Fukttransport

Denne teksten omhandler fukttransport i porøse materialer, og vil kort ta for seg de ulike mekanismene for opptak, avgivelse og transport av fukt.

Vannets fysiske og kjemiske egenskaper

På grunn av vannmolekylenes dipolstruktur kreves det mye energi for å øke temperaturen. Varmekapasiteten til vann er faktisk høyere enn for noe annet stoff, og er $4,2kJ/kg*K$ (spesifikk varmekapasitet). En annen viktig egenskap ved vann er hvordan massetettheten varierer med temperaturen og aggregattilstand. Vann utvider seg med 9% når det fryser til is, og dette er grunnen til at vi får frostsprengning spesielt i betong. Se artikkel for mer informasjon om vann. Andre funksjoner ved vann som er nødvendig å ha kjennskap til for å forstå fukttransport er damptrykk, relativ luftfuktighet og overflatespenning.

Vannets bindingsformer til faste materialer

Vann kan bindes til materialer kjemisk, fysikalsk, og mekanisk. De kjemiske bindingene er relativt sterke, slik at vannmolekylene sitter godt fast hvor de er. Kjemisk bundet vann har derfor liten betydning for fukttransport.

Fysikalske bindinger oppstår mellom molekylene på overflatene til det faste stoffet og vannet. Vannmolekylene legger seg lag på lag inntil overflaten av det faste stoffet. Vi sier at vannmolekylene er adsorbert til flaten. Desto lengre ut i lagene molekylet ligger, desto svakere er bindingen. Bindingskraften avhenger av hva slags materiale vannet binder seg til. For vanlige byggematerialer kan man regne med at det legger seg 20-30 lag. Molekylene er så sterkt bundet at de er som seig væske eller fast stoff. For glass er kreftene imidlertid mye høyere. Til sammenligning kan antall molekyllag på en glassflate komme opp i 200. Molekylene er så sterkt bundet at de ikke fordamper fra overflaten før temperaturen er 500 ^oC.

Mekanisk bundet vann omfatter kapillært kondensert vann og vann som ikke er under trykk. Med kapillært kondensert vann, mener man vanndamp som har blitt transportert inn i poresystemet til et materiale, og har kondensert til vann i flytende form inne i materialet. Den mekaniske bindingen er hydrogenbindingen som virker mellom vannmolekyler og binder de sammen i et flytende legeme. Denne bindingen er svakere enn den fysikalske, og vannet lar seg lett transportere.

Fuktopptak og avgivelse, sorpsjon

Begrepet sorpsjon brukes om alle former for fuktopptak både i flytende form og som vanndamp. Vannmolekyler i lufta binder seg fysikalsk til overflaten på legemer i omgivelsene. I porøse materialer får også den mekaniske bindingen stor betydning. Porøse materialer har stor overflate i forhold til ikke-porøse materialer, siden arealet til porene inne i materialet også teller som overflate i denne sammenhengen. Mengden vann som kan tas opp avhenger derfor av materialet. Tre og betong er bygningsmaterialer som er porøse og kan binde mye vann.

Sorpsjon fra luft Mengden vann som kan tas opp avhenger også av RF og temperatur. Stor RF gjør det mulig å binde mye vann. Fuktmengden avtar med stigende temperatur, fordi når temperaturen øker, ryker den fysikalske bindingen til vannmolekylene som ligger i de ytterste lagene, og vannmolekylene fordamper.

Den siste variabelen som påvirker fuktmengden som kan tas opp er størrelsen på porene. Når porene er tilstrekkelig små, vil det begynne å dannes menisker i smale porer som i illustrasjonen (1). Vannet i menisken er fysikalsk bundet til begge overflatene på en gang. Den doble bindingen gir nok kraft til at vannet holdes fast. Den samme mekanismen sørger for at det samler seg ekstra mye vann i små hulrom som i illustrasjon (2)

• 
  (1) Meniskdannelse i innsnøringer.
• 
  (2) Det dannes flere lag med fysikalsk bundne molekyler på grunn av nærhet til større overflate.

Vannmolekylene er omgitt av en større overflate av det porøse materialet, og det dannes flere lag med fysikalsk bundne vannmolekyler enn det ville gjort på en plan flate. Da kan vi si at metningstrykket for vanndampen er lavere for en krum overflate enn for en plan overflate. Vi kan måle hvor krum overflate er ved å fastslå en poreradius (se for deg at poren i (1) er et rør, og poren i (2) er kuleformet). Sammenhengen mellom poreradius og RF er gitt ved Kelvins ligning
$\ln {\frac {p}{p_{m}}}=2*{\frac {\sigma }{r}}{\frac {V}{RT}}$
hvor
p = partialtrykk for vann
pm = metningstrykk for vann (=partialtrykk ved metning)
sigma = overflatespenning mellom luft og vann (=0,073N/m)
r = poreradius
V = molart vannvolum (=0,000018m³/kg)
R = gasskonstanten (=8,314 J/(K*mol))
T = absolutt temperatur (K)

p/pm = RF, så Kelvins ligning gir sammenhengen mellom poreradius og RF. Siden RF er mellom 0 og 1, er $\ln {\frac {p}{p_{m}}}$ mellom 0 og −∞ (uendelig negativt). Observer at når poreradius r blir veldig liten, blir høyre side av ligningen et stort negativt tall. Dette gir at p/pm blir svært liten, altså RF blir svært liten. Det er da p_m som øker i størrelse. p varierer ikke med poreradien.

Sorpsjon i vannfasen Det største fuktopptak i et porøst materiale får vi når materialet er i direkte kontakt med vann, som når det regner. Materialet suger til seg vannet som en svamp; vi sier at materialet absorberer vann. Merk at det betyr noe annet at vannet er adsorbert enn absorbert. Absopsjonen skjer som kapillarsuging. Drivkraften er vannets overflatespenning og adsorpsjonskreftene (fysikalsk binding). Dette kan demonstreres ved å dyppe enden til et tynt rør av glass ned i en vannoverflate, som i (3).

• 
  (3)

Vi ser på det som at det dannes et undertrykk inne i røret på grunn av drivkreftene. Undertrykket kaller vi d_p, og vi finner d_p fra ligningen
O · σ + d_p · A = 0
hvor
O = omkrets av rørtverrsnittet = 2πr
A = areal av rørtverrsnittet = 2πr

Vi kan da finne høyden til vannsøylen fra ligningen d_p = ρgH, hvor
ρ = massetetthet til vann = 1000 kg/m³ og
g = tyngdeakselerasjonen ved jordoverflaten = 9,81 m/s².

Legg merke til at vannsøylen ikke er flat øverst. Dette er fordi avstanden mot adsorpsjonsflaten, her glasset, er nokså lang, slik at adsorpsjonskraften er nokså liten. Langs glassveggen er adsorpsjonskraften stor, så vannet kan trekkes høyere opp. Høyden H er da midlere høyde til vannsøylen.

Kilder

Kompendium Del 1 i TBA4122 Bygnings- og Konstruksjonsmaterialer, NTNU, Trondheim, Januar 2010 (Aalberg, Bohne, Hovde, Jacobsen)