Rozdział V WARSTWOWY MODEL ZNISZCZENIA POWŁOK W CZASIE PRZEMIANY WODA-LÓD. Wprowadzenie

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Rozdział V WARSTWOWY MODEL ZNISZCZENIA POWŁOK W CZASIE PRZEMIANY WODA-LÓD. Wprowadzenie"

Michalina Piotrowska
5 lat temu
Przeglądów:

6 Rozdział WARSTWOWY MODL ZNISZCZNIA POWŁOK W CZASI PRZMIANY WODA-LÓD Wpowadzenie Występujące po latach eksploatacji zniszczenia zewnętznych powłok i tynków budowli zabytkowych posiadają często

1 6 Rozdział WARSTWOWY MODL ZNISZCZNIA POWŁOK W CZASI PRZMIANY WODA-LÓD Wpowadzenie Występujące po latach eksploatacji zniszczenia zewnętznych powłok i tynków budowli zabytkowych posiadają często typowo wastwowy chaakte, kiedy to odspojeniu ulega cienka, pzypowiezchniowa wastwa mateiału o kapilano - poowatej stuktuze. Najczęstszym pzejawem tych zniszczeń jest tzw. głuchy tynk, kiedy to odspojona od muu wastwa tynku zmienia dźwięk na ganicy tynku i szczeliny powstałej w efekcie zniszczenia mateiału. Stwiedzona óżnica dźwięku między sąsiednimi częściami wypawy jest najpostszym sposobem oceny wastwowej destukcji mateiału. Poblem ten będzie obecnie opisany. Powstaje po piewsze pytanie - dlaczego nie ulega zniszczeniu ciągłemu wastewka bezpośednio stykająca się z powiezchnią, a odspojeniu ulega wastwa głębiej położona. Paca podaje najpostsze wyjaśnienie tego mechanizmu w pzypadku pzemiany woda-lód w sieci kapila. miejsca odspojeń wypaw i sztukateii od powiezchni Rys.. Kościół St. Gevaise w Payżu Zauważmy, iż naszkicowany tu mechanizm zniszczeń występuje w każdej zawilgoconej zewnętznej powiezchni części zabytku naażonej na działanie mozu.

2 62. Zamazanie wody w ścianach Analizować będziemy pzepływ wilgoci w znanym ozkładzie tempeatu w jednoodnym mateiale kapilano - poowatym. W sieci kapila dochodzi w okeślonych miejscach do pzemiany fazowej woda-lód. Zakładamy, iż na powiezchni zewnętznej występuje zmienne stężenie wilgoci. Kolejne etapy zniszczenia wastwowego pzedstawia ys. 2. c c > c z c z t = + +2 C s <,9 s >,9 +2 C - 2 C - 2 C t > obsza nasycenia A B σ max C +2 C ozkład napężeń t >> Rys. 2. Wastwowy mechanizm zniszczenia tynku g zniszczenie wastwowe d W początkowym stanie mamy pawie pełne zawilgocenie (t = + ). Po pewnym czasie woda miguje do otoczenia i występuje na powiezchni znaczny jej ubytek. To mniejsze zawilgocenie choni wypawę pzed ozsadzeniem w bezpośednim sąsiedztwie powiezchni. Jednakże w stefie pawie pełnego nasączenia i wypełnienie kapila istnieją waunki do twozenia się byłek lodu. Powstają tam zmiany napężeń a dalej po zniszczeniu (ozsadzeniu kapila pzez lód) dochodzi do odspojenia wypawy (ys. 2d) 2. Model pocesu Zawilgoconą pzegodę taktować będziemy jako ośodek tójskładnikowy (szkielet o ρ, fazę ciekłą ρ oaz lód ρ 2 ). Słuszne są tu pacjalne bilanse masy

3 63 ρ t + div dc dt ( ρ v ) = R lub ρ + div( ) = R =,, 2 j gdzie c ρ =,, ρ v = w + u, ρw = ρ v j = ρ u Po zsumowaniu bilanse te powadzą do zasady zachowania masy ρ + div( ρw) = t W uposzczonym ujęciu poblemu ozkład dyfundującej wilgoci będziemy utożsamiali z uchem fazy ciekłej c. Dyfuzję fazy ciekłej c okeśla układ ównań ρ c& + divj = R, j = Dgadc W jednowymiaowym pzypadku szczególnym zachodzi 2 c ρ c& = D, c( = = = 2 + ) c, c( x ), c( x = H ) x = Z ozwiązania ównania dyfuzji otzymamy zmienny w czasie ozkład stężeń ciekłej wody. Kolejną wielkością chaakteystyczną jest stopień wypełnienia kapila s. Z podobnego ównania pzewodności cieplnej ρ c v T t = divq, q = λgadt oaz T ) = T, q = T ( T T ) n ( + okeślimy ozkład tempeatuy T, uzależniony od stumienia ciepła q oaz własności mateiału, czyli ciepła właściwego c v i współczynnika pzewodności cieplnej λ. W tych wstępnych ozważaniach pzepływy ciepła i wilgoci taktujemy niezależnie. Kolejnym zagadnieniem szczegółowym jest stopień wypełnienia kapila. Znamy tu ozkład śednic kapila w mateiale jako podstawową chaakteystykę geometyczną. Oczywiście najbadziej uchliwe są cząstki cieczy w najszeszych kapilaach, a najbadziej związane w najwęższych. Wynika stąd, iż w piewszej kolejności wypełniają się najwęższe kapilay. Z ugiej stony w

4 64 tych wąskich kapilaach pzemiana wody w lód zachodzi w niskich tempeatuach zędu -25 C. d max Rys. 3. Całkowa i óżniczkowa kzywa gęstości ozkładu poów Objętość kapila na jednostkę objętości mateiału okeśla elacja = m d natomiast stężenie objętościowe c zależność c = d gdzie,, aktualnym oaz maksymalnym zędu -4 m. m są odpowiednio minimalnym pomieniem kapilay zędu -8 m, 3. Kystalizacja lodu w sieci kapila Analiza ozkładów pól tempeatu i wilgoci jest wstępnym etapem wyjaśniania wastwowego mechanizmu zniszczeń wastw tynku. Kolejny związany jest z anomalnym pocesem kystalizacji lodu w sieci kapila. Z diagamu óżnych fom pzemian fazowych wody wynika, iż pzy osnącym ciśnieniu woda pzechodzi w lód w tempeatuach niższych od zea (-28 < T < C), pzy czym w najwęższych kapilaach zawsze pozostanie w fazie ciekłej, ponieważ tam kyształy lodu mogą powstać tylko pzy wysokim ciśnieniu. Pzeanalizujemy teaz waunki powstawania lodu w tzech typowych miejscach ściany:

5 65 - w zewnętznej wastwie (A), gdzie panuje najniższa tempeatua oaz stosunkowo najmniejsze zawilgocenie - w wastwie pośedniej (B), pzy umiakowanym zawilgoceniu i tempeatuze - w wastwie śodkowej (C), pzy dużym zawilgoceniu ale stosunkowo wysokiej tempeatuze W piewszej kolejności wypełnione są wodą mikokapilay, a następnie coaz szesze pustki i kapilay. d A d B max max L T -28 C -2 C L T max L -5 C d C T > C T Rys. 4. Wzost objętości lodu w sieci kapila w częściach: A - na powiezchni zewnętznej, B - w części pzypowiezchniowej, C - we wnętzu pzegody W pzypadku (A) słabe wypełnienie cieczą nie powoduje zniszczeń, ponieważ bak wilgoci zdolnej do pzemiany fazowej. W pzypadku (C) z kolei, mamy duże wypełnienie sieci kapila, ale ta część znajduje się poza zasięgiem tempeatu ujemnych. Natomiast w pzypadku pośednim (B), mamy co pawda

66 wyższą tempeatuę niż na bzegu, ale za to dużo wilgoci zdolnej do pzemiany w lód. Tam też wystąpią największe napężenia związane z 9% pzyostem objętości.

6 66 wyższą tempeatuę niż na bzegu, ale za to dużo wilgoci zdolnej do pzemiany w lód. Tam też wystąpią największe napężenia związane z 9% pzyostem objętości. Widać więc, że zniszczenia wystąpią między powiezchnią a wnętzem ściany na pewnej gubości g. Z uwagi na cykliczne powtazanie się opisanego pocesu dochodzi do uszkodzeń w okeślonej wastwie muu, znajdującej się w bezpośednim sąsiedztwie zewnętznych wastw tynku. Tynk po pewnym czasie odspaja się od podłoża. miejsca odspojeń tynków Rys. 5. Kłodzko - domy szczytowe stałe zawilgocenie Podaliśmy tu jakościowy opis naastania kyształów lodu w mateiale, któy powadzi do zniszczeń wastwowych tynków. Pozostaje jeszcze do wyjaśnienia mechaniczny aspekt pocesu. 4. Napężenia w sieci kapila Nie cała wilgoć w kapilaze kystalizuje w fomie kyształów lodu. Ilość fazy ciekłej okeśla wyażenie c(-, gdzie c jest stężeniem wilgoci a s - wypełnieniem kapilay, ozumianym jako stosunek objętości gazu do cieczy w kapilaze. Dalej dochodzi do 9% ekspansji kyształów lodu zgodnie z wzoem ε = c( δ zmiana objętości wynosi tu ε = 3c(. ii Pzyjmując z kolei izotopowy mateiał i wywołany pzez pzyost objętości stan napężeń σ jako izotopowy otzymamy u i = Ax ε = 3 A, σ = pδ to stąd i kk A = p( 2v)

7 67 o o 3p( v) Pzyjmując, że ε kk = ε ii, tj. ε ii = i ε o ii = 3c( otzymamy p( v) = c( p = v [ c( ] W miejscu, gdzie p R nastąpi zniszczenie stuktuy. Występujący w tych ozważaniach współczynnik ozszezalności jest zależny od tempeatuy i śednicy kapila. Liteatua [] KUBIK J.: Temiczno-wilgotnościowe pzyczyny defomacji i zniszczeń budowli, ZN WSI w Opolu, 6, Budownictwo z. 32, 99, s [2] KUBIK J.: Poblemy fizyki budowli zabytkowych, Mateiały Konfeencyjne Konfeencji Naukowo-Technicznej Fizyka budowli w teoii i paktyce, Łódź, (współauto Häupl P.), st , 995 [3] KUBIK J.: Zaysowania ścian ceglanych, ZN WSI w Opolu, 6, Budownictwo z. 32, 99, s

Podobne dokumenty

PRZENIKANIE PRZEZ ŚCIANKĘ PŁASKĄ JEDNOWARSTWOWĄ. 3. wnikanie ciepła od ścianki do ośrodka ogrzewanego

PRZENIKANIE PRZEZ ŚCIANKĘ PŁASKĄ JEDNOWARSTWOWĄ. 3. wnikanie ciepła od ścianki do ośrodka ogrzewanego PRZENIKANIE W pzemyśle uch ciepła zachodzi ównocześnie dwoma lub tzema sposobami, najczęściej odbywa się pzez pzewodzenie i konwekcję. Mechanizm tanspotu ciepła łączący wymienione sposoby uchu ciepła nazywa