Vliv relativní vlhkosti a dalších okrajových podmínek na difuzní vlastnosti materiálů

Propustnost pro vodní páru je důležitou materiálovou vlastností. Hodnotu součinitele difuzního odporu je nutné znát, abychom byli schopni sanovat konstrukce, především po povodních. Jedna věc je přitom stěžejní – hodnota faktoru difuzního odporu použitého materiálu, podle které dokážeme určit, jak dlouho bude konstrukce vysychat a kdy budou uživatelé moci budovu znovu obývat.

Kloknerův ústav je jedním z vědeckých pracovišť, které se, kromě jiných zkoušek, zabývá také zkouškami difuzních vlastností rozmanitých stavebních materiálů. Tyto vlastnosti jsou jedněmi ze základních charakteristik stavebních materiálů, které mohou pomoci v případě, že je třeba konstrukci vysušit po povodni – jsou vodítkem pro volbu vhodné metody sanace budovy. Tento článek porovnává tři skladby stavebních materiálů, které jsou v praxi velmi často používané a navzájem se liší především ve svých difuzních parametrech.

Těmito skladbami jsou difuzní malta bez povrchové úpravy, skladba s penetrací navíc a skladba, která má navíc silikátovou omítku. Nicméně podstatné je nezaobírat se pouze samotnými hodnotami difuzního odporu, ale je třeba vzít v potaz také vliv normy použité k výpočtu a ostatní okrajové podmínky, které během zkoušky působily na vzorek.

Experimenty
V akreditované laboratoři Kloknerova ústavu bylo provedeno mnoho zkoušek skladeb stavebních materiálů. Tři vybrané skladby materiálů byly takto vybrány proto, že mají rozdílné difuzní vlastnosti a mohou pomoci ukázat vliv okrajových podmínek na difuzně rozdílné konstrukce. Mezi zkoumané okrajové podmínky mající vliv na hodnotu faktoru difuzního odporu a ostatní difuzní vlastnosti patří relativní vlhkost, teplota a barometrický tlak vzduchu. Stejně důležitá je pro hodnotu faktoru difuzního odporu také norma, podle které je hodnota počítána a test proveden.

Zkoušeny byly následující skladby:
– skladba 1 (LSHD): difuzní malta bez povrchové úpravy,
– skladba 2 (LSHD + PS): difuzní malta + penetrace pod silikátové omítky,
– skladba 3 (LSHD + PS + SZO3): difuzní malta + penetrace pod silikátové omítky + silikátová omítka s maximálním zrnem 3 mm.

Požadovaný průměr kotoučků je dán normami [1, 2], kotoučky byly vyrobeny podle těchto norem, tudíž jejich průměr byl přibližně 117 mm a od každé skladby byly vyrobeny tři. Také měření probíhalo podle norem ČSN EN ISO 7783 [1, 2]. Základní vlastnosti zkoušených skladeb (hmotnost, tloušťka a jejich průměrné hodnoty) jsou uvedeny v tabulkách 1–3. Uvedené parametry byly zjištěny ještě před zkouškami difuzních vlastností. Průměr vzorku se pohyboval okolo 117 mm, nepřesnosti byly řešeny silikonovým tmelem. Ten měl dva úkoly – zajistit nepropustnost vodních par okolo vzorku a zároveň umožnit propustnost vodní páry pouze skrz vzorek. Tloušťka vzorku je kritérium, které se bere v úvahu ve výpočtu difuzních vlastností samotném.

Tabulka 1: Skladba 1 – Základní vlastnosti

Skladba	Vzorek	Hmotnost [g]	∅ [mm]			Tloušťka [mm]
			Min.	Max.	Průměr	Min.	Max.	Průměr
LSHD	A	30,7	117,3	118,0	117,7	1,8	2,0	1,9
	B	30,9	117,7	117,7	117,7	1,9	1,9	1,9
	C	34,2	117,2	117,6	117,4	2,4	2,3	2,4

Tabulka 2: Skladba 2 – Základní vlastnosti

Skladba	Vzorek	Hmotnost [g]	∅ [mm]			Tloušťka [mm]
			Min.	Max.	Průměr	Min.	Max.	Průměr
LSHD + PS	A	38,4	117,6	117,7	117,7	2,0	2,0	2,0
	B	37,6	117,3	117,3	117,3	2,5	2,3	2,4
	C	39,9	117,3	117,2	117,3	2,6	2,5	2,6

Tabulka 3: Skladba 3 – Základní vlastnosti

Skladba	Vzorek	Hmotnost [g]	∅ [mm]			Tloušťka [mm]
			Min.	Max.	Průměr	Min.	Max.	Průměr
LSHD + PS + SZO3	A	78,7	117,0	116,9	117,0	5,5	5,5	5,5
	B	76,9	116,9	117,0	117,0	5,6	5,5	5,6
	C	80,6	117,0	117,0	117,0	5,5	5,6	5,6

Difuze

Z každé skladby byly vybrány tři vzorky. Vzorky byly zváženy na vahách podle norem ČSN EN ISO 7783 [1, 2]. Tyto tři vzorky z každé skladby byly současně zkoušeny v jednom měřicím intervalu. Doba intervalu se pohybovala kolem 14 dní – tato doba je nutná k ustálení hodnot teploty a relativní vlhkosti uvnitř zkušební komory, což je požadováno normou.

Požadované okrajové podmínky byly zajištěny pomocí nepropustného akvária napojeného na ventilační systém, který zajišťoval i teplotu a relativní vlhkost uvnitř akvária. Všechny hodnoty, relativní vlhkost a teplota uvnitř a venku, byly nepřetržitě měřeny a monitorovány. Stejně tak byly také zaznamenávány úbytky na vahách. Data z vah byla zaznamenávána pomocí připojeného záznamového zařízení každou minutu.

Výsledky shrnující hlavní difuzní vlastnosti, tedy výsledky toku vodních par, propustnosti vodních par a faktoru difuzního odporu z měření jednotlivých skladeb jsou uvedeny v tabulkách 4–6.

Tabulka 4: Skladba 1 – Propustnost vodní páry a součinitel propustnosti vodní páry – relativní vlhkost 52 %, teplota 24 °C

Skladba	Vzorek	Tok vodních par [10–9 kg/s]	Propustnost vodních par [10–9 kg/m².s.Pa]	Faktor difuzního odporu [–]
LSHD	A	34,4	12,4	8,57
	B	35,2	13,3	7,96
	C	34,9	12,9	6,59
	Průměr	34,8	12,9	7,70

Tabulka 5: Skladba 2 – Propustnost vodní páry a součinitel propustnosti vodní páry – relativní vlhkost 52 %, teplota 24 °C

Skladba	Vzorek	Tok vodních par [10–9 kg/s]	Propustnost vodních par [10–9 kg/m².s.Pa]	Faktor difuzního odporu [–]
LSHD + PS	A	25,7	6,02	17,0
	B	24,9	6,57	12,9
	C	25,7	5,14	15,3
	Průměr	25,4	5,91	15,1

Tabulka 6: Skladba 3 – Propustnost vodní páry a součinitel propustnosti vodní páry – relativní vlhkost 52 %, teplota 24 °C

Skladba	Vzorek	Tok vodních par [10–9 kg/s]	Propustnost vodních par [10–9 kg/m².s.Pa]	Faktor difuzního odporu [–]
LSHD + PS + SZO3	A	8,92	1,29	28,3
	B	9,27	1,35	26,7
	C	9,03	1,39	27,3
	Průměr	9,07	1,34	27,4

Podrobné výsledky průměrných hodnot (u některých hodnot jsou hodnoty určující jen pro jednotlivé denní měření s vyváženým stavem požadovaným normou) vidíme v tabulkách 7–9).

Tabulka 7: Skladba 1 – výsledky difuzních parametrů – relativní vlhkost 52 %, teplota 24 °C

Veličina	Název veličiny [jednotka]	LSHD A	LSHD B	LSHD C
D	Průměr vzorku [m]	0,1	0,1	0,1
d	Tloušťka vzorku [m]	0,0019	0,0019	0,0024
G	Směrnice závislosti [10–8 kg/s]	3,44	3,52	3,49
A	Měrná plocha [m²]	0,007850	0,007850	0,007850
g	Hustota difuzního toku [10–6 kg/(m².s)]	4,38	4,49	4,44
Wc	Propustnost vodní páry [10–8 kg/(m².s.Pa)]	1,24	1,33	1,29
Z	Difuzní odpor [107 m².s.Pa/kg]	8,08	7,50	7,75
δ	Součinitel difuzní vodivosti [10–11 kg/(m.s.Pa)]	2,38	2,57	3,10
δa	Součinitel d. v. atmosférického tlaku [10–10 kg/(m.s.Pa)]	2,03	2,03	2,03
µ	Faktor difuzního odporu [–]	8,57	7,96	6,59
sd	Ekvivalentní difuzní tloušťka [m]	0,02	0,02	0,02

Tabulka 8: Skladba 2 – výsledky difuzních parametrů – relativní vlhkost 52 %, teplota 24 °C

Veličina	Název veličiny [jednotka]	LSHD + PS A	LSHD + PS B	LSHD + PS C
D	Průměr vzorku [m]	0,1	0,1	0,1
d	Tloušťka vzorku [m]	0,0020	0,0024	0,0026
G	Směrnice závislosti [10–8 kg/s]	2,57	2,49	2,57
A	Měrná plocha [m²]	0,007850	0,007850	0,007850
g	Hustota difuzního toku [10–6 kg/(m².s)]	3,28	3,17	3,28
Wc	Propustnost vodní páry [10–8 kg/(m².s.Pa)]	60,2	65,7	51,4
Z	Difuzní odpor [107 m².s.Pa/kg]	16,6	15,2	19,5
δ	Součinitel difuzní vodivosti [10–11 kg/(m.s.Pa)]	1,20	1,56	1,32
δa	Součinitel d. v. atmosférického tlaku [10–10 kg/(m.s.Pa)]	2,03	2,03	2,03
µ	Faktor difuzního odporu [–]	17,0	12,9	15,3
sd	Ekvivalentní difuzní tloušťka [m]	0,03	0,03	0,04

Tabulka 9: Skladba 3 – výsledky difuzních parametrů – relativní vlhkost 52 %, teplota 24 °C

Veličina	Název veličiny [jednotka]	LSHD + PS + SZO3 A	LSHD + PS + SZO3 B	LSHD + PS + SZO3 C
D	Průměr vzorku [m]	0,1	0,1	0,1
d	Tloušťka vzorku [m]	0,0055	0,0056	0,0056
G	Směrnice závislosti [10–8 kg/s]	0,892	0,927	0,903
A	Měrná plocha [m²]	0,007850	0,007850	0,007850
g	Hustota difuzního toku [10–6 kg/(m².s)]	1,14	1,18	1,15
Wc	Propustnost vodní páry [10–8 kg/(m².s.Pa)]	0,129	0,135	0,139
Z	Difuzní odpor [107 m².s.Pa/kg]	77,6	74,1	7,64
δ	Součinitel difuzní vodivosti [10–11 kg/(m.s.Pa)]	0,712	0,753	0,736
δa	Součinitel d. v. atmosférického tlaku [10–10 kg/(m.s.Pa)]	2,03	2,03	2,03
µ	Faktor difuzního odporu [–]	28,3	26,7	27,3
sd	Ekvivalentní difuzní tloušťka [m]	0,16	0,15	0,15

Vliv relativní vlhkosti na difuzi vodních par

Relativní vlhkost má velký vliv na faktor difuzního odporu. K porovnání byly vybrány pouze A vzorky z každé skladby. Porovnání bylo zaměřeno na demonstraci vlivu relativní vlhkosti na faktor difuzního odporu u různých druhů skladeb. Během dosahování rovnovážného stavu bylo dosaženo relativní vlhkosti 52 a 43 % u všech skladeb, tudíž bylo možné udělat v těchto mezích porovnání. To, jak relativní vlhkost ovlivňuje faktor difuzního odporu, je možné vidět v tabulce 10. Jak tato tabulka ukazuje, snížil se faktor difuzního odporu u skladby 1 o 1,2. U druhé skladby s penetrací se hodnota naopak o 0,6 zvýšila. U poslední skladby s omítkou šla hodnota také nahoru, a to o 0,3.

Tabulka 10: Vliv relativní vlhkosti na faktor difuzního odporu

Vlastnost	LSHD		LSHD + PS		LSHD + PS + SZO3
Tloušťka [mm]	1,9		2,4		5,5
Relativní vlhkost [%]	52	43	52	43	52	43
Teplota [°C]	24	24	23	22	23	24
Tlak vzduchu [hPa]	979	977	998	992	994	992
Směrnice závislosti [10–8 kg/s]	3,44	4,48	2,49	2,76	8,92	1,10
Faktor difuzního odporu [–]	8,6	7,4	12,9	13,5	28,3	28,5

Vliv ostatních okrajových podmínek
Jak již bylo řečeno, kromě relativní vlhkosti má na faktor difuzního odporu vliv mnoho jiných okrajových podmínek a parametrů. Tloušťka a průměr vzorku se také počítají mezi parametry, které na něj mají vliv. Tyto veličiny jsou během měření konstantní a jsou uvedeny v tabulkách 1–3. Teplota a barometrický tlak vzduchu jsou veličinami během měření proměnnými.

Již bylo zmíněno, že teplota spolu s relativní vlhkostí jsou během celého měření zaznamenávány. Hodnoty barometrického tlaku vzduchu jsou také měřeny hydrometeorologickou stanicí každou hodinu a je možné je odtamtud stáhnout. Článek The Influence of Incoming Parameters on Accuracy of Determination Water Vapour Resistance Factor of Lime and Modified Mortars [3] shrnuje parametry, které mohou mít vliv na faktor difuzního odporu. Z tohoto článku je jasné, že významný vliv na faktor difuzního odporu mohou mít nejen okrajové podmínky, ale také právě norma, podle které je vzorek zkoušen a vyhodnocován, jelikož každá norma požaduje jiné zkušební podmínky (požadovaná relativní vlhkost a vzdálenost mezi roztokem a vzorkem). Mimo to je hodnota faktoru difuzního odporu ovlivněna nepřesností určení měřené veličiny, nepřesnostmi měření, změnami okolního prostředí (teplota, vlhkost, tlak), jinými vlivy (technologie výroby vzorku, doba dosažení rovnovážného stavu), chybami čtení a výpočtu.

Mezi hlavní parametry, které ovlivňují výsledky výpočtu, patří: určení plochy pro průnik vodních par, určení tloušťky vzduchové vrstvy mezi vzorkem a úrovní solného roztoku, nastavení a udržení teploty okolí, barometrický tlak a jeho změny v průběhu zkoušky, hodnoty relativní vlhkosti, výběr hodnot a odvození váhových změn.

Hlavní otázkou však stále zůstává, do jaké míry jednotlivé zmíněné parametry ovlivňují hodnotu faktoru difuzního odporu. Grafy 2–4 ukazující průběh faktoru difuzního odporu spolu s průběhem relativní vlhkosti, teploty a relativního tlaku nám mohou pomoci s touto klíčovou otázkou.

Graf 2 zobrazuje průběh jednotlivých veličin skladby 1. Jde o víceméně konstantní průběh teploty a faktoru difuzního odporu. Nicméně průběh faktoru difuzního odporu je téměř stejný jako průběh relativní vlhkosti. Nejeví se, že by průběh relativního tlaku vzduchu odpovídal průběhu faktoru difuzního odporu. Zdá se tedy, že v tomto případě je rozhodující relativní vlhkost. 

Graf 3 ukazuje průběh jednotlivých veličin u skladby 2. Zde je možné vidět opět zhruba konstantní průběh teploty. Nicméně průběh faktoru difuzního odporu není stejný jako průběh relativní vlhkosti, jako tomu bylo u skladby 1, ale je spíše opačný. Zdá se, že průběh relativního tlaku vzduchu naznačuje průběh faktoru difuzního odporu. Rozhodující veličinou se zde tedy zdá být právě barometrický tlak vzduchu.

Graf 4 ukazuje průběh veličin u skladeb 3. Stejně jako tomu bylo u předchozích dvou skladeb, je průběh teploty téměř konstantní. Nicméně průběh faktoru difuzního odporu není identický ani s průběhem relativní vlhkosti, jako tomu bylo u skladby 1, ani s průběhem barometrického tlaku, jako tomu bylo u skladby 2. Jeho průběh je na rozdíl od předchozích spíše opačný. Zdá se, že průběh faktoru difuzního odporu je v tomto případě ovlivněn všemi veličinami najednou a jednoznačný vliv jedné z nich zde není rozpoznatelný.

Závěr
Článek se zabývá třemi v praxi běžně užívanými povrchovými úpravami zdiva. U těchto skladeb byly zjištěny hlavní charakteristiky spolu s charakteristikami jejich difuzních vlastností. Jednotlivé hodnoty faktoru difuzního odporu byly navzájem porovnány z pohledu relativní vlhkosti. Toto srovnání bylo uděláno pro relativní vlhkost 52 a 43 %. Nakonec byly shrnuty vstupní parametry a okrajové podmínky, které mají vliv na hodnotu faktoru difuzního odporu. Zdůrazněny byly ty parametry, které mají podle výzkumů hlavní vliv. Ukazuje se, že definice těch parametrů, které mají největší vliv, není tak jednoduchá, a u jednotlivých skladeb se liší podle toho, jakých hodnot faktor difuzního odporu dosahuje. U některých hodnot může být rozhodující relativní vlhkost, u jiných barometrický tlak vzduchu a u jiných není jednoduché najít přímý vztah mezi nimi. Při dalším výzkumu je třeba dbát zvýšené pozornosti na podrobnější dokázání míry vlivu jednotlivých parametrů u různých typů skladeb s různými hodnotami faktoru difuzního odporu.

Je zřejmé, že znalosti této problematiky trpí nedostatkem dat. Článek Diffusion Parameters of Basic Diffusion Adhesive Mortars with Silicate or Acrylic Plaster [4] se zabývá porovnáním dvou předchozích skladeb se skladbou s akrylátovou omítkou. Jedná se o tyto skladby:
– skladba 1 (LSHD): difuzní malta bez povrchové úpravy,
– skladba 2 (LSHD + PS + SZO3): difuzní malta + penetrace pod silikátové omítky + silikátová omítka – maximální zrno 3 mm,
– skladba 3 (LSHD + PAS + AZO3): difuzní malta + penetrace pod akrylátové a silikátové omítky + akrylátová omítka – maximální zrno 3 mm.

Druhy skladeb nejsou tak důležité jako jejich faktory difuzního odporu a vlivy relativní vlhkosti. První skladbu známe, jde o naši skladbu 1. Druhá skladba je známá také, jde o naši skladbu 2. Třetí z nich měla faktor difuzního odporu 91,1 při relativní vlhkosti 52 % a 105,8 při 43 %. Rozhodující nejsou přesná čísla, ale fakt, že průběh je stejný. Jestliže máme skladbu s opravdu malým faktorem difuzního odporu kolem 8 zdá se, že je faktor ovlivněn relativní vlhkostí dolů. Jestliže je faktor o něco větší, snižující se relativní vlhkost způsobuje změnu faktoru difuzního odporu nahoru. Čím vyšší je faktor difuzního odporu, tím větší je tato změna. Samozřejmě je nutné zkoumat více typů skladeb, stejně tak jako ostatní okrajové podmínky a jejich míru vlivu na faktor difuzního odporu.

ŠÁRKA NENADÁLOVÁ, LUKÁŠ BALÍK, MILAN RYDVAL, TOMÁŠ BITTNER
foto Jiří Ryszawy

Poděkování
Tento článek byl vytvořen za podpory grantu Excellence GAČR P105/12/G059 a SGS 15/175/OHK1/2T/31.

Literatura:
1) ČSN EN ISO 7783-1: Tenkovrstvé povrchové úpravy – Stanovení propustnosti pro vodní páru.
2) ČSN EN ISO 7783-2: Nátěrové hmoty, hmoty pro povrchové úpravy – Stanovení propustnosti pro vodní páru.
3) BALÍK, L., J. KOLÍSKO. The Influence of Incoming Parameters on Accuracy of Determination Water Vapour Resistance Factor of Lime and Modified Mortars. 2009.
4) NENADÁLOVÁ, Š., L. BALÍK, M. RYDVAL, T. BITTNER. Diffusion Parameters of Basic -Diffusion Adhesive Mortars with Silicate or Acrylic Plaster. ICEBMP, 2015.

Ing. Bc. Šárka Nenadálová (*1986)
absolvovala Fakultu stavební ČVUT, obor konstrukce pozemních staveb. Pracuje jako vědeckovýzkumný pracovník v Kloknerově ústavu ČVUT, kde současně studuje doktorský obor nauka o nekovových a stavebních materiálech.

Ing. Lukáš Balík (*1973)
absolvoval Fakultu stavební, obor pozemní stavby, profesní modul rekonstrukce a modernizace staveb, a poté doktorský obor na Fakultě stavební ČVUT obor fyzikální a materiálové inženýrství. Pracuje jako vedoucí oddělení stavebních materiálů v Kloknerově ústavu ČVUT.

Ing. Milan Rydval (*1985)
absolvoval Fakultu stavební ČVUT, obor konstrukce pozemních staveb. Pracuje jako vědeckovýzkumný pracovník v Kloknerově ústavu, kde současně studuje doktorský obor nauka o nekovových a stavebních materiálech.

Ing. Tomáš Bittner (*1986)
absolvoval Fakultu stavební ČVUT, obor konstrukce pozemních staveb. Pracuje jako vědeckovýzkumný pracovník v Kloknerově ústavu, kde současně studuje doktorský obor nauka o nekovových a stavebních materiálech.