Η μικροδομή ως κρίσιμος παράγοντας της υδροθερμικής συμπεριφοράς των δομικών υλικών

Abstract

Τηε mechanisms and moisture transport phenomena have occupied the international research extensively in the last decades, both in traditional and in modern building materials. This is because the presence of moisture in materials affects their aesthetic and mechanical properties, their life span as well as their restoration cost. Nevertheless, the mechanisms that control the moisture transfer phenomena are poorly understood and their association with the microstructure of building materials. A better understanding of the moisture transfer phenomena is crucial because, it can result in a better damage assessment and in the development of suitable materials, meeting the requirements for durability and protection of historical structures.The mathematical modeling of the porous building materials moisture transport phenomena is one of the most effective tools which can contribute to the treatment of moisture damage. Moreover, through the mathematical modelling, the moisture accumulation in the materials can be realized, thus reducing the repair and recovery time. For many years efforts have been made by many researchers towards modeling of moisture transport phenomena in porous materials. Most research so far is based on phenomenological equations,borrowed from Soil Physics, which calculate the speed and flow rate of humidity in building materials. Furthermore, the existing models are mainly based on theoretical calculations and not on experimental measurements of the variables, thus affecting their reliability inpredicting moisture transport phenomena in porous building materials.Taking all this into account, the present research study has the following objectives:a) Study of the mechanisms of moisture transport phenomena through capillary rise and drying on porous building materials of various compositions, by examining their relation with their microstructure and materials properties.b) Modeling of the mechanisms of moisture transport phenomena in building materials and the prediction of their hygrometric behavior.In the present study three general types of natural and artificial construction materials (bricks, stones and mortars) of different compositions and with different microstructural characteristics were selected and studied. The microstructural characteristics of the selected building materials were investigated with Mercury Intrusion Porosimetry, while the hygrometric properties of the materials were studied through gravimetrical experiments.The moisture transport phenomena taken into account during the study were capillary rise water absorption, which is considered the main mechanism of moisture suction into a porous material, and drying, which governs the moisture move from the material to environment. The drying process was performed immediately after each material capillary water saturation was completed. In the first stage, capillary water absorption experiments were performed, in order to investigate the influence of various environmental factors on critical hygrometric materials parameters. Furthermore, capillary rise - drying experiments were conducted, under controlled conditions of temperature, relative humidity and air velocity, in order to study the effect of these environmental parameters on the materials moisture transport phenomena. Regarding the modeling of the moisture transport phenomena, semi-empirical first order kinetics models were used, followed by the fitting of the mathematical models to the experimental data, in order to investigate the suitability and the adaptability of the models. Furthermore, physical parameters, associated with the materials characteristics and the influence of the environment were determined. The results show that the suggested mathematical models are successful, as they take into account both the environmental parameters and materials intrinsic characteristics and successfully predict the experimental data.In the final stage, a correlation of the phenomenological parameters of the capillary rise -drying models, both among each other and with materials intrinsic characteristics was successfully performed, and this study was concluded with the proposal of a new hygrometric material parameter which takes into account, both the material properties and various environmental parameters, thus describing materials hygrometric behavior in a more effective manner.

Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν απασχολήσει τη διεθνή έρευνα οι μηχανισμοί και τα φαινόμενα μεταφοράς υγρασίας, τόσο στα παραδοσιακά όσο και στα σύγχρονα δομικά υλικά. Αυτό συμβαίνει γιατί η είσοδος της υγρασίας στα υλικά επιδρά στις οπτικές και στις μηχανικές ιδιότητές τους, στην πρόβλεψη του χρόνου ζωής τους καθώς και στο κόστος αποκατάστασης τους. Παρ’ όλα αυτά, είναι ελάχιστα κατανοητοί οι μηχανισμοί που ελέγχουν τη μεταφορά της υγρασίας καθώς και τη συσχέτισή της με τη μικροδομή των δομικών υλικών. Η καλύτερη κατανόηση των φαινομένων μεταφοράς της υγρασίας είναι απαραίτητη γιατί μέσω αυτής γίνεται καλύτερη αξιολόγηση των βλαβών καθώς και ανάπτυξη κατάλληλων υλικών που πληρούν τις απαιτήσεις όσον αφορά την ανθεκτικότητα και την προστασία.Η μαθηματική μοντελοποίηση της μεταφοράς υγρασίας στα πορώδη δομικά υλικά είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά εργαλεία τα οποία συμβάλουν στην αντιμετώπιση της ζημιάς που οφείλεται στην υγρασία. Επιπλέον, μέσω της μαθηματικής μοντελοποίησης μπορεί να προβλεφθεί η συσσώρευση υγρασίας στα υλικά περιορίζοντας έτσι το χρόνο επισκευής και αποκατάστασης. Εδώ και πολλά χρόνια έχουν γίνει προσπάθειες από πολλούς ερευνητές για τη μοντελοποίηση των φαινομένων μεταφοράς υγρασίας στα πορώδη υλικά. Η περισσότερη όμως μέχρι τώρα έρευνα στηρίζεται σε φαινομενολογικές εξισώσεις που έχουμε δανειστεί από τη Φυσική του εδάφους για τον υπολογισμό της ταχύτητας και του ρυθμού ροής της υγρασίας στα δομικά υλικά. Εκτός αυτού, τα υπάρχοντα μοντέλα βασίζονται κυρίως σε θεωρητικούς υπολογισμούς και όχι σε πειραματικές μετρήσεις των μεταβλητών τους, προσβάλλοντας με αυτό τον τρόπο την αξιοπιστία τους στη πρόβλεψη των φαινομένων μεταφοράς της υγρασίας στα πορώδη δομικά υλικά.Λαμβάνοντας όλα τα ανωτέρω υπόψη, η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο: α) τη μελέτη των μηχανισμών μεταφοράς της υγρασίας μέσω της τριχοειδούς αναρρίχησης και της ξήρανσης σε πορώδη δομικά υλικά διαφόρων συστάσεων, εξετάζοντας το πώς αυτοί επηρεάζουν αλλά και επηρεάζονται από τη μικροδομή και τις ιδιότητες των υλικών.β) τη μοντελοποίηση των μηχανισμών μεταφοράς της υγρασίας στα δομικά υλικά και την πρόβλεψη της υγρομετρικής συμπεριφοράς τους. Στη παρούσα διατριβή επιλέχθηκαν και μελετήθηκαν τρείς γενικοί τύποι φυσικών και τεχνιτών δομικών υλικών (πλίνθοι, λίθοι και κονιάματα) διαφορετικών συστάσεων και με διαφορετικά χαρακτηριστικά μικροδομής. Τα στοιχεία της μικροδομής των δομικών υλικώνμελετήθηκαν με τη βοήθεια της πορομετρίας Υδραργύρου ενώ παράλληλα μελετήθηκαν στοιχεία που αφορούν τις υγρομετρικές ιδιότητες των υλικών. Τα φαινόμενα μεταφοράς της υγρασίας που ελήφθησαν υπόψη κατά τη διάρκεια της διατριβής ήταν η τριχοειδής αναρρίχηση, η οποία αποτελεί τον κυριότερο μηχανισμό εισόδου της υγρασίας σε ένα πορώδες μέσο, και η ξήρανση μέσω της οποίας εξέρχεται η υγρασία από το υλικό. Η διαδικασία της ξήρανσης πραγματοποιήθηκε αμέσως μετά από τον τριχοειδή κορεσμό κάθε υλικού με νερό. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα τριχοειδούς αναρρίχησης με σκοπό να διερευνηθεί η επίδραση διαφόρων περιβαλλοντικών παραγόντων πάνω σε κρίσιμες υγρομετρικές παραμέτρους των δομικών υλικών.Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα τριχοειδούς αναρρίχησης – ξήρανσης σε ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας αέρα, σχετικής υγρασίας και ταχύτητας αέρα με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση αυτών των παραγόντων στα φαινόμενα μεταφοράς της υγρασίας στα υπό μελέτη δομικά υλικά. Για τη μοντελοποίηση των φαινομένων μεταφοράς της υγρασίας, χρησιμοποιήθηκαν ημι-εμπειρικά μοντέλα κινητικής πρώτης τάξης ενώ ακολούθησε προσαρμογή των μαθηματικών μοντέλων στα πειραματικά δεδομένα, με στόχο να διερευνηθεί η καταλληλότητα και η προσαρμοστικότητα των μοντέλων. Επιπλέον έγινε ο προσδιορισμός των φυσικών παραμέτρων που σχετίζονται με την επίδραση των ιδιοτήτων των υλικών και την επίδραση του περιβάλλοντος. Βρέθηκε ότι τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν, λαμβάνουν υπόψη τους τόσο τις περιβαλλοντικές παραμέτρους όσο και τις εγγενείς ιδιότητες των υλικών και προβλέπουν με ακρίβεια τις πειραματικές τιμές. Στο τελικό στάδιο, συσχετίστηκαν οι φαινομενολογικές παράμετροι των μοντέλων τριχοειδούς αναρρίχησης – ξήρανσης, τόσο μεταξύ τους όσο και με στοιχεία της μικροδομής των υλικών ενώ η διατριβή ολοκληρώθηκε με την πρόταση μιας νέας υγρομετρικής παραμέτρου για κάθε υλικό η οποία λαμβάνοντας υπόψη της τόσο τις ιδιότητες των υλικών όσο και τις διάφορες περιβαλλοντικές παραμέτρους περιγράφει με πολύ ικανοποιητικό τρόπο την υγρομετρική συμπεριφορά των υλικών.