Mohou sádrové materiály ovlivňovat vnitřní vlhkost?

Sádrová staviva včetně nejznámějších materiálů sádrokartonu a sádrovláknitých desek, obsahují relativně velké množství krystalicky vázané vody. To vede k úvahám, zda a jak tato voda ovlivňuje vzdušnou vlhkost uvnitř místností, které jsou sádrovými deskami obloženy. Zejména v nové výstavbě, kdy je minimalizována spontánní výměna vzduchu mezi vnitřkem stavby a vnějším prostředím, má smysl otázka, mohou-li sádrová staviva přispět ke stabilizaci vnitřní vlhkosti bez složitých technických opatření.

Charakteristickou vlastností sádrových staviv je jejich vysoká hydrofilita, která úzce souvisí se schopností absorbovat velké množství vzdušné vody. V řadě případů je tato vlastnost na závadu, takže se v praxi hledají cesty, jak tuhé sádrové materiály, tedy jejich póry a kapiláry hydrofobizovat. Na druhé straně snadná výměna vody a vodní páry mezi sádrovými deskami a vzduchem je nutným předpokladem, aby se dalo uvažovat o ovlivňování vlhkosti vnitřního vzduchu pomocí sádrových stavebních desek. Rovnováha mezi sádrovcem a sádrou
Základním materiálem sádrových desek je síran vápenatý, který se vyskytuje v podobě dihydrátu CaSO₄·2H₂O (sádrovce), hemihydrátu CaSO₄·1/2H₂O (sádry) a anhydritu, což je bezvodý CaSO₄. Obvykle se uvádí, že sádrové desky obsahují jako hlavní složku dihydrát CaSO₄·2H₂O. Z tabulky 1 je patrné, že 172,17 gramů této látky, což je jeden mol1), obsahuje dva moly, tzn. 36 g krystalové vody, což je 20,9 hmotnostních procent. V jedné tuně sádrových desek je tak obsaženo 209 kg vody. Ptáme se, jak pevně je tato voda vázána do krystalové mříže. Chemicky nejschůdnější způsob uvolnění vody z krystalické mříže je rozklad sádrovce na sádru podle chemické rovnice:

(1)

nebo

(2)

V prvním případě se voda uvolňuje jako kapalina, v druhém v podobě páry.

Chemické reakce probíhají jen zřídka do úplného konce; často se naopak v reagující směsi ustálí koncentrace vstupních látek a produktů kdesi »na půli cesty«. Do jaké míry vstupující látky zreagují, lze s dobrou přesností zjistit, jestliže známe rozdíl tzv. slučovacích molárních Gibbsových energií látek na pravé straně chemické rovnice a látek na levé straně. Pokud k reakci dochází za tzv. normálních podmínek²⁾, je tento rozdíl ΔG°_r roven rozdílu tzv. standardních molárních slučovacích Gibbsových energií, které jsou uvedeny v chemických tabulkách. Pomocí tohoto rozdílu pak stanovíme tzv. rovnovážnou konstantu reakce podle vztahu:

(3)

kde plynová konstanta R = 8,3145 J·K^-1·mol^-1, T = 298,15 K je termodynamická teplota. Ze znalosti rovnovážné konstanty stanovíme rovnovážné koncentrace reakční směsi. Pro rovnováhu chemických reakcí (1) a (2) platí vztahy3):

(4)

(5)

a kde výrazy v hranatých závorkách jsou molární koncentrace příslušných látek v molech na litr. Pro molární koncentraci vodní páry (plynu) platí:

(6)

kde p je parciální tlak páry v Pa a [H₂O(g)] je vyjádřena v mol/l. Tento teoretický úvod z oblasti fyzikální chemie a speciálně chemických rovnováh jsme do textu zařadili proto, že z něho plynou závažné důsledky.

Vlastnosti síranu vápenatého

Tabulka 1 uvádí standardní molární slučovací Gibbsovy energie převzaté z [1]. Odtud můžeme pro reakci (1) spočítat hodnotu slučovací Gibbsovy energie ΔG°_r:

a po dosazení z tab. 1:

Pro rovnovážnou konstantu podle (3) pak vychází hodnota = 1,08×10⁻². Tato hodnota naznačuje, že reakce (1) neproběhne až do konce, ale že se ustálí někde uprostřed.

Zkusme toto tvrzení zpřesnit.
A. Předpokládejme, že na začátku vstoupí do reakce čistý sádrovec, jehož molární koncentrace bude [CaSO₄·2H₂O] = 4 mol/l (to odpovídá přibližně hustotě sádrovcového materiálu o objemové hmotnosti 700 g/l, což je přibližně objemová hmotnost sádrokartonu) a že počáteční koncentrace produktů (sádry a kapalné vody) bude nulová. Nechť v uzavřené soustavě bude po ustálení molární koncentrace sádry [CaSO₄·0,5H₂O] = x, koncentrace vody·[H2O(l)] = 1,5x a koncentrace výchozího sádrovce [CaSO₄·0,5H₂O] = 4 - x. Po dosazení do (4) a výpočtu dostaneme pro molární koncentraci vzniklé sádry CaSO₄·0,5H₂O hodnotu x = 0,22. To znamená, že z celkového počtu 4 molů přejde na sádru CaSO₄·0,5·H₂O 0,22 molů a zároveň vznikne 0,33 molů vody, což je 5,94 g v jednom dm³ sádrokartonu.

B. Stejným postupem stanovíme rovnováhu chemické rovnice (2), kde je produktem místo kapalné vody pára. Rovnovážná konstanta je 0,089. Vypočítáme-li rovnováhu podle rovnice (5), dostaneme výsledek, že z celkového počtu 4 molů přejde na sádru CaSO₄·0,5·H₂O jen 0,0766 molů a zároveň v jednom dm³ vznikne 0,115 molů vodní páry. To podle (5) odpovídá parciálnímu tlaku vodní páry 284,83 Pa, což odpovídá přibližně tlaku páry ve vzduchu o teplotě 25 °C při relativní vlhkosti 8 %.

Jak výsledky v odstavcích A a B interpretovat? Necelých 16 % sádrovce CaSO₄·2H₂O má tendenci se podle modelu A rozložit v uzavřeném systému na sádru CaSO₄·0,5H₂O a vodu. Na sádru a vodní páru se v uzavřeném systému podle modelu B mohou přeměnit necelé 2,5 % sádrovce. Druhý způsob rozkladu způsobí zvýšení tlaku páry teoreticky až na stonásobek tlaku syté páry. Zvýšení ale samozřejmě může nastat jen do výše tlaku syté páry, která pro teplotu 25 °C je 3164,76 Pa, zbytek zkondenzuje nebo se vypaří do okolí.

Ptejme se, jaké množství páry se může z desek vypařit, kdyby se na začátku byly složené z čistého sádrovce.

Předpokládejme tedy, že v reálné soustavě probíhají obě rozkladné reakce (1) i (2) a že se po dostatečné době ustálí rovnovážné koncentrace tak, aby platily obě rovnovážné rovnice (4) a (5). Když rovnici (4) vydělíme rovnicí (5), dostaneme:

(7)

Po dosazení známých hodnot Kc(l) = 0,136694 a Kc(g) = 0,0006686 a po dosazení hodnoty molární koncentrace vodní páry odpovídající jejímu částečnému tlaku p při 25 °C a relativní vlhkosti 60 %, dostaneme:

Jestliže by deska, která při instalaci obsahovala jen čistý sádrovec, byla dlouhodobě exponována v prostředí 25 °C s relativní vlhkostí 60 %, adaptovala by se na toto prostředí tak, že by po ustálení obsahovala volnou vodu jen v koncentraci 0,0266 mol/dm³. Tuto hodnotu dosadíme do rovnice (4) a při známé hodnotě rovnovážní konstanty Kc(l) učíme molární koncentraci sádry x = [CaSO₄·0,5H₂O]:

Po jednoduchém výpočtu dostaneme x = 3,348.

Závěr:

Výsledek je pravděpodobně překvapivý. Pokud je sádrová deska při konstantní teplotě 25°C dlouhodobě udržována v prostředí o relativní vlhkosti 60 %, podíl sádry se ustálí na hodnotě 3,348 × 145,15 = 485 g/dm³ a podíl sádrovce (4-3,348) × 172,17 = 112,25 g/dm³. Celková objemová hmotnost bude 597,2 g/dm³, což je o 102,8 g/dm³ odpařené vody méně, než když na počátku byla deska složena jen ze sádrovce. Procentuální hmotnostní podíl sádry bude tedy 81,2 % a sádrovce 18,8 %.

Jestliže saturované množství krystalové vody, jak bylo uvedeno na začátku článku, představovalo 209 g na jeden kg sádrokartonu, potom 109 ml vody, které se uvolnilo ze 700 mg, představuje velké množství vody, které je sádrový materiál schopen vyměňovat s okolím. Zdá se ale, že vysoký stupeň saturace krystalovou vodou je možný až v silně vlhkém prostředí a že výměna při obyčejných pokojových vlhkostech bude méně intenzivní.

Poznamenejme ještě, hodnoty tabulkový materiálových veličin pro chemicky čisté látky se mohou lišit od reálných materiálů a to tím více, v čím větším objemu jsou při výrobě sádrových desek používány reologické a rychlost tuhnutí upravující přísady.

Literatura a zdroje:

[1] Jiří Vohlídal, Alois Julák, Karel Štulík: Chemické a analytické tabulky, Grada Publishing 1999.

Program, který na základě empiricky stanovených konstant (viz část III této série) počítá změnu obsahu vázané vody v sádře při změně teploty a vlhkosti, lze spustit zde. (upozornění: Program je nefunkční)