Měření vlhkosti ve stavebních hmotách pomocí mikrovln (III)

V minulých číslech [8], [9] byla popsána experimentální aparatura na měření vlhkosti stavebních hmot na základě propustnosti mikrovlnného záření 2,4 GHz a ukázán experimentální výstup z měření pro nelehčený cihelný střep a porobeton. V tomto pokračování jsou výsledky měření použity pro součinitele kapilární vodivosti a jsou diskutovány výhody stanovení vlhkosti pomocí mikrovln.

Úvod

Měřící aparatura ke sledování transportu kapalné vlhkosti v inertních pórovitých hmotách pomocí změny intenzity elektromagnetického mikrovlnného záření byla sestavena experimentálně na základě fyzikálních teoretických předpokladů, které byly popsány v předchozích kapitolách. Byly tedy aplikovány známé teoretické předpoklady o proudění vody, popisující dynamiku transportu vlhkosti v kombinaci s využitím interakce mikrovln s vlhkým prostředím. V daném případě se jedná o využití poznatků o rychlosti proudění popisované Darcyho rovnicí a plnění pórů vyjádřené rovnicí kontinuity, dosazením do Lykovova vztahu jako popis hustoty toku pro výpočet součinitele kapilární vodivosti pomocí Matanovy metody na základě zjištění rozložení vlhkosti v v nestacionárním stavu průběhu navlhání. Pro použití elektromagnetického mikrovlnného záření v daném případě byly uplatněny poznatky Lambertova - Beerova zákona, jako matematické vyjádření závislosti absorpce elektromagnetického záření od vlastností materiálu, souvztažnost mezi absorbancí, optickou délkou a koncentrací z pohlcující substance.

V dalším pokračování uvádíme výsledky prvotních výstupů měření na vzorcích materiálu z keramického páleného střepu a z pórobetonu, získané jako prvotní naměřené hodnoty, jako vstupní údaje pro stanovení navlhacích křivek a následně výpočet součinitele kapilární vodivosti.

6. Metodika měření na sestavené aparatuře

Na základě testovacích měření na vzorcích porézních materiálů s odlišnou objemovou hmotností byla sestavena metodika postupu měření na sestavené měřící aparatuře.

Na obr. 14 je uvedeno schema postupu při získávání podkladů k výpočtu součinitele kapilární vodivosti jak Matanovou metodou, tak i metodou integrální. Uvedeným postupem je možné získat průběžně bez přerušení měření několik navlhacích křivek v nestacionárním stavu ve zvolených časových intervalech pro inertní porézní hmoty bez jejich destrukce.

Jako vstupní údaje o materiálu je třeba zjistit jejich hmotnost, relativní vlhkost v ustáleném stavu a funkční závislost změny intenzity elektromagnetického mikrovlnného záření na jejich hmotnostní vlhkosti.

Navlhavost vyjadřuje časový průběh navlhání a slouží pro orientační stanovení časových intervalů měření před dosažením celkového provlhnutí materiálu, viz kap. II.

Mikrovlnná propustnost materiálu v oblasti 2,4 GHz je vyjádřena jako pokles detekovaných hodnot napětí, které vrací mikrovlnné čidla před a po projití EMVZ vzorkem - viz část II. Všechny tyto vstupní informace jsou zjišťovány pomocí sestavené aparatury.

Vlastní měření sledování transportu vlhkosti je prováděno pomocí napojení měřící aparatury na PC, který umožňuje grafické vyjádření prvotních výstupů měření potřebné pro následné matematické zpracování a výpočet součinitele kapilární vodivosti.

Stanovené souřadnice polohy profilu vlhkostního čela je možné v závěru měření ověřit gravimetrickou metodou.

Výpočet součinitele kapilární vodivosti vychází ze stanovených navlhacích křivek pomocí vzorce (10) – viz část I.

7. Podklady pro určování součinitele vlhkostní vodivosti

Pro výpočet součinitele vlhkostní vodivosti potřebujeme nejdříve získat křivky navlhání – tj. funkce vyjadřující závislost mezi vlhkostí a vzdáleností od zdroje vlhkosti. Postup pro určení křivek navlhání je následující.

7.1. Stanovení závislosti mezi množstvím záření, které prochází vzorkem a obsahem vlhkosti ve vzorku

Tuto závislost jsme určili použitím gravimetrické metody – gravimetrickou metodou určíme hmotnostní vlhkost vzorků a zároveň vždy určíme množství záření, které prochází vzorkem. Naměřené grafy funkčních závislostí změny intenzity elektromagnetického mikrovlnného záření na hmotnostní vlhkosti pro keramický pálený střep s objemovou hmotností cca 1 800 kg.m^-3 (cihelna Štíty na Moravě) a pórobeton s objemovou hmotností cca 520 kg.m^-3 (výrobce Hrušovany), byly uvedeny v předchozích částech I. a II.

Z hodnot naměřených pro 6 vzorků potřebujeme stanovit závislost vlhkosti u na množství záření, které projde vzorkem. K vyjádření této závislosti lze využít program Maple, který metodou nejmenších čtverců vypočítá rovnici funkce:

Z hodnot naměřených jako funkční závislost změny intenzity EMVZ na hmotnostní vlhkosti pro 6 vzorků byla metodou nejmenších čtverců v programu Maple stanovena rovnice funkce vyjadřující závislost vlhkosti u_m na intenzitě EMW záření z, které projde vzorkem (podle rovnice regrese vložené křivky funkční závislosti):

u_m = -1,342033167·10^-7 · z³ + 0,0001936510773 · z² - 0,1038753765 · z + 20,78641097

kde z je veličina udaná v mV, která vyjadřuje intenzitu elmg. mikrovlnného záření po průchodu vzorkem, přičemž

z₀ = 500 mV odpovídá intenzitě záření, které vstupuje do vzorku.

7.2. Určení závislosti mezi množstvím mikrovlnného záření, které prochází vzorkem a vzdáleností od zdroje vlhkosti

Hodnoty souřadnice polohy profilu vlhkostního čela získáme měřením na mikrovlnné měřící aparatuře. Ve zvolených časových intervalech od počátku navlhání vzorku materiálu připraveného ke sledování transportu vlhkosti (viz kap.II. odst. 4.3) je prováděna detekce množství vlhkosti, pronikající do materiálu. Na obr. 15 je vyobrazen vzorek materiálu keramického páleného střepu v průběhu navlhání.

Na obr. 16 jsou grafické výstupy měření detekce koncentrace vlhkosti, vyjádřené jako závislost změny intenzity elektromagnetického záření v čase pojezdu vlnovodů v délce sledovaného vzorku materiálu keramického páleného střepu.

Rychlost pojezdu vlnovodů je konstantní a jejím přepočtem na délkové údaje v programu Linregrese Excel jsou stanoveny souřadnice polohy pohlceného elektromagnetického mikrovlnného záření v závislosti na obsažené hmotnostní vlhkosti viz obr. 17.

7.3. Sledování polohy vlhkosti v pórobetonu

Pro srovnání průběhu navlhání jsou uvedeny také výsledky měření postupu profilu vlhkostního čela u vzorku materiálu z pórobetonu.

Na obr. 20 až 23 [2] je převedení časových údajů z prvotních podkladů měření podle rychlosti pojezdu vlnovodů na délkové údaje souřadnice X polohy profilu vlhkostního čela pro pórobeton v časových intervalech po 10ti minutách v programu Linregrese Excel. Z těchto grafů je zřejmé, že je možné průběžně sledovat transport vlhkosti v průběhu navlhání sledovaného vzorku kontinuálně a hodnoty udávající informace o rozložení vlhkosti zapisovat ve zvolených časových intervalech.

8. Závislost EMWZ na poloze vlhkosti ve vzorku materiálu

Z hodnot naměřených pro tři různé časy (10, 20, 30 min.) od začátku navlhání, byly stanoveny metodou nejmenších čtverců v programu Maple rovnice závislosti hustoty toku prošlého záření z (udaného v mV) na vzdálenosti od zdroje vlhkosti x (m), předpoklad navlhacích křivek a „funkční závislost detekované veličiny změny intenzity EMVZ na hmotnostní vlhkosti u_m na délce vzorku ve vybraném časovém intervalu jeho navlhání.

9. Vyjádření křivek navlhání

Křivky navlhání jsou určeny jako grafy složených funkcí, které vzniknou složením funkcí z předchozích výpočtů. Sestrojení grafů funkcí vyjadřujících závislost obsahu vlhkosti na vzdálenosti od zdroje vlhkosti, tj. grafy složených funkcí podle předpokladů uvedených v části I [8]:

u_m,t = f (z_t (x) ),

kde t je označení časového intervalu křivky navlhání. Vyjádření rozložení um na délce vzorku jako „navlhací křivky”

u₁₀ = f(z₁₀(x))
u₂₀ = f(z₂₀(x))
u₃₀ = f(z₃₀(x))

10. Součinitel vlhkostní vodivosti v závislosti na hmotnostní vlhkosti a v časových intervalech navlhání

Zjištěné informace o transportu profilu vlhkostního čela měřením na sestavené měřící aparatuře byl Matanovou metodou výpočtem podle vzorce (10) stanoven součinitel kapilární vodivosti v časových intervalech navlhání vzorku materiálu z keramického páleného střepu a pro různé hmotnostní vlhkosti jsou jeho hodnoty uvedeny v tabulce č. 6.

Na obr. 20 je uvedeno grafické vyjádření závislosti součinitele vlhkostní vodivosti stanoveného na základě experimentálního měření vstupních údajů na sestavené aparatuře pomocí EMVZ a vypočítaného pomocí Matanovy metody na hmotnostní vlhkosti pro keramický pálený střep.

Závěry

F.1 Pro výpočet součinitele kapilární vodivosti dává tato metoda, ve srovnání s metodou gravimetrickou, možnost dosažení vyšší četnosti a přesnosti údajů vlhkostních poměrů v detailních řezech na délce měřeného vzorku přepočtem posuvu v měřeném čase ve směru podélné osy vzorku na úseky měřené souřadnice. Hodnoty z kontinuálního měření, jako křivky vyššího stupně, jsou z hlediska exaktnosti měření vhodným podkladem pro matematické zpracování tak, aby bylo dosahováno při modelování vlhkostního pole a výpočtech součinitele kapilární vodivosti co největšího přiblížení pravděpodobnosti skutečnému stavu. Detekce EMWZ záření v mV je detailnější právě v oblastech s nižší vlhkostí.

F.2 Tento způsob zjištění rozložení vlhkosti umožňuje ve srovnání s metodou gravimetrickou získání kontinuálně naměřených hodnot při vyloučení nepřesností vlivem lidského faktoru.

F.3 Měřící aparatura, a vytvořená metodika postupu měření umožňuje návaznost na matematické zpracování získaných výstupů k výpočtu součinitele kapilární vodivosti κ.

F.4 Výhodou je nedestruktivní, bezkontaktní, kontinuální a relativně rychlé získání výsledků měření.

F.5 Nedostatkem této metodiky měření je potřeba stanovení „cejchovní” křivky pro jednotlivé látky, to znamená, stanovení závislosti absorpce EMWZ na hmotnostní vlhkosti pro různé stavební materiály.

Příspěvek vznikl s pomocí výzkumného záměru MSM0021630511 „Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí" na fakultě stavební VUT v Brně.

Použitá literatura:

[1] Moudrý.I.: Aplikace mikrovln. záření pro stanovení změn vlhkosti dřeva a nedestruktivní zjišťování stavu dřevěných konstrukcí, VUT FAST, Brno,1985.
[2] Škramlik. J: Vlhkost v dutinách stavebních konstrukcí, VUT FAST, Disertační práce 2005.
[3] Šťastník S.: Fyzikální předpoklady pro popis komplexního vlhkostního šíření, interní zpráva, VUT FAST, Brno 2003.
[4] Garvan, F.: The Maple Book.
[5] Kutílek M.: Vlhkost pórovitých materiálů, SNTL, 1992.
[6] Mrlík F.: Vlhkostné problémy stavebných materiálov a konštrukcií, Alfa Bratislava, 1985.
[7] Kieβl, K.: Kapillarer und dampfförmiger Feuchtentransport in mehrschichtigen Bauteilen. Rechnerische Erfassung und bauphysikalische Anwendung, Dissertation Universität Essen-Fachbereich Bauwesen, Essen 1983.
[8]Moudrý, I.; Škramlik J.: Měření vlhkosti ve stavebních hmotách pomocí mikrovln (I), Stavebnictví a interiér č. 12/2006, str. 6, Měření vlhkosti ve stavebních hmotách pomocí mikrovln (I).
[9] Moudrý, I.; Škramlik J.: Měření vlhkosti ve stavebních hmotách pomocí mikrovln (II), Stavebnictví a interiér č. 1/2007, str. 38, Měření vlhkosti ve stavebních hmotách pomocí mikrovln (II).