Mikrovlnná teorie ve stavební praxi
Tento příspěvek pojednává o praktickém využití mikrovlnné technologie ve stavební praxi. Názory na využití EMW zařízení jsou nejen u laické veřejnosti značně rozdílné. Od bezmezného vychvalování, až po zatracování. Důvodem tohoto stavu je především nedostatečná informovanost odborníků a veřejnosti o tom, co je a co není možné od této technologie očekávat.
V článku naleznete závěry, ke kterým jsme dospěli na základě experimentů prováděných na Fakultě stavební VUT Brno, a následně ověřených měření v terénní praxi.
Cílem je podat základní informace o možnostech využití mikrovlnné technologie. O jejich výhodách, ale také o rizicích, které sebou tato technologie nese.
Příspěvek je rozdělen do tří částí.
- obecná teorie mikrovlnného záření a důvody jeho využití v praxi,
- ohřev a vysoušení stavebních konstrukcí,
- likvidace biotických škůdců staveb pomocí EMW záření. [4] [5]
Obsahem článku není detailní popis jednotlivých experimentů a terénních zkoušek. Nejsou zde ani uvedeny žádné matematické výpočty. Jedná se pouze o obecné informace, aby si laická veřejnost i odborníci mohli vytvořit rámcové srovnání sanačních metod.
1. Obecná teorie mikrovlnné technologie (EMW)
Mikrovlnami nazýváme část elektromagnetického záření o frekvenci od 300 MHz do 300 GHz, což odpovídá vlnovým délkám od 1 m do 1 mm. Pro průmyslové účely je globálně určena frekvence 2,45 GHz s odpovídající vlnovou délkou 12,2 cm, která je využívána i v našich aplikacích.
Mikrovlnné záření patří do širokého spektra elektromagnetického vlnění, kam řadíme například i oblast viditelného světla, které se řídí Maxwellovými rovnicemi. Platí pro ně, že vektory charakterizující magnetické a elektrické pole jsou v každém bodě a v každém okamžiku k sobě kolmé a oba jsou kolmé ke směru pohybu vlny.
Elektromagnetické záření je založeno na principu vyzařované energie pohlcované molekulami vody, které se nacházejí ve vlhkém stavebním materiálu. Vyzařovaná energie se přemění na energii tepelnou v hmotě ozařovaného materiálu, kde dojde k tzv. „pohybu“ molekul vody, a poté se energie přemění na energii kinetickou.
Mikrovlnná energie je usměrňována pomocí vyzařovací antény, avšak je nutné zdůraznit, že energie je nerovnoměrně rozložena.
Při zapnutí mikrovlnného generátoru dochází primárně k přeměně energií, vytvoří se vysokonapěťové elektronky, dle frekvence se jedná o magnetrony nebo klystrony. Vzniklé mikrovlny jsou vedeny vlnovodem do vnitřního prostoru antény. Provedení a tvary antén jsou závislé na způsobu jejich využití. V prostoru antén se mikrovlny odrážejí od kovových plášťů a vytvářejí tak místně, ale i časově proměnné prostorové pole. Po vložení či přiložení materiálu se mikrovlnné pole deformuje, v závislosti na jeho vlastnostech a objemu. [3] [4] [5]
Obr. 1 – Schéma elektromagnetické vlny délky λ – elektrická (x) a magnetická složka (y) vlnění
Na základě toho můžeme materiály rozdělit do tří základních skupin:
- Reflexní – materiály, od kterých se záření odráží. Jedná se především o kovy. Ovšem ne vždy a ne všude. V některých případech může být část energie absorbována. Týká se to především různých drobných součástí z feromagnetických materiálů (hřebíky, šrouby a vruty, sponky). Intenzivním působením EMW technologie může docházet k výraznému ohřevu jejích konců, a to až na teploty vysoce převyšující hodnoty 200 °C.
- Transparentní – materiály, kterými záření proniká. Jedná se především o sklo, porcelán, keramiku, některé plasty a částečně i dřevo. Ve skutečnosti to neplatí v plném rozsahu. Většina uvedených materiálů obsahuje stopové prvky různých kovů, a tím je způsoben částečný odraz záření. Je nutné si uvědomit, že dřevo a výrobky na jeho bázi obsahují navíc vodu.
- Absorpční – materiály, které záření „pohlcují“. Hlavním a pro nás nejdůležitějším materiálem této skupiny je voda. Působením EMW záření se rozkmitají molekuly vody. Elektromagnetická energie se přemění na energii kinetickou. Třením rozkmitaných molekul o sebe a okolní materiály se energie kinetická přemění na energii tepelnou. Dochází k ohřevu vody. A teprve následovně jsou od ohřáté vody ohřívány okolní stavební materiály.
2. Ohřev a vysoušení stavebních materiálů
Při ověřování možností využití mikrovlnné technologie ve stavební praxi, jsme provedli spoustu různých experimentů. Jednalo se například o měření teplot, vlhkosti a dalších údajů při ozařování základních stavebních materiálů.
Teplota byla měřena povrchově, u dřevěných prvků byla teplota měřena hloubkově. Vlhkost stavebních materiálů byla měřena hloubkově a to v hloubce 70 m a 110 mm. V dalších článcích budou podrobně popsány naměřené hodnoty u druhů stavebních materiálů (teploty a vlhkostí, hmotnosti, …).
Členění námi ozařovaného materiálu:
- dřevo,
- cihla CPP a keramické bloky,
- pórobetonové tvárnice,
- kovové spojovací materiály apod.
2.1 Ohřev
Průnik EMW záření do hloubky ozařovaného materiálu závisí na těchto faktorech:
- výkonu použitého zařízení,
- konstrukci antény usměrňující elektromagnetické záření,
- druhu vysoušeného materiálu,
- vlhkosti a její rozložení v průřezu ozařované konstrukce.
Nejčastěji používané mobilní přístroje mají vyzařované výkony 750–1000 W. To znamená příkon 1–2 kW a hmotnost generátoru okolo 15 kg. Jsou snadno přemístitelné (mobilní) a lze je připojit do běžných elektrických rozvodů. Mobilnost mikrovlnných generátorů je jednou z nezbytných okolností terénních vysušování.
Vyšší výkony jsou použity u stabilních, nebo polostabilních zařízení (generátorů).
Tok elektromagnetického záření je usměrňován pomocí antén, které jsou různého tvaru. Ve většině případů mají tvar komolého jehlanu o čtvercové, nebo obdélníkové základně s plochou 400–800 cm2.
Je nutné zmínit, že za ideálního stavu by měly zajistit rovnoměrné rozložení intenzity záření na celou ozařovanou plochu. Toto je velmi obtížně proveditelné, téměř nemožné.
Důležitým faktorem, který má na rychlost ohřevu vliv, je vzdálenost antény (vlnovodu) od ozařované plochy. [3]
Při vysokém, až velmi vysokém stupni vlhkosti zdiva je ovšem většina energie pohlcována v přední části a hloubkový průnik EMW je malý. Postupným vysoušením se hloubkový průnik zvyšuje. Průnik jsme hodnotili jednak pomocí detektoru elektromagnetického smogu, jednak zprostředkovaně měřením teplot, které byly dosaženy v různých vzdálenostech od čelní strany. Při měření teplot dosažených při ozařování různých materiálů, která byla prováděna v laboratoři i terénních podmínkách (in-situ), byly uvedené skutečné hodnoty, které byly reálně naměřeny.
Obr. 2 – Popis a terminologie mikrovlnného generátoru s příslušenstvím
Námi provedený reálný příklad z naší terénní praxe:
Stěna z CPP tl. 300 mm.
Po havárii TZB – vodovodu došlo k výraznému zvlhčení – 13,2–14,1 %.
Ohřev byl prováděn cyklicky 4 × 20 minut s přestávkami mezi jednotlivými ohřevy 60 minut.
Na začátku prvního ohřevu nebyl detekován žádný elektromagnetický smog za ozařovanou stěnou.
Na konci čtvrtého ohřevu již byla hladina elektromagnetického smogu těsně u zadní strany zdiva, a to v rizikové oblasti. To dokladovala i dosažená povrchová teplota zadní stěny 62 °C.
Obr. 3, 4 – Příklady využití EMW technologií v praxi2.2 Vysoušení
Jak bylo uvedeno výše, působením EMW záření dochází především k ohřevu vody, obsažené ve stavební konstrukci. Ohřevem dochází ke zvětšení jejího objemu.
Koeficient tepelné roztažnosti vody je ßH2O = 0,18 % (ßH2O = 0,18 · 10−3K−1).
Protože je voda nestlačitelná, je výsledkem nárůstu tlaků uvnitř ozařované konstrukce (materiálu), který působí všemi směry, tedy i směrem k povrchu. Na povrchů konstrukcí materiálů se může lehce odpařovat.
Jednoznačným faktorem je, že s klesající vlhkostí se zvyšuje průnik elektromagnetické energie. Intenzivní ohřev ovšem může mít i negativní následky. Nevratné mechanické poškození vysoušeného materiálu. [5]
Řešením je cyklické vysoušení, při kterém po každém ohřevu následuje přestávka. Tu jsme si pracovně nazvali „vydýchání“. Při ní pokračuje transport vlhkosti směrem k povrchu a současně i odpařování povrchové vlhkosti. Tímto cyklickým vysoušením dochází k eliminaci vody, obsažené v ozařované stavební konstrukci.
Velikost jednotlivých časových úseků se může případ od případu výrazně lišit. Proměnných, které to ovlivňují je celá řada. V tomto případě je zvolení vhodného postupu otázkou odbornosti obsluhy zařízení (mikrovlnných generátorů).
Velký vliv na průběh vysoušení má druh vysoušeného materiálu, či konstrukce a její povrchová úprava. Průběh vysoušení omezí např. různé nátěry, nástřiky, které omezí volné vydýchání vody z ozařované hmoty stavebních materiálů.
Z našich experimentů a terénních měření bude platit ve většině případů zásada, že je mnohem efektivnější materiály, prvky ozařovat cyklicky po kratších intenzitách ohřevů.
Mnohem efektivnější je materiály, prvky ozařovat například v intervalech 6 × 10 minut, než 2 × 30 minut.
Přestávka na „vydýchání“ by neměla být kratší než doba ohřevu.
Obr. 5, 6 – Praktické a experimentální vysoušení stavebních materiálůRůznými postupy vysoušení stavebních materiálů se zabývá celá řada firem. Mezi nejběžnější jsou například jsou vysoušeče kondenzační, absorpční, teplovzdušné, sálavé, topné tyče. A samozřejmě i EMW. [3] [4]
Některé nabídky jsou seriózní, některé nepravdivé. Můžeme uvést například kategorie, témata typu „zázraky na počkání, nemožné do tří dnů“, apod.
V některých publikacích se čtenáři mohou dozvědět, že např. „firma odstraní pomocí 6 ks mikrovlnných generátorů za 24 hodin 450 kg vody“. Toto tvrzení je reálně nemožné a odporuje to fyzikálním zákonům.
3. Likvidace biotických škůdců
O přímém poškození flóry nebo fauny mikrovlnami se vedou rozsáhlé diskuze. Nic takového nebylo zatím jednoznačně prokázáno. K jejich poškození dochází zprostředkovaně, a to teplem.
Společným rysem biotických škůdců je zvýšený obsah vody, vzhledem k okolním materiálům.
V rámci ověřování možností EMW v této oblasti, jsme se zaměřili na tři hlavní skupiny:
- mikroskopické dlouhovláknité houby – plísně,
- dřevokazné houby,
- dřevokazný hmyz.
3.1 Plísně
Biotickým činitelům, jako jsou plísně, se v některých publikacích tito biotičtí škůdci citují jako „mikroskopické dlouhovláknité houby“. Ke svému růstu potřebují relativně málo podmínek. Pouze dlouhodobě zvýšenou vlhkost a živnou půdu. Tou může být i mikroskopická vrstva pevného aerosolu. [1]
K inaktivaci nárůstu mycelia stačí teploty do 100 °C. Ovšem k likvidaci jejich spór je potřeba teplot výrazně vyšších, u některých druhů plísní nad 120 °C. Lze předpokládat, že při dosažení minimálních teplot dojde bezprostředně při mikrovlnném záření k jejich likvidaci.
V porovnání s klasickou dezinfekcí, pomocí chemických látek je využívání mikrovlnné technologie ekonomicky neefektivní a použití bude pouze ve specifických případech. Například, pokud se bude jednat o vysušení podkladů. [1]
Obr. 7, 8 – Snímky solných výkvětů a tvorba plísní v interiéru3.2 Dřevokazné houby
Nejobávanějším škůdcem z této kategorie je dřevomorka domácí (Serpula lacrymans). Je známa pro svou schopnost rychle se šířit v dřevěných konstrukcích budov, a to kvůli silným rhizomorfám, které jsou schopné růst rychlostí až několik milimetrů za den. Rovněž jsou schopny prorůstat půdou, silným zdivem a dále se šířit pod omítkou. Rhizomorfy jsou schopné přežít bez živin desítky roků a jejich inaktivace není jednoduchá. Jednou z možností je sanace teplem.
Rhizomorfy odumírají, pokud jsou na delší dobu vystaveny zvýšené teplotě. Některé zdroje uvádějí teplotu nad 55 °C po dobu 4 hodin, nebo krátkodobý ohřev nad 85 °C. [3] [6]. U ohřevů s dosažením minimálních požadovaných teplot dochází zároveň k vysoušení rhizomorf i ozařovaného materiálu, a tím k vytvoření takových podmínek, při kterých je zastaven růst dřevokazné houby.Ta se dostane do tzv. „latentního stavu“.
V kombinaci inaktivace teplem a s vytvořením chemické bariéry lze opětovnému růstu zabránit. Chemickou bariérou je však myšlena pouze preventivní ochrana. [6]
Obr. 9, 10 – Snímky plodnic dřevokazných hub na dřevěných konstrukcích3.3 Dřevokazný hmyz
Nejčastějšími biotickými škůdci staveb z říše hmyzu je hmyz řádu tesaříkovitých a červotoči. Méně často se potom vyskytují například pilořitky a drbohlavové či ostatní hmyz.
Většina z nich nemá nijak vysoké nároky na vlhkost dřeva. [2] Spodní hranice začíná nad 10 % hmotnostní vlhkosti materiálu. To znamená, že dřevokazný hmyz může napadnout většinu zabudovaných stavebních prvků, a to i v případech, kdy není stavební prvek preventivně chemicky ošetřen.
Obsah vody je v hmyzu, a to ve všech jeho vývojových fázích, výrazně vyšší než vlhkost okolí. V důsledku toho dochází, působením mikrovlnné energie, k jeho rychlejšímu a vyššímu ohřevu. Při teplotách nad 50 °C (56 °C) nastává postupná přeměna bílkovin, a tím dochází k inaktivaci hmyzu.
Využívání EMW záření bude ovšem ve stavební praxi limitováno. Na specifické případy, kde by použití jiných metod bylo nedostatečně účinné, nebo neekonomické.
Obr. 9, 10 – Larva tesaříka krovového a jeho praktická „likvidace“4. Závěr
Využívání mikrovlnné technologie ve stavební praxi se bude nadále rozšiřovat. Především při vysoušení, kde je možné výrazně zkrátit dobu potřebnou k dosažení požadovaných hodnot (vlhkosti). V porovnání s vysoušením prováděným pomocí kondenzačních vysoušečů, teplovzdušných zařízení, sálavých panelů, či topných tyčí, se jedná o časovou úsporu řádově v týdnech, až měsíců. To se prokázalo při sanacích objektů po poslední povodni ve středních Čechách.
Mikrovlnná technologie je ale také specifická činnost, která vyžaduje dostatečně hluboké znalosti. A ty bohužel nemá každý, kdo takovou službu nabízí.
Zdivo z CPP, kamene, či smíšené se vysouší relativně dobře. To se odvíjí od vlhkostní vodivosti maltového lože. Částečně i vlhkostní vodivosti vysoušeného materiálu.
Naopak obtížně se vysouší zdivo z keramických bloků, které jsou kladena na tenké vrstvy spojovací hmoty, nebo PUR pěny s minimální vlhkostní propustností. Transport vlhkosti z hloubky bloku k povrchu, při kterém musí voda „překonat“ několik jednotlivých dutin, bude pomalá. A to při jakémkoliv nuceném vysoušení.
Vysoušení dřevěných stavebních prvků je samostatnou kapitolou. Vlastní ohřev probíhá relativně rychle, 5–10 minut. Transport vlhkosti z jádra dřevní hmoty k povrchu, již tak rychlý není. To je dáno jeho strukturou, složením kompozitu.
U likvidace biotických škůdců se bude nejvíce využívat EMW záření při sanaci dřevokazné houby (dřevomorka domácí). Výsledky, jakých lze pomocí EMW záření dosáhnout, jsou jinými postupy nedosažitelné.
Tvrzení, že dřevomorku lze „zlikvidovat“ pomocí opálení povrchu zdiva plamenem, může tvrdit pouze ten, kdo o této houbě a problematice nic neví. Hloubka potřebného ohřevu této dřevokazné houby bude skutečně minimální. Řádově v milimetrech.
U likvidace dřevokazného hmyzu má využití EMW oprávnění především v případech ohniskového napadení dřevěných prvků, které není možné sanovat chemicky. Například u prvku napadených hmyzem s povrchovou úpravou, která zabraňuje proniknutí insekticidního roztoku do dřevní hmoty. U malého rozsahu napadení je vhodná mikrovlnná technologie, u většího rozsahu napadení se použije třeba thermosanace.
Závěrem bychom chtěli zdůraznit, že v dalších publikacích budeme interpretovat jednotlivé stavební materiály, na kterých jsme experimenty prováděli a měřili hodnoty (povrchové a vnitřní teploty a hmotnostní vlhkosti, …).
Poděkování
Project of University specific research FAST-S-16-3345 „Verifikace chování a rozvoj konstrukcí a konstrukčních prvků na bázi dřeva a kombinovaných konstrukcí ze dřeva a železobetonu“, (Verification of behaviour and development of structures and structural elements and combined structures from wood and reinforced concrete), Civil Engineering faculty, Brno University of Technology.
Zvláštní poděkování patří společnosti S.P.UNI, díky které je možné rozšířit laboratorní experimentální činnosti na experimentální činnosti prováděné „in situ“ a následně lze tyto vzájemně porovnávat.
Literatura
- Doc. Ing. Richard Wassebauer, DrSc., Biologické napadení staveb 2000.
- VVÚDř Praha, Ochrana dřeva 2004.
- 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
- Novotný, M.; Jiroušek, Z.; Sobotka, J.; Šuhajda, K., Mikrovlnná sterilizace dřevěných prvků napadených biotickými škůdci. Source: http://stavba.tzb-info.cz/drevene-a-ocelove-konstrukce/11774-mikrovlnna-sterilizace-drevenych-prvku-napadenych-biotickymi-skudci, article in TZB-info, ISSN 1801-4399, Topinfo s.r.o., Křenova 438/3, 162 00 Praha 6, Praha, 2014
- 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
- Terebesyová, Sterilizacia dreva napadnutého hubami, TU Zvolen 2012.
This paper discusses the practical use of microwave technology in construction practice. Opinions on the use of EMW devices are not only among the general public quite different. From boundless praise, to the uncritical condemnation. The reason for this situation is the lack of awareness of experts and the public about what is and what is not possible to expect from this technology.The article conclusions which we reached on the basis of experiments conducted at the Faculty of Civil Engineering Brno and subsequently verified measurements in field practice. The aim is to provide basic information about how to use microwave technology. Their benefits but also the risks that this technology brings along.