• építőanyag

Az építőanyagok porozitása

Az általánosan jó hőszigetelő tulajdonságaik miatt szinte kizárólag porózus építőanyagokat hasz­náltak korábban és használnak ma is. Az ásványi építőanyagok – ahogyan már korábban ismertet­tük – kötőanyagból, adalékanyagból és a kötési folyamatból és az ezzel járó tömörödésből vissza­maradó pórusokból állnak. A pórusok összessége képezi az adott anyag pórusrendszerét. Mivel a pórusok gyakran egymással összekapcsolódnak, és méretük adott anyagon belül is meglehetősen különböző lehet, egyre elterjedtebben használ­juk a pórusméret-eloszlás és a pórusgeometria fogalmakat.

Pórusok mérete és eloszlása

A nedvességtranszportért elsősorban természetesen a pórusrendszer felelős. A pórusok mérete és a pórusméret eloszlás – tehát az anyag tulajdonképpeni porozitása – döntő jelentőségűek a fizikai tulajdonságok szempontjából, mint pél­dául a kapilláris-víztranszport, a vízgőzáteresztő képesség és természetesen idetartoznak a szorpciós tulajdonságok is.

Minden szervetlen kötőanyagból keletkező, kapillárporózus építőanyagban idővel megváltozik a pórusok mérete és szerkezete az utólagos átkristályosodás és kristályképződés következtében. Ter­mészetes körülmények mellett sem a cementeknél, sem a különböző mészfajtáknál nem állandósul tartósan a porozitás. Ezek a változások többi között az adott anyag elsődleges porozitásához tartoznak, ami akkor alakul ki, amikor bizonyos mennyiségű (adalékanyagot tartalmazó vagy a nélküli) kötő­anyagot viszünk a rendszerbe.

Ezen túlmenően a kötési és kristályképződési folyamat során folya­matosan alakul ki az ún. másodlagos porozitás, amit a felhasználás módja (keverővíz), továbbá a víz kipárolgása vagy a zsugorodás határoz meg. A másodlagos porozitás folyamatosan változik a kristályképződési folyamatoknak köszönhetően. A tartós porozitás kialakulására természetes építő­anyagok esetén a légkörben megtalálható anyagok is hatást gyakorolnak azzal, hogy járulékos oldódási és kristályképződési folyamatokat idéznek elő.

A pórusok jellegzetes fizikai tulajdonságai

A pórusterek legfontosabb fizikai tulajdonságai közé tartozik a kapillaritás, amit a későbbiekben önálló fejezetben részletesebben tárgyalunk, ugyanígy a szorpció is, a termikus nedvességvezető képesség, a kapilláristörés és az oldatok termodiffúziója. A következőkben ezekkel és az elektrokinetikai je­lenséggel, továbbá az oldhatósággal a pórusokban, ill. a kapillárporózus építőanyagok kiszáradásával foglalkozunk részletesebben.

Mivel szűk kapillárisokról és pórusterekről van szó, a kondenzációra más törvények érvényesek, mint szabad térben. Minél kisebbek a kapillárisok, annál kevesebb nedvességre van szükség ahhoz, hogy létrejöjjön a kapilláriskondenzáció, amiből a későbbiekben részletesebben szó lesz.

Az a nedvességmennyiség, amit egy kapillár­porózus építőanyag a környezet levegőjének víz gőztartalmából felvesz, függ a relatív páratartalom­tól és a mindenkori hőmérséklettől, ill. a pórusok fajtájától és szorpciós fizikai tulajdonságaitól. Ezt a nedvességet szorpciós nedvességnek, a jelenséget pedig szorpciónak nevezzük. A jelenség leírására gyakran a higroszkóposság fogalmát választ­ják, annak ellenére, hogy ezt csak sók esetében szabadna használni. A szorpciót lényegében két dolog jellemzi: egyrészt minden felület közvetlen közelében – a felület minőségétől függően – jelen van a nedvesség vagy bizonyos gázok egy vékony rétege, másrészt pedig meghatározó jelentőségű a kapilláriskondenzáció, amelynek különösen ked­veznek az ék alakú pórusok.

A kapillárporózus testekben lejátszódó egyik fontos jelenség a nedvesség termikus vezetése. A kapillárporózus testekben a folyékony víz áramlása mindig a hőárammal azonos irányú, a víz tehát a melegebbről a hidegebb hely irányába áramlik. Ha például ezzel egyidejűleg gázbuborékok vannak a nedvességben eloszlatva, akkor ezek a buborékok a gáztörvénynek megfelelően viselkedve kiterjednek, és a megnövekedett térfogatú buborékok járulékos folyadéktranszportot hoznak létre abba az irányba, amerre a hőmérséklet csökken.

Amikor egy adott építőanyagon belül a kapil­láristér hirtelen eredeti átmérőjének többszörösére növekszik, az megszakítja a kapilláris-nedvesség­transzportot. Ilyenkor a megnagyobbodott póruson belül már csak gázállapotban transzportálódik az anyag. A megnövekedett pórustér ezt követően már nem telhet folyadékkal, és kapilláris úton nem juthat bele nedvesség. Amennyiben újra leszűkül a pórustér, a nedvességtranszport az ismételt konden­záció (kapilláriskondenzáció) miatt ismét folyékony formában megy tovább. Ezt a jelenséget az ún. légpórusok (vagy makropórusok) formájában a be­tontechnológiában vagy a javító vakolatokban már évtizedek óta kihasználják. Erre a témára egy későbbi fejezetben szintén visszatérünk, amikor sókkal szennyezett homlokzatok felújításáról lesz szó.

A továbbiakban az elektroozmózis, a kataforézis és az anaforézis elnevezésű elektrokinetikus jelen­ségekről lesz szó. Az elektroozmotikus hatás az elektroforézishez és az elektrodialízishez hasonlóan azon alapszik, hogy az anyagok egyes összetevői­nek különböző az elektromos szerkezete. Amennyiben két különböző anyagi karakterrel rendelkező közeg találkozik, teljesen általánosan az érintkezési felületen elektromos potenciálkülönbség alakul ki, amit potenciálnyomásnak is nevezünk.

Ilyenkor az érintkezési felület mindkét oldalán elektromosan feltöltődnek az anyagok, vagyis az egyik felületen pozitív töltésfelesleg halmozódik fel, ugyanakkor a vele szemben álló felület töltésének nagysága ugyanakkora, viszont negatív előjelű lesz. Ezt kö­vetően az elektromos kettősréteg ionjainak hatására egyenáram hatására a részecskék elmozdulnak. Az elektromosan töltött folyadékrészecskék, amelyek a részecskék felszínén találhatók, ilyenkor az ellenke­ző irányba mozdulnak el, mint maguk a részecskék. A feltöltődés bekövetkezhet porózus anyagok ese­tében is, például téglában, terméskőben stb.

Tehát, ha egy építőanyag kapillárisai meg van­nak telve vízzel, akkor az érintkezési felületen a szilárdtestekben és a folyadékokban egyforma nagyságú, ellentétes előjelű elektromos potenciál ébred. Rendszerint a szilárd test a negatív, a határ­felületen található folyadék pedig pozitív töltésű. Ha a kapilláris egyik végére pozitív, a másik végére pedig negatív elektromos mezőt kapcsolunk, a ned­vesség a katód irányába fog vándorolni.

Mesterséges egyenfeszültség rákapcsolásakor tehát mozgásba jönnek a folyadékrészecskék, mégpedig oly módon, hogy a kapillárisra kapcsolt elektród polaritásától függően a folyadék megindul felfelé vagy az ellenkező irányba. Fordított esetben az történik, hogy folyadék áramlik át egy kapillári­son, és ez okoz potenciálkülönbséget. Egyszerűen kifejezve: ha víz (különösen oldott sókat tartalmazó víz) áramlik át egy kapillárison (pl. a falazatban), akkor áramlási potenciál alakul ki. Ezt a hatást, ill. fizikai jelenséget nevezzük elektroozmózisnak.

Ennek a fordítottja az elektroforézis

Ilyenkor apró szilárd szemcsék vannak szuszpendálva a folya­dékban, és elektromos feszültség hatására a szilárd szemcsék az anód irányába indulnak el, a folyadék pedig a katód irányába kezd el mozogni.

Ezeknek a felületeknek és a pórustereknek a különböző fizikai tulajdonságai (amelyeket a fizika törvényei határoznak meg) befolyásolják döntő mértékben, hogy a kapillárisán aktív szilárd tes­tekben található víz különböző módon viselkedhet. Egy teljesen telített építőanyagban a hőmérséklet meg fog egyezni a nedveshőmérő hőmérsékletével, amíg a kapillárisnedvesség vissza nem húzódik a felszínről az építőanyag belsejének irányába. Ez­után növekedni kezd a hőmérséklet, és a kapilláris­vezetőképesség mellett egyre inkább teret nyer a vízgőzdiffűzió.

Egy anyag oldhatósága egyforma körülmények között nem állandó, hanem függ az anyag szemcse­méretétől. A kristályok oldhatósága függ a kristályok méretétől. Mivel akapillárporózus építőanyagokban/ épülettestekben többnyire olyan rendszerekről van szó, amelyek falait a leggyakrabban a legfinomabb kristályok fedik bel, ilyenkor rendszerint nagyobb oldhatósággal kell számolni. Különböző kísérletek alapján ma már tudjuk, hogy a kristályok oldhatósá­gának növekedése csak 0,002 mm-es szemcseméret alatt lesz jelentősebb mértékű.

A pórusok mérete

A 10^-7m-nél kisebb sugarú pórusokat mikropó-rusoknak nevezik, 10^-9 m-nél kisebb sugár esetén pedig gélpórusról beszélünk. Egyik sem alkalmas kapilláris-víztranszportra, ill. kapilláris-vízfelvé­telre. A víz ilyenkor csak vízgőz formájában juthat a pórustérbe. Tehát ezek az anyagok szigetelőként viselkednek a kapillárisán felszálló nedvességgel szemben. Egyrészt nincsenek abban a helyzetben, hogy kapilláris úton vizet vegyenek fel, viszont éppen ezért nem is impregnálhatok egykönnyen.

A 10^-7-10^-2m mérettartományba eső pórusokat makro- vagy kapillárpórusoknak nevezik. Ezek alkalmasak kapilláris-vízfelvételre, és a kapillá­rishatás miatt képesek vizet vagy más folyadékot transzportálni az építőanyagon belül. Ez annyit jelent, hogy ezek az anyagok nemcsak a víz szá­mára hozzáférhetők, hanem minden további nélkül impregnálhatok.

Légbuborékok

Azokat a pórusokat, amelyek sugara 10^-2 m-nél nagyobb, légbuborékoknak nevezzük. Ezek mé­rete már a mm-es tartományba esik, kapilláris ­vízfelvételre szintén alkalmatlanok. A mikro- és gélpórusokhoz hasonlóan nedvesség csak vízgőz formájában juthat beléjük, vagy folyékony halmaz­állapotban, de nagy nyomás hatására.

A pórusrendszer tárgyalása során meg kell még különböztetni zárt és nyílt pórusokat, továbbá át­járható és ún. zsákpórusokat. Cement kötőanyag esetén pedig a természetes és mesterséges légbubo­rékok között is különbséget kell tenni. A mestersé­ges légbuborékok javítják a már megkötött habarcs minőségét. Azonban a pórustérfogat önmagában nem jellemzi az építőanyagot.

A pórusméret-elosz­lás a legfontosabb ismertetőjegyek egyike, amely­ből helytálló következtetéseket lehet levonni az építőanyagban végbemenő nedvességtranszporttal kapcsolatban. Ha két anyag pórustérfogata meg­egyezik, az egyaránt jelenthet sok kicsi vagy keve­sebb nagyméretű pórust. Mikro- és makropórusok különböztethetők meg. Kapilláriskondenzáció útján a 10^-7m (0,1 um) sugarú pórusok még meg­telhetnek vízzel. Ezért ezt a méretet előszeretettel tekintik küszöbértéknek, ami a mikropórusokat a makropórusoktól megkülönbözteti.

További jellemző a pórusgeometria

A pórusok henger, ék, hasadék vagy gömb alakúak lehetnek. Egymással különböző mértékben lehetnek össze­kötve, ettől függően megkülönböztethetők nyitott pórusok (legalább két nyílás), zsákpórusok (egy nyílás) és zárt pórusok (nyílás nélkül). A ned­vességháztartás szempontjából csak a nyitott és a zsákpórusok jelentősek, mivel a víz csak ezen pórusfajtákba képes behatolni.

Az épületfizika és az anyagismeret keretein belül komoly érdeklődés övezi a víz számára nyitott pórusterek alaposabb jellemzését, hiszen bizonyos mértékben befolyásol­ják az építőanyagok tulajdonságait, és speciálisan meghatározzák a víz- és a vízgőzfelvételt, továbbá vízleadó képességet. Az építőanyagból vett mintát tömegállandóságig víz alatt tartják. Miután minden pórus megtelt vízzel, a száraz és a nedves minta közötti tömegkülönbségből meghatározható a nyílt porozitás, a következő egyenlet szerint:

A nyílt porozitást (normál vízfelvétel esetén) rendszerint térfogat %-ban adják meg. Ez arra utal, hogy a minta össztérfogatának mekkora részét teszik ki a nyílt pórusok. Azonban ez a számítási mód hibás, hiszen a zsákpórusokra jellemző, hogy minden kísérlet során maradnak vissza bennük légzárványok. Ez a kifőzős-módszerrel elkerülhető. Ilyenkor forrásban levő vízbe teszik az anyagmin­tát.

Ha az építőanyagokat a pórusok részarányát figyelembe véve összehasonlítjuk, megállapítható, hogy a közel egyező pórusarányú anyagok egé­szen más termikus tulajdonságokat mutatnak és másképp viselkednek vízzel szemben. Ennek az építőanyagok póruseloszlása az oka, amit szinte mindig közvetett úton határoznak meg. Egy erre jól bevált módszer a higanyporozimetria. Mivel az építőanyagok felszíne taszítja a higanyt, azt nagy nyomással kell belepréselni a pórusokba. A nyomás és a beszivárgó higany mennyisége közötti összefüggésből a korszerű épületdiagnosztika el tudja készíteni a pórusok sugarának eloszlásgörbéjét.

Vízgőzáteresztő képes­ség

Végül megállapítható, hogy a pórusgeometria jelentős hatást gyakorol a vízgőzáteresztő képes­ségre. A palack alakú pórusok az üveg nyakához hasonló szűk bejárattal a vízfelvétel növekedését eredményezik. Az építkezések során gyakran hasz­nálnak inhomogén anyagokat. A mesterséges és természetes kövek mikroszerkezete egyaránt gömb, levélke vagy tű alakú részecskékből tevődhet össze. A pórusok mennyiségét legtöbbször a pórustérfogat és a porózus anyag össztérfogatának hányadosaként adják meg.

A teljes pórustérfogat különböző sugarú pórusok között oszlik meg. Mivel a pórusok sugara általában nem ismert, egy teoretikus, ún. hidrauli­kus sugárból szokás kiindulni. Ez a pórustérfogat és a belső felület viszonyából számítható. A belső felület az összes pórus felületének az összege, és kísérleti úton viszonylag gyorsan meghatározható. Ezek szerint a porozitás, a sűrűség és a vízfelvétel kölcsönösen függenek egymástól, és direkt össze­függés írható fel rájuk.