Sádra a její složení při různé teplotě a vlhkosti

Sádrové konstrukce a stavební dílce jsou tvořeny porézní hmotou obsahující síran vápenatý ve formě dihydrátu a hemihydrátu, volnou vodou a párou, která se zdržuje v pórech. Póry a kapiláry zaujímají až 70 % objemu materiálu. Část z nich je zaplněná vodou. Obsah všech složek závisí především na teplotě. Odtud plynou nezvyklé vlastnosti sádrových materiálů užitých ve výstavbě.

V minulém příspěvku, viz [1], jsme uvedli, že kdyby ustálené hmotnostní poměry mezi sádrou (hemihydrátem) a sádrovcem (dihydrátem) ve ztuhlé hmotě závisely dominantně na obsahu vzdušné vlhkosti, byl by tento materiál při hodnotě rovnovážné konstanty K₍₂₎ = 7,6×10^–4 takřka úplně dehydrován na hemihydrát CaSO₄·½H₂O. Konstanta K₍₂₎ totiž určuje rovnovážný podíl dihydrátu a hemihydrátu při daném obsahu vzdušné vlhkosti. A v běžných podmínkách je obsah vodní páry ve vzduchu tak nízký (10,6 g/m³, tj. 1,4 obj. %, tj. 14 132 ppmv), že by se dihydrát neměl prakticky udržet. Jenže to se nepozoruje a ustálené složení ztuhlé sádry je otočeno v dominantní prospěch dihydrátu CaSO₄·2H₂O.

Obraťme nyní pozornost na rovnovážnou konstantu K₍₁₎ = 0,14, která určuje rovnovážné zastoupení dihydrátu a hemihydrátu při daném obsahu kapalné vody. Ke konstantě K₍₂₎ se vrátíme později, neboť zákonitost jí řízená (rovnovážný poměr dihydrát/hemihydrát) musí platit. Je tedy dlužno zformulovat hypotézu, proč navenek ztuhlá sádra nereaguje na nízkou vzdušnou vlhkost.

Vysoká hodnota konstanty K₍₁₎ = 0,14 předpovídá, že v termodynamické rovnováze, při které jsou vyrovnány teploty všude v soustavě, se v sádrové konstrukci musí vyskytovat významný podíl kapalné nevázané vody. To je možné jen tak, že materiál bude obsahovat póry, ve kterých bude pro vodu místo.

Z tab. 1 plyne, že ve stavebním sádrokartonu složeným převážně z dihydrátu s ustálenou objemovou hmotností 700 kg/m³ je bohatě místa pro póry: jen 30 % jejího objemu zaujímá pevná hmota a zbylých 70 % je vzduch. Z toho lze vyvodit, že materiál bude dobře prostupný pro difúzi vodní páry. Opravdu, pro sádrokarton se uvádí faktor difúzního odporu μ = 9, což znamená jen devětkrát horší propustnost než u vzduchu.

Tato skutečnost má další důležitý význam. Difúzní otevřenost materiálu, který si s okolím může vyměňovat vodní páru, znamená, že při změnách teplot a vlhkostí vzduchu se materiál může rychle, během několika hodin až dní, ustavit do termodynamické rovnováhy s okolím.

Obsah vody, dihydrátu a hemihydrátu v sádrokartonu

Následující úvahy se týkají látkového složení sádrokartonu, které je při dané teplotě a prostorové vlhkosti určené pouze konstantou K₍₁₎ = 0,14. Počáteční složení a množství materiálu před ustavením do rovnováhy je 100 % dihydrátu CaSO₄·2H₂O o hmotnosti 700 kg ve formě porézní polykrystalické hmoty v deskách, jejichž celkový objem je 1 m³. Pro jednoznačnou interpretaci výsledků jsou desky umístěny v prostoru 50 m³, který je na počátku testu zcela bez vodní páry. Konstanta K₍₁₎ = 0,14 určuje složení a obsah vody v sádrových deskách po dosažení rovnováhy, zatímco „vodní" konstanta K₍₃₎ = 3,12×10^–2 určuje rovnovážnou koncentraci vodní páry a kondenzované vody (lokalizované v sádře na základě K₍₁₎) v celém uzavřeném prostoru.

Model je navržen takto: Při zvolené teplotě a vzdušné prostorové vlhkosti a při již uvedeném počátečním složení celé soustavy odebíráme nebo dodáváme soustavě vodu tak, aby obsahy všech čtyř složek soustavy (dihydrát, hemihydrát, voda v porézní sádře a pára v prostoru) byly po ustavení rovnováhy v souladu s hodnotou konstant K₍₁₎ a K₍₃₎. Konstanty jsou definovány a spočítány v [1].

Rozbor výsledků

V tomto článku vždy předpokládáme, že se při dehydrataci mění CaSO₄·2H₂O na CaSO₄·½H₂O. Vázaná voda v dihydrátu tedy je 1,5 molekuly vody na molekulu dihydrátu.

Obr. 1: Obsah chemicky nevázané vody v pórech sádrové hmoty v hmotnostních % v ustáleném stavu v závislosti na teplotě vzduchu při relativní vlhkosti 20, 50 a 80 %

1 m³ sádry − zásobník pro desítky litrů vody

Obr. 1 ukazuje obsah volné vody v hmotnostních procentech přítomné v porézní struktuře sádrokartonu při odpovídající teplotě a relativní vlhkosti (RH) vzduchu.

Vidíme, že v extrémně nízkých teplotách je rovnovážný obsah volné vody velmi nízký. Např. při –30 °C zaujímá volná voda jen 0,04 % hmotnosti materiálu při 20 % RH a 0,17 % hmotnosti při 80 % RH. Naopak při +40 °C je to už 2,24 % při 20 % RH a 8,21 % při 80 % RH. Veškerá voda vázaná v dihydrátu a uvolněná do pórů při změně na hemihydrát představuje 15,7 %.

Obr. 2: Stupeň celkové rovnovážné hydratace sádrového materiálu v ustáleném stavu v závislosti na teplotě a pro vlhkosti vzduchu 20, 50 a 80%. 100 % hydratace znamená, že hmota obsahuje právě tolik volné a vázané vody, kolik jí ve vázané formě obsahuje čistý dihydrát stejného molárního množství.

V teple dihydrát, v mrazu odvodněný hemidydrát

Ještě zajímavější je graf na obr. 2, který ukazuje stupeň celkové rovnovážné hydratace sádrového materiálu při různých teplotách a vlhkostech vzduchu. 100 % hydratace znamená, že hmota obsahuje právě tolik volné a vázané vody, kolik jí ve vázané formě obsahuje čistý dihydrát stejného molárního množství. Výsledky jsou pozoruhodné.

Při teplotě 20 °C a vlhkosti 50 % RH je celková hydratace podle očekávání na úrovni 100 %, z toho je 85 % vázáno v krystalové struktuře a 15 % je uloženo volně v pórech. Překvapit mohou extrémní podmínky:

Při –30 °C je stupeň celkové rovnovážné hydratace 1,12 molárních % při 20 % RH a 8,05 molárních % při 80 % RH. Ovšem při +40 °C to je už 98 mol. % při 20 % RH, resp. dokonce 356 mol % při 80 % RH.

Interpretace těchto čísel je také taková, že např. při –30 °C a RH 20 % zůstane v sádrové konstrukci po dosažení termodynamické rovnováhy jen 1,12 % původní vody a zbytek, téměř 99 %, se odpaří ven. Vysoká až extrémní ustálená dehydratace sádrových materiálů při nízkých teplotách, na kterou ukazuje tento model, koresponduje s praktikou zkušeností nepoužívat sádru na venkovní aplikace. Silná dehydratace je v zimě ještě podpořena malým obsahem vzdušné páry (při –15 °C a 80 % RH je obsah páry 1,1 g/m³, tj. 0,13 % obj., tj 1322 ppmv).

Naopak, v prostředí o teplotě +40 °C a 20 % RH je celková hydratace téměř na úrovni 100 %, tzn. ve hmotě je tolik vázané i nevázané vody, jako (vázané vody) v původním čistém dihydrátu.

Při vysokých teplotách a relativních vlhkostech vzduchu blízkých nasycení logicky dochází v tomto modelu k tomu, že se zvyšuje rovnovážný obsah volné vody, která se soustřeďuje právě v pórech sádrokartonu. To vede k vysoké celkové rovnovážné hydrataci, viz zmíněných 356 % (!) při vlhkosti 80 %. To představuje 272 l absorbované vody, přičemž objemová hmotnost materiálu vzroste na 972 kg/m³.

Je důvod se domnívat, že v pórech a kapilárách sádrové hmoty bude nižší rosný bod než v prostoru a vzdušná pára zde pak bude kondenzovat od určité relativní vlhkosti vzduchu neomezeně až do úplného zaplnění pórů, maximálně v množství ca 700 l, kdy se všechny póry zaplní.

Nebezpečí přesycení sádrokartonu vodou při vyšších teplotách a vlhkostech blízkých rosnému bodu také korespondují s pokyny výrobců neaplikovat tyto materiály v trvalé vlhkém prostředí.

Obr. 3: Stupeň zreagovanosti hemihydrátu na dihydrát síranu vápenatého v ustáleném stavu v závislosti na teplotě a pro vlhkosti vzduchu 20, 50 a 80%. Na svislé ose jsou procenta počtu molekulu dihydrátu k celkovému množství molekul hemihydrátu a dihydrátu.

Na obr. 3 je zobrazen procentuální podíl molekul dihydrátu v celkovém množství všech molekul síranu vápenatého při různých teplotách a vlhkostech vzduchu. Výsledky jsme již naznačili: při nízkých teplotách převažuje v sádrokartonu chemická fáze hemihydrát CaSO₄·½H₂O (kdy je dihydrátu jen 35 % při –10 °C a 50 % RH) a při pobytových a vyšších teplotách dihydrát CaSO₄·2H₂O (85 % při +20 °C a 50 % RH).

Sádra a vzdušná vlhkost spolu neinteragují?

Ač se zdá, že uvedený model přibližuje skutečnost, zbývá vysvětlit, proč se v modelu nevyskytuje rovnovážná konstanta K₍₂₎= 7,6×10^–4. Ta popisuje přímou interakci sádry se vzdušnou vlhkostí a je tak malá, že by ve všech uvedených případech musela sádra zůstat téměř zcela vysušená na hemihydrát. Mohou nastat tři případy, kdy může být vliv reakce mezi vzdušnou párou a sádrou potlačen:

a) póry a kapiláry sádry jsou vždy zcela zaplněny vodou,

b) stěny pórů a kapilár jsou souvisle pokryty tenkým vodním filmem.

Bod a) není realistický, protože k zaplnění pórů vodou může dojít jen v extrémním vlhku při zvýšené teplotě. Realistický ale může být bod b), zejména když připustíme, že vlivem kohezních sil je v pórech při dané teplotě posunut rosný bod k nižšímu částečnému tlaku vodní páry, než je tomu v otevřeném prostoru.

Snížení pak vede k tomu, že vlhkost v pórech, jejichž stěny jsou mokré, je 100 %, ale póry se nevysušují, protože částečný tlak syté páry je zde stejný, jako částečný tlak páry v prostoru.

Obr. 4: Vnitřní sádrové konstrukce a povrchové úpravy, zde ze systému Gyproc, jsou nejen elegantní, bezpečné, protipožární, zvukově izolační a zvuk tlumící, ale zároveň nejpříznivěji ze všech stavebních materiálů ovlivňují vnitřní vzdušnou vlhkost. Zdroj: Gypsum Industries.

Literatura a zdroje:

[1] Hejhálek Jiří: Sádrové materiály a jejich fyzikální vlastnosti, Stavebnictví a interiér č. 6/2008, str. 8.