WPŁYW SOLI NA EFEKTYWNĄ PRZEWODNOŚĆ CIEPLNĄ ŚCIAN BUDOWLI ZABYTKOWYCH

Transkrypt

1 OCZNIKI INŻYNIEII BUDOLANEJ ZESZYT 2009 Komisja Inżynierii Budowlanej Oddział Polsiej Aademii Nau w Katowicach PŁY SOLI NA EFEKTYNĄ PZEODNOŚĆ CIEPLNĄ ŚCIAN BUDOLI ZABYTKOYCH Jerzy YAŁ Politechnia Opolsa, Opole 1. prowadzenie ięszość ścian budowli zabytowych wyazuje objawy nadmiernego zawilgocenia spowodowanego braiem odpowiednich izolacji przeciwwodnych i przeciwwilgociowych. Jedną z głównych przyczyn zniszczeń ścian taich budowli są higrosopijne sole rozpuszczalne w wodzie (głównie chlori, azotany i siarczi). Szodliwy wpływ tych związów chemicznych na budowle zwięsza się wraz ze zwięszaniem się ich ilości w wodzie zawartej w ścianach. Z uwagi na dobrą rozpuszczalność w wodzie, sole wniając do ściany rozładają się równomiernie po jej grubości. Na sute sezonowych zmian zawilgocenia ścian budowli zabytowych, z zawartych w ich porach roztworów solnych (o przewodności cieplnej niższej, niż przewodność cieplna wody) wytrącają się ryształy soli, tóre charateryzują się przewodnością cieplną znacznie więszą od przewodności cieplnej szieletu ściany. arto jedna zaznaczyć, że chociaż sole mogą istotnie podnosić przewodność cieplną wypełnionego nimi materiału porowatego, to wpływ ich roztworów wodnych na tę jego cechę jest bardziej złożony. badaniach zawilgoconych i zasolonych materiałów ściennych stwierdzono zarówno podwyższenie wartości współczynnia przewodności cieplnej, ja również jego obniżenie [1]. Zasolone i zawilgocone ściany powodują zwięszanie się strat ciepła ze styających się z nimi pomieszczeń i pogorszenie w nich warunów higieniczno-sanitarnych. Zapewnienie prawidłowych warunów esploatacji taich pomieszczeń wymaga przyjmowania prawidłowych wartości efetywnej przewodności cieplnej zawilgoconych ścian z uwzględnieniem zawartych w ich porach soli i ich roztworów. niniejszej pracy omówiono wpływ zasolenia na przewodność cieplną materiałów porowatych (wyorzystując nieliczne, dostępne w literaturze prace z tego zaresu) i zaproponowano uogólnienie znanej z literatury formuły MAXELLA-EUCKENA dobrze modelującej współczynni efetywnego przewodzenia ciepła w zawilgoconych materiałach budowlanych na przypade materiałów zawilgoconych i zasolonych; bardzo często spotyanych w ścianach budowli zabytowych. 2. pływ soli i ich roztworów na przewodność cieplną materiałów porowatych Przewodność cieplna materiałów porowatych zawierających ryształy soli jest wyższa od materiałów nie zawierających soli. ynia to z wysoiej przewodności cieplnej soli; np. w przypadu chloru sodu,, o temperaturze 16 o C, wynosi ona 6.5 /(mk). Natomiast

2 przewodność cieplna materiałów zawilgoconych wodnymi roztworami soli jest niższa od przewodności cieplnej materiałów zawilgoconych czystą wodą, przy taiej samej oncentracji objętościowej obu cieczy w materiale. ynia to z obniżania się przewodności cieplnej wodnych roztworów soli wraz ze zwięszaniem się ich stężenia. Na przyład, względną przewodność cieplną wodnego roztworu chloru sodu o temperaturze 20 o C (odniesioną do przewodności cieplnej czystej wody) w funcji jego stężenia masowego można obliczyć ze wzoru [2] gdzie f ( C ) f ( C ), = (1), ( C ) C C. = (2) Powyższa zależność może być wyorzystana przy stężeniu roztworu chloru sodu w przedziale od 5%M do 25%M. Przyładowe wartości względnej przewodności cieplnej roztworów wodnych chloru sodu, a taże chloru wapnia, CaCl 2, i siarczanu sodowego, Na 2 SO 4, w funcji ich stężenia molowego i masowego zawiera tablica 1. Tablica 1. zględna przewodność cieplna wodnych roztworów soli w temperaturze 25 o C wg [3,4] Stężenie roztworu soli CaCl 2 Na SO 2 4 [mol/g] [%M] Z badań przeprowadzonych w przypadu taich gruntów, ja glina i piase, nasyconych roztworami wybranych soli (chloru wapnia, chloru magnezu, MgCl 2, chloru sodu, siarczanu sodowego), wynia, że ich przewodność cieplna w porównaniu z gruntami nasyconymi czystą wodą maleje nawet o 20% w przypadu nasycenia roztworem soli o stężeniu 1 mol/g [5]. ynii podobnych badań przeprowadzonych na próbach piasu i piasu gliniastego, zawilgoconych wodnymi roztworami chloru sodu i chloru wapnia, o oncentracji objętościowej od 0.03 m 3 /m 3 do 0.12 m 3 /m 3, w przypadu piasu, i 0.09 m 3 /m 3 do 0.30 m 3 /m 3, w przypadu piasu gliniastego, przedstawiają tablice 2 i 3 [6]. Przyczyn dużego obniżenia się przewodności cieplnej tych materiałów przy zwięszaniu się stężenia roztworów soli (znacznie więszego, niż wyniałoby to z danych zawartych w tablicy 1) autorzy upatrują w zmianach mirostrutury gruntu spowodowanych jego zasoleniem i interacją uładu roztwór-szielet materiału.

3 3. Modelowanie efetywnej przewodności cieplnej zasolonych materiałów porowatych Jednym ze sposobów oszacowania stopnia wpływu zawilgocenia i zasolenia materiału na jego efetywną przewodność cieplną jest modelowanie matematyczne. literaturze można znaleźć wiele postaci analitycznych modeli efetywnego współczynnia przewodzenia ciepła zawilgoconych materiałów porowatych. Przegląd i omówienia najczęściej spotyanych modeli można znaleźć w [7], zaś ich analizę i weryfiację w przypadu ilu wybranych materiałów budowlanych zawiera [8]. Tablica 2. Przewodność cieplna gruntu w funcji stężenia wodnego roztworu chloru wapnia, CaCl 2, wg [6] Przewodność cieplna Stężenie roztworu soli [/(mk)] [g/g] piase piase gliniasty Tablica 3. Przewodność cieplna gruntu w funcji stężenia wodnego roztworu chloru sodu,, wg [6] Przewodność cieplna Stężenie roztworu soli [/(mk)] [g/g] piase piase gliniasty Modelując efetywną przewodność cieplną zawilgoconych i zasolonych materiałów porowatych należy wziąć pod uwagę następujące czynnii na nią wpływające [1, 7]: 1) właściwości szieletu materiału (gęstość, porowatość, oncentracja objętościowa, współczynni przewodzenia ciepła), 2) właściwości ryształów soli zawartych w materiale (rodzaj, gęstość, współczynni przewodzenia ciepła, rozpuszczalność i higrosopijność), 3) właściwości roztworów soli zawartych w materiale (rodzaj, gęstość, współczynni przewodzenia ciepła, stężenie, ciśnienie pary wodnej nad powierzchnią roztworu nasyconego i rozcieńczonego, higrosopijność, ciepło parowania wody), 4) właściwości wody i suchego powietrza wypełniających pory materiału (współczynni przewodzenia ciepła, podciąganie apilarne wody, dyfuzja pary wodnej), 5) zawartość soli i zawilgocenie materiału (oncentracje soli, wody i suchego powietrza). Ponieważ uwzględnienie tych wszystich czynniów w analitycznym modelu przewodności cieplnej jest pratycznie niemożliwe, to w ujęciu fenomenologicznym uwzględnia się tylo wybrane z nich. I ta, modelując efetywną przewodność cieplną zawilgoconych materiałów porowatych najczęściej przyjmuje się, że przewodność ta jest

4 funcją oncentracji objętościowych poszczególnych faz materiału porowatego, czyli szieletu, wody i suchego powietrza, w, w, w, oraz ich przewodności cieplnych, S S,, A, [7]. taim przypadu efetywną przewodność cieplną materiału porowatego można przedstawić w postaci A = ( w w, w ;,, ), (3) S, A S A sąd, po uwzględnieniu relacji łączących oncentracje objętościowe faz materiału z jego porowatością w =, w = w, (4) dostajemy zależność S 1 A ( w, ;,, ), [0, ]. = w S A (5) gdzie w w. óżne postacie zaczerpniętych z literatury analitycznych postaci powyższej funcji można znaleźć np. w [7] i [8]. przypadu zawilgoconych i zasolonych materiałów porowatych, z tórych wyonane są ściany budowli zabytowych, można przyjąć, że szereg fizyczno-chemicznych cech ryształów i roztworów soli w nich zawartych jest ustabilizowana [1]. Dlatego w dalszych rozważaniach założono, że wpływ roztworu soli rodzaju na przewodność cieplną taich materiałów zależy od jego oncentracji objętościowej w oraz przewodności cieplnej, przy czym ta ostatnia powiązana jest ze stężeniem roztworu c i przewodnością cieplną wody zależnością analogiczną do związu (1), a mianowicie ( c ) f ( c )., = (6) Uogólniając zatem zależność (5) na przypade zawilgoconych i zasolonych materiałów porowatych, przy wyorzystaniu relacji (6), można przedstawić ją w postaci [ w, ;, f ( c ), ], w [0, ]. = S A (7) Powyższa funcja osiąga wartość masymalną (najbardziej nieorzystną) w przypadu, gdy pory materiału są wypełnione roztworem. taim przypadu w i w onsewencji zależność (7) przyjmuje ostateczną postać [, f ( c ) ], = (8) ; S tóra pozwala wyorzystać szereg znanych z literatury modeli efetywnej przewodności cieplnej dwufazowych ośrodów porowatych. Z przeprowadzonych w [8] analiz i weryfiacji wynia, że w przypadu rozpatrywanych tam w pełni zawilgoconych materiałów budowlanych (ośrodi dwufazowe) dobrze "przewiduje" ich efetywną przewodność cieplną model MAXELLA-EUCKENA (ME).

5 yorzystując zależność (8) można ten model uogólnić, zapisując go w następującej postaci: ME = f ( c ) ( ) ( 1 ) S f ( c ) f ( c ) S 1, 1 (9) przydatnej do obliczenia strat ciepła przez ściany budowli zabytowych zbudowanych z materiałów, tórych pory wypełnione są roztworami soli. tablicy 4 przedstawiono wartości efetywnego współczynnia przewodności cieplnej zaprawy cementowej i betonu, nasyconych roztworem chloru sodu, obliczone przy wyorzystaniu zależności (2) i (9). Do obliczeń przyjęto =0,608 /(mk), zaś wartości i S zaczerpnięto z pracy [9]. Tablica 4. Przewodność cieplna materiałów budowlanych w funcji stężenia wodnego roztworu chloru sodu, Efetywna przewodność cieplna Stężenie roztworu soli [g/g] [/(mk)] zaprawa cementowa beton 0.23, = , = = S = S Z powyższej tablicy wynia, że chlore sodu zawarty w roztworze wypełniającym pory rozpatrywanych materiałów, nawet przy wysoim jego stężeniu, w zniomym stopniu zmienia ich przewodność cieplną wyznaczoną z modelu ME. Gdyby jedna z roztworu tego wytrąciły się ryształy soli (o przewodności cieplnej =6.5 /(mk)) i wypełniły pory materiału (przypade raczej mało prawdopodobny w warunach realnych), to przewodność cieplna zaprawy wzrosłaby do wartości =4.0 /(mk), zaś betonu do wartości =4.8 /(mk). 4. Podsumowanie Z przeprowadzonych w pracy analiz wpływu wybranych soli i ich roztworów wodnych na przewodność cieplną zasolonych i zawilgoconych materiałów porowatych przy wyorzystaniu uogólnionego modelu MAXELLA-EUCKENA wynia, że wodne roztwory soli zawartych w taich materiałach w zniomym stopniu zmieniają ich przewodność cieplną. Zupełnie inna sytuacja występuje w przypadu soli wyrystalizowanych w porach, gdyż zwięszając przewodność cieplną wypełnionych nimi materiałów w stopniu znaczącym, w taim samym stopniu mogą zwięszyć straty ciepła z pomieszczeń budowli zabytowych.

6 Oznaczenia symboli c stężenie roztworu soli, concentration of salt solution, [g/g], C stężenie roztworu soli, concentration of salt solution, [%M=100%g/g], współczynni przewodności cieplnej, heat conduction coicient, [/(mk)], w oncentracja objętościowa, volume concentration, [m 3 /m 3 ], porowatość, porosity [m 3 /m 3 ]. Indesy dolne (subscripts) efetywny, ective, S szielet, seleton, woda, water, roztwór soli, salt solution. Literatura [1] Jeziersi., Kosior-Kazberu M.: spółczynni przewodzenia ciepła zasolonych materiałów ściennych, Przegląd Budowlany, 6, 2008, [2] Yusufova V. D., Pepinov. I., Niolaev V. A., Guseinov G. M.: Thermal conductivity of aqueous solutions of, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 29, 4, 1975, [3] Jamieson D.T., Irving J.B., Tudhope J.S.: Liquid thermal conductivity, National Engineering Laboratory, Edinburgh [4] Ozbe H., Philips S.L.: Thermal conductivity of aqueous solutions from 20 C to 330 C, LBL 9086, Department of Energy, University of California [5] Noborio K., McInnes K. J.: Thermal conductivity of salt-affected soils, Soil Sci. Soc. Am. J., 57, 1993, [6] Abu-Hamdeh N.H., eeder.c.: Soil thermal conductivity: ects of density, moisture, salt concentration, and organic matter, Soil Sci. Soc. Am. J., 64, 2000, [7] yrwał J., Marynowicz A., Świrsa J.: ybrane modele efetywnej przewodności cieplnej porowatych materiałów budowlanych I: przegląd. ocznii Inżynierii Budowlanej, Komisja Inżynierii Budowlanej Oddziału PAN w Katowicach, 7, 2007, [8] yrwał J., Marynowicz A., Świrsa J.: Effective thermal conductivity of porous building materials analysis and verifications. Baufizi, 30, 6, 2008, [9] Khan M.I.: Factor affecting the thermal properties of concrete and applicability of its prediction models, Building and Environment, 37, 2002, THE INFLUENCE OF SALT ON EFFECTIVE THEMAL CONDUCTIVITY OF MONUMENTAL BUILDING ALLS Summary Modeling energy transfer in salt-affected monumental building walls requires nowledge of heat, salt, and water interaction. Effective thermal conductivity is a very important parameter in the thermal performance analysis of building walls. In this paper the ect of soluble salts on the ective thermal conductivity of porous materials is investigated and the MAXELL-EUCKEN model is evaluated.

7