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.