–8 s.
- [6] NOVOTNÝ, M.; ŠKRAMLIK, J.; ŠUHAJDA, K.; SOBOTKA, J., Efficiency of Liquidation od Biotic Pents Using Microwave Radiation, příspěvek na konferenci Proceedings of the Conference on the Rehabilitation and Reconstruction of Buildings CRRB 2012, ISBN 978-3-03785-679-6, TRANS TECH PUBLICATIONS, Switzerland, 2013.
- [7] SOBOTKA, J.; NOVOTNÝ, M.; ŠUHAJDA, K., Účinnost likvidace biotických škůdců plísní mikrovlnným zářením, článek v Stavební obzor, ISSN 1210-4027, Fakulta stavební ČVUT Praha, Praha, 2013.
- [8] NOVOTNÝ, M.; ŠUHAJDA, K.; SOBOTKA, J., Analýza rekonstrukce ploché střechy na objektu RD v Brně, článek v Soudní inženýrství, ISSN 1211-443X, Akademické nakladatelství CERM s.r.o., Brno 2013, 2013.
Drying masonry building structures using high-frequency electromagnetic (EMW) radiation, so-called. Microwave technology in construction practice becoming more exercise. It is an innovative method which can be used to remove excess moisture significantly speed. This article focuses on the description of physical phenomena that occur during drying and comparison standard, the most commonly used, processes for drying buildings.