PRZEPŁYW KAPILARNY
W MATERIAŁACH BUDOWLANYCH
Przedmiot: Fizyka
Budowli
PRZEPŁYW KAPILARNY
W MATERIAŁACH BUDOWLANYCH
Przedmiot: Fizyka
Budowli
Mechanizmy transportu wilgoci przy różnych poziomach
wilgotności
Procesy kapilarnego podciągania wody w porowatych
materiałach budowlanych
są wynikiem działania napięcia powierzchniowego [N/m]:
•
•
Kapilarne podciąganie wody
A
W
które przedstawia stosunek pracy W [N·m] niezbędnej do
powiększenia powierzchni A o wielkość A [m
2
].
Napięcie powierzchniowe, jakie występuje między cieczą, ścianką
kapilary i powietrzem, decyduje o tym, czy ciecz w kapilarach będzie
się podnosić, czy opadać (w stosunku do zewnętrznego lustra cieczy).
Zachowanie się lustra wody w pojedynczej kapilarze
a) materiał
hydrofilowy (zwilżalny)
– ciecz w rurce
włosowatej wznosi się z wygięciem ku górze brzegów lustra
cieczy
b) materiał
hydrofobowy (niezwilżalny)
– ciecz w rurce
włosowatej opada z wygięciem brzegów lustra ku dołowi
Przyjmuje się, że ciecz zwilża daną powierzchnię, jeżeli 0<</2
(materiał hydrofilowy) i nie zwilża, jeżeli << (materiał
hydrofobowy). Niezwilżalne są np. tworzywa sztuczne. Zwilżalne są
natomiast wszystkie nieorganiczne materiały budowlane.
Jeżeli kapilara ma przekrój w przybliżeniu kołowy o niezbyt
dużym promieniu, to dla cieczy zwilżającej ściankę kapilary
menisk przybiera kształt wklęsłej półkuli. Występujące w niej
ciśnienie kapilarne opisywane jest
równaniem Laplace`a:
r
cos
p
k
2
Z równania wynika, że ciśnienie kapilarne zależy od:
- napięcia powierzchniowego wody
- k
ąta zwilżenia
- promienia kapilary r
przy czym im drobniejsza kapilara, tym wyższa wartość
ciśnienia kapilarnego.
Znak minus wskazuje, że ma ono charakter podciśnienia, stąd
używane często pojęcie ssania kapilarnego.
Układ sił w pochyłej kapilarze w trakcie
podciągania kapilarnego
- siła ssania kapilarnego
F
k
= p
k
r
2
- składowa siły grawitacji na kierunek x G
x
=
g x
r
2
cos
- siła tarcia
T = 8
x
dx/dt
– dynamiczna lepkość cieczy [Ns/m
2
]
Powyżej zaniedbano siłę bezwładności: x
r
2
d
2
x/dt
2
(jej
udział w oporach jest znikomy z uwagi na powolność
przepływu kapilarnego)
Z warunku równowagi sił F
k
– G
x
– T = 0 otrzymuje się:
cos
gx
r
cos
g
r
cos
gx
r
r
r
cos
x
dt
dx
2
8
2
8
1
2
2
2
W warunkach przepływu poziomego (= 90°) uzyskuje się:
t
cos
r
x
2
Pominięcie siły grawitacji jest możliwe nie tylko w przypadku
poziomego kierunku ssania, ale również w przypadku ogólnym
– o ile problem rozpatrywany jest w odniesieniu do krótkiego
okresu czasu, przy którym wysokość wzniesienia kapilarnego
jest niewielka w stosunku do maksymalnie wzniesienia
kapilarnego.
Występuje
silne
uzależnienie
przebiegu
podciągania
kapilarnego od promienia r. W praktyce nie jest jednak łatwo o
jednoznaczną ocenę – rzeczywiste materiały budowlane mają
złożoną strukturę: część porów jest zamkniętych, część
połączonych ze sobą i tworzących kapilary o zmiennym
przekroju i nachyleniu.
Przykładowe
struktury
porowatości
materiałów
budowlanych:
a) Pory otwarte
b) Pory zamknięte
c) Pory złożone
d) Pory
ukierunkowane
Doświadczalne wyznaczanie współczynników podciągania kapilarnego
w materiałach budowlanych
W praktyce wzór na głębokość
wnikania wody:
t
cos
r
x
2
przy czym x [m] oznacza odległość między powierzchnią ssania
i frontem wody w materiale. Współczynnik B nazywany jest
współczynnikiem wnikania wody i wyrażany w [m/s
0,5
]. Opisuje
on prędkość przemieszczania się frontu wody przez materiał w
trakcie procesu ssania kapilarnego.
modyfikowany jest do postaci:
t
B
x
Eksperymentalne wyznaczenie współczynnika B napotyka na
spore trudności związane z techniką pomiarów, gdyż z reguły
problematyczne jest jednoznaczne określenie położenia frontu
wody w próbce. Z tego względu badania zjawiska podciągania
kapilarnego w materiałach budowlanych sprowadzają się
raczej do pomiarów zmieniającej się masy próbki w trakcie
procesu ssania, a nie tempa rozprzestrzeniania się strefy
wilgotnej. Bazują zatem na wzorze o postaci:
t
A
m
Parametr materiałowy A nazywany jest współczynnikiem
sorpcji wody i wyrażany w kg/(m
2
·s
0,5
). Charakteryzuje on
czasowy przebieg procesu w danym materiale, od stanu
suchego aż do przesiąknięcia wodą w warunkach, gdy
powierzchnia ssania pozostaje w stałym kontakcie z ciekłą
wodą.
Np. w czasie opadów sytuacji tej odpowiada pokrycie
zewnętrznej
powierzchni
ssącej
porowatego
materiału
budowlanego warstewką wody.
0
0
k
t
t
s
m
I
II
h
x
x
Metodyka pomiarów współczynników A i B
Eksperymentalne
wyznaczanie
parametrów
podciągania
kapilarnego realizowane jest poprzez zetknięcie dolnej
powierzchni
próbki
badanego
materiału
z
wodą.
Zapoczątkowuje to pionowy – przeciwnie skierowany do
działania siły ciężkości – przepływ kapilarny, a ilość
wchłanianej
stopniowo
wody
jest
określana
metodą
grawimetryczną, poprzez ważenie próbki w ustalonych
odstępach czasu.
Widok próbek w trakcie pomiarów współczynników A i B
Wykresy wypadkowe dotyczące sześciu wybranych zapraw
Współczynnik wchłaniania wody różnych materiałów budowlanych
- przy różnych kierunkach ssania
TC
GB
CS
CK
TCW
P
CC
TW
B 25
0
5
10
15
Materiał
Ws
pół
czy
nni
k w
chł
ani
ani
a w
ody
w[
kg/
(m
2
h
0,5
)]
Kierunek ssania:
B 25
TC
GB
CS
CK
TCW
P
CC
TW
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Beton B25
Tynk cementowy
Gazobeton
Cegła silikatowa
Cegła klinkierowa
Tynk cementowo-wapienny
Piaskowiec
Cegła ceramiczna
Tynk wapienny
Opracowane zestawienie zbiorcze świadczy o silnej zależności
właściwości kapilarnych od rodzaju materiału. Jednocześnie
pozwala na pominięcie wpływu siły ciężkości w warunkach
przeciętnej dokładności – przy założeniu, że materiał
pozbawiony jest rys, większych pustek powietrznych, szczelin.